一种新型的直流输电技术_HVDCLight_胡兆庆

（2）传统直流输电往往用于大容量电能传输， 在小、中等容量电能传输成本方面，HVDC Light 更具有竞争力。
（3）HVDC Light 灵活的潮流控制能力使得它 可以充当系统中 SVC（Static Var Compensator）或 者 STATCOM（Static Synchronous Compensator）， 两端换流站可以各自独立地调节交流电压，在系统 故障情况下，其控制交流电压的能力对于稳定电力 系统更有利。
摘要 随着半导体技术和新能源发电的发展，出现了基于 VSC（Voltage Sourced Converters） 技术的新型直流输电系统——轻型直流输电（HVDC Light），本文在介绍 HVDC Light 基本原理基 础上，从结构和功能上和传统直流输电技术进行对比，阐述了 HVDC Light 的优点，并对其应用 作了总结和展望。
± Ud
USW
Uac
-
图 2 VSC 换流站一相示意图
Fig.2 Scheme of one phase of VSC
图 2 中输出电压 USW 是通过开关管的高频开通 和关断，从而在两个固定电压+Ud，−Ud 之间快速切 换 ， 产 生 交 流 电 压 ， 采 用 PWM （ Pulse Width Modulation）控制方式时，输出波形 USW（图 3）的 基波幅值和相位由调制波的调制度和相角决定，原 理上可以输出任意角度和幅值的基波，而且这种调 节可以快速完成，从而可以对有功和无功分别进行
2005 年 7 月 第 20 卷第 7 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.20 No.7 Jul. 2005
一种新型的直流输电技术——HVDC Light
胡兆庆 毛承雄 陆继明 李国栋
（华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074）
大时，变得不可行，而传统直流输电一方面占地面 积大，另一方面控制较为复杂[8]。在 HVDC Light 技术出现以前，小岛和钻井等地往往采用代价昂贵 的本地柴油发电，成本高，且对环境造成污染，有 了 HVDC Light 技术后，可以从电网直接输送电能 至负荷区，降低了成本，减小了电站占地面积，同 时也减少了污染。
关键词：轻型直流输电 VSC 中图分类号：TM721.1
New High Voltage Direct Current Transmission Technology ——HVDC Light
Hu Zhaoqing Mao Chengxiong Lu Jiming Li Guodong （Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）
3 轻型直流输电与传统直流输电比较
从结构上来讲，区别有： （1）传统直流输电系统通过换流变压器同电网 连接，轻型直流输电系统则通过小型电抗器与电网 相连，只有在直流电压同电网电压不相匹配时才加 变压器。 （2）传统的直流输电需要加电容器或者调相机 等进行无功补偿，轻型直流输电系统则不需要，只 需要尺寸很小的滤波器。 （3）传统直流输电在直流侧采用平波电抗器抑 制直流电流变化时的上升速度，减少直流线路中电 压和电流的谐波分量[9]，HVDC Light 采用 VSC 技 术，直流侧采用电容器滤波。 在应用场合上： （1）轻型直流输电系统可用于向无源网络供 电，如小岛，钻井平台等远离电网的负载，采用交 流电缆在距离超过 50～100km 以上或者传输功率过
（4）传统直流输电系统要求所连接电网短路容 量足够大，轻型直流输电则可以用于短路容量小的 系统，甚至是无源网络。
在控制方式上： （1）传统直流输电靠控制无功补偿器如电容器 的投切达到无功补偿目的，其控制比较复杂，同时 成本较高，轻型直流输电 VSC 换流站本身可以自由 控制有功和无功功率，甚至可以使功率因数为 1， 对于 VSC 而言，这种调节能够快速完成，可以等效 为一个无惯性的发电机。 （2）轻型直流输电系统通过 PWM 方式可以自 由控制输出交流电压幅值和频率，可将变压器一次 电压稳定在常数值，在系统发生短路故障时通过调 节输出电压降低短路电流，这对于提高系统稳定性 有一定作用。 （3）HVDC Light 两个站之间不需要快速通信 联系，每个站可以独立控制。
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图 1 轻型直流输电系统结构示意图
1—滤波器 2—换流电抗 3—全控器件 4—直流电容
Fig.1 Diagram of configuration for HVDC Light +
独立控制[5]。
图 3 VSC 换流站输出波形 Fig.3 Output wave of VSC
