0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的日新月異，世界各國(guó)的能源相對(duì)匱乏和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題備受矚目。新型的、清潔的、可再生的能源發(fā)電已成為電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新型能源發(fā)電已在世界范圍內(nèi)逐步擴(kuò)展，其主要特點(diǎn)之一是分散化與小型化。地理?xiàng)l件與發(fā)電規(guī)模的制約使得利用現(xiàn)有交流輸電技術(shù)將這些“孤島”電源與電網(wǎng)連接經(jīng)濟(jì)性差、環(huán)保壓力大。另外，鉆探平臺(tái)、島嶼、礦區(qū)等遠(yuǎn)距離負(fù)荷目前多采用污染性大的柴油發(fā)電機(jī)供電，若采用交流輸電技術(shù)供電也有同樣問題。用電負(fù)荷的不斷增加要求電網(wǎng)規(guī)模與傳輸容量保持持續(xù)發(fā)展，然而增加輸電走廊也面臨越來越多的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保限制，尤其在城市負(fù)荷中心，增加傳統(tǒng)的架空交流輸電線幾乎不可能。為此，需要一種經(jīng)濟(jì)、靈活、高質(zhì)量的輸電方式解決上述問題[1]。隨著近年來國(guó)外輕型直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展并應(yīng)用于實(shí)際工程，人們對(duì)輕型直流輸電技術(shù)的巨大經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益日漸關(guān)注。

本文介紹了輕型直流輸電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過與傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的比較，闡述了輕型直流輸電的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況，對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了具體的分析和展望。

1 輕型直流輸電簡(jiǎn)介

20 世紀(jì)90 年代末隨著大功率GTO 和大功率IGBT的商業(yè)化應(yīng)用，輕型直流輸電技術(shù)逐漸發(fā)展起來。輕型直流輸電技術(shù)是一種基于電壓源變流器(VSC)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的新型直流輸電技術(shù)。輕型直流輸電技術(shù)的發(fā)展主要是緣于電壓源變流器(VSC)和用于高壓直流輸電的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜這兩項(xiàng)基本技術(shù)的進(jìn)步。

1.1 電壓源型變流器

HVDC Light 采用電壓源型變流器(VSC)，變流器的橋臂由大功率可關(guān)斷型器件(如：GTO、IGBT或IGCT)和反并聯(lián)的二極管組成，如圖1(a)所示。變流器中可關(guān)斷器件上并聯(lián)的反向二極管，除了作為主回路外，還可以起到保護(hù)和續(xù)流的作用[2]。為了獲得所需能量，一般需將多個(gè)器件串聯(lián)連接構(gòu)成一個(gè)閥,如圖1(b)所示。GTO閥可以承受較高的電壓和允許通過較大的電流，但I(xiàn)GBT閥的優(yōu)勢(shì)在于觸發(fā)控制電路功率小、簡(jiǎn)單。這是因?yàn)榍罢呤请娏餍涂刂破骷?，后者是電壓型控制器件。因此選擇IGBT 將比GTO更為合理。就現(xiàn)今的技術(shù)條件下，IGBT 閥的阻斷電壓可達(dá)150 kV，基于這種閥的VSC能承擔(dān)有效值高達(dá)1 kA的交流線電流，對(duì)應(yīng)單個(gè)VSC的設(shè)計(jì)容量約為150 MV·A。這樣，一個(gè)雙極性系統(tǒng)可以很容易達(dá)到300 MV·A。

輕型直流輸電基于PWM的控制方法，能夠獨(dú)立控制有功功率和無功功率，并能限制產(chǎn)生的低次諧波，提高電能質(zhì)量。由高頻開關(guān)器件IGBT構(gòu)成的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)式VSC變流器的單相電路如圖2所示。

如圖3 所示，其工作原理是：工頻正弦波控制信號(hào)uC 經(jīng)與三角波載波信號(hào)uT比較產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)ui。

當(dāng)V1 被觸發(fā)導(dǎo)通后，輸出電壓uo=Ud / 2;當(dāng)V2被觸發(fā)導(dǎo)通后，uo=-Ud / 2，由于V1和V2不同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，所以u(píng)o只有±Ud / 2兩種數(shù)值。經(jīng)變流電抗器和濾波

器濾除uo中的高次諧波分量后，在交流母線上可得到與uC波形相同的工頻正弦波電壓us。其中，uT決定開關(guān)的動(dòng)作頻率，uC決定輸出電壓uo的相位和幅值。

