上海海卓意機電設備有限公司

一直以來，直流輸電的發(fā)展與換流技術（特別是高電壓、大功率換流設備）的發(fā)展有密切的關系。但是近年來，除了有電力電子技術的進步推動外，由于大量直流工程的投入運行，直流輸電的控制、保護、故障、可靠性等多種問題也越發(fā)顯得重要。因此多種新技術的綜合應用使得直流輸電技術有了新進展。
1.光直接觸發(fā)晶閘管晶閘管觸發(fā)技術是直流輸電的關鍵技術之一，采用光觸發(fā)晶閘管，可以省去用于再次進行光電轉換的觸發(fā)電路板。但需要將相應的保護或測量電路集成在晶閘管上，因此技術復雜，工藝要求嚴格。13本1992年投運的新直流擴建工程、1993年投運的北本線直流擴建工程、1999年投入的東清水變頻站(±125kV，2400A，300MW)及2000年投運的紀伊海峽直流電纜及架空線系統(tǒng)共5個工程全部采用光直接觸發(fā)晶閘管，標志著直流輸電新時期的開始。2.接地極引線故障測量裝置直流輸電的接地極引線的運行電壓很低，換流站采用傳統(tǒng)的電流、電壓測量方法，難以檢測到靠近接地極的對地短路故障。為了檢測接地極引線故障，近年來開發(fā)出脈沖回聲、阻抗等接地及引線測量裝置。其基本原理是，在換流站接地極的兩根引線之間加低壓高頻脈沖，通過接收這些脈沖的回波，計算接地引線的阻抗。當引線任何地點發(fā)生對地短路時，其阻抗的變化將反映到測量裝置中，從而判定是否發(fā)生故障，并能判斷故障地點。3.實時多處理器控制保護系統(tǒng)隨著電子信息技術的高迷發(fā)展，處理器的計算速度越來越快，存儲空間越來越大，并行運行的處理器越來越多?，F(xiàn)在微處理器技術遍布直流系統(tǒng)各個設備的控制和保護，包括：極控(或閥控)、站控(交流場／直流場)、直流系統(tǒng)保護、換流變壓器控制保護、交／直流濾波器控制保護、換流器冷卻系統(tǒng)控制保護、站用電系統(tǒng)控制保護等。4.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)中，為了便于事故分析處理，需要對分布在換流站內的各個控制保護系統(tǒng)、兩端換流站設備的測量時間進行同步，以便精確測量直流線路的故障地點。以往的直流輸電系統(tǒng)各種設備之間及兩站之間沒有統(tǒng)一的時間參考，暫態(tài)故障記錄與事件記錄不同步，不能示出直流線路故障的正確位置，給檢修和維護帶來極大不便。采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，可使各種設備時間的誤差小于lms。直流線路故障定位可以精確到300m。5.輕型直流輸電輕型高壓直流輸電是ABB公司發(fā)展的一項全新的輸電技術，尤其適用于小型的發(fā)電和輸電應用，它將高壓直流輸電的經(jīng)濟應用功率范圍降低到幾十兆瓦.該系統(tǒng)由放在兩個或兩個以上的輸電終端上的終端換流站及它們之間的聯(lián)接組成。雖然傳統(tǒng)的直流架空線可以作為聯(lián)接,但如果我們應用地下電纜來聯(lián)接兩個變電站,整個系統(tǒng)將能最多地獲益。在很多場合，評估下來的電纜成本低于架空線的成本，而且在一個輕型高壓直流輸電系統(tǒng)中，使用電纜所需的環(huán)境等方面的許可還更容易獲得。比起交流輸電和本地發(fā)電，輕型高壓直流輸電系統(tǒng)不僅具有成本優(yōu)勢，它對提高交流電網(wǎng)供電品質也提供了新的可能.自1997年提出輕型高壓直流輸電，數(shù)個輸電線路已投入商業(yè)運營，其中最高容量已達330MW。更多的正在建設中。5.1輕型直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電的區(qū)別(1)功率范圍傳統(tǒng)直流輸電的顯著特點就是傳輸功率范圍大，一般都在250MW以上。