大容量長距離輸電的igb控制研究

大容量長距離輸電的igb控制研究

0電壓源換流器超聲直流輸電在能源工業(yè)的發(fā)展初期，使用了直接輸電法。當(dāng)時，技術(shù)不能用直線改變電壓，只能用短距離電流供電。它的應(yīng)用受到限制，正在逐漸被交換和取代。隨著技術(shù)的進(jìn)步,20世紀(jì)30年代人們開始認(rèn)識到直流輸電是進(jìn)行高壓大容量遠(yuǎn)距離輸電的有效工具,汞弧閥換流器問世,視線又回到直流輸電上來。1954年由瑞典本土向哥特蘭島送電的第一條高壓直流線路投入商業(yè)運(yùn)行,此后直流輸電飛速發(fā)展,世界各地出現(xiàn)了許多大大小小的汞弧閥直流輸電系統(tǒng)。20年后,晶閘管代替汞弧閥成為直流輸電換流器的開關(guān)元件,自1972年始,相繼有61個晶閘管直流輸電項(xiàng)目開始投入運(yùn)行,總輸電容量達(dá)55000MW,其中ABB承擔(dān)45000MW,最大的工程是Itaipu兩條±600kV,3150MW的直流輸電項(xiàng)目。隨著新型高壓大功率可控關(guān)斷電力電子器件(如IGBT、GTO、IGCT)不斷涌現(xiàn),其額定電壓、電流也快速增長,原來在中低壓和小功率系統(tǒng)中廣泛使用的基于PWM技術(shù)的新型換流技術(shù)已開始在輸電領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用,并可能將來取代相控?fù)Q流技術(shù)。20世紀(jì)末出現(xiàn)的采用電壓源換流器技術(shù)的柔性直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)首先由加拿大McGill大學(xué)的Boon-TeckOoi等人于1990年提出,得到了世界上眾多學(xué)者和研究人員的關(guān)注。ABB公司首先實(shí)現(xiàn)了VSC技術(shù)在長距離電力傳輸、背靠背工程和靜止無功控制器等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。該技術(shù)1997年開始用于電力傳輸,同年在赫爾斯揚(yáng)上馬示范工程,額定功率是3MW,直流電壓±10kV,采用IGBT閥,三相橋結(jié)構(gòu)和高壓直流電容。IGBT閥具有可控開通和關(guān)斷能力,完全不同于線換相HVDC的傳統(tǒng)晶閘管閥,開通可控,而關(guān)斷要依賴換相電壓,存在一個換相過程。最早投入商業(yè)運(yùn)行的柔性直流輸電系統(tǒng)的輸電功率是60MW,換流器采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PWM用于控制IGBT閥的開關(guān)。早期的VSC-HVDC系統(tǒng)開關(guān)頻率較高,直流電壓是±80kV。第二代采用三電平換流器,直流電壓達(dá)到±150kV,輸電功率達(dá)到330MW。這種最新的設(shè)計(jì)方案在CrossSound電纜工程(330MW)和MurrayLink工程(220MW)中成功應(yīng)用。1流式機(jī)械產(chǎn)品柔性直流輸電技術(shù)是一種以電壓源換流器、可關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型輸電技術(shù),國際上權(quán)威的電力方面學(xué)術(shù)組織CIGRE和IEEE將其正式稱為“VSC-HVDC”,即“電壓源變流器直流輸電”。目前,ABB公司則稱為輕型直流輸電(HVDCLight),并作為商標(biāo)注冊;西門子公司則稱為新型直流輸電(HVDCPlus)。國內(nèi)常常稱為輕型直流輸電,為了促進(jìn)并形成自有知識產(chǎn)權(quán),2006年5月,中國電力科學(xué)研究院組織國內(nèi)權(quán)威專家在北京召開“柔性(輕型)直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架研討會”,與會專家一致建議國內(nèi)將該技術(shù)統(tǒng)一命名為“柔性直流輸電”,對應(yīng)英文為VSC-HVDC。2國內(nèi)柔性直流輸電工程進(jìn)展自1997年第一項(xiàng)柔性直流輸電工程投入工業(yè)試驗(yàn)運(yùn)行以來,國際上至今已有30多個柔性直流輸電工程投入商業(yè)運(yùn)行。這些工程大多數(shù)由ABB和西門子公司建設(shè),主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、電力交易、電網(wǎng)互聯(lián)、海上鉆井平臺供電等領(lǐng)域。我國有四個柔性直流工程在建在運(yùn)。國外已投運(yùn)的柔性直流工程主要技術(shù)參數(shù)見表1。國外在建的柔性直流工程主要技術(shù)參數(shù)見表2。