柔性输电之直流输电内容简介轻型直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流。
这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为轻型直流输电，其系统原理如图2-1所示。
图2.1 柔性直流输电系统原理示意图其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。
由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。
1引言随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。
早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。
19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。
大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。
直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，自从20世纪50年代联接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电（HVDC）线路建成以来，HVDC在很多工程实践中得到了广泛的应用，如远距离大功率输电、海底电缆输电、两个交流系统之间的非同步联络等等。
目前，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网：未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。
交直流混合输电是现代电网的主要发展趋势。
经过多年来的研究和工程实践工作，HVDC技术有了较大的提高，在降低损耗、控制和保护技术等方面取得了长足的进步。
但是HVDC在应用中，仍然存在着一些固有的缺陷：受端网络必须是一个有源系统，不能向无源系统供电；在向短路容量不足的系统供电时易发生换相失败；换流器本身为一谐波源，需要配置专门的滤波装置，增加了设备投资和占地而使费用相对较高；同时，运行过程中吸收较多的无功功率等。
尽管人们对传统HVDC输电技术进行了不断的改进，但这些改进措施均不能从根本上解决传统HVDC输电系统的不足。
20世纪90年代以后，随着电力电子技术的发展，特别是具有可关断能力的新型半导体器件的出现，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）等，这些新型全控型器件取代传统半控型晶闸管应用于HVDC中，从而促进了HVDC 输电技术的重大变革。
1997年第一个采用IGBT组成的电压源型换流器的柔性直流输电（HVDC Flexible）试验工程在瑞典投入运行，标志着直流输电技术开始了新的发展。
随着全控型功率器件的发展及其性能的不断改善，基于电压源（VSC）换流技术的高压直流输电（HVDC）的工程应用越来越多。
从其技术特点和实际工程的运行来看，很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。
2柔性直流输电技术概述2.1直流输电技术的发展历程虽然历史上第一个实用的电力系统采用直流输电，但由于在电力工业发展初期，直流输电与交流输电相比存在很多劣势，如灵活变压能力差、电压低、损耗大、联网能力差、供电范围小、输电和用电设备复杂、维护量大和成本高等，导致直流输电的发展较慢。
在很长一段时间内，直流输电都处于劣势，而交流输电发展迅速，占据了电力工业的主导地位。
但是随着电力系统的不断发展壮大，电网联系日趋复杂，交流系统也暴露了一些其固有的特点，特别是交流远距离输电受到同步运行稳定性的限制，直流输电技术重新为人们重新重视，从而推动直流输电技术的快速发展。
由于电力系统的发输配电各个环节绝大部分均为交流电，要采用直流输电，就必须要解决换流问题，因此，直流输电技术的发展主要体现在换流器件的发展变化上。
根据换流器件的不同可以看出直流输电技术的发展过程。
1.可控汞弧阀换流器20世纪50年代，可控汞弧阀（mercury arc valve）换流器的研制成功并投入运行，为发展高电压、大功率直流输电开辟了道路。
1954年，世界上第一个采用汞弧阀换流器的商业化直流输电系统——瑞典大陆到哥特兰岛（Gotland）的直流输电工程的成功投入运行，标志着HVDC输电的诞生。
20世纪50~70年代是HVDC的汞弧阀换流器换流时期。
在此期间，世界上共有12项汞弧阀换流的HVDC工程投入运行，总容量约为5000MW。
但是由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较差、运行维护不便等因素，它很快被新兴的晶匝管阀换流技术所代替。
到20世纪末期，全世界依然采用汞弧阀换流的HVDC工程尚存4个。
2.晶匝管换流器由于晶匝管换流器克服了汞弧阀易发生逆弧、控制复杂、启动时间长等缺点，而且制造、维修和维护也都比汞弧阀方便，因此，随着高压大容量的可控硅元件组成的晶匝管换流器的出现，逐渐代替汞弧阀，并将HVDC输电带入一个新的发展时期，即所谓的晶匝管换流时期。