然而輕型直流，其功率可以與發(fā)電機組相配合，從幾十MW大到目前的約350MW左右，并以最高為±150kV的直流電壓傳輸。(2)模塊化輕型直流基于一種模塊的概念，使得換流站的大小有一系列的標準組成。大多數(shù)設備可在工廠里封裝成模塊。而傳統(tǒng)直流通常需要根據(jù)特定的應用情況來定制換流設備。(3)直流電路輕型直流是雙極的，直流回路沒有與大地相聯(lián)，因此需要兩條導線（或線纜）。(4)換流站輕型直流在換流站中與傳統(tǒng)直流有很大不同。前者對應晶閘管，后者一般對應IGBT。傳統(tǒng)直流通過換流變壓器連接交流電網(wǎng)，而輕型直流是串聯(lián)電抗器加變壓器。在濾波和無功補償方面，傳統(tǒng)直流有無功有50左右在濾波器中，且要并聯(lián)電容。而輕型直流僅需要小型的濾波器。傳統(tǒng)直流以平波電抗器和直流濾波器來平伏電流，而輕型直流可采用直流電容器。此外，傳統(tǒng)直流需要有換流站站間控制與通訊功能，而輕型直流則可不需要。(5)對交流系統(tǒng)的依賴性輕型直流不需要依靠交流系統(tǒng)的能力來維持電壓和頻率穩(wěn)定。與傳統(tǒng)直流所不同，短路容量顯得并不重要。輕型直流可以向缺乏同步機的電網(wǎng)饋送負荷。(6)可以象SVC（靜止無功補償器）工作傳統(tǒng)的直流輸電終端點可以通過投切濾波器和并聯(lián)電容器組或改變觸發(fā)角來控制無功與電壓。但是這顯然需要額外的設備，從而增加投資。輕型直流可以快速改變相角和幅值，這樣使得同時獨立控制有功和無功成為可能。5.2輕型直流的典型實現(xiàn)：它通過VSC（電壓源變換器）來實現(xiàn)，通常采用兩電平6脈動型，每個橋臂都由多個IGBT或GTO串聯(lián)而成。直流側電容器的作用是為逆變器提供電壓支撐、緩沖橋臂關斷時的沖擊電流、減小直流側諧波；換流電抗器是VSC與交流側能量交換的紐帶同也起到濾波的作用；交流濾波器作用是濾去交流側諧波。在輕型直流中，VSC通常采用正弦脈寬調制(SPWM)技術，SPWM的基本原理是：用給定的正弦波與三角載波比較，來決定每個橋臂的開通關斷時刻。當直流側電壓恒定時，SPWM的調制度(正弦給定信號與三角載波幅值之比，在0—1的范圍內)決定VSC輸出電壓的幅值；正弦給定信號的頻率與相位決定VSC輸出電壓的頻率與相位。VSC吸收有功功率和無功功率分別取決于VSC輸出電壓的相位和幅值，所以，通過控制SPWM給定正弦信號的相位就可以控制有功功率的大小及輸送方向，通過控制SPWM的調制度就可以控制無功功率的大小及性質(容性或感性)，從而可以實現(xiàn)對有功功率、無功功率同時且相互獨立的調節(jié)。5.3輕型直流輸電技術特點(1)VSC電流能夠自關斷，可以工作在無源逆變方式，不需要外加的換相電壓?？朔藗鹘y(tǒng)HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡的根本缺陷，使利用HVDC為遠距離的孤立負荷送電成為可能。(2)正常運行時VSC可以同時且相互獨立控制有功功率、無功功率，控制更加靈活方便。(3)VSC不僅不需要交流側提供無功功率而且能夠起到STATCOM的作用，即動態(tài)補償交流母線的無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時，如VSC容量允許，那么HVDCLisht系統(tǒng)既可向故障系統(tǒng)提供有功功率的緊急支援又可提供無功功率緊急支援，從而提高系統(tǒng)功角電壓的穩(wěn)定性。(4)潮流反轉時直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，與傳統(tǒng)HVDC恰好相反。這個特點有利于構成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)。(5)由于VSC交流倒電流可以被控制，所以不會增加系統(tǒng)的短路功率。這意味著增加新的輕型直流輸電線路后，交流系統(tǒng)的保護整定基本不需改變。(6)VSC通常采用SPWM技術，開關頻率相對較高，經(jīng)過低通濾波后就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，所需濾波裝置容量也大大減小.(7)但IGBT損耗大，不利于大型直流工程的采用。今后集成門極換相晶閘管（IGCT）和碳化硅等新型半導體器件的開發(fā)，給直流輸電技術的發(fā)展
