新型直流输电技术--HVDC LIGHT的应用与展望

0 引言

随着世界经济的飞速发展，科学技术的日新月异，世界各国的能源相对匮乏和环境污染严重等问题备受瞩目。新型的、清洁的、可再生的能源发电已成为电力系统未来的发展方向，风能、太阳能等新型能源发电已在世界范围内逐步扩展，其主要特点之一是分散化与小型化。地理条件与发电规模的制约使得利用现有交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网连接经济性差、环保压力大。另外，钻探平台、岛屿、矿区等远距离负荷目前多采用污染性大的柴油发电机供电，若采用交流输电技术供电也有同样问题。用电负荷的不断增加要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而增加输电走廊也面临越来越多的经济与环保限制，尤其在城市负荷中心，增加传统的架空交流输电线几乎不可能。为此，需要一种经济、灵活、高质量的输电方式解决上述问题[1]。随着近年来国外轻型直流输电技术的快速发展并应用于实际工程，人们对轻型直流输电技术的巨大经济与环保效益日渐关注。

本文介绍了轻型直流输电技术的基本结构和工作原理，通过与传统高压直流输电技术的比较，阐述了轻型直流输电的技术特点和应用情况，对其应用前景进行了具体的分析和展望。

1 轻型直流输电简介

20 世纪90 年代末随着大功率GTO 和大功率IGBT的商业化应用，轻型直流输电技术逐渐发展起来。轻型直流输电技术是一种基于电压源变流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术的新型直流输电技术。轻型直流输电技术的发展主要是缘于电压源变流器(VSC)和用于高压直流输电的交联聚乙烯(XLPE)电缆这两项基本技术的进步。

1.1 电压源型变流器

HVDC Light 采用电压源型变流器(VSC)，变流器的桥臂由大功率可关断型器件(如：GTO、IGBT或IGCT)和反并联的二极管组成，如图1(a)所示。变流器中可关断器件上并联的反向二极管，除了作为主回路外，还可以起到保护和续流的作用[2]。为了获得所需能量，一般需将多个器件串联连接构成一个阀,如图1(b)所示。GTO阀可以承受较高的电压和允许通过较大的电流，但IGBT阀的优势在于触发控制电路功率小、简单。这是因为前者是电流型控制器件，后者是电压型控制器件。因此选择IGBT 将比GTO更为合理。就现今的技术条件下，IGBT 阀的阻断电压可达150 kV，基于这种阀的VSC能承担有效值高达1 kA的交流线电流，对应单个VSC的设计容量约为150 MV·A。这样，一个双极性系统可以很容易达到300 MV·A。

轻型直流输电基于PWM的控制方法，能够独立控制有功功率和无功功率，并能限制产生的低次谐波，提高电能质量。由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制(SPWM)式VSC变流器的单相电路如图2所示。

如图3 所示，其工作原理是：工频正弦波控制信号uC 经与三角波载波信号uT比较产生触发信号ui。

当V1 被触发导通后，输出电压uo=Ud / 2;当V2被触发导通后，uo=-Ud / 2，由于V1和V2不同时触发导通，所以uo只有±Ud / 2两种数值。经变流电抗器和滤波

器滤除uo中的高次谐波分量后，在交流母线上可得到与uC波形相同的工频正弦波电压us。其中，uT决定开关的动作频率，uC决定输出电压uo的相位和幅值。

改变uC的相位，即改变uo与us的相位关系，可改变有功功率的大小和方向;改变uC的幅值，即改变uo与us的数值关系，可改变无功功率的大小和极性(感性或容性)。因此，VSC变流器可单独调节有功功率和无功功率[3-5]。

忽略谐波分量时，变流器所吸收的有功功率和无功功率分别为

1.2 XLPE电缆

交联聚乙烯(XLPE)电缆技术的革新对轻型直流输电技术的发展有着重要的推动作用。以往应用于直流输电的电缆主要有：纸绝缘电缆、浸渍憎水(MIND)电缆以及低压充油(LPOF)电缆。纸绝缘电缆由于抗弯强度差，不适合于架空应用;MIND电缆在导体运行温度上有限制;LPOF 电缆需要辅助设备维持油压，安装困难，且需要考虑油溢出所造成的环境问题[6]。而XLPE 电缆尽管已经应用于交流输电中许多年了，但是由于其在绝缘中存在的空间电荷导致不可控的局部高电场以及与温度有关的电阻系数引起的应力分布不均等问题，挤压式电缆在直流输电中一直得不到很好的应用。以上这些局限都使轻型直流输电的应用受到制约。