改變uC的相位，即改變uo與us的相位關(guān)系，可改變有功功率的大小和方向;改變uC的幅值，即改變uo與us的數(shù)值關(guān)系，可改變無功功率的大小和極性(感性或容性)。因此，VSC變流器可單獨(dú)調(diào)節(jié)有功功率和無功功率[3-5]。

忽略諧波分量時(shí)，變流器所吸收的有功功率和無功功率分別為

1.2 XLPE電纜

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜技術(shù)的革新對(duì)輕型直流輸電技術(shù)的發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。以往應(yīng)用于直流輸電的電纜主要有：紙絕緣電纜、浸漬憎水(MIND)電纜以及低壓充油(LPOF)電纜。紙絕緣電纜由于抗彎強(qiáng)度差，不適合于架空應(yīng)用;MIND電纜在導(dǎo)體運(yùn)行溫度上有限制;LPOF 電纜需要輔助設(shè)備維持油壓，安裝困難，且需要考慮油溢出所造成的環(huán)境問題[6]。而XLPE 電纜盡管已經(jīng)應(yīng)用于交流輸電中許多年了，但是由于其在絕緣中存在的空間電荷導(dǎo)致不可控的局部高電場(chǎng)以及與溫度有關(guān)的電阻系數(shù)引起的應(yīng)力分布不均等問題，擠壓式電纜在直流輸電中一直得不到很好的應(yīng)用。以上這些局限都使輕型直流輸電的應(yīng)用受到制約。

隨著以擠壓式聚合物為絕緣的新型XLPE 直流電纜的出現(xiàn)，以上的問題都得到了解決[7]。由于采取絕緣層三層擠壓，即：導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層和絕緣屏蔽層同時(shí)擠壓，其具有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，易于用作架空電纜、地下電纜，甚至工作在條件惡劣的海底。而直流電纜由于沒有充電電流，因此具有比交流電纜更長(zhǎng)的使用壽命，也更適合于輸電。圖4 為ABB 公司研制的新型的XLPE 直流輸電電纜[8][9]。這種電纜重量輕、傳輸功率密度大，一對(duì)典型的95 mm2 的鋁電纜在直流電壓100 kV時(shí)能夠傳輸30 MW的功率，其重量為1 kg/m，絕緣厚度為5.5 mm。

2 輕型直流輸電的技術(shù)特點(diǎn)

HVDC Light 采用可關(guān)斷型電力電子器件和PWM技術(shù)，較之傳統(tǒng)直流輸電，技術(shù)特點(diǎn)如下[10]。

1)正常運(yùn)行時(shí)，VSC 可以同時(shí)而且獨(dú)立地控制有功功率和無功功率,甚至可以使功率因數(shù)為1，這種調(diào)節(jié)能夠快速完成，控制靈活方便。而傳統(tǒng)HVDC中控制量只有觸發(fā)角，不可能單獨(dú)控制有功功率或無功功率。另外，VSC不僅不需要交流側(cè)提供無功功率而且能夠起到STATCOM的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(shí)，如果VSC 容量允許，那么HVDC Light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，從而能提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性和系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

2)VSC電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無源逆變方式，所以不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)HVDC 受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用HVDC為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能。

3)潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，與傳統(tǒng)HVDC恰好相反。這個(gè)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)，克服了傳統(tǒng)多端HVDC系統(tǒng)并聯(lián)連接時(shí)潮流控制不便、串聯(lián)連接時(shí)又影響可靠性的缺點(diǎn)。

4)由于VSC 交流側(cè)電流可以被控制，所以不會(huì)增加系統(tǒng)的短路功率。這意味著增加新的HVDCLight線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定基本不須改變。

5)模塊化設(shè)計(jì)使HVDC Light 的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時(shí)，VSC 采用PWM技術(shù)，開關(guān)頻率相對(duì)較高，經(jīng)過高通濾波后就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，從而簡(jiǎn)化了變流站的結(jié)構(gòu)，并使所需濾波裝置的容量也大大減小。換流站的占地面積僅為同容量下傳統(tǒng)直流輸電的20%。采用新型(XLPE)直流電纜，可以直接安裝在現(xiàn)有交流電纜管內(nèi)，并使輸送容量提高約50%。