為掌握柔性直流輸電技術(shù),2006年5月國家電網(wǎng)公司啟動了《柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》;2007年12月完成第一階段研究工作《柔性直流輸電前期技術(shù)研究》和《柔性直流輸電基礎(chǔ)理論研究》;2008年8月國家電網(wǎng)公司啟動第二階段研究工作,開展重大科技專項(xiàng)工作,即柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程;建設(shè)18MW/±30kV上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電示范工程,并于2011年7月投產(chǎn)運(yùn)行。同時進(jìn)一步啟動舟山300MW/±200kV多端柔性直流輸電技術(shù)研究,并預(yù)計(jì)于2014年投產(chǎn)運(yùn)行;南方電網(wǎng)公司的南澳200MW/±160kV多端柔性直流輸電工程也于2013年12月投產(chǎn)。為進(jìn)一步掌握柔性直流輸電核心技術(shù),國家電網(wǎng)公司2013年10月批復(fù)建設(shè)廈門高壓大容量柔性直流輸電工程,輸電容量1000MW,電壓±320kV,為目前世界在建的電壓最高容量最大的多電平柔性直流輸電工程,也是世界唯一的雙極柔性直流輸電工程,計(jì)劃2015年10月投運(yùn)。國內(nèi)已投運(yùn)及在建的柔性直流工程見表3。目前,世界輸送容量最大的柔性直流輸電工程是西班牙-法國聯(lián)網(wǎng)工程,直流電壓±320kV,直流電流1600A,每個換流單元輸送容量1000MW,本期同時建設(shè)兩個換流單元(四根電纜),總輸送容量2000MW(采用SIMENSHVDCPlus技術(shù)),計(jì)劃于2014年投運(yùn)。ABB正在建設(shè)的挪威-丹麥的工程是世界直流電壓最高的柔性直流聯(lián)網(wǎng)工程,直流電壓±500kV,(ABBHVDClight偽雙極)700MW。雙極運(yùn)行,2014年投運(yùn)。世界唯一架空線路柔性直流輸電項(xiàng)目是納米比亞-贊比亞CapriviLink工程,直流電壓±350kV,(采用ABBHVDClight技術(shù)),雙極設(shè)計(jì),總?cè)萘?×300MW,2009年底單極投運(yùn),目前按雙極并聯(lián)大地返回方式運(yùn)行。3柔性直流電壓技術(shù)的描述3.1直流輸電系統(tǒng)特點(diǎn)交流輸電技術(shù)具有變壓簡單、成本低、運(yùn)維方便等優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)外都采用交流輸電系統(tǒng)構(gòu)成電網(wǎng)的基本網(wǎng)架。隨著送電距離和輸送容量日益增大、對電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全穩(wěn)定要求的提高,交流輸電方式不能全面滿足要求。傳統(tǒng)直流輸電對比交流輸電主要優(yōu)勢:(1)輸送容量大。由于直流系統(tǒng)不存在交流系統(tǒng)穩(wěn)定極限問題,直流線路不輸送無功功率,只要送受端電網(wǎng)可以承受,直流輸電沒有容量限制。(2)輸電距離長。由于直流線路沒有電容效應(yīng),隨著線路距離增加,沿線電壓分布均勻,不需要增加電抗補(bǔ)償裝置防止電壓升高。(3)線路占用通道走廊小,輸電損耗低。直流輸電線路只需正負(fù)兩極導(dǎo)線,輸送同樣功率相比交流線路走廊、損耗和造價(jià)有明顯節(jié)省。(4)運(yùn)行方式靈活。直流系統(tǒng)輸送的無功功率和有功功率可以由控制系統(tǒng)快速控制,從而快速改變交流系統(tǒng)的運(yùn)行性能,阻尼交流系統(tǒng)的低頻振蕩,提高交流系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定性。(5)故障時功率損失小。直流輸電工程單極發(fā)生故障時另一個極能繼續(xù)運(yùn)行,可充分發(fā)揮其過負(fù)荷能力,故障時可減少輸送功率損失。(6)互聯(lián)系統(tǒng)可異步運(yùn)行。直流輸電系統(tǒng)與兩端交流系統(tǒng)僅存在功率聯(lián)系,頻率和相角可不相同,所以可異步運(yùn)行,迅速進(jìn)行功率支援。3.2直流輸電工程的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)基于電流源換流技術(shù),主要應(yīng)用于大容量遠(yuǎn)距離電能外送,與交流輸電系統(tǒng)相比具有無法替代的優(yōu)勢,在海底電纜輸電和交流電網(wǎng)的互聯(lián)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。目前,技術(shù)已經(jīng)十分成熟,我國±800kV特高壓直流輸電工程已經(jīng)矗立在世界直流輸電技術(shù)的制高點(diǎn)上。同時,我國又是直流輸電技術(shù)和項(xiàng)目應(yīng)用最多的國家,±500kV直流和±800kV直流輸電工程的應(yīng)用,很好的解決了西電東送、北電南送的能源輸送格局,滿足了我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要。目前廣泛采用電流源型高壓直流輸電技術(shù)由于晶閘管閥關(guān)斷不可控,存在以下固有缺陷:(1)只能工作在有源逆變狀態(tài),且受端系統(tǒng)必須有足夠大的短路容量,否則容易發(fā)生換相失敗。