随着以挤压式聚合物为绝缘的新型XLPE 直流电缆的出现，以上的问题都得到了解决[7]。由于采取绝缘层三层挤压，即：导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层同时挤压，其具有坚固的结构，易于用作架空电缆、地下电缆，甚至工作在条件恶劣的海底。而直流电缆由于没有充电电流，因此具有比交流电缆更长的使用寿命，也更适合于输电。图4 为ABB 公司研制的新型的XLPE 直流输电电缆[8][9]。这种电缆重量轻、传输功率密度大，一对典型的95 mm2 的铝电缆在直流电压100 kV时能够传输30 MW的功率，其重量为1 kg/m，绝缘厚度为5.5 mm。

2 轻型直流输电的技术特点

HVDC Light 采用可关断型电力电子器件和PWM技术，较之传统直流输电，技术特点如下[10]。

1)正常运行时，VSC 可以同时而且独立地控制有功功率和无功功率,甚至可以使功率因数为1，这种调节能够快速完成，控制灵活方便。而传统HVDC中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。另外，VSC不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着故障时，如果VSC 容量允许，那么HVDC Light系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，从而能提高系统的功角稳定性和系统的电压稳定性。

2)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统HVDC 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。

3)潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。

4)由于VSC 交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的HVDCLight线路后，交流系统的保护整定基本不须改变。

5)模块化设计使HVDC Light 的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，VSC 采用PWM技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，从而简化了变流站的结构，并使所需滤波装置的容量也大大减小。换流站的占地面积仅为同容量下传统直流输电的20%。采用新型(XLPE)直流电缆，可以直接安装在现有交流电缆管内，并使输送容量提高约50%。

6)变流站间的通讯不是必需的，每个站可以独立控制，易于实现无人值守。而且HVDC Light在电网故障后快速恢复控制能力良好。

3 应用与实例

3.1 清洁能源接入系统

受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高且远离主网，如中小型水电厂、风电场、潮汐电站、太阳能电站等，由于其运营成本很高及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求，利用HVDCLight与交流大电网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境[11] [12]。

丹麦Tjaereborg 发电工程是世界上第一个用于示范的风力发电的轻型直流输电工程。工程的目的是进行较小规模的试验并展示这项新技术的应用，这项新型技术将用于连接容量>100 MW 且离海岸>50 km的大规模风电场。这项工程于1999年3月发布并开工，于2000 年12月移交业主用于展示和试验。Tjaereborg风电场由4台不同型号的风力发电机组成，总装机容量为6.5 MW，如图5 所示。采用直流电缆与现有交流电缆并行铺设，可以工作在直流电缆单独运行，交流电缆单独运行和交直流电缆并行运行三种方式。Tjaereborg工程的建成和成功投运，为解决风力发电接入所导致的无功功率和电压稳定问题提供了参考，也为各国的风电场建设提供了借鉴。

3.2 非同步电网互联

地区电网之间的互联是电网未来的发展方向，不仅可以增加系统运行的灵活性和可靠性，而且对电力市场的发展也有着重要的意义。澳大利亚的Directlink 工程和Murraylink 工程都是用于异步联网、电力交易，同时满足环境的要求。另外，美国的Cross Sound Cable工程将纽约长岛和New England电网实现非同步联网，该工程将HVDC Light的直流电压和直流电流等级都提高到了一个新的水平，而且该工程于2003 年8 月在美国东北部电网的黑起动过程中发挥了十分积极的作用，反映了HVDC Light具有很强的电网恢复控制能力。

图6 为2000 年投运的澳大利亚的Directlink 工程。它将新南威尔士(NewSouthWales)电网和昆士兰(Queens Land)电网连接起来，缓解了昆士兰供电系统的部分压力。Directlink 工程的每个变流站额定容量195 MV·A，由3个独立的65 MV·A的变流器组成，利用59km长的线路走廊，共用XLPE电缆354km。