1970年，瑞典首先采用可控硅换流器叠加在原有汞弧阀换流器上，对哥特兰岛直流输电系统进行了扩建增容，增容部分的直流电压为50kV、电流为200A、送电功率为10MW，扩建成为150kV、30MW的直流输电系统。
1972年投入的加拿大伊尔河非同步联络站（80kV、320MW）是世界上第一个全部采用晶匝管换流器的直流输电工程。
1976年以后，世界上建成的直流输电工程几乎全部采用可控硅换流器，包括目前世界上容量最大、电压等级最高的巴西Itaipu HVDC输电工程（1987年投运，±600kV，6300MW，传输距离约为800km）。
晶匝管换流器的应用，使直流输电有了较快的发展。
1960-1975年间，直流输电容量的年平均增长速度仅450MW，而1976-1980年间，年平均增长速度达1500MW。
虽然我国的直流输电工程起步较晚，但发展异常迅速，从1987年我国第一个直流输电工程——舟山直流输电工程开始，到2004年底已有7项直流输电工程投入运行，还有多项直流工程正在实施或计划建设，如三峡向上海送电的第二个HVDC工程，西北-华北HVDC B2B互联的灵宝工程，西南水电向华南、华中、广东输送的HVDC工程等。
3.新型半导体换流元件构成的换流器目前，HVDC中应用最广泛的仍然是基于晶匝管的换流器，但是随着新型电力电子器件的出现，特别是可关断器件的发展，其电压等级不断提高，容量不断增大，而且具有高频开关特性，给HVDC技术注入新的活力。
其中“轻型直流输电（HVDC light）”（即柔性直流输电）被认为是HVDC发展史上的一次重大技术突破。
它一改传统的采用的CSC的作法，而是采用IGBT等可关断器件构成的VSC，从而给HVDC技术带来了诸多新特点。
1997年，世界上第一个采用IGBT组成的电压源型换流器的HVDC Light工业性试验工程在瑞典投入运行，输送功率和电压为3MW和±10kV，输送距离为10km，标志着直流输电技术开始了新的发展。
第一个商业化HVDC light工程，即瑞典Gotland地下电缆送电工程，于1999年投运，用于连接Gotland岛上风力发电厂和Visby市电网，输送功率和电压为50MW。
目前已投运最大容量的HVDC Light输电项目是于2002年投运的连接康涅狄格和纽约长岛的水下电缆输电工程，输送容量和电压达330MW和±150kV，输电距离为40km。
总的来说，直流发电和输电技术在电力工业诞生时经过短暂的辉煌（19世纪80年代）后，交流电迅速取代它而成为占据绝对优势的发电、输电和供电技术；直到20世纪中期，随着大容量、高电压汞弧阀换流器，特别是随后的电力电子变换技术的发展，高压直流输电技术从新获得重视。
由于它在远距离输电的成本和一些特殊的环境（背靠背、地下、海下）中具有明显的优势而得到应用，从而形成了当前电力工业中HVAC输电占主导地位、HVDC输电作为有益补充的格局。
2.2基本原理轻型直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流。
这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为轻型直流输电，其系统原理如图2-1所示。
图2.1 柔性直流输电系统原理示意图其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。
由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。
假设换流电抗器是无损耗的，在忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为式中：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为和之间的相角差；XL为换流电抗器和换流变压器的电抗。
由式（1）、（2）可以看出，有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于UC 。
而UC是由换流器输出的脉宽调制（PWM）电压的脉冲宽度控制的。
轻型直流输电技术是在大功率全控型器件组成的电压源换流器（VSC）和用于高压直流输电的交联聚乙烯（XLPE）电缆出现之后，采用脉宽调制控制技术而发展起来的。
柔性直流输电技术中的一项核心技术是正弦脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM），其控制原理如图2.2所示。
图2中A相SPWM的调制参考波UAref 与三角载波Utri进行数值比较，当参考波数值大于三角载波，触发A相的上桥臂开关导通，并关断下桥臂开关，反之则触发下桥臂开关导通，并关断上桥臂开关。
伴随上下桥臂开关的交替导通与关断，VSC交流出口电压UAo将产生幅值为正负Ud /2的脉冲序列，Ud为VSC的直流侧电压。
该脉冲序列中的基频电压分量UAo1与调制参考波相位一致，幅值为Ud/2。
因此从调制参考波与出口电压基频分量的关系上看，VSC可视为无相位偏移、增益为Ud/2的线性放大器。