郑梦笛， 夏 梦

(中南建筑设计院股份有限公司， 武汉 430071)

0 引言

在现有的运行控制技术下，电力负荷的不断增加使得现有的变速器无法满足长距离大容量电能传输的需要。由于环保和科学发展的需要，新建输电线路的建设受到线路走廊短缺的制约。高压柔性输电具有系统稳定性高、功率小、模块体积小等特点，将柔性直流输电运用到城市配电系统中将是一个不错的选择，本文即是对柔性直流输电技术的原理和应用进行简要分析和介绍。

1 直流输电的基本原理

高压直流输电(HVDC)是由发电厂产生交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，然后使用逆变器将直流电力转换为将交流电力传输到接收端交流电网的一种减少电能损耗的传输方法。直流输电系统主要由DC侧电力滤波器、直流电抗器、保护控制装置、换流站、直流线路、无功补偿装置、换流变压器组成。其中换流站是整个直流输电系统的核心，完成交流AC和直流DC之间的转换。

高压直流输电主要应用于异步交流系统的互联和超长距离大功率输电。高压直流输电线路具有投资少、系统稳定、调节速度快、可靠性高等优点。随着科学技术的不断进步和发展，直流输电的发展也受到一些因素的限制。例如，高压直流输电换流站比交流系统更复杂、成本高，需要更严格的运行管理。此外，在变换器的运行中需要大量的无功功率补偿，并且在正常运行中可以实现40%～60%直流输电功率的传输功率。运行中转换器将在交流侧和DC侧产生谐波震荡，要安装过滤器。在地下或海水中的直流传输会导致金属部件沿该方向腐蚀，需要设置保护措施。因此为了发展多端直流输电，需要不断开发高压直流断路器。

2 柔性输电的结构及工作原理

2.1 柔性输电系统的结构

图1为连接2个交流系统的柔性直流输电单线原理图，其结构组成如下：变压器T为电压源变换器提供合适的工作电压，以确保电压源变换器的最大有功功率和无功功率输出；交流滤波器AC，能够滤掉交流电压中一定量的高次谐波；电抗器L是交流系统与电压源变换器之间的功率传输环节，在很大程度上决定了变换器的功率传输能力和对有功功率、无功功率的控制，并在滤波环节起着重要的作用；电压源换流器VSC的使用是VVDC传输的关键部分，在桥臂中用新型的可控硅电力电子管(IGBT、IGCT)取代了传统意义上的晶闸管，使整个变流器系统变得更加可控；直流电容器C为DC侧储能元件，电压源变换器为变换器提供直流电压，还可以起到缓冲系统故障引起的DC侧电压波动，降低DC侧的电压纹波的作用，并为T提供直流电压支持。

图1 两端VSC-HVDC结构

2.2 柔性直流输电的基本工作原理

为解决传统直流输电中存在的弊端，采用新型的直流输电的技术可达到有功和无功的独立解耦控制瞬时实现，同时免去换流站间繁杂的通讯系统，在满足对无源网络供电的同时也易于构成多段直流系统。而柔性直流输电融合了PWM技术，采用可控关断器件以及电压源换流器，完全满足了上述技术要求。同时该项技术相较于传统输电优势明显，可同时提供有功、无功功率，有较高的稳定性及较强的输电能力。图2为柔性直流输电系统单线原理图。

图2 柔性直流输电原理图

柔性直流输电加入了PWM技术和电压源型换流器，触发脉冲的产生会导致开关管的开通关断，并控制其关断频率。因此桥壁中点电压UC可以实现在+Ud和-Ud之间快速切换，经电抗器滤波得到所需交流电压Us。在理想情况下(即忽略谐波分量并假设电抗器零损耗)，分析可得到换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q的计算公式：

P=USUC/X1sinδ

(1)

Q=US(US-UCcosδ)/X1

(2)

