第43屆國際大電網會議(CIGRE)于2010年8月22日至27日在法國巴黎召開。高壓直流輸電和電力電子技術委員會(SCB4)是CIGRE中的16個技術委員會之一[1],其工作范圍覆蓋了高壓直流輸電和電力電子技術研究的所有方面,包括:高壓直流輸電技術;交流輸配電系統和電能質量改進方面的電力電子技術;先進電力電子技術在電力工業各個領域中的應用;等等。SCB4的研究范圍還包括所有與電力電子技術相關的電力行業,同時也包括了與這些技術有關的經濟和環境方面的課題[2]。

本次會議中SCB4主要就3個方面的主題展開討論:

①高壓直流輸電和靈活交流輸電(FACTS)技術的發展,包括±800kV及以上電壓等級直流輸電工程、多端直流網絡、基于電壓源換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)的新型拓撲、使用直流輸電和FACTS技術提高系統容量和運行效率等;

②現有高壓直流輸電和FACTS工程運行經驗和新的工程,包括通過陸地或海底電纜實現電網互聯、原有交流網絡中嵌入直流輸電和FACTS技術、可再生能源利用等;

③高壓直流輸電和FACTS工程討論,包括直流輸電和FACTS工程的環境問題(如視覺污染、大地回流、可聽噪聲污染和電磁干擾等),含直流輸電的系統特性、運行規程,直流輸電工程的建設許可、工程投資、技術風險分析等。

本次大會SCB4共評選出26篇文章[3]。這些論文的內容涵蓋VSC-HVDC和電力電子技術及其應用中的最新發展,±800kV系統的運行經驗、遠景項目的規劃和遇到的挑戰等問題。其中,有些論文的內容并不局限于某一推薦課題,還討論了其他推薦主題的相關內容。本文重點介紹SCB4大會及其文章中討論的直流輸電和電力電子技術中的一些熱門問題。

1高壓直流輸電和FACTS技術的發展

1.1±800kV及以上電壓等級特高壓直流輸電技術

中國專家介紹了向家壩—上海±800kV特高壓直流輸電工程的最新進展,本工程于2009年12月通過了單線運行試驗。專家闡述了已通過長期運行試驗驗證的向家壩—上海工程中對于±800kV特高壓直流輸電系統所獲得的運行經驗,并重點介紹了換流變壓器、穿墻套管及外絕緣。印度專家介紹了NER/ER-NR/WR互聯工程,該工程用于將水電機組發出的電能輸送至印度東北部的主要負荷中心。

通過位于Assam州和WestBengal州的2個整流站,使用1條1728km的直流線路將電能送至新德里附近的Agra逆變站,從而構成一個多端直流輸電系統。專家重點介紹了多端直流輸電結構的運行和控制策略,例如:并聯運行、正常和保護解列運行、直流線路故障清除、不同換流站之間的協調配合,以及系統的故障處理措施等。與會專家還介紹了±1000kV及以上電壓等級直流輸電系統的技術可行性和研究開發需求,其主要觀點包括:1000kV特高壓直流輸電系統在傳輸容量超過7000MW、輸電距離超過1500km時才能體現出經濟優勢;南橋—廣東和向家壩—上海2條±800kV輸電線路的運行記錄應該作為開發±1000kV設備和新的工程是否選用±1000kV電壓等級的重要參考資料;研發±1000kV換流站設備存在的主要挑戰包括絕緣問題、直流套管設計、開關設備和支撐絕緣子等;為減小工程投資,在設計直流架空線和桿塔時應認真考慮現有±800kV系統在電磁場、可聽噪聲、無線電干擾、閃絡特性等方面的設計與運行經驗。