(2)換流器運(yùn)行時要產(chǎn)生大量低次諧波。(3)換流器需吸收大量無功功率,需要大量的濾波和無功補(bǔ)償裝置。(4)換流站占地面積大、投資大。3.3直流輸電聯(lián)網(wǎng)的概念隨著電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展,換流站采用IGBT、IGCT等元件構(gòu)成電壓源型換流站(VSC)進(jìn)行直流輸電成為可能。這種技術(shù)是采用可關(guān)斷電壓源型換流器和PWM技術(shù)進(jìn)行直流輸電,相當(dāng)于在電網(wǎng)接入了一個閥門和電源,可以有效控制其通過的電能,隔離電網(wǎng)故障的擴(kuò)散,還能根據(jù)電網(wǎng)需求,快速、靈活、可調(diào)地發(fā)出或者吸收一部分能量,從而優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、提升電網(wǎng)的智能化和可控性。它很適合應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域。因此,根據(jù)國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃和“十一五”發(fā)展規(guī)劃綱要,發(fā)展直流輸電技術(shù),建設(shè)新一代直流輸電聯(lián)網(wǎng)工程,促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng),滿足持續(xù)快速增長的能源需求和能源的清潔高效利用,增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力,符合我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律,電力工業(yè)發(fā)展規(guī)律、市場需求和電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方向。目前,世界各國充分認(rèn)識到柔性直流輸電在可再生能源和智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要作用,工程應(yīng)用開始呈現(xiàn)快速增長趨勢。3.4換流站總功率的堅(jiān)持多端直流輸電系統(tǒng)是指含有多個整流站或多個逆變站的直流輸電系統(tǒng),通常由三個或三個以上換流站以及連接換流站之間的直流輸電線路組成,與交流系統(tǒng)有三個或三個以上連接端口。換流站既可以工作在整流狀態(tài),也可以工作在逆變狀態(tài),但作為整流站運(yùn)行的換流站總功率與作為逆變站運(yùn)行的換流站總功率必須相等,即整個多端直流系統(tǒng)輸入功率與輸出功率保持相等。由于柔性直流輸電具有在潮流翻轉(zhuǎn)時,直流電壓極性不變、僅電流反向的優(yōu)點(diǎn),可以非常方便構(gòu)成并聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng),所以現(xiàn)有的多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)全部采用柔性直流輸電方式。在多端柔性直流工程中,直流側(cè)形成一個直流網(wǎng)絡(luò),數(shù)個換流站中必須有一個充當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器控制直流電網(wǎng)電壓,類似于交流電網(wǎng)中的平衡節(jié)點(diǎn),其余換流站實(shí)現(xiàn)功率分配。這種結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時可以方便地控制直流電壓,將其維持在允許范圍內(nèi),以保證換流器的安全,功率分配則通過調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)。多端直流輸電系統(tǒng)不僅可以解決多電源供電或多落點(diǎn)受電的輸電問題,而且還可以聯(lián)系多個交流系統(tǒng)或者將交流系統(tǒng)分成多個孤立運(yùn)行的電網(wǎng),應(yīng)用前景十分廣闊。多端直流網(wǎng)絡(luò)由于需要穩(wěn)定運(yùn)行的直流電壓,換流站之間的連接方式一般采用并聯(lián)方式。3.5直流輸電系統(tǒng)特點(diǎn)柔性直流輸電除具有傳統(tǒng)直流輸電的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)外,還具備有功無功單獨(dú)控制、可以黑啟動、對系統(tǒng)強(qiáng)度要求低、響應(yīng)速度快、可控性好、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn),目前,大容量高電壓柔性直流輸電技術(shù)已具備工程應(yīng)用條件,將對我國未來電網(wǎng)發(fā)展方式產(chǎn)生重要影響。