[科普中国]-轻型直流输电

轻型直流输电（HVDC Light）是输电领域中的一种新型技术，它的输入源运用电压型的换流器，功率开关由绝缘栅双极晶体管组成，克服了传统直流输电系统中的一些缺点，具有良好的应用前景1。

简介电力系统未来的是向着新型、清洁、可再生能源发电等节能型方向发展，多种新型能源发电发展迅猛，例如风力、太阳能等，它们具有分散化、小型化等特点。地理条件、发电规模等都限制了它们的发展，运用输电方法进行“孤岛”电源与电网连接，会在经济性、环保等方面的带来巨大压力。柴油发电机供电是钻探平台、岛屿、矿区等区域的主要供电方式，它会给空气带来严重的污染，如果应用同样的技术供电也有相同的问题。还有，随着社会发展，各类负荷日益增加，这就给电网规模、传输容量提出了更高要求，如果通过增加输电走廊来解决输电问题，也会受到更多的经济、环保制约，特别是在城市核心区域，已经无法为架空交流输电线提供建设走廊。所以，我们要找到一种输电方式解决上述困难，这种方式要具有经济、灵活、高质量等特点。

轻型直流输技术，以电压源型换流器（VSC)为核心，硬件上采用IGBT等可关断器件，控制上采用脉宽调制技术(PWM)以达到具有高可控性直流输电的目的。HVDC Light 系统存在两个基本元素：换流站和一对电缆。换流站是电压源换流站，控制着IGBT的通断。

输电原理及特点相控换流器（PCC）技术具备一定的特点，它主要应用于HVDC 输电，其原理是：以交流母线线电压过零点为基准，具有一定的延时，在达到一定时间内，会触发导通相应阀，当同一半桥上的两个阀同时导通， 它会和交流系统共同导致短暂的相间短路，当先流过导通阀的电流小于它的维持电流时，阀会断开，而直流电流不受影响，通过新的导通阀继续流通。利用具有一定顺序触发脉冲，通过一定顺序控制阀的通和断，进而促使交流电与直流电的相互转换。

HVDC 输电由于在引用PCC 技术的基础上，采用晶闸管，这样是它优于交流输电，具体如下：

（1）在交流系统中，不受额定频率影响，使它们非同步联络，有效提升系统之间的互备能力及紧急支援能力，对系统的稳定性、供电的经济性有显著提升。

（2）非常适用于高电压、远距离大容量输电

由于HVDC 输电不会影响功角关系， 所以输送容量不会受静态或暂态性能的影响。

（3）在电缆供电方面有更广阔的应用空间

在电压、型号相同的情况下，直流电缆的传输功率密度约交流电缆的1.5 倍。

（4）具有耗能效、对环境的影响小

在电压、输送功率等同的条件下，直流输电线路具有有功损耗小，不存在无功耗能。直流输电存在空间电荷效应，它使其输电线路电晕造成的损耗、无线电导致的干扰均变小，达到了环保的目的。

（5）控制更迅速、精准

晶闸管功率器件具有灵活、精准等特点，将它应用于换流站，就可以快捷、灵活、准确的控制有功潮流大小以及双向传送，在功率、频率及电压等方面对交流系统提供帮助2。

系统特性与传统的直流输电技术相比较，HVDC Light系统具有以下优点

(1)正常运行时，VSC可以同时而且独立地控制有功功率和无功功率，甚至可以使功率因数为1，这种调节能够快速完成，控制灵活方便。而传统HVDC中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。另外，VSC不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着故障时，如果VSC容量允许，那么HVDC Light系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，从而能提高系统的功角稳定性和系统的电压稳定性。

(2)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。

(3)潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统HVDC 恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。

(4)由于VSC交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的HVDC Light线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。

(5)模块化设计使HVDC Light的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，VSC采用PWM技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，从而简化了换流站的结构，并使所需滤波装置的容量也大大减小。换流站的占地面积仅约同容量下传统直流输电的20%。采用新型(XLPE)直流电缆，可以直接安装在现有交流电缆管内，可以使输送容量提高约50%。

(6)换流站间的通讯不是必需的，每个站可以独立控制，易于实现无人值守。而且HVDC Light在电网故障后快速恢复控制能力良好。

(7)HVDC Light在事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。

关键技术电压源换流器(VSC)技术

在传统电力工业中用于高压直流输电的基PCC技术，如今已几乎全被VSC技术所取代。这2种技术的根本区别在于PCC技术不仅需要开通电流的电力电子元件，还需要关断电流的组件。而VSC技术则不需要这么麻烦，它通过使用全控型功率元件IGBT，可方便地控制电流的开断。由于VSC能切断电流，就不需要从所联结电网来获取有源换相电压，所以比在驱动装置上控制电动机的速度容易得多。VSC 应用在HVDC Light上，使得HVDC Light可以连接“无源”网络。

