低壓直流供電與柔性直流輸電及超高壓直流輸電的研究

劉谞

摘 要：隨著經濟的發展和科學技術水平的提高，人們的生活水平也在不斷的提高，各類新型的用電設備在提高生活水平的同時也提高了對于供電系統的要求。本文從各類輸電方式出發，對低壓直流供電、柔性直流輸電、超高壓直流輸電進行分析，包括他們的結構及其相應的故障類型和保護控制方法，旨在為相關的從業人員提供參考意見。

關鍵詞：低壓直流供電；柔性直流輸電；超高壓直流輸電；

1、低壓直流供電

1、1低壓直流供電系統結構

為了能夠滿足電力系統的要求，即在孤島和接入電網的狀態下正常運行、連續供電性、電壓穩定行、可擴展性等，在符合現行規范標準的前提下，提出了低壓直流供電系統的結構，如圖1所示[1]。

直流供電系統結構中AC/DC裝置是由兩個電源型整流器通過并聯方式構成的，這兩個整流器都采用了脈寬調制的控制方法，并配備了絕緣柵雙極型晶體管，調節電壓并穩定在正常需求水平上，同時也能降低交流系統中諧波的流入，其目的是為了提高系統的可靠性，使系統能夠在孤島模式下進行工作。分布式發電設備通過電源型整流器來實現與直流系統的連接，這種方法比較簡單，穩定性比較好，能夠保證供電的連續性。

1、2低壓直流供電系統的質量可靠性

電力的穩定性和質量是用戶比較關注的重點，其中電能質量對敏感類負載的影響較大，可靠性對應急負載的影響較大，數據類和商業類的負載對于二者都有較高的要求。因此使用直流供電能夠有效的提高電能質量，并能進一步的提高供電的可靠性，減低損耗，減少成本，提高經濟效益。

電力電子器件會影響供電的可靠性，而元件的故障率受負載和溫度的影響比較大，因此低壓直流供電系統中的電力電子器件需要能夠承受一定的負載，并且對溫度的波動有較好的的適應性[2]。

1、3低壓直流供電系統的保護和控制

在低壓直流供電系統中使用了較多的熔斷器和斷路器，當出現過載情況和短路的時候，系統能夠自動的切斷電源，保護了系統的運行安全。同時在直流系統降低電壓的時候也可以應用交流斷路器，但要注意的是需要重新的研究保護整定方法。在低壓系統中比較容易出現就地故障，剩余電流保護裝置雖對交流系統有較好的的保護作用，但是因為工作原理而無法直接用在直流系統中，所以需要另行設計。

低壓直流供電系統的控制結構如圖2所示，該系統能夠有效的緩解各設備控制器之間的沖突，并減小瞬變狀態對供電連續性和質量的不良影響。該控制系統的基礎是電流控制，能夠針對設計的閾值以及用戶的指令來作出相應的反應，可通過對電流的控制來完成電壓的穩定控制。

2、柔性直流輸電

2、1柔性直流輸電換流器技術

柔性直流輸電換流器根據橋臂等效特性將換流器分為可控電源型和可控開關型，可控電源型換流器的各個橋臂中分散著儲能電容，因此可以通過對橋臂等效電壓的改變來實現交流側輸出電壓的變化[3]。比較典型的代表就是模塊化多電平換流器，可通過改變橋臂內串聯子模塊個數來完成等效電壓的改變，根據子模塊的類型可分為鉗位雙子模塊型、全橋型、半橋型等；級聯兩電平換流器也屬于可控電源換流器，它是由半橋電路級聯而成的。模塊化多電平換流器具有無需濾波裝置、模塊化設計、開關頻率應力低、諧波含量少、電壓畸變率低等優點。但是缺點也比較明顯，因為串聯的子模塊很多，所以增加了系統處理的數據量，加大了對控制系統的要求，并且無法在直流出現故障的時候對交流進行隔離，使得安全性不高。

