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直流输电技术

直流输电技术课程报告

柔性直流输电在城市配电网中的应用

院系：

电气工程及自动化学院

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1.城市配电网交流供电存在问题

城市电网是城市现代化建设的重要基础设施之一，是电力系统的主要负荷中心，具有用电量大、负荷密度高、安全可靠和供电质量要求高等特点。

随着城市化进程的不断推进和社会经济的高速发展，城市负荷不仅持续快速增长，并且对供电可靠性以及电能质量的要求越来越高，因此，向城市负荷中心供给大量优质可靠的电能将面临越来越大的困难和挑战。

一，随着城市发展建设的日趋成熟，从环境保护以及土地资源的限制考虑，不仅制约了大容量电源的建设，而且造成向城市供电的线路走廊越来越拥挤，甚至出现缺少必要线路走廊的供电瓶颈；二，由于增加城市供电能力的投资成本越来越高，人们对于健康和居住环境的要求增高，因此需要采取合适的供电方式以节约资金、减少电网建设运行对城市居住环境的影响；三，随着城市供电容量的增加，系统的短路电流增大，这对于开关设备以及其他网络元件的安全运行造成极大的威胁；还有，城市负荷对于供电可靠性以及电能质量的要求越来越高，这就需要向城市负荷中心供电应该满足运行灵活、可控性高的要求，以满足各种运行情况的需求。

目前城市电网的供电方式依然采用高压交流供电，特别是大城市或者中小城市中心区域采用地下电缆供电，高压交流电缆供电在一定程度上解决了城市供电中架空线走廊缺乏、电力设施与城市景观不和谐等问题，但依然受到供电距离、无功消耗较大等问题的限制。

2.城市配电网采用柔性直流输电的优点

柔性直流输电能瞬时实现有功和无功的独立解耦控制，结构紧凑、占地面积小、易于构成多端直流系统；能向系统提供有功和无功的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

利用这些特点不仅可以解决目前城市电网存在的问题，而且可以满足未来城市电网的发展要求，改善系统的安全稳定运行。

主要表现在以下几个方面：

（1）增强城市电网的供电能力，满足城市日益增长的负荷需求VSC-HVDC采用新型的直流电缆，不仅占用空间小、输电能力强，而且可以安装在现有的交流电缆管或线路走廊，这样可以充分利用输电走廊，增强城市电网的供电能力，满足城市负荷需求。

（2）为城市负荷中心提供必要的无功支撑，克服电压稳定性所构成的限制VSC-HVDC不仅能实现有功和无功的独立快速控制，还能动态补偿交流母线的无功，稳定母线的电压。

这不仅可以有效缓解城市中心区大量的地下交流电缆以及空调负荷比例的日益增大造成的无功缺乏问题，还可以为城市负荷中心提供必要的无功支撑，维持城市电网的安全稳定运行。

（3）提高城市电网可控性和安全可靠性VSC-HVDC具有快速多目标控制能力，可实现正常运行时潮流的优化调节故障时交流系统之间的快速紧急支援和故障隔离。

此外，还可增强系统的可控性和抗扰动能力，从而达到提高稳定性、运行可靠性和不增加短路容量、改善电能质量的目的。

（4）增强城市电网建设的可实施性，节省电力建设成本VSC-HVDC结构紧凑、占用空间小，模块化的设计使得设计、生产、安装和调试周期大为缩短。

采用新型的直流电缆不仅安装容易、快速，而且机械强度和柔韧性好、重量轻，更重要的是无油、电磁辐射和无线电干扰小，利于实现与市政设施和环境的协调。

不仅增强城市电网建设的可实施性，而且可节省征地、赔偿等建设成本。

（5）满足电力市场要求，方便新能源接入VSC-HVDC快速灵活的有功无功控制能力，可实现电力市场运作的要求，即灵活控制潮流的能力，提供无功支撑等辅助服务，最大限度地满足电源与用户之间输送能力的要求。