將創(chuàng)造更好的條件。同時，日本電力研究所正在研制以GTO為功率器件、9脈沖PWM控制的300MWVSC，并稱之為高性能自換相交直流換流器，該項研究的目的是用于將來的直流輸電，目前，GTO的串聯(lián)均壓等技術難題已試驗成功。輕型直流潛在的用途包括遠距離無源網(wǎng)絡送電、發(fā)電廠的連接及用來構成大城市內多端直流輸電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交流配電網(wǎng)等。目前，由于器件容量及其串聯(lián)技術限制，輕型直流可達到的容量有限，還不能取代傳統(tǒng)HVDC用于大功率直流輸電。以GTO為功率器件的大容量VSC一旦研制成功將較大幅度提高輕型輸電容量。6.直流輸電系統(tǒng)可靠性技術在分析直流輸電系統(tǒng)設備可靠性指標時，通常按以下幾種故障的原因分析，即交流設備及其輔助設備、換流閥及其冷卻系統(tǒng)、換流站控制保護和通信設備、直流一次設備、直流線路或電纜，以及其它原因，如人為的或不明的原因。
直流系統(tǒng)可靠性的分析方法通常包括對世界已投運的直流工程進行可靠性指標的統(tǒng)計及原因分析；對影響可靠性的主要因素進行敏感性分析；建立直流系統(tǒng)可靠性計算的數(shù)學模型，并對相關的計算條件和參數(shù)進行收集和假設，然后按照有關的計算方法進行計算分析；對可靠性的等效經(jīng)濟指標進行評估；最后提出工程可靠性的指標要求，主要是單極和雙極的年強迫停運次數(shù)和系統(tǒng)的可用率，并按此提出相關的設計、制造、建設、運行和檢修要求。直流可靠性的計算方法通常是建立描述系統(tǒng)可靠性的數(shù)學模型，根據(jù)狀態(tài)之間的轉移關系列出狀態(tài)概率的狀態(tài)方程進行有關計算，如馬爾可夫過程研究方法，這是一種數(shù)學解析方法。另一種是模擬法，它是對系統(tǒng)進行數(shù)字仿真模擬，然后采用統(tǒng)計試驗方法進行分析，如蒙特卡洛模擬法。在直流輸電系統(tǒng)中，根據(jù)工程經(jīng)驗，對直流系統(tǒng)可靠性分析中最敏感的故障因素是交流系統(tǒng)故障、換流變壓器故障、換流站控制保護系統(tǒng)和換流閥及其輔助設備，其中又以電纜、換流變壓器和換流閥的返修時間最長，影響系統(tǒng)可用率為最嚴重。對各設備元件的可靠性分析中，主要考慮的因素為設備的故障率、備品備件的數(shù)量、設備的維修周期和故障后修理和運輸?shù)臅r間，以及各子系統(tǒng)是否雙重化和自動切換等。直流系統(tǒng)可靠性的經(jīng)濟評估主要涉及到：在強迫停運期間，要有補償?shù)乃碗娙萘?，可能需要增加系統(tǒng)的備用容量以避免直流系統(tǒng)的停運給用戶用電帶來過大的影響，這種臨時的容量往往價格較高。此外，就是故障的修復費用。由于直流系統(tǒng)通常配有完全獨立的雙重化快速極控制保護系統(tǒng)、根據(jù)系統(tǒng)要求設計的雙極或單極過負荷能力，以及可降壓運行的性能，這些特點或使直流輸電系統(tǒng)的雙極和單極停運率大大減少；或使得當一極停運時不僅不影響另一極的運行，另一極還可采用過負荷運行方式；或者線路絕緣水平降低時還可降壓運行；這些都將使故障時發(fā)生的輸送容量的變化減至最小，而系統(tǒng)的可靠性和可用率大大提高。