1.2基于新型拓撲結構的VSC-HVDC系統

世界上首個基于模塊化多電平換流器(MMC)的直流輸電工程———TransBay工程,用于從匹茲堡向舊金山市提供電力,其額定參數為400MW/±200kV。由于具有電壓支撐能力,工程的投運將使得舊金山市電網的運行穩定性得以提高。專家介紹了MMC拓撲的基本原理、不平衡工況及故障下的交流系統運行特性,以及基于MMC的直流輸電系統的接地和換流站布局設計方案。有專家介紹了適用于FACTS的MMC的特性和優點,并討論了適用于VSC-HVDC的多種MMC拓撲。其中包括級聯兩電平換流器,其基本結構與普通MMC相同,但橋臂上的每個子模塊均由串聯的壓裝式絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構成,開關頻率為150Hz。專家認為使用此拓撲可以將每個換流器的損耗通過協調控制降低1%左右。有學者提出了一種用于電壓源換相系統的新型換流器拓撲,由串聯半導體器件構成的閥與MMC共同組成。混合拓撲的基本思路是充分利用兩電平換流器和MMC結構各自的優點,其中,兩電平換流器承擔主要的能量傳輸功能,MMC提供必要的交流輸出波形。這種混合結構的一個主要優勢在于只需要較少的MMC子模塊,因此每個換流器的體積和重量都可以大大減小,有利于實際工程的應用。

1.3多端高壓直流輸電網絡

魁北克水電局的專家作了一個關于從魁北克到新英格蘭之間的多端直流輸電系統運行經驗的介紹。此系統目前大約有40%~50%的時間運行在多端模式下。工程為包含多個換流器的直流電網的運行和保護提供了豐富的經驗,也是直流輸電系統應用的一個良好拓展。專家認為,有迫切需要時,直流斷路器會得到非常快的發展。同時,需要確定一個直流電壓的標準以避免直流電網中含有過多等級的電壓。因此,對于如何建立較大的直流電網還需要完成大量的工作。根據電壓源換相直流輸電網絡的潮流控制需求,阿根廷學者提出了一種可行的控制方案。該方案采用有差調節控制策略,這種控制策略與交流頻率控制比較類似。專家提出了有功平衡控制和穩態潮流計算的基本原則,同時還指出直流電壓是多端直流輸電系統功率平衡的一個重要指標。通過案例分析,得出高壓直流輸電網絡中采用直流電壓控制的換流站對與其相連的交流系統影響較大,因此,在大規模直流輸電系統(如高壓直流網絡)中,新型潮流控制策略的設計對系統的穩定運行十分重要。

1.4利用FACTS技術提高系統輸送能力

利用FACTS技術提高系統運行效率的典型實例為挪威ViklandetTunnsjφdal靜止無功補償器(SVC)工程。該工程于2008年安裝完成,用于增加送往挪威中部地區的功率,使用了2臺±250MvarSVC裝置和9臺100Mvar并聯電容器組。挪威學者介紹了該工程的設計、建設和第1年的運行經驗,以及主要設計參數、SVC閥、控制和保護系統。同時對工程中應用的特殊技術也進行了介紹,包括功率振蕩阻尼和環境污染保護系統等。靜止同步串聯補償器(SSSC)在西班牙已得到實際應用。相關專家介紹了電網對功率控制系統的需求,特別是用來緩解過載對電網帶來的危害,同時說明了在SSSC的規格和相關設計中都必須考慮到系統參數。該工程的額定容量為47MVA,可以滿足其所連接的340MVA線路的控制要求,并且在前期研究論證階段已通過潮流和短路電流的仿真分析驗證了設計的正確性。

2高壓直流輸電和FACTS工程的運行經驗及新工程

2.1通過陸地或海底電纜實現電網互聯

羅慕洛項目是一條連接著西班牙半島和馬略卡島的長達243km的海底高壓直流輸電線路,是西班牙單個項目投資最高、世界上海底深度最大(1485m)的第2大電纜系統,也是西班牙計劃建設的第1條高壓直流輸電線路,計劃于2011年投入運行。工程采用金屬回線,其傳輸容量為2×200MW,直流電壓為250kV。另一個互聯工程位于巴西西部,在里約馬代拉河的水電站與圣保羅附近的負荷中心之間計劃建立2條3150MW/±600kV的直流連接線路。該工程的一個突出特點是采用了2個不同供貨方提供的大容量換流器,而且彼此在同一個接入點連接到500kV的交流母線上,因此,在前期系統分析中需要從無功交換、諧波、控制特性等方面驗證2個換流站彼此之間不會產生不利影響,且需保證2個換流站在同時運行時其控制不能相互影響和干擾,在任何工況下都能夠穩定運行。