可控開關型換流器可以通過相應的脈寬調制技術來控制橋臂的斷通，但是因為橋臂存在大量的串聯開關器件，所以需要注意因開關通斷引起的動態靜態均壓問題。兩電平換流器的運行控制和拓撲結構都比較簡單，但是交直流側含有大量的諧波，需要加裝濾波器，同時開關頻率也比較高，使得換流器的損耗比較大；三電平換流器的開關頻率比較低，諧波含量比較少，但是結構卻比較復雜，經濟性不好，可靠性不高。

2、2柔性直流輸電控制和保護

柔性直流換流站級控制系統可以滿足系統正常的啟停操作和穩態的功率調節，包括無功和有功兩類控制器，無功控制器實現了對于交流電壓、無功功率的控制，有功控制器實現了對直流電壓、有功功率的控制，運行的時候，二者互相配合又獨立控制，保證了系統的穩定性和安全性[4]。

柔性直流輸電控制保護系統不同于常規的直流輸電，其閥級的控制保護系統更加復雜，特別是在模塊化多電平柔性直流輸電系統中，對于閥體的保護主要由閥級控制器來完成，換流站級控制器的作用微乎其微。因此對于保護控制的時機要求比較高，必須要高速同步控制，滿足控制系統的實時性需求。

3、超高壓直流輸電系統

3、1超高壓直流輸電結構

超高壓直流輸電系統主要包括換流變壓器、換流器、平波電抗器、直流避雷器、交流濾波器及控制保護設備等。換流器又被稱為換流閥，它是換流站的關鍵設備，能夠實現整流和逆變，陽極到陰極施加正向電壓或者在門級上施加適當的電壓能夠觸發換流閥導通，當電流將為零且閥的電壓變成反向的時候，閥才不會出現導通情況，因為換流閥具備承受正反向電壓的能力，所以可以實現交流和直流的變換[5]。平波電抗器具有降低直流線路的諧波電壓和電流、避免逆變器換相失敗、防止輕負荷電流不連續等功能。諧波濾波器，換流器在直流和交流側均會產生諧波電流和諧波電壓，它們可能會導致電容器和電機過熱，同時干擾遠動通信系統，所以在直流側和交流側都裝有濾波裝置。

3、2超高壓直流輸電系統故障分析

換流器常出現的故障有很多，換流閥短路故障是較為嚴重的故障之一，整流器閥大部分情況下承受反向電壓，在經歷反向電壓增大或者閥的系統故障時候將會造成絕緣損壞，導致閥短路；逆變器閥大部分情況下承受正向電壓，在電壓過高以及電壓上升幅度過大的時候會導致閥短路。

換相失敗也是比較常見的故障，因為換流器閥需要在承受反向電壓的前提下才能實現關斷，所以如果在這段時間當中閥沒有恢復阻斷能力，或者換相一直沒有完成的情況下，當閥為正電壓的時候，便會發生倒換相，使得應該開通旳閥出現關斷情況，導致換相失敗[6]。

閥開通故障，因為直流控制系統的故障會導致觸發脈沖異常，造成換流器的工作出現異常，導致閥出現誤開通或者是沒有開通的情況。

結束語：文章對低壓直流供電、柔性直流輸電、超高壓直流輸電進行了一系列的分析，對它們的結構進行了簡單的介紹，簡單分析了保護措施和控制方法。相關人員在進行參考的時候需要結合實際情況，對其進行方法改進和優化，不斷的推動電力事業的發展和進步。

參考文獻：

[1]楊道培. 低壓直流供電系統穩定性研究[D].上海電力學院，2015.

[2]馬為民，吳方劼，楊一鳴，張濤. 柔性直流輸電技術的現狀及應用前景分析[J]. 高電壓技術，2014，（08）：2429-2439.

[3]湯廣福，賀之淵，龐輝. 柔性直流輸電工程技術研究、應用及發展[J]. 電力系統自動化，2013，（15）：3-14.

[4]雍靜，徐欣，曾禮強，李露露. 低壓直流供電系統研究綜述[J]. 中國電機工程學報，2013，（07）：42-52+20.

[5]李子青. 超高壓直流輸電系統故障診斷新方法[J]. 通信電源技術，2010，（06）：39-40+43.

[6]林秀麗. 超高壓直流輸電線路電場環境研究[D].浙江大學，2006.