3.3 环境敏感区域(如城市中心)的应用

通过交流线路向城市中心增加新的输送容量是昂贵的，并且在某些情况下，新的输电走廊是难以获得的。直流电缆比交流架空线所需的空间小，而输送容量比交流电缆大。另外，HVDC Light系统具有的有功和无功独立调节能力，使系统在输送有功的同时能够保持两侧交流系统的电压恒定，从而提高电能质量。因此如果城市中心需要更多的电力，很多时候直流电缆是唯一现实的解决方案[13]。

3.4 海上钻井平台和海岛供电

海上石油钻井平台或海岛等远离陆地电网的海上负荷，通常靠柴油或天然气来发电，不但发电成本高、供电可靠性难以保证，而且污染环境。应用HVDC Light技术，这些问题都可以得到解决，同时多余电能(如用石油钻井产生的天然气发电)还可以反送给系统。挪威投运的Troll 工程，就是用于向海上天然气钻井平台上的用电设备供电。该工程采用HVDC Light技术除了考虑到长距离海底电缆输电和环境保护要求外，还考虑到钻井平台上的同步电动机需要变频(0～63 Hz)调速、运行电压在0～56 kV范围内变化、以及变流器空间和重量等限制因素。

1997年建成的瑞典哥特兰岛直流输电工程就是应用HVDC Light技术连接远距离岛屿的一个成功实例。

4 轻型直流输电在我国的应用前景

4.1 蓬勃发展的风电产业

随着我国经济的飞速发展，能源紧缺和环境污染等问题的日益显著，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，可再生清洁能源的发展首推风电。我国有着极其丰富的风能资源，实际可开发量达2.3亿kW，主要分布在东南沿海及其岛屿，西北、华北和东北地区。尽管近年来风电增长迅速，但它在全国电力供应中只占0.25%。2005年国家出台的《可再生能源法》对可再生能源的利用和发展有着积极的促进作用。

根据国家发改委的《可再生能源中长期发展规划(草案)》，预计到2020年我国的一次能源消费中有16%来自可再生能源;可再生能源发电装机容量达到137 000 MW，其中包括30 000 MW的风力发电。合理开发和利用风能、太阳能等可再生能源符合我国国情需要，但这些可再生能源一般分散性强、且远离负荷中心，接入系统后还会影响整个电网的稳定情况。传统直流输电技术能够解决这些问题，却不是很经济，而模块化设计的轻型直流输电将是个不错的选择。

4.2 地区联网的稳步发展

我国电网正处于高速发展时期，目前已进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段。随着葛-南工程、龙-政工程和三峡向广州送电工程等多个高压直流输电联网工程的建成和投运，HVDC 的技术优势已经在异步联网工程中得到充分体现。跨区输电联网工程对于保证电网安全稳定运行，调剂电网电力电量的余缺，实现全国电力资源的优化配置有着重要作用。而HVDC Light作为一种新型的直流输电技术，凭借其自身的诸多优点，也必将在未来的电网互联工程中拥有广泛的应用前景。

4.3 沿海资源开采力度的加大

根据国务院2003年颁布的《全国海洋经济发展规划纲要》，我国的海洋石油资源量约240 亿t，天然气资源量14万亿m3，滨海砂矿资源储量31亿t，海洋可再生能源理论蕴藏量达6.3亿kW。我国有充足沿海资源，但开采仍然不充分，随着人们对海洋资源认识的不断加深，沿海钻井平台的不断建立，轻型直流输电又将拥有一片良好的发展空间。

5 结语

轻型直流输电技术作为一种新型的直流输电技术，凭借其自身的技术特点已经被应用于很多领域中，并逐步显示出其优越性和经济价值。随着高新技术产业快速发展、可再生能源全面开发以及电力市场日益发展和完善，对高品质电能质量和电网运行的灵活性和可靠性要求进一步提高，开展对轻型直流输电技术的深入研究有着积极作用和深远的意义。随着国家新能源政策的贯彻和执行，地区电网互联的稳步实施与不断完善，轻型直流输电技术必将在我国拥有更广阔的发展空间和应用前景。