VSC-HVDC不仅可以实现对输送功率的控制，而且改善所连接换流站的电压和频率，方便新能源的接入和增强系统可扩展性。

3.城市配电系统采用直流输电的技术、经济可行性分析

输电线路的成本由基础设施投资和运行成本构成，基础设施投资包括线路走廊、杆塔、导线、绝缘子和终端设备的费用，运行成本主要是损耗。

对于给定输送功率水平，直流线路所需要的走廊更窄，杆塔较简单和便宜，导线和绝缘子成本更低。

由于直流输电只需采用两根输电线，若设交、直流输电中每根输电线的载流量相同，则直流线路的输电损耗仅为交流线路的2/3。

与交流线路相比，直流线路没有集肤效应，在减少损耗方面更为有利。

对于电缆输电，直流电缆的介质损耗也比交流电缆小得多。

直流导体的电晕效应比交流导体小。

影响输电线路成本的其他因素还有无功补偿和终端设备的成本。

柔性直流线路不需要无功补偿，所需的滤波器也较小，但换流器终端设备成本较高。

如图1所示，当输电距离小于等价距离时，交流输电比直流输电经济，但当输电距离超过等价距离，交流输电的成本就高于直流输电。

对于电缆输电线路，等价距离在25~50km之间变化。

对于架空输电线路，等价距离介于400~700km之间。

图1直流与交流电缆输电线路成本的比较

此外，随着大功率电力电子器件的成本不断降低以及换流站模块化设计的不断完善，换流站的成本必将不断降低。

对于城市供电方式的综合评估从三个方面建立评价准则：

经济性、可实施性和系统性能的改善，其中经济性主要指供电总投资，包括建设投资、损耗费用和年运行费用，可实施性包括节约线路走廊、占地面积、周围环境相协调以及满足未来电力发展趋势四个指标，系统支持效益包括不增加短路电流、增加系统的黑启动能力、无功电压支持、提高系统阻尼和系统的动态性能四个指标。

虽然柔性直流输电较交流输电投资大，经济性较差，但其占地面积小、与环境更协调，更易于满足未来电力发展趋势使得建设的可实施性更强；再加上柔性直流输电本身固有特性可大大改善原有系统特性，对原有系统的支持效应更强，因此全面综合考虑各项指标可知柔性直流输电有较大的优势。

4.可能的直流供电方案

目前向城市供电可以采用的地下供电方式有两种：

（1）传统高压直流供电

从1954年连接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界上第一条HVDC输电线路建成至今，高压直流输电的换流元件经历了从汞弧阀、晶闸管半控元件阀和GTO、IGBT等全控元件阀的变革。

目前广泛应用的电流源换流器型直流输电技术（HVDCCSC），由于晶闸管阀关断不可控，因此需要依靠电网交流线电压或电路的电容器电压来完成换相。

传统高压直流供电（HVDCCSC）的主要元件包括：

换流器：

主要完成交流/直流和直流/交流的变换，由基于晶闸管元件的阀桥和带负载调节分接头的变压器组成。

平波电抗器：

在电流源换流站中，对应每一相安装一个高达1.0H电感的大型电抗器，主要用来减小直流线路的谐波电压和电流、防止逆变器的换向失败、防止轻载时电流不连续和限制直流线路短路时整流器的峰值电流。

滤波器：

交流侧和直流侧都需要安装滤波器。

交流滤波器不但用来吸收换流阀产生的谐波电流以减少谐波污染，而且还为换流器提供所需的部分无功功率；直流滤波器用来滤除直流侧的谐波电压以改善直流电压质量。

无功功率电源：

提供换流器所需的无功功率以维持其平衡。

直流电缆：

构成回路进行有功功率传送。

传统高压直流供电（HVDCCSC）的主要缺点是容易造成换相失败、产生大量的低次谐波和吸收大量的无功功率。

（2）柔性直流供电

华北电力大学硕士学位论文网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端高、压直流系统。

另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的暂态稳定性和输电能力等方面具有优势。

柔性直流供电（VSC-HVDC）的主要元件包括：

换流器：

主要完成交流/直流和直流/交流的变换，由基于GTO、IGBT等全控元件的阀桥和带负载调节分接头的变压器组成。

换流变压器的主要作用是通过调节分接头来调节二次侧的基准电压，进而获取最大的有功和无功输送能力。

换流变压器的另一个重要作用是将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，从而减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。

换流电抗器：

在电压源换流站中，对应每一相安装一个换流电抗器。

它是电压源换流站的一个关键部分，是VSC与交流系统之间传输功率的桥梁和纽带，决定换流器的功率输送能力、有功功率和无功功率的控制；同时，换流电抗器能抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。

另外，换流电抗器还能抑制短路电流。

直流侧电容器：

直流侧电容是VSC的直流侧储能器件，它可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。

同时，直流侧电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。

交流滤波器：

与传统直流输电系统不同，电压源型直流输电系统采用PWM技术。

因此，换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少，又由于换流电抗器对输出电流具有滤波的作用，，使得电流谐波能较容易符合标准。

