轻型直流输电系统采用全控型开关器件电压源型变换器技术

至今大容量（300MW以上）的高压远距离直流输电系统都是采用晶闸管开关器件构成换流器。由电网电压换流实现相控整流和相控有源逆变，而不采用全控型开关器件自换流的电压源型PWM逆变和高频整流。这不仅因为晶闸管价格低，额定电压、电流容量较大，更主要的原因是晶闸管多管直接串联应用技术已经成熟。现在已能实现上百只6～8kV的晶闸管串联使用（有均压措施）而应用于±500kV甚至更高电压的直流输电系统。而较高电压的全控器件如GTO、IGBT、IGCT至今尚很难实现十只以上串联安全使用。但是基于晶闸管相控整流和有源逆变的高压直流输电系统的无功和谐波问题比较突出，因此，在额定电压要求不太高、容量不太大的某些特定应用场合的直流输电系统中，采用全控型开关器件构成电压源型PWM变流器实现PWM整流和PWM逆变，有可能是一种可取的技术方案。这种方案被称为轻型直流输电。这种轻型直流输电方案的优势在于：

1）采用电压源型PWM整流器和逆变器实现直流输电，可以对有功和无功进行独立的控制，即在P-Q功率平面上四象限运行。因此特别适宜于风力发电场与大电网的互联，适宜于向大城市负荷中心地下电缆供电，适宜于将两个独立的交流系统互联解列而形成一个异步连接点。

2）电压源型PWM整流器和逆变器产生的谐波幅值较小、频率较高、易于滤波。滤波装置体积小，费用也较低。

3）变流器结构较紧凑，易模块化、标准化，可靠性较高，现场安装、检修都方便。变流站的容量大小也可以分期扩建，以适应电力系统发展的需要。

4）将中心城市供电或近岛海底输电由交流输电改为直流输电，由于交流电缆运行中具有充电电流（交流电压在电缆电容C上流过电容电流，而直流电缆无充电电流），交流电缆的输电距离不宜超过50km，且寿命低于直流电缆，因此，将新型直流电缆（交联聚乙烯电缆）安装在现有的交流电缆管内，或线路走廊内，能使输出容量提高约50%。由于向城市中心区供电或近岛海底输电容量一般不很大，电压等级不很高，采用全控型开关管的轻型直流输电的性能/投资价格比值相对也要高一些。

5）在输电容量不大、电压不太高的情况下，无论是将几个全控器件直接串联，或采用三电平变换器或采用两组变流器的串联组合，在现有GTO、IGBT、IGCT器件额定电压、电流值情况下，都不难实现直流10～50kV、750MW的直流输电，同时在经济上也有竞争力。

图4-15示出以全控型开关管三相电压源型变流器构成的轻型直流输电系统原理图。图中线路首端电压源型变流器I在PWM整流工况下运行，将频率f_s的交流电压V_s变为直流电压V_D。经直流输电后，在线路末端再经电压源型变流器Ⅱ在PWM逆变工况下运行，将直流电变为频率为f_c的交流电压V_c。轻型直流输电系统中变流器为采用全控型开关器件的电压源型变流器，实现PWM高频整流和PWM逆变，不存在晶闸管相控整流和相控有源逆变时不可避免的无功功率需求和较大的谐波危害，因此这种直流输电系统体积小，重量轻（故又称轻型直流输电系统）。轻型高压直流输电系统的另一个重要优点是它具有强大的调控能力，它通过全控型开关管的PWM控制，可灵活、快捷、有效地调控整流、逆变工况；调控中间直流电压，调控交流电流、电压、有功和无功功率，当然也可以通过变压器分接头辅助扩大调控区域。

晶闸管高压直流输电系统主要应用于高压（如±500kV或更高）、大功率（如500MW以上），而轻型高压直流输电传输功率目前大多只能在几十到500MW以下，直流输电电压在几十kV以下。(www.xing528.com)

轻型直流输电系统的一个实例如图4-16所示。图中在离海岸大于50km的大规模近海风电场的四台风力发电机生产的交流电，经由变流器Ⅰ整流后得到9kV、7.2MW的直流电。经直流电缆输电，在线路末端再由变流器Ⅱ变换为10.5kV的交流电与大电网连接。采用直流输电电缆无充电电流，近海风电场离海岸的距离就没有限制。此外，有直流中间环节，风力发电的不稳定频率、不稳定电压与大电网电压、频率解耦，风力发电机可随风况的不同在其最优转速下充分利用风能，而不必被调控到与大电网频率匹配。由于采用了全控型开关管电压源型PWM变流器，变流器可在P-Q平面内所有四个象限中运行，它能够实现有功功率双向流动，即在风况不足以满足该地区的本地负荷时也可以从大电网向风电场地区的负荷输送有功功率，而同时向交流电网发出或吸收无功功率。因此，基于电压源型变流器的直流轻型输电系统不仅适宜做两个非同步的交流电网的异步连接点，也同时适宜于将风电馈送到大电网，并在大电网与风电场之间交换有功功率。

图4-15 轻型直流输电系统原理图

图4-16 风电场风力发电直流输电示意图

1997年第一个试验性的轻型直流输电工程在Hellsjun投运（3MW，±10kV）。1999年6月在瑞典哥特兰岛（Gotland）投运的轻型直流输电系统将当地的风电系统与主电网互联，解决了风电并网的电能质量问题，至今已有十多条轻型直流输电线路投入运行。工程的应用目的覆盖了风力发电传输、提高地区间功率传输能力、海上平台供电、非同步电网互联。工程投运地点包括了欧洲、美国和澳大利亚等地区。随着全控型开关器件额定电压、电流的提高和价格的下降，轻型直流输电会得到更多的应用。