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第4章高压直流输电与柔性输电4．1概述如何将大量的电能从发电厂输送到负荷中心一直是电力工程的重要研究课题。多年来，在努力提高传统电力系统输送能力的同时，电力科学工作者不断地探索各种新型的输电方式。多相输电的概念在1972年由美国学者提出。在输电过程中采用三相输电的整倍数相，如6、9、12相输电以大幅度地提高输送功率极限。多相输电的主要优点是相间电压较三相输电降低，从而可以减小线间距离，节省输电线路的占地。紧凑型输电的概念在1980年代由前苏联学者提出。它从优化输电线和杆塔结构着手，通过增加分裂导线的根数，优化导线排列，尽力使输电线附近的电场均匀，从而减小线路的线间距离，提高线路的自然功率。分频输电的概念在1995年由中国学者提出，目前仍在理论研究和模拟实验阶段。其基本思想是在电能的输送过程中降低频率以缩短输送的电气距离，例如采用三分之一倍工频。超导现象在1911年由荷兰科学家发现。超导输电是超导技术在电力工业中的应用，目前在国际上已能制造小容量的超导发电机、超导变压器和超导电缆，但是距离工业应用还有一段距离。无线输电是不用传输导线的输电方式，其概念提出的历史可以追溯到1899年特斯拉的实验。现代主要研究和有希望在未来实现工业化应用的无线输电方式包括微波输电、激光输电和真空管道输电。无线输电技术的研究已进行了30多年，但仍有大量而困难的技术问题需要解决，因而离工业应用的距离尚很遥远。高压直流输电(HighVoltageDirectCurrent，HVDC)与柔性输电(F1exibleACTransmissionSystem,FACTS)都是电力电子技术介入电能输送的技术。在电力工业的萌芽阶段，以爱迪生(ThomasAlvaEdison，1847—1931)为代表的直流派力主整个电力系统从发电到输电都采用直流；以西屋(GeorgeWestinghouse．1846—1914)为代表的交流派则主张发电和输电都采用交流。由于多台交流发电机同步运行问题的解决以及变压器、三相感应电动机的发明和完善，交流系统在经济技术上的优越性日益凸显，最终取得了主导地位。在发电和变压问题上，交流有明显的优越性，但是在输电问题上，直流自有其交流所没有的优点。和交流输电相比，直流输电有三个主要优点：①由于交流系统的同步稳定性问题，大容量长距离输送电能将使建设输电线路的投资大大增加。当输电距离足够长时，直流输电的经济性将优于交流输电。直流输电的经济性主要取决于换流站的造价。随着电力电子技术的进步．直流输电技术的关键元件换流阀的耐压值和过流量大大提高，造价大幅降低。②由于现代控制技术的发展，直流输电通过对换流器的控制可以快速地(时间为毫秒级)调整直流线路上的功率，从而提高交流系统的稳定性。③直流输电线路可以联接两个不同步或频率不同的交流系统。因而当数个大规模区域电力系统既要实现联网又要保持各自的相对独立时，采用直流线路或所谓背靠背直流系统进行联接是目前控制技术条件下最方便的方法。由于这三个主要优点，直流输电的竞争力日益提升。发展到今天，高压直流输电已愈来愈多地应用在世界各大电力系统中，使现代电力系统成为在交流系统中包含有直流输电系统的交直流混联系统。1990年投入运行的葛洲坝到上海±500kv、1080km高压直流输电线路是中同第一条大型直流输电线路工程。对于新建设的输电线路，采内高压直流输电技术是解决长距离大容量输送电能的一个途径。但是对于已建成的交流输电线路、尽可能地提高其输送能力也是一个重要途径。由已建成的电力网络中，交流输电线路条数远多于百流输电线路条数，闭而对这些线路进行适当的技术改造，从而人幅度地提高它们的效力可能比建设新的输电线路在经济上更为可行。柔性交流输电系统，亦称柔性输电技术或灵活输电技术、更常用的是直接按英文缩写称为FACTS。其概念最初由美国学者亨高罗尼(N．G．Higorani)提出，约形成于20世纪80年代末[1,2,3]。