新型直流輸電技術--HVDC LIGHT的應用與展望

0 引言

隨著世界經濟的飛速發(fā)展，科學技術的日新月異，世界各國的能源相對匱乏和環(huán)境污染嚴重等問題備受矚目。新型的、清潔的、可再生的能源發(fā)電已成為電力系統未來的發(fā)展方向，風能、太陽能等新型能源發(fā)電已在世界范圍內逐步擴展，其主要特點之一是分散化與小型化。地理條件與發(fā)電規(guī)模的制約使得利用現有交流輸電技術將這些“孤島”電源與電網連接經濟性差、環(huán)保壓力大。另外，鉆探平臺、島嶼、礦區(qū)等遠距離負荷目前多采用污染性大的柴油發(fā)電機供電，若采用交流輸電技術供電也有同樣問題。用電負荷的不斷增加要求電網規(guī)模與傳輸容量保持持續(xù)發(fā)展，然而增加輸電走廊也面臨越來越多的經濟與環(huán)保限制，尤其在城市負荷中心，增加傳統的架空交流輸電線幾乎不可能。為此，需要一種經濟、靈活、高質量的輸電方式解決上述問題[1]。隨著近年來國外輕型直流輸電技術的快速發(fā)展并應用于實際工程，人們對輕型直流輸電技術的巨大經濟與環(huán)保效益日漸關注。

本文介紹了輕型直流輸電技術的基本結構和工作原理，通過與傳統高壓直流輸電技術的比較，闡述了輕型直流輸電的技術特點和應用情況，對其應用前景進行了具體的分析和展望。

1 輕型直流輸電簡介

20 世紀90 年代末隨著大功率GTO 和大功率IGBT的商業(yè)化應用，輕型直流輸電技術逐漸發(fā)展起來。輕型直流輸電技術是一種基于電壓源變流器(VSC)和脈寬調制(PWM)技術的新型直流輸電技術。輕型直流輸電技術的發(fā)展主要是緣于電壓源變流器(VSC)和用于高壓直流輸電的交聯聚乙烯(XLPE)電纜這兩項基本技術的進步。

1.1 電壓源型變流器

HVDC Light 采用電壓源型變流器(VSC)，變流器的橋臂由大功率可關斷型器件(如：GTO、IGBT或IGCT)和反并聯的二極管組成，如圖1(a)所示。變流器中可關斷器件上并聯的反向二極管，除了作為主回路外，還可以起到保護和續(xù)流的作用[2]。為了獲得所需能量，一般需將多個器件串聯連接構成一個閥,如圖1(b)所示。GTO閥可以承受較高的電壓和允許通過較大的電流，但IGBT閥的優(yōu)勢在于觸發(fā)控制電路功率小、簡單。這是因為前者是電流型控制器件，后者是電壓型控制器件。因此選擇IGBT 將比GTO更為合理。就現今的技術條件下，IGBT 閥的阻斷電壓可達150 kV，基于這種閥的VSC能承擔有效值高達1 kA的交流線電流，對應單個VSC的設計容量約為150 MV·A。這樣，一個雙極性系統可以很容易達到300 MV·A。

輕型直流輸電基于PWM的控制方法，能夠獨立控制有功功率和無功功率，并能限制產生的低次諧波，提高電能質量。由高頻開關器件IGBT構成的正弦脈寬調制(SPWM)式VSC變流器的單相電路如圖2所示。

如圖3 所示，其工作原理是：工頻正弦波控制信號uC 經與三角波載波信號uT比較產生觸發(fā)信號ui。

當V1 被觸發(fā)導通后，輸出電壓uo=Ud / 2;當V2被觸發(fā)導通后，uo=-Ud / 2，由于V1和V2不同時觸發(fā)導通，所以uo只有±Ud / 2兩種數值。經變流電抗器和濾波

器濾除uo中的高次諧波分量后，在交流母線上可得到與uC波形相同的工頻正弦波電壓us。其中，uT決定開關的動作頻率，uC決定輸出電壓uo的相位和幅值。

改變uC的相位，即改變uo與us的相位關系，可改變有功功率的大小和方向;改變uC的幅值，即改變uo與us的數值關系，可改變無功功率的大小和極性(感性或容性)。因此，VSC變流器可單獨調節(jié)有功功率和無功功率[3-5]。

忽略諧波分量時，變流器所吸收的有功功率和無功功率分別為

1.2 XLPE電纜

交聯聚乙烯(XLPE)電纜技術的革新對輕型直流輸電技術的發(fā)展有著重要的推動作用。以往應用于直流輸電的電纜主要有：紙絕緣電纜、浸漬憎水(MIND)電纜以及低壓充油(LPOF)電纜。紙絕緣電纜由于抗彎強度差，不適合于架空應用;MIND電纜在導體運行溫度上有限制;LPOF 電纜需要輔助設備維持油壓，安裝困難，且需要考慮油溢出所造成的環(huán)境問題[6]。而XLPE 電纜盡管已經應用于交流輸電中許多年了，但是由于其在絕緣中存在的空間電荷導致不可控的局部高電場以及與溫度有關的電阻系數引起的應力分布不均等問題，擠壓式電纜在直流輸電中一直得不到很好的應用。以上這些局限都使輕型直流輸電的應用受到制約。

隨著以擠壓式聚合物為絕緣的新型XLPE 直流電纜的出現，以上的問題都得到了解決[7]。由于采取絕緣層三層擠壓，即：導體屏蔽層、絕緣層和絕緣屏蔽層同時擠壓，其具有堅固的結構，易于用作架空電纜、地下電纜，甚至工作在條件惡劣的海底。而直流電纜由于沒有充電電流，因此具有比交流電纜更長的使用壽命，也更適合于輸電。圖4 為ABB 公司研制的新型的XLPE 直流輸電電纜[8][9]。這種電纜重量輕、傳輸功率密度大，一對典型的95 mm2 的鋁電纜在直流電壓100 kV時能夠傳輸30 MW的功率，其重量為1 kg/m，絕緣厚度為5.5 mm。

上一頁 1 2 下一頁