轻型直流输电系统采用新型的三层聚合材料挤 压的单极性电缆（图 4 所示）作为中间直流传输线 路[6]，导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层同时 挤压成绝缘层，中间导体一般为铝材单芯导体，不 同于传统纸或者油绝缘电缆，这种新型电缆具有高 强度，环保和方便掩埋特点，适合于深海等恶劣环 境。一对 95mm2 的铝电缆在直流电压 100kV 时能够 传 输 30MW 功 率 ， 其 重 量 为 1kg/m,绝 缘 厚 度 为 5.5mm[5]，可以方便地植入地中[6]。和交流传输相比， 距离并不是决定传输电压等级的因素，唯一的限制 是线损，而这也可以通过选择较大截面的导体来降 低损耗,并且用轻型直流输电电缆来进行传输比起 中等距离架空线交流传输或者当地柴油发电成本都 要低[6]。
教育部优秀青年教师资助计划项目。 收稿日期 2004-06-28 改稿日期 2005-01-15
求电网容量的扩充，但是鉴于架空交流线路占一定 输电走廊，线路施工日益受到限制。为此，需要一 种适当的输电方式解决以上问题。基于技术上 的可 行性和需要，近年来国外发展了轻型直流输电 （HVDC Light）技术，并用于实际工程。其核心是 采用可关断元件构成 VSC 进行直流输电。这种新型 输电系统设计容量从几个 MW 到几百个 MW,可以 向无源网络供电，整个电站按照模块化设计，占地 面积仅约为同等容量下传统直流输电电站 20%[1]。 目前国外已经把轻型直流输电用于实际，例如 1997 年 3 月世界上第一个采用 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）构成电压源换流器的轻型直流输 电系统工业性试验工程——赫尔斯杨（Hellsjön）工程 [2]在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为 3MW 和 10kV，输送距离 10km。从运行实际来看，该工 程电力输送非常稳定，换流站能够满足噪声水平、 谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要求[2]。 本文在介绍轻型直流输电系统原理基础上，将它和
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传统直流输电比较，并对其应用进行总结和展望， 给轻型直流输电技术在我国的应用和发展提供一定 参考。
2 轻型直流输电简介
轻型直流输电采用可关断电力电子器件构成电 压源型换流站 VSC（Voltage Sourced Converters）进 行直流传输（图 1 所示），传统直流输电采用相控换 流器 PCC（Phase Commutated Converters）技术， PCC 技术没有发展到 VSC 技术是因为没有合适的 商业性半导体器件能够较好满足工作要求[2]，但随 着大功率电力电子器件的发展，如 IGBT 电压达到 6.5kV，电流最大达到 3kA[3]，IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）目前能承受的断态重复峰值 电压（repetitive peak off-state voltage）达到 6kV， 最 大 可 控 关 断 电 流 （ Max. controllable turn-off current）达到 3～6kA[4]，用可关断器件构成换流站 来进行直流传输成为现实，用 VSC 构成的换流站工 作Fig.4 Cable of HVDC Light
轻型直流输电电站采用模块化设计，所有装置 在生产工厂经过试验检验后运送到电站当地，占地 较小，一个功率为 20MW，直流电压低于±30kV 的 电站面积不超过 250m2，一个 250～300MW 的电站
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4 轻型直流输电应用
轻型直流输电采用 VSC 结构，单个 VSC 可以 通过电网向直流负载供电，或者接发电单元（如光 伏发电[6]）到电网；两个 VSC 可以构成点对点的直 流传输；由于 VSC 的直流电压在系统潮流反转时极 性不变，所以多个 VSC 端子可以构成直流网络，向 多个负载供电，或者接多个发电单元。具体说：
（1）向远地负载供电，如远离电网的负荷，油 田，钻井，遥远山区等，采用交流架空线输电往往 代价高，或者不可能[10]，所以这些地方常用当地发
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电，最常用的燃料是柴油[5, 6]，不仅造成环境污染， 而且燃料运输需要成本，再加上维护，代价也很高， 有了 HVDC Light 技术后，将这些负荷通过 HVDC Light 和电网相连，降低了供电成本，同时改善了环 境。
Fig.5 Electrical plant of Hellsjön experence project
轻型直流输电系统在运行时，一般一侧换流站 控制电压，构成常电压控制，另一侧换流站控制有 功功率，常电压控制方式使两侧有功功率自动平衡； 另外换流站也可以控制交流电压，将变压器一次电 压稳定在某一预定值；同时也可以对风力发电站电 压闪变进行控制[7]。
占地 30m×40m×20m（宽×长×高）。电站主要设 备包括换流站阀，小型空心电抗器及滤波装置，冷 却设备和控制设备。图 5 显示了瑞典 Hellsjön 试验 工程电站实物图[2, 8]。