6)變流站間的通訊不是必需的，每個(gè)站可以獨(dú)立控制，易于實(shí)現(xiàn)無人值守。而且HVDC Light在電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制能力良好。

3 應(yīng)用與實(shí)例

3.1 清潔能源接入系統(tǒng)

受環(huán)境條件限制，清潔能源發(fā)電一般裝機(jī)容量小、供電質(zhì)量不高且遠(yuǎn)離主網(wǎng)，如中小型水電廠、風(fēng)電場(chǎng)、潮汐電站、太陽(yáng)能電站等，由于其運(yùn)營(yíng)成本很高及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均難以滿足要求，利用HVDCLight與交流大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護(hù)環(huán)境[11] [12]。

丹麥Tjaereborg 發(fā)電工程是世界上第一個(gè)用于示范的風(fēng)力發(fā)電的輕型直流輸電工程。工程的目的是進(jìn)行較小規(guī)模的試驗(yàn)并展示這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，這項(xiàng)新型技術(shù)將用于連接容量>100 MW 且離海岸>50 km的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)。這項(xiàng)工程于1999年3月發(fā)布并開工，于2000 年12月移交業(yè)主用于展示和試驗(yàn)。Tjaereborg風(fēng)電場(chǎng)由4臺(tái)不同型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，總裝機(jī)容量為6.5 MW，如圖5 所示。采用直流電纜與現(xiàn)有交流電纜并行鋪設(shè)，可以工作在直流電纜單獨(dú)運(yùn)行，交流電纜單獨(dú)運(yùn)行和交直流電纜并行運(yùn)行三種方式。Tjaereborg工程的建成和成功投運(yùn)，為解決風(fēng)力發(fā)電接入所導(dǎo)致的無功功率和電壓穩(wěn)定問題提供了參考，也為各國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供了借鑒。

3.2 非同步電網(wǎng)互聯(lián)

地區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)是電網(wǎng)未來的發(fā)展方向，不僅可以增加系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，而且對(duì)電力市場(chǎng)的發(fā)展也有著重要的意義。澳大利亞的Directlink 工程和Murraylink 工程都是用于異步聯(lián)網(wǎng)、電力交易，同時(shí)滿足環(huán)境的要求。另外，美國(guó)的Cross Sound Cable工程將紐約長(zhǎng)島和New England電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)，該工程將HVDC Light的直流電壓和直流電流等級(jí)都提高到了一個(gè)新的水平，而且該工程于2003 年8 月在美國(guó)東北部電網(wǎng)的黑起動(dòng)過程中發(fā)揮了十分積極的作用，反映了HVDC Light具有很強(qiáng)的電網(wǎng)恢復(fù)控制能力。

圖6 為2000 年投運(yùn)的澳大利亞的Directlink 工程。它將新南威爾士(NewSouthWales)電網(wǎng)和昆士蘭(Queens Land)電網(wǎng)連接起來，緩解了昆士蘭供電系統(tǒng)的部分壓力。Directlink 工程的每個(gè)變流站額定容量195 MV·A，由3個(gè)獨(dú)立的65 MV·A的變流器組成，利用59km長(zhǎng)的線路走廊，共用XLPE電纜354km。

3.3 環(huán)境敏感區(qū)域(如城市中心)的應(yīng)用

通過交流線路向城市中心增加新的輸送容量是昂貴的，并且在某些情況下，新的輸電走廊是難以獲得的。直流電纜比交流架空線所需的空間小，而輸送容量比交流電纜大。另外，HVDC Light系統(tǒng)具有的有功和無功獨(dú)立調(diào)節(jié)能力，使系統(tǒng)在輸送有功的同時(shí)能夠保持兩側(cè)交流系統(tǒng)的電壓恒定，從而提高電能質(zhì)量。因此如果城市中心需要更多的電力，很多時(shí)候直流電纜是唯一現(xiàn)實(shí)的解決方案[13]。