優(yōu)點(diǎn)如下:(1)系統(tǒng)具有2個控制自由度,可同時調(diào)節(jié)有功功率和無功功率,當(dāng)交流系統(tǒng)故障時,可提供有功功率的緊急支援,又可提供無功功率緊急支援,既能提高系統(tǒng)功角穩(wěn)定性,還能提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性;(2)系統(tǒng)在潮流反轉(zhuǎn)時,直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變,這個特點(diǎn)有利于構(gòu)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),實(shí)現(xiàn)多端之間的潮流自由控制;(3)柔性直流輸電交流側(cè)電流可被控制,不會增加系統(tǒng)的短路功率;(4)對比傳統(tǒng)直流輸電方式,采用多電平技術(shù),無需濾波裝置,占地面積很小;(5)各站可通過直流線路向?qū)Χ顺潆?并根據(jù)直流線路電壓采取不同的控制策略,因此換流站間可以不需要通訊;(6)柔性直流輸電具有良好的電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制能力;(7)系統(tǒng)可以工作在無源逆變方式,克服了傳統(tǒng)直流受端必須是有源網(wǎng)絡(luò),可以為無源系統(tǒng)供電。4柔性直流輸電系統(tǒng)互聯(lián)互通柔性直流輸電既具有傳統(tǒng)直流輸電的優(yōu)點(diǎn),又克服了傳統(tǒng)直流輸電的不足,使其應(yīng)用范圍得到很大擴(kuò)展。主要應(yīng)用領(lǐng)域如下:(1)連接分散的小型發(fā)電廠。清潔能源發(fā)電一般裝機(jī)容量小、供電質(zhì)量不高并且遠(yuǎn)離主網(wǎng),如中小型水電廠、風(fēng)電場(含海上風(fēng)電場)、潮汐電站、太陽能電站等,采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均難以滿足要求,利用柔性直流輸電與主網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)有利于克服清潔能源并網(wǎng)帶來的一系列問題,提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。(2)異步聯(lián)網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)不同頻率或相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運(yùn)行。(3)構(gòu)筑城市直流輸配電網(wǎng)。由于大中城市的空中輸電走廊已沒有發(fā)展余地,原有架空配電網(wǎng)絡(luò)已不能滿足電力增容要求,采用柔性直流輸電向城市中心區(qū)域供電,即將成為未來城市增容的最佳選擇。(4)海上供電。遠(yuǎn)離陸地電網(wǎng)的海上負(fù)荷如:海島或海上石油鉆井平臺等,通?？績r(jià)格昂貴的柴油或天然氣發(fā)電,不但發(fā)電成本高、供電可靠性難以保證,而且破壞環(huán)境。采用柔性直流輸電后,不但問題得以解決,還可將多余電能(如用石油鉆井產(chǎn)生的天然氣發(fā)電)反送給系統(tǒng)。(5)提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。柔性直流輸電系統(tǒng)可以獨(dú)立快速控制有功和無功,能夠保持交流系統(tǒng)的電壓基本不變,使系統(tǒng)電壓和電流較容易地滿足電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),是改善配網(wǎng)電能質(zhì)量的有效措施。5柔性直流輸電技術(shù)近年來我國中東部地區(qū)出現(xiàn)長期霧霾天氣,嚴(yán)重影響人民生活和身體健康。多項(xiàng)研究表明,我國以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正是大氣污染日益嚴(yán)重的最主要原因,因此必須改變能源供給方式,將以煤為主的能源供給方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪姙橹鞯哪茉聪姆绞?只有這樣才能從根源上消除霧霾危害。因我國能源和負(fù)荷中心逆向分布,水電、煤電以及風(fēng)電和太陽能資源等主要集中在西南部、西北部和北部地區(qū),而負(fù)荷中心主要集中在中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),為實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置,解決煤電運(yùn)力矛盾,促進(jìn)新能源開發(fā)應(yīng)用,保障國家能源安全供應(yīng),必須大力采用“電壓等級高、輸送容量大、送電距離長、運(yùn)行損耗小”的輸電技術(shù),以實(shí)現(xiàn)西電東送和南北互供的電力分配格局。柔性直流輸電技術(shù)在交流系統(tǒng)