公认的、严格的柔性输电技术的定义日前尚未有定论。柔性输电技术是利用大功率电力电子元器件构成的装置来控制或调节交流电力系统的运行参数和／或网络参数从而优化电力系统的运行状态，提高电力系统的输电能力的技术[4]。显然，直流输电技术也满足以上定义。但是，由于直流输电技术先已独立发展成一项专门的输电技术，故现今所谓的柔性输电技术不包括直流输电技术。产生和应用柔性输电技术的背景主要有以下几点：电力负荷的不断增长使现有的输电系统在现有的运行控制技术下已不能满足长距离大容量输送电能的需要。由于环境保护的需要，架设新的输电线路受到线路走廊短缺的制约，因此，挖掘已有输电网络的潜力，提高其输送能力成为解决输电问题的—条重要途径。大功率电力电子元器件的制造技术日益发展，价格日趋低廉，使得用柔性输电技术来改造已有电力系统在经济上成为可能。计算技术和控制技术方面的快速发展和计算机的广泛应用，为柔性输电技术发挥其对电力系统快速、灵活的调整、控制的作用提供了有力的支持。另外，电力系统运营机制的市场化使得电力系统的运行方式更加复杂多变，为尽可能地满足市场参与者各方面的技术经济要求，电力系统必须具有更强的自身调控能力。对一个已建成的不包含柔性输电设备的传统电力系统面言，其输电线路的参数是固定的。系统在运行时可以调整、控制的主要是发电机的有功功率和无功功率。尽管传统电力系统中可以通过调整有载调压变压器的分接头(LTC)、串联补偿的电容值和并联补偿的电容(或电抗)值来改变系统的网络参数及开断或投入某条输电线路来改变网络的拓扑结构。但是由于相应的控制操作都通过机械装置完成，因而调整速度不能满足系统在暂态过程中的要求。相对于系统对发电机的各种快速调压、调速控制，系统对于输电网络基本上是没有调整手段的。由于传统电力系统不能灵活地调整输电网络的参数，系统中所有负荷及发电机出力确定以后，潮流分布完全由基尔霍夫电流、电压定理和欧姆定律所确定。这种潮流称为自由潮流。电力系统中的电源点及电力网络的建设过程是一个逐步发展的历史过程，因此，很难通过建设规划使系统对于千变万化的运行方式都是合理的。事实上，对于已经存在的传统电力系统，自由潮流往往并不是技术经济指标最好的潮流分布。例如，系统中存在电磁环网时，循环功率的存在使系统的网损增大。在并行潮流中，由于电流是按阻抗成反比分流，阻抗小的输电回路电流大，出此，经常发生一条线路已达到其热稳极限，而另一条线路尚未充分利用的情况。用调整系统中的发电机出力来优化系统的运行状态有时十分不便，甚至难以满足运行要求。输电线输送电能的热稳极限主要由导线截面决定。在传统电力系统中，通常只有较短的线路才可能达到热稳极限。输电线输送电能的另一个极限是交流系统同步运行的稳定极限。确定向步稳定极限的因素要比确定热稳极限的因素复杂得多，它与全系统的网络结构、运行方式、控制于段、线路在系统中的具体位置及事故地点和类型等有关。传统电力系统由于缺乏对输电网络的快速、灵活的控制手段，故线路的同步稳定极限通常小于、有时甚至远小于热稳极限。这就意味着，传统电力系统输送电能的能力并没有充分得到利用。柔性输电技术正是基于这一事实，在输电网络中引入由电力电子元器件构成的装置，以实现对输电网的快速、灵活的控制，从而与对发电机的各种快速控制相匹配以提高已有的输电网的输电能力。传统的电力系统也试图对输电网络提供调整控制手段。如在系统中合适的位置采用串联电容补偿以减小线路电抗，安装并联电容器和／或电抗器、静止并联补偿器和有载调变压器以控制节点电压，利用移相器以改变线路两端的电压相位差。但是由于这些设备不能快速、连续地调整自身的参数，因而由其提高系统的稳定极限从而增加的输送能力有限。属于索性输电技术的装运很多，文献[4]建议广与各种FACTS装置有关的术语及其定义。由于传统电力系统中己在串联补偿、并联补偿、移相器和有载调压变压器等设备的应用方面积累了一定的经验，日前相对于较成熟的几种柔性输电装置就是用电力电子元器件实现的上述几种装置。