基于VSC的柔性直流輸電技術(shù)研究

介紹了基于VSC的柔性直流型輸出電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，并使用ATP-EMTP軟件仿真建立其模型，得出其正常工作時(shí)的諧波及其不同故障情況下的運(yùn)行特點(diǎn)。最后總結(jié)了柔性直流型輸電系統(tǒng)需重點(diǎn)研究的幾個(gè)基礎(chǔ)理論問(wèn)題及其發(fā)展前景。

1 引言

隨著能源日益緊張和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，目前中國(guó)在極力開(kāi)發(fā)和利用可再生的清潔型能源。由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源利用規(guī)模的日益增大，其分散性、小規(guī)模性、離供電中心較遠(yuǎn)等問(wèn)題，使得采用傳統(tǒng)的交流輸送電力系統(tǒng)或傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)顯得不是很經(jīng)濟(jì)。

相關(guān)電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)使得采用直流型輸電力系統(tǒng)即可解決上述問(wèn)題。采用基于可關(guān)斷型電壓源換流裝置和PWM技術(shù)進(jìn)行直流電輸送，適合應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市區(qū)域電網(wǎng)供電等諸多領(lǐng)域。

根據(jù)實(shí)際情況，特別是西電東送、全國(guó)電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)迫在眉睫的情況下，研發(fā)直流型輸電系統(tǒng)，建設(shè)新一代直流型輸電聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將會(huì)促進(jìn)大規(guī)模電網(wǎng)合并，并逐步完善城市供電和孤島供電等技術(shù)。

2 柔性直流輸電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理

與傳統(tǒng)自然換相技術(shù)的直流型輸電系統(tǒng)不同，VSC-HVDC(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current)是一種以電壓源換流器、可控關(guān)斷裝置和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型的直流型輸電技術(shù)。該技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有功率和無(wú)功率的獨(dú)立解耦控制，能夠自主地向無(wú)源電網(wǎng)供電，極易于構(gòu)成多端直流型電力系統(tǒng)，能極大的增加供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)的輸電能力。下面將介紹VSC- HVDC的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和基本的工作原理。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為柔性直流型輸出電力系統(tǒng)的基本原理框圖，兩端的換流站全部采用VSC基本結(jié)構(gòu)，由換流站、換流變壓設(shè)備、換流電抗設(shè)備、直流電容和交流濾波電路等部分組成。

圖2為在ATP-EMTP中建立模型如下所示：

其中各部分的基本作用如下：

電壓源換流器VSC：電壓源換流器的橋由功率比較大的可控制關(guān)斷電子器件和反并聯(lián)的二極管構(gòu)成。在本論文仿真設(shè)計(jì)中，電壓源換流設(shè)備采用HVDC型模塊，其基本結(jié)構(gòu)為12脈動(dòng)控制整流裝置。

變壓器：變壓器可采用常規(guī)的單相變壓器或者三相變壓器。常見(jiàn)的是采用Y/接法。

換流電抗：換流電抗是VSC與交流電力系統(tǒng)之間的功率傳送的橋梁，它決定換流設(shè)備功率的大小。

直流電容：直流電容是VSC的基本儲(chǔ)能元器件，緩沖橋開(kāi)斷的沖擊電流的能量，減小直流電壓諧波分量。

交流濾波裝置：改善輸出的交流電壓中高次諧波分量，其容量及參數(shù)的設(shè)定依據(jù)換流器開(kāi)關(guān)的頻率來(lái)選定。

2.2 工作原理

直流型輸電系統(tǒng)可分為端對(duì)端直流型供電系統(tǒng)和多端型直流型系統(tǒng)兩類，目前已成功運(yùn)行的直流型系統(tǒng)基本全是兩端型系統(tǒng)，圖1所示即為兩端型直流系統(tǒng)原理圖。

與傳統(tǒng)的晶閘管直流型供電有所差別，柔性直流型供電采用電壓源型換流電路和PWM技術(shù)，利用IGBT可以在高速的情況下進(jìn)行通斷，可將PWM技術(shù)引入到 VSC的基本模型中。由調(diào)制載波和三角型載波比較，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖，使VSC上端橋和下端橋的高頻開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷，則橋中端電壓uc在兩端穩(wěn)定電壓+ud和-ud之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，uc再經(jīng)過(guò)電抗電路濾波后則轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)一側(cè)的交流輸出電壓US。

VSC的基本控制工作原理公式：

公式中，uc為電流轉(zhuǎn)換器輸出端電壓的基波分量;uS為電網(wǎng)一側(cè)的交流輸出電壓;d為uc和uS的相位差;XT為換流電抗電路的同效電抗。從式中可看出，通過(guò)調(diào)控uS，d即可較方便地控制電路輸送的有功功率和無(wú)功功率。如果利用PWM技術(shù)，uc同PWM調(diào)制度M成正比關(guān)系，d是PWM調(diào)制波相位差，因此可利用PWM調(diào)制幅度M和PWM調(diào)制波相位差d，在瞬間改變電網(wǎng)一側(cè)交流輸出電壓的相位和幅值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有功率和無(wú)功率的單獨(dú)控制。