然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含有一定量的高次谐波，并且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。

因此，通常要在换流母线处安装适当数量的交流滤波器（接地或者不接地）。

直流电缆：

构成回路进行有功功率传送。

由ABB公司研制的输电电缆是采用新型的三层聚合材料挤压的单极性电缆，它由导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层同时挤压形成绝缘层；中间导体一般为铝质单芯导体，它不同于传统纸或者油绝缘电缆，这种新型电缆具有高强度、环保和方便掩埋等特点，适合用于深海等恶劣的环境。

另外，这种新型电缆重量轻、传输功率密度大，对于一对95mm2的铝质电缆在直流电压为100KV时能够传输30MW的功率，其重量为1KG/m，绝缘厚度为5.5mm，可以很方便地掩埋入地中。

柔性直流供电（VSC-HVDC）的主要缺点是造价高和换流器损耗大。

5.城市直流配电网的主要研究容

（1）具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构

电压源型换流器存在整流器效应，当直流线路发生短路故障时，这种效应导致交流系统向短路点提供直流短路电流，造成短路点无法灭弧，只能依靠交流侧断路器断开切断故障，造成系统彻底停运。

研究具有直流故障清除能力的拓扑结构是解决上述问题的手段之一。

目前的研究聚焦于MMC拓扑结构的改进，使换流器具备自身切断直流短路故障电流的能力。

（2）高压直流断路器技术

由机械式断路器和电力电子器件组成的混合型固态断路器仍然是未来的发展趋势。

ABB等公司已经宣布研制成功可以应用于320KV直流电网的混合直流断路器，可开断最大16KA的故障电流。

但目前直流断路器方案成本过高，难以商业应用，同时电压等级和关断电流的能力有待于提高。

（3）直流电网运行的基础理论及控制保护技术

柔性直流输电系统本质上是新型电力电子变流器在大电网中的应用，基于这种变流器的直流换流站、直流变压器、电源/负荷并网变流器一般都具有较强的可控性，这使得直流电网的潮流分布、故障传播特性有别于交流电网，特别是直流电网嵌入交流电网后，形成的分层分布式可控的交直流混合网络，将极改变电网形态。

目前的国外对于直流电网运行的基础理论及控制保护技术研究很少，缺乏成熟的技术方案和标准。

研究直流电网的运行机理、建立直流电网的基础理论与控制保护技术体系才能为直流电网的快速发展打下坚实的基础。

6.城市直流配电网实施中存在的主要困难

电压源换流器技术是柔性直流输电的核心技术，此项技术的重大突破将使柔性直流输电电压和容量等级的迅速提高，引领柔性直流输电进入新的发展阶段，并逐步取代传统的直流输电。

未来几年柔性直流输电技术将在如下几个方面取得重大进展。

（1）直流输电混合化

直流输电混合化是指将传统直流系统和柔性直流系统以并联或串联的方式构成混合直流输电系统"目前讨论较多的有两种方案：

常规直流与柔性直流并联，可以改善直流输电系统的谐波性能，提高无功补偿与潮流控制的灵活性，提高系统的动态响应能力。

送电端采用常规直流，受电端采用柔性直流，可以避免由于常规直流换相失败引起的无功冲击导致受端交流电网电压失稳的风险，同时可以节省直流落点占地。

（2）高电压大容量化

随着高压大容量电力电子器件的逐步成熟以及基于MMC结构的柔性直流换流站设计与运行经验的逐步积累，柔性直流输电系统有望在未来几年达到500KV、3000MW，将逐步取代常规直流输电，为远距离大容量输电提供全新的技术手段。

（3）直流输电网络化

建设直流电网是一个业界正在热烈探讨的课题。

直流电网可以定义为一个由直流换流站、直流线路、直流断路器!

直流变压器等组成的全控输电网络，它可以是一个独立的电网，也可以是嵌入交流电网中的一个局部网络。

直流电网的特点是，其中的换流站、直流变压器、电源/负荷并网变流器一般都具有较强的可控性。

因此，直流电网可以灵活地在各个换流站之间分配功率，当某个换流站因故障退出时通过合理的控制仍可保持剩余系统的运行。

（4）直流配电网

与交流配电网相比，直流配电网具有以下的优势：

单位走廊的供电能力高；供电可靠性高；易于实现高质量供电；消纳分布式电源的能力更强。