式中，UC为换流器输出电压的基波分量；US为交流母线电压基波分量；δ为UC和US之间的相角差；X1为换流电抗器的电抗。

由式(1)和式(2)可以得到换流器稳态运行时的基波相量图，如图3所示。

图3 VSC-HVDC换流器稳态运行时的基波相量图

由图3可知，δ值决定了有功功率的大小，无功功率则主要受UC的影响。同时δ还控制者直流电流的方向。纵观整个系统，VSC可实现有功功率无功功率的瞬时独立调节，因此完全可近似看作一个零转动惯量的发电机。

3 柔性直流输电的关键技术

3.1 主电路设计

影响换流器主电路拓扑结构的因素有很多，工程中实际的电压等级和所需的传输容量，开关的频率及其调制方式、系统的可控性等因素都会对实际拓扑结构产生影响。目前实际应用的换流器拓扑结构具有以下特点：(1)结构简单，通常采用两电平或者三电平结构，相比较于传统的直流输电，VSC-HVDC桥壁器件是直接串联的，从而提高了电压等级。(2)开关频率的调节可通过优化PWM的调制方式实现，适当降低开关频率可延长IGBT、IGCT 的使用寿命。(3)换流器损耗小。

此外，在设计主电路的拓扑结构时，装置实际的实现难度、设备的造价、后期的运营维护费用等都需要考虑在其中，力求设计的拓扑结构在能减少电力电子器件数目的同时也能有效降低控制系统的复杂性，确保系统总体的稳定性、可靠性和经济性。

3.2 控制策略

柔性直流输电的控制策略总结起来主要分为间接电流控制和直接电流控制两个方面。前者系统结构简单,但存在一些如交流侧电流动态响应慢、难以实现过电流控制等缺点。后者也称为“矢量控制”，包括内环电流控制和外环电压控制两个部分，其电流响应对后者快速,受到了学术界的普遍关注。直接电流控制的控制器，由内环电流控制器、外环电压控制器、触发脉冲生成和锁同步环节组成。内环控制器常常应用于实现换流器交流侧电流相位和波形的直接控制，目的在于快速跟踪参考电流；外环控制根据其系统级控制目标的不同，可以实现定有功功率控制、定直流电压控制、定无功功率控制等目标。根据PWM原理，触发脉冲产生链路通过使用来自内环的基准电压和同步相位输出信号来生成每个桥臂的触发脉冲。锁相环的输出用于提供电压矢量定向控制和触发脉冲产生所需的参考相位。在由无源网络供电的灵活直流系统中，传输终端通常由恒定的直流电压控制。由于端到端系统缺乏稳定的功率，通常采用恒定的交流电压控制。

4 柔性直流输电技术在电气设计中的应用

4.1 在城市供电中的应用

随着国民经济水平的增长，电力需求也不断增长，我国的许多大城市的市区电力负荷密度以及用电量增长迅速。而且一些在城市的外围的电厂对环境产生了巨大的影响。为响应国家环保号召，避免城市土地资源利用的许多限制，未来在中心城区内采用架空输电线路的机会越来越小，地下输、变、配电工程将逐步成为未来电气设计方面的一个重点。由于柔性直流输电系统具有结构紧凑、占地面积小等特点，因此对于城市供电的扩容问题,柔性直流输电将是一个较好的解决办法。

4.2 在民用建筑中的应用

由于现在有许多民用建筑内部配备有整流电源，要将输入的交流电转换为直流电驱动电器运用。如果从民用供电系统到用户侧用电的全过程都能使电能自始自终保持直流状态，将大幅度地减少电能损耗，达到节能减排的效果。

图4 直流供电方案

如图4所示为新型直流供电方案图，其能充分发挥直流输电的优点。在传统方法中，直流输电的过程体现在长距离高压输电过程中，从二级变电站到用户之间使用架空输电线路成本较高。最近几年来，直流输电技术日趋发展成熟，特别是轻型直流输电系统的发明，打破了传统的距离限制，因此在用户侧供电中使用此方法更加科学合理。

5 结束语