低压直流供电与柔性直流输电及超高压直流输电的研究

低压直流供电与柔性直流输电及超高压直流输电的研究

冯杰

国网山西省电力公司长治经济技术研究所 山西 长治 046000

摘要：近年来，我国社会经济以及科学技术水平得到了有效提升，同时人们的生活水平也在不断的提高，人们对于高品质生活也有了新的追求，不同类型的用电设备能够为人们提供一定的便利，这样一来也提升了对于供电系统的技术要求。本文综合分析了不同类型的输电方式，包括低压直流供电、柔性直流输电以及超高压直流输电，深入探讨了各种输电方式的结构以及相应的维护控制方法，进而提出自己的建议与看法，希望能够为相关电力事业的发展做出一定的贡献。

关键词：低压直流供电；柔性直流输电；超高压直流输电

1 低压直流供电

1.1低压直流供电系统构成

为了保证电力系统正常运转，也就是在孤岛以及接入电网状态下实现电力系统稳定连续供电，需要运用到低压直流供电技术。在直流供电系统构成中，交直流转换装置是通过两个电源型整流器采取并联的方法形成，两个整流器普遍使用的控制方式为脉宽调制，并且配备了绝缘栅双极型晶体管，一方面能够对电压进行调节，使其持续稳定的保持在正常需求基础之上，另一方面也可以减少交流系统内部谐波的涌入，最终目的是为了提高系统运行的稳定性，能够使得系统在孤岛模式下进行作业。分布式发电设备利用电源型整流器，可以实现与直流系统的关联，目前技术水平下，这种方式相对比较简单便捷，稳定性高，可以保障供电的持续稳定。

1.2低压直流供电系统的质量可靠性

随着人们对于电力需求的不断提高，电力用户逐渐关注的重点在于电力供应的稳定性以及质量方面，电能质量对于敏感类负载有着较大影响，而可靠性对于应急负载有较大影响，数据类以及商业类负载对于两者同时有着更高的要求。所以使用直流供电可以有效的提升电能质量，并且增强供电稳定性，降低消耗与成本，进而提升经济效益。

对于供电可靠性有着较大影响的是电力电子器件，一旦电子元件发生故障就会影响到供电的稳定，而元件故障容易受到负载和温度的影响，所以低压直流供电系统中的电力电子元器件需要具备一定的承载能力，同时可以对温度波动有着良好的适应性。

1.3低压直流供电系统保护以及控制

低压直流供电系统运用了相当多的熔断器以及断路器，一旦出现电力过载或者短路的话，系统就可以自动的对电源进行切断，进而有效的保护系统运行安全。此外，在直流系统电压降低的时候也可以使用交流断路器，不过需要注意的是对保护整定方法进行重新制定。低压系统运行过程中常见的故障为就地故障，电流保护装置对于交流系统运行有着良好的保护作用，不过由于工作原理很难直接作用在直流系统运行中，因此需要作出另外的设计。

低压直流供电控制系统可以有效的解决不同设备控制器之间的冲突，并且降低瞬变状态对于供电稳定性的不利影响。此控制系统是在电流控制的基础上，实现对设计的法值和用户命令进行一定的应对，能够使用对电力的控制来完成对于电压的稳定控制。

2 柔性直流输电

2.1柔性直流输电换流器技术

柔性直流输电换流器主要分为可控电源型以及可控开关型，可控电源型换流器由于其内部不同桥臂中分散着储能电容，所以能够利用对桥臂等效电压的改变来实现交流侧输出电压的变化。具有代表性的就是模块化多电平换流器，能够根据改变桥臂内串联子模块数量从而完善等效电压，由于子模块的类型不同，一般划分为钳位双子模块型、全桥型等。模块化多电平换流器具备着很多应用优势，包括开关频率应力低、谐波含量少等等，不过其缺点也相对比较明显，由于串联的子模块较多，因此增加了系统处理所需要的数据量，对于控制系统的要求有了明显提高，同时很难在直流出现问题的时候实现交流格力，降低了系统运行稳定性。

由于桥臂中有着大量的串联开关器件，因此需要注意由于开关通断引发的动态静态均压故障。两电平换流器运行起来相对比较简单便捷，不过在交直流侧都存在着大量的谐波，必须要装置滤波器才能保证其正常运行，此外，其开关频率相对较高，加大了换流器的损耗。三电平换流器的开关频率低，谐波含量也少，不过其应用结构相对复杂，成本较高，不利于稳定性提升。

