論直流輸電的運行和控制

羅衛明

摘 要：電力電子技術快速發展直接帶動了直流輸電技術的發展，特別是近幾年來，電力網絡規模的不斷擴大，直流輸電技術得到了更加廣泛的應用。傳統的直流輸電技術采用半控型半導體材料晶閘管的電流源換流器，在使用過程中具有一定的缺陷，輕型直流輸電技術采用全控型半導體材料絕緣柵雙極晶體管的電壓源換流器，具有體積小，能夠自由控制線路中有功功率和無功功率的比例等優點。該文主要就輕型直流輸電技術的運行和控制進行介紹。

關鍵詞：直流輸電 運行和控制 電壓源換流器

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0078-02

目前我國直流輸電線路主要采用高壓輸電方式，晶閘管技術和移相換流器技術的應用較多，特別是在大功率和遠距離傳輸過程中。但是由于晶閘管自身的特點，導致其換相過程中電量損耗較大，接線復雜且體積龐大，同時線路中存在的諧波電流分量較高，功率性能指標較低。為了克服直流輸電中存在的缺點，輕型直流輸電技術得到了廣泛的應用，該文主要介紹其運行機理和控制原理。

1 輕型直流輸電技術的特點

相控換流器是傳統直流輸電技術中的核心部分，在其工作過程中以交流母線電壓過零點為基準，定時延后觸發導通相應閥，通過同一半橋上兩個同時導通的閥與交流系統形成短時的兩相短路，當短路電流使先導通閥上流過的電流小于閥的維持電流時，閥關斷，直流電流經新導通閥繼續流通。通過順序發出的觸發脈沖，形成一定順序的閥的通與斷，從而實現交流電與直流電的相互轉換。

隨著科技的不斷進步，電子元器件和換流技術得到了較快的發展，脈寬調制技術在直流輸電中得到了廣泛的應用。它能夠實現能量的雙向流動，能夠實現對電能功率因素的控制、電流波形的控制等功能。鑒于傳統的直流輸電技術中的換流器體積和重量較大，所以脈寬調制技術的應用越來越廣泛。跟傳統的直流輸電技術相比，它具有如下幾個方面的優勢。

（1）能夠自由控制線路中的有功和無功功率，也可以設置其功率因素為1，且能夠快速實現各種調節功能。

（2）整流和逆變站之間不需要進行通信數據的交換，實現了對每個站功能的獨立控制。

（3）系統中不需要添加無功補償裝置，且采用了比較先進的脈寬調制技術，只需在其交流側添加體積較小的高通濾波器。隨著技術的不斷進步，甚至可以不需要濾波器的輔助。系統的直流側配置了電容進行濾波，降低了系統中的諧波分量，且能夠在短時間內實現對電能的存儲，抑制了系統中存在的振蕩現象。

（4）采用新型直流電纜具有較高的強度，且方便掩埋，適用于深海等惡劣環境中線路的鋪設。

（5）采用模塊化的設計方法，體積小，安裝方便。

通過上面的敘述，我們可以看出采用電壓源換流技術的輕型直流輸電技術從根本上解決了傳統直流輸電技術中存在的問題，且具有占地面積小、控制方便等優勢，特別適用于新能源發電的直流輸電和向無源交流網絡的供電領域。

2 輕型直流輸電控制系統的結構和原理

電壓、電流和功率是直流輸電系統的主要參數，系統運行過程中負荷的變化、電壓的波動以及其它類型的擾動都會導致上述參數的變化，為了確保直流輸電系統具有較好的動態響應特性，需要制定比較完善的控制策略。下面我們就其結構組成進行介紹。

（1）測量顯示單元：用來實現對系統中電氣、機械和熱量等參數信息的測量、記錄和顯示等。

（2）脈沖產生單元：用來完成對控制脈沖的輸出功能。

（3）保護單元：保護系統中的換流橋，防止系統工作過程中發生各種意外事故而導致設備損壞。

（4）程序控制單元：用來完成上述三個單元功能的協調，確保工況發生變化時，實現對換流閥的控制。

輕型直流輸電技術的核心是電壓源換流器，在輸電線路的接受端和發送端都采用了比較先進的電壓源換流器，且兩個換流器的結構完全相同，屬于兩電平六脈動型，其中直流側用來實現對線路中的電壓支撐，換流器起到對線路濾波的作用，交流濾波器則實現對交流側諧波的濾除作用。輕型直流濾波技術中采用的主要技術是脈寬調制技術，將給定的正弦波和三角載波做比較，以決定線路中每個橋臂開關的通斷時間。當線路中的直流側電壓恒定時，脈寬調制中的正弦信號和三角載波幅值的比值控制在0～1的范圍內，且電壓源換流器中的有功功率和無功功率取決于其輸出電壓的相位和幅值，所以在使用過程中通過控制脈寬調制控制其信號中的相位和調制度以實現對線路中有功功率和無功功率的大小和傳輸方向，進而實現對有功功率和無功功率同時且相互獨立的調節。

