基于VSC的柔性直流輸電技術研究

介紹了基于VSC的柔性直流型輸出電力系統(tǒng)的基本結構、基本工作原理和技術特點，并使用ATP-EMTP軟件仿真建立其模型，得出其正常工作時的諧波及其不同故障情況下的運行特點。最后總結了柔性直流型輸電系統(tǒng)需重點研究的幾個基礎理論問題及其發(fā)展前景。

1 引言

隨著能源日益緊張和環(huán)境污染日益嚴重，目前中國在極力開發(fā)和利用可再生的清潔型能源。由于風能、太陽能等可再生能源利用規(guī)模的日益增大，其分散性、小規(guī)模性、離供電中心較遠等問題，使得采用傳統(tǒng)的交流輸送電力系統(tǒng)或傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)顯得不是很經(jīng)濟。

相關電子技術的迅猛發(fā)展以及控制技術的突飛猛進使得采用直流型輸電力系統(tǒng)即可解決上述問題。采用基于可關斷型電壓源換流裝置和PWM技術進行直流電輸送，適合應用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市區(qū)域電網(wǎng)供電等諸多領域。

根據(jù)實際情況，特別是西電東送、全國電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)迫在眉睫的情況下，研發(fā)直流型輸電系統(tǒng)，建設新一代直流型輸電聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將會促進大規(guī)模電網(wǎng)合并，并逐步完善城市供電和孤島供電等技術。

2 柔性直流輸電的系統(tǒng)結構和基本原理

與傳統(tǒng)自然換相技術的直流型輸電系統(tǒng)不同，VSC-HVDC(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current)是一種以電壓源換流器、可控關斷裝置和脈寬調制(PWM)技術為基礎的新型的直流型輸電技術。該技術能在短時間內實現(xiàn)有功率和無功率的獨立解耦控制，能夠自主地向無源電網(wǎng)供電，極易于構成多端直流型電力系統(tǒng)，能極大的增加供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)的輸電能力。下面將介紹VSC- HVDC的系統(tǒng)基本結構和基本的工作原理。

2.1 系統(tǒng)結構

圖1為柔性直流型輸出電力系統(tǒng)的基本原理框圖，兩端的換流站全部采用VSC基本結構，由換流站、換流變壓設備、換流電抗設備、直流電容和交流濾波電路等部分組成。

圖2為在ATP-EMTP中建立模型如下所示：

其中各部分的基本作用如下：

電壓源換流器VSC：電壓源換流器的橋由功率比較大的可控制關斷電子器件和反并聯(lián)的二極管構成。在本論文仿真設計中，電壓源換流設備采用HVDC型模塊，其基本結構為12脈動控制整流裝置。

變壓器：變壓器可采用常規(guī)的單相變壓器或者三相變壓器。常見的是采用Y/接法。

換流電抗：換流電抗是VSC與交流電力系統(tǒng)之間的功率傳送的橋梁，它決定換流設備功率的大小。

直流電容：直流電容是VSC的基本儲能元器件，緩沖橋開斷的沖擊電流的能量，減小直流電壓諧波分量。

交流濾波裝置：改善輸出的交流電壓中高次諧波分量，其容量及參數(shù)的設定依據(jù)換流器開關的頻率來選定。

2.2 工作原理

直流型輸電系統(tǒng)可分為端對端直流型供電系統(tǒng)和多端型直流型系統(tǒng)兩類，目前已成功運行的直流型系統(tǒng)基本全是兩端型系統(tǒng)，圖1所示即為兩端型直流系統(tǒng)原理圖。

與傳統(tǒng)的晶閘管直流型供電有所差別，柔性直流型供電采用電壓源型換流電路和PWM技術，利用IGBT可以在高速的情況下進行通斷，可將PWM技術引入到 VSC的基本模型中。由調制載波和三角型載波比較，產生相對應的觸發(fā)脈沖，使VSC上端橋和下端橋的高頻開關開通和關斷，則橋中端電壓uc在兩端穩(wěn)定電壓+ud和-ud之間進行快速轉換，uc再經(jīng)過電抗電路濾波后則轉換為電網(wǎng)一側的交流輸出電壓US。

VSC的基本控制工作原理公式：

公式中，uc為電流轉換器輸出端電壓的基波分量;uS為電網(wǎng)一側的交流輸出電壓;d為uc和uS的相位差;XT為換流電抗電路的同效電抗。從式中可看出，通過調控uS，d即可較方便地控制電路輸送的有功功率和無功功率。如果利用PWM技術，uc同PWM調制度M成正比關系，d是PWM調制波相位差，因此可利用PWM調制幅度M和PWM調制波相位差d，在瞬間改變電網(wǎng)一側交流輸出電壓的相位和幅值，進而實現(xiàn)有功率和無功率的單獨控制。