由于装置采用了电力电子元器件，因而可以在系统的暂态过程中按照预先设计好的控制策略通过快速、连续地调整自身的参数来控制系统的动态行为，从而达到提高系统稳定极限、增大系统输送能力的效果。近20年来，柔性输电技术不断发展．在实际电力系统中得到厂越来越多的应用。中国也正在逐步发展和应用这些技术．如在河南省电网安装广静止无功发生器等等。高压直流输电和柔性输电的基本特点部是控制十分迅速，因而当系统中含有HVDC线路和／或FACTS装置时，电力系统的稳态和动态调控手段都大大加强。显然，合适的控制策略对改善电力系统的动态特性极为重要。研究HVDC和FACTS各种运行工况下约分析方法、控制技木及含有HVDC相FACTS的电力系统的潮流计算方法及控制策略因而也成为电力科学研究的一个重要领域。本章将讨论直流输电系统和柔性输电系统的基本原理和数学模型，并介绍交直流混联电力系统和含有柔性输电装贵的电力系统的潮流计算方法。4．2直流输电的基本原理与数学模型本节将通过分析换流器的正常运行工况来介绍直流输电的基本原理和建立其数学模型。对换流器的不正常状态、换流器的保护、谐波问题及控制技术将不作讨论，对这些问题有兴趣的读者可参阅文献[5—8]。4．2．1直流输电的基本概念直流输电的基本原理接线图如图4－1所示。这是一个简单的直流输电系统，包括两个换流站C1及C2和直流线路。根据直流导线的正负极性，直流输电系统分为单极系统、双极系统和同极系统。图4—1所示的直流系统尺有一根直流导线，通常为负极，另一根用大地替代，因此是单极系统。为了节省线路建设的投资，直流输电系统有时用单极接线方式。但是单极系统中的地电流受地质的影响．有时可能对其附近的地下设施产生不良影响．例如加速地下各种金属管道的腐蚀。为避免这种情况．可采用两根直流导线．一根为正极，另一根为负极，这就是双极接线。图4—1中的换流站由一个换流桥组成，为了提高直流线路的电压相减小换流器产生的谐波，常将多个换流桥串联而成为多桥换流器。多桥换流器的接线方式有双极和同极。团4—2(a)相(b)分别给出了双极和同极接线方式。同极接线方式中所有导线有相同的极性。单极接线方式也常常作为双极和同极接线方式的第一期工程。一个换流站通常称为直流输电系统的一端。所以图4－1和图4—2(a)、(b)所示的直流输电系统分别为单极两端系统、双极两端系统和同极两端系统。实际的直流输电系统可以是多端系统；多端直流系统用以联接三个及三个以上交流系统。图4－2(c)为一个单极三端直流系统的接线。图4－l直流输电的基本原理接线图图4－2直流输电的接线方式换流站中的主要设备有：换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备和断路器。换流器的功能是实现交流电与直流电之间的变换。把交流变为直流时称为整流器，反之称为逆变器。组成换流器的最基本元件是阀元件。现代高压直流输电系统所用的阀元件为普通晶间管(Thyristor)。在目前的制造水平下，晶闸管的额定电压约为3—5kV，额定电流约为2.5—3kA。由于阀元件的耐压值和过流量有限，换流器可由一个或多个换流桥串并联组成。用于直流输电的换流桥为三相桥式换流电路，如图4—3所示。一个换流桥有6个桥臂，桥臂由阀元件织成。换流桥的直流端与直流线路相连，交流端与换流变压器的二次绕组相连。换流变压器的一次绕组与交流电力系统相连。换流变压器与普通的电力变压器相同，但通常须带有有载调压分接头，从而可以通过调节换流变压器的变比方便地控制系统的运行状态。换流变压器的直流侧通常为三角形或星形中性点不接地接线，这样直流线路可以有独立于交流系统的电压参考点。换流器运行时，在其交流侧和直流侧都产生谐波电压和谐波电流。这些谐波分量影响电能质量，下扰无线通讯，因而必须安装参数合适的滤波器抑制这些谐波。平波电抗器的电感值很大，有时可达1H。其主要作用是减小直流线路中的谐波电压和谐波电流；避免逆变器的换相失败；保证直流电流在轻负荷时的连续；当直流线路发生短路时限制整流器中的短路电流峰值。另外，换流器在运行时需从交流系统吸收大量无