3 輕型直流輸電系統的控制方式

輕型直流輸電系統中每個站都能夠獨立完成各項功能，但是必須保證其有功潮流的平衡，即確保電網中的有功潮流和電網中有功功率跟直流損耗之差相等，否則就會造成系統中電壓的快速調節。所以兩個換流站一個用來完成對系統中功率的調節，一個用來完成對系統中直流電壓的調節。目前工程中直流輸電運行系統主要采用以下4種控制方式。

（1）定直流電壓控制：實現對直流輸電線路中母線電壓和交流側無功功率的控制。

（2）定直流電流：能夠實現對直路電流和無功功率的控制。

（3）定交流電壓控制：實現對交流母線電壓的控制，確保其電壓的穩定性。

（4）定無功功率控制：實現對交流側輸出無功功率的控制。

一般情況下定直流電壓和電流控制方式常用在兩端都連接有源網絡的輸電線路中，定交流電壓控制則用在無源供電網絡，定無功功率則用在無功補償的輕直流輸電系統中。表1中給出了集中控制方式的應用。

目前該技術在發電、供電、配電以及無功補償等領域的得到了廣泛的應用。如可以采用輕型直流輸電技術向遠離電網的地區-油田、礦井和山區等供電，能夠降低發電所需成本和對環境的污染程度，同時還有效的控制了建立電站所需的土地。另外還可以采用輕型直流輸電技術實現小規模發電廠和電網之間的連接，降低了其和電網連接的成本，并且允許發電機在工作過程中采用不同的電網頻率或者采用變頻率工作方式，將交流電壓穩定在一個固定值。隨著城市規模的不斷擴大，在城區規劃過程中需要添加新的電力傳輸線路非常麻煩，如果采用輕型直流輸電技術將所需要的電纜埋在地下，既不會影響城市的面貌，也不會增加環境中的電磁感染，且能夠實現電力的長距離傳輸。

4 結語

輕型直流輸電技術在采用比較先進的電壓源換流器進行輸電的新型高壓輸電技術，跟傳統的直流輸電技術相比，在新能源利用、無源網絡供電以及非同步互聯等方面具有傳統直流輸電所不具有的優勢。它能夠實現電路中功率的雙向流動，實現對有功和無功功率的獨立控制，且能夠保證交流側輸入功率因數為1。另外由于輕型直流輸電技術中采用了比較先進的脈寬調制技術，極大程度的降低了輸電系統中交流側的諧波大小，不過電壓源換流器的控制比較復雜，特別是在高電壓等級中多個換流器之間的協調控制會更加困難，需要不斷的進行改進。

參考文獻

[1] 陳紅軍，孟慶東.高壓直流輸電技術的發展及其在電網中的作用[J].中國電力，2001，34（12）：68-71.

[2] 文俊，張一工，韓民曉，等.輕型直流輸電——一種新一代的HVDC技術[J].電網技術，2003，27（1）：47-51.

[3] 李庚銀，呂鵬飛，李廣凱，等.輕型高壓直流輸電技術的發展與展望[J].電力系統自動化，2003，27（4）：77-81.

[4] 胡兆慶，毛承雄，陸繼明，等.一種新型的直流輸電技術—HVDCLight[J].電工技術學報，2005，20（7）：12-16.

[5] 張仲超，張勁東，方強.特大功率組合變流器的相移SPWM技術[J].電工技術學報，1997，12（2）：27-31.

[6] 劉洪濤，徐政.基于三電平電壓源換流器的高壓直流輸電系統的控制策略研究[J].電工技術學報，2003，18（6）：102-106.

[7] 胡兆慶，毛承雄，陸繼明.一種新的優化協調控制在輕型直流輸電中的應用[J].中國電機工程學報，2005，25（8）：41-49.endprint