3.4 海上鉆井平臺(tái)和海島供電

海上石油鉆井平臺(tái)或海島等遠(yuǎn)離陸地電網(wǎng)的海上負(fù)荷，通?？坎裼突蛱烊粴鈦戆l(fā)電，不但發(fā)電成本高、供電可靠性難以保證，而且污染環(huán)境。應(yīng)用HVDC Light技術(shù)，這些問題都可以得到解決，同時(shí)多余電能(如用石油鉆井產(chǎn)生的天然氣發(fā)電)還可以反送給系統(tǒng)。挪威投運(yùn)的Troll 工程，就是用于向海上天然氣鉆井平臺(tái)上的用電設(shè)備供電。該工程采用HVDC Light技術(shù)除了考慮到長(zhǎng)距離海底電纜輸電和環(huán)境保護(hù)要求外，還考慮到鉆井平臺(tái)上的同步電動(dòng)機(jī)需要變頻(0～63 Hz)調(diào)速、運(yùn)行電壓在0～56 kV范圍內(nèi)變化、以及變流器空間和重量等限制因素。

1997年建成的瑞典哥特蘭島直流輸電工程就是應(yīng)用HVDC Light技術(shù)連接遠(yuǎn)距離島嶼的一個(gè)成功實(shí)例。

4 輕型直流輸電在我國(guó)的應(yīng)用前景

4.1 蓬勃發(fā)展的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益顯著，國(guó)家將大力開發(fā)和利用可再生清潔能源，可再生清潔能源的發(fā)展首推風(fēng)電。我國(guó)有著極其豐富的風(fēng)能資源，實(shí)際可開發(fā)量達(dá)2.3億kW，主要分布在東南沿海及其島嶼，西北、華北和東北地區(qū)。盡管近年來風(fēng)電增長(zhǎng)迅速，但它在全國(guó)電力供應(yīng)中只占0.25%。2005年國(guó)家出臺(tái)的《可再生能源法》對(duì)可再生能源的利用和發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(草案)》，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)的一次能源消費(fèi)中有16%來自可再生能源;可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到137 000 MW，其中包括30 000 MW的風(fēng)力發(fā)電。合理開發(fā)和利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源符合我國(guó)國(guó)情需要，但這些可再生能源一般分散性強(qiáng)、且遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，接入系統(tǒng)后還會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定情況。傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)能夠解決這些問題，卻不是很經(jīng)濟(jì)，而模塊化設(shè)計(jì)的輕型直流輸電將是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

4.2 地區(qū)聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步發(fā)展

我國(guó)電網(wǎng)正處于高速發(fā)展時(shí)期，目前已進(jìn)入從大區(qū)性電網(wǎng)向全國(guó)性互聯(lián)電網(wǎng)過渡的階段。隨著葛-南工程、龍-政工程和三峽向廣州送電工程等多個(gè)高壓直流輸電聯(lián)網(wǎng)工程的建成和投運(yùn)，HVDC 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在異步聯(lián)網(wǎng)工程中得到充分體現(xiàn)?？鐓^(qū)輸電聯(lián)網(wǎng)工程對(duì)于保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)劑電網(wǎng)電力電量的余缺，實(shí)現(xiàn)全國(guó)電力資源的優(yōu)化配置有著重要作用。而HVDC Light作為一種新型的直流輸電技術(shù)，憑借其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)，也必將在未來的電網(wǎng)互聯(lián)工程中擁有廣泛的應(yīng)用前景。

4.3 沿海資源開采力度的加大

根據(jù)國(guó)務(wù)院2003年頒布的《全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃綱要》，我國(guó)的海洋石油資源量約240 億t，天然氣資源量14萬億m3，濱海砂礦資源儲(chǔ)量31億t，海洋可再生能源理論蘊(yùn)藏量達(dá)6.3億kW。我國(guó)有充足沿海資源，但開采仍然不充分，隨著人們對(duì)海洋資源認(rèn)識(shí)的不斷加深，沿海鉆井平臺(tái)的不斷建立，輕型直流輸電又將擁有一片良好的發(fā)展空間。

5 結(jié)語(yǔ)

輕型直流輸電技術(shù)作為一種新型的直流輸電技術(shù)，憑借其自身的技術(shù)特點(diǎn)已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域中，并逐步顯示出其優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、可再生能源全面開發(fā)以及電力市場(chǎng)日益發(fā)展和完善，對(duì)高品質(zhì)電能質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和可靠性要求進(jìn)一步提高，開展對(duì)輕型直流輸電技術(shù)的深入研究有著積極作用和深遠(yuǎn)的意義。隨著國(guó)家新能源政策的貫徹和執(zhí)行，地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的穩(wěn)步實(shí)施與不斷完善，輕型直流輸電技術(shù)必將在我國(guó)擁有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。