脉宽调制技术(PWM)

VSC使用具有高频开断功能的器件IGBT，这使得PWM的应用成为可能。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所要的波形。PWM通过在两固定的直流电压间快速切换来产生交流电压，并通过交流低通滤波器从高频脉冲调制电压中得到期望的基波电压。使用PWM技术，可瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值，从而实现有功与无功的独立调节。经PWM逆变的交流电压可随控制系统的变化而变化。这样就可省略传统HVDC中的换流变压器，使电路结构简化,缩小占地面积。

应用PWM技术，在一定限度内可以通过改变PWM型式获得任意相角与幅值，这一过程几乎是瞬间完成的。由于PWM允许单独控制有功功率和无功功率，使得VSC非常接近于理想的输电网中的一个分支。从系统的角度来看，它可以看作是一个没有质量的马达或发电机，几乎能够瞬时控制有功功率和无功功率。因为AC电流是可控制的，换流器不提供短路容量。

应用领域HVDC Light作为一项新技术，工程应用实例还相当少见，共有以下一些HVDCLight工程投入实际运行。

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HVDC Light在电力市场的应用主要在以下几个方面：

(1)清洁可再生能源接入电网。受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高且远离主网，如中小型水电厂、风电场、潮汐电站、太阳能电站等，由于其运营成本很高及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求，利用HVDC Light与交流大电网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境。

(2)非同步运行的独立电网之间需要交换较小容量的有功时可采用HVDC Light进行联网。地区电网之间的互联是电网未来的发展方向，不仅可以增加系统运行的灵活性和可靠性，对电力市场的发展也有着重要的意义。

(3)向偏远小负荷地区供电。对于一些偏远的小城镇、村庄或岛屿等用电地区，其负荷通常较小且波动较大，因此通过长距离的交流线路对这些地区供电既不经济有时又受交流传输功率极限的限制，因而不是一个较好的选择，而传统HVDC又不能向无源网络供电。在输电性能上，HVDC Light可以向无源纯负荷供电，且不受输电距离的限制，因此HVDC Light是向偏远小负荷地区供电较理想的选择。

(4)环境敏感区域(如城市中心)的应用。通过交流线路向城市中心增加新的输送容量是昂贵的，并且在某些情况下，新的输电走廊是难以获得的。直流电缆比交流架空线所需的空间小，而输送容量比交流电缆大。另外，HVDC Light 系统具有的有功和无功独立调节能力，使系统在输送有功的同时能够保持两侧交流系统的电压恒定，从而提高电能质量。因此如果城市中心需要更多的电力，很多时候直流电缆是唯一现实的解决方案。

(5)满足电力市场交易对输电网络的要求。应用HVDC Light技术，不必考虑连接交流系统的短路容量，几乎不会对连接交流系统产生影响，可以很方便的实现非同步电网间的互联，促进大规模统一电网的形成，而且如上所述，应用HVDC Light还可以改善系统的稳定性。显然，保证电力系统的稳定性，是电力市场化改革的前提。另外，HVDC Light还可以实现有功、无功的完全独立双向控制，在电力市场条件下具有重大意义。这就意味着它不仅可用于不同电网间的电能交易，而且可用于向两侧电网提供辅助服务。如果HVDC Light得到大量应用，甚至可以在不同电网间实现不同电价。

(6)构成多端系统，由于每一个电压源型换流器的输出都具有相同的极性，因此集成一个多端系统较为容易，可以把任何数目的VSC连接到具有固定极性的直流母线上，形成一个与交流系统布局相同的网状直流系统。这种系统可以对多个小岛、海上钻井平台或者孤立负荷供电。

亚洲首条轻型直流输电示范工程——上海南汇风电场轻型直流输电工程成功投入试运行，这是我国第一条拥有完全自主知识产权，具有世界一流水平的轻型直流输电线路，也是我国在大功率电力电子领域取得的又一重大创新成果。该示范工程输送容量为20MW，直流电压等级为±30kV，是国家电网公司的重大科技示范项目，标志着国家电网公司成为继ABB、西门子之后的全球第三家掌握该技术的公司。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学