2.2柔性直流输电控制和保护

柔性直流输电控制系统能够满足对于有功以及无功两种类型控制器的启停操作，同时也能够对其稳态的功率进行调节。无功控制器可以实现对于交流电压和无功功率的控制，有功控制器能够实现对于直流电压和有功功率的控制，在系统运行的同时，两者相互合作，最大化的保证系统安全稳定运行。

柔性直流输电控制保护系统与传统的直流输电有着较大差异，其阀级的控制保护系统更加复杂多变，尤其是在模块化多电平柔性直流输电系统中，其阀体保护主要来自于阀级控制器，换流站及控制器的作用难以得到良好的体现，所以需要正确的把握保护控制实际，要保证高速同步控制，进而实现控制系统的实时性保护控制。

2.3柔性直流输电技术的应用探析

2.3.1可再生能源的接入
风能和太阳能作为清洁可再生能源，在电力系统中发挥着重要作用，但是风能发电和太阳能发电容易受到自然因素影响，并网电压不稳定，存在很多谐波，这就可以通过柔性直流输电技术减小可再生能源接入电力系统时的电压波动，改善并网后的电能质量。由于直流输电单回路的输电容量比交流输电要高出很多，这就使得海上风电场发电工程运营更加困难，通过柔性直流输电技术可以有效隔离交流系统故障，提升风电场发电的稳定性，因此受到了各个国家的高度重视，例如哥特兰工程、丹麦风电工程、德国北海风电工程以及我国的三个柔性直流工程，都是将柔性直流输电技术应用于分布式或集中式风电并网。

2.3.2孤岛供电
传统的孤岛供电方式主要是采用柴油或天然气等资源进行发电，不仅成本较高，并且供电质量没有办法保障。而柔性直流输电技术具有无源供电能力，在海岛、海上钻井平台等孤岛负荷供电方面展现出了良好的技术优势，可以提升柴油和天然气的发电效率，为各项活动提供安全、稳定的电能。例如，挪威的Troll平台是世界上最大的海上钻井平台，总负荷容量80兆瓦，采用柔性直输电后，每年可减少大量的二氧化碳排放，从而实现经济环保。此外，柔性直流输电技术不需要装设功率补偿设备，可以实现长距离输电任务。

2.3.3城市供电
随着经济的发展，城市化进程加快，城市电网呈现出负荷高度密集、无功短缺、电压调节困难等特点，这就需要扩充城市电网的负荷容量，提高电能供应质量。受到城市规划的影响，电网的建设空间是有限的，为了减少对城市环境的影响，需要在原有线路基础上提升容量。采用柔性直流输电技术可以进行地埋式直流电缆施工，较少了环境污染和电磁干扰，同时，利用VSC—HVDC系统可以实现功率的快速调节，减少电压闪络和波动问题，还能够在系统出现故障后提供“黑启动功能”，确保系统稳定，满足城市中心负荷的需求和环保节能的要求。

3 超高压特高压直流输电
当需要大功率远距离输送电能，两大电网联网又遇到联网的稳定性问题时，需要用超高压或特高压直流联网。直流输电有其优越性：无系统稳定问题，在同输送容量下，直流输电比交流输电更经济，直流输电的线路投资是交流输电的1/3。当输电距离大于等价距离时，宜采用直流输电，反之采用交流输电。直流输电电晕干扰小；线路不存在电容电流，沿线路电压分布均匀，不需要无功补偿；调节快速，运行可靠。超高压直流特高压直流通过晶闸管换流器能快速调节有功功率，实现“潮流翻转”（功率流动的方向的改变）；当发生短路时，直流系统的“定电流控制”将迅速的短路电流控制在额定功率附近，短路电流不应互联二恶增大。其缺点是换流站造价较高，换流站会产生谐波。

4 结语

本文对于低压直流供电、柔性直流输电以及超高压直流输电三种输电系统进行了系统的分析，同时提出了自身独特的见解，希望相关的电力工作人员能够进行一定的参考，并且在自身实际情况基础之上对方案进行升级和改进，从而有效促进我国电力事业的可持续健康发展。

参考文献:

[1] 贾勇鑫.柔性直流输电技术的特点及应用前景分析[J],电子世界,2018年12期

[2] 王鹤,王宝林.几种主要直流输电技术概述[J],中国科技博览,2018年第09期