电力行业中的电力电子应用——半导体是电网的关键推动力(下)

(接上篇)  

轻型高压直流 (HVDC Light)

20 世纪 90 年代，ABB 在常规高压直流技术基础之上开发出轻型高压直流。该系统在变流过程中采用晶体管取代原先的晶闸管。此外，该系统还采用了低强度的地下及水下电缆或架空线保证远距离输电。高速门级控制半导体开关( 即绝缘栅双极晶体管，IGBT)的应用使最先进的电压源换流器 (VSC) 成为整个系统中不可或缺的组成部分，从而实现迅速注入或吸收无功功率的功能。这些半导体开关出色的终端稳压功能使之成为风力发电场的理想之选，可以应对风速变化带来的严重电压波动问题;此外，这些半导体开关还具有出色的可控制性和灵活性，在石油天然气钻塔和陆地间的连接项目以及电网互联中获得越来越多的认可。

轻型高压直流输电系统之所以具有良好的可控性，其主要原因在于采用上文所述的 IGBT 半导体设备。IGBT 与晶闸管相似，可通过串联提高额定电压。

与需要门级电流控制的晶闸管不同，IGBT 只需一个小电压信号控制开断。构建一个额定功率为 300 兆瓦的轻型高压直流输电系统需要串联6,000 个 StakPak 模块，包括约2 0 0 , 0 0 0 个 I G B T 芯片[ 见-(5)和-(6)]。每个 StakPak 模块由多个子模块组成(可为 2 个、4 个或 6个)。IGBT 的开断频率可根据不同应用调节，其范围通常为百赫兹到一千赫兹。通过这一方法组装 IGBT 可构建一个紧凑且可控性极高的电力电子换流器，即使在没有额外电源的网络区域，也能够保证电压稳定。Hällsjön-Grängesberg 的 10 千伏试输电项目是首个轻型高压直流输电项目，该项目于 1997 年竣工。此后，各地兴建了为数众多的换流站，其中最大的换流站在正常运作条件下最大关断电流可达 4,000 A，并且在短路时可承受约 18 kA 电流-(7)。

柔性交流输电系统 (FACTS)

交流电力系统始终面临无功功率带来的技术挑战。这部分交流功率主要消耗于电容器、变压器和感应电机等交流电网常见组件。产生磁场( 在感应元件中)或电场( 在电容元件中)是该类系统元件导致功率损耗的主要原因，大大降低了系统中可用的有功功率。感性条件下,电容器组等无功功率补偿装置可自动切换到系统中-(8)。提高系统电压，或使用反应器消耗系统的无功伏安 (vars)，降低容性条件下的系统电压。如果无功功率未在本地得到补偿，则将被传送至整条输电线路，影响网络稳定性，甚至导致大停电事故。柔性交流输电系统涵盖了一系列能够提高输电系统安全性、容量和灵活性的技术。该类技术适用于全新或现有输电线路，可采用串联，例如使用晶闸管控制的串联电容补偿器(TCSC，简称可控串联补偿)或晶闸管控制串联电抗器(TCSR，简称可控串联电抗器);也可采用并联，例如静态无功补偿装置 (SVC) 或静态补偿器 (STATCOM)。该类装置采用电力电子技术对无功功率进行补偿，从而优化潮流并稳定电压。

可控串联补偿 (TCSC) 与可控串联电抗器 (TCSR)

晶闸管可以自动关断电容器(使用可控串联补偿)或电抗器(使用可控串联电抗器)，从而稳定电压。控串联补偿 (TCSC) 能够非常有效地稳定输电网中互联点的电压，该技术已在巴西南方电网和北方电网的互联项目中得以运用。自 1999 年春季起，巴西Eletronorte 在其南方电网和北方电网系统之间的 Eletronorte 500 千伏互联线路中采用了 ABB 提供的 可控串联补偿和五个固定串联电容器-(9)。ABB已安装约 1,100 Mvar 串联电容器，为互联的电力系统事业提供了更高的动态稳定性。

SVC

在常规高压直流和特高压直流输电系统中，必须将静态无功补偿装置安装在直流系统与交流电网络的结合点处，用于注入或吸收无功功率。原因就在于高压直流系统只能传输有功功率，这就意味着该类系统将对无功潮流形成有效屏障。这样可防止无功潮流的多米诺骨牌效应，避免其分布在整个网络中而导致电压崩溃和大停电事故，同时还可减少无功功率的可用来源。为补偿无功功率的这一差额，必须将静态无功补偿装置安装在高压直流系统的连接点处，以确保稳定性，提供一个可以吸收或注入无功功率的本地设施。

为方便电力交易而对电网进行互联的结果之一就是增加了电网分散问题的脆弱性。使用高压直流系统连接交流电网具有双重优势;如上文所述，它们可对无功潮流形成屏障，还可连接不同频率的电源或相同额定频率但无固定相位关系的网络或对二者同时(即频率和相位数均不同)连接。当然，该类连接不需要很长;只需要一个较短的背靠背式高压直流电站，在该电站中静态变流器和整流器安装在同一建筑中。

静态补偿器 (STATCOM)

轻型高压直流系统使用 IGBT 提供静态无功补偿能力以快速注入或吸收无功功率，除此之外，轻型静态无功补偿装置 (SVC Light®) 也采用 IGBT。轻型静态无功补偿是一种静态同步补偿装置，其功能与基于晶闸管的静态无功补偿装置相似，但以电压源换流器为基础。轻型静态无功补偿装置的IGBT 半导体位于 Stak- Pak 模块中，采取串联以应对所需电压 -(10)。IGBT赋予的更佳可控制性能够提高电能质量，减少消费者使用电弧炉所造成的电压闪变。该类锅炉不仅消耗大量有功功率，还会消耗大量无功功率。为补偿锅炉无功功率消耗的急剧波动，需要安装同等的快速补偿装置。先进的 IGBT 技术能够实现这一快速响应。连续可控的半导体装置能够进行高功率处理，使轻型静态无功补偿装置能够处理电网中的高动态无功功率要求，范围从几十 MVA 至 100 MVA。

储能的轻型静态无功补偿装置可再生能源使用比重不断增加，电网的不稳定度亦随之不断上升。为进一步增强稳定性和可靠性，ABB 引进了柔性交流输电系统领域的最新产品——具备储能功能的轻型静态无功补偿技术-(11)。这一动态能量储存系统基于锂离子电池，不仅能够像普通的轻型静态无功补偿一样传送无功功率，而且还能传送有功功率，为增强输配电提供了支持峰负荷的备用选择。轻型静态无功补偿一样传送无功功率，而且还能传送有功功率，为增强输配电提供了支持峰负荷的备用选择。目前的额定功率和储存容量通常为 20 兆瓦，持续时间约 15-45 分钟，不仅如此，该技术的功率可扩展至 50 兆瓦，持续时间长达 60 分钟以上。

MACH2TM 控制系统

在电网中采用电力电子技术为有效管理潮流的大小和方向提供了良好机会。为最大限度提高并保护系统性能，ABB 开发了一系列用于控制、监测和分析高压直流输电系统的有效工具。ABB 的 MACH2TM 系统是一款高性能高压直流控制保护系统。目前，在传统的高压直流、静态无功补偿和轻型静态无功补偿以及一系列其他应用中，该系统适用于半导体开关的高速、精确控制，进而实现准确的电压和功率控制。

现在的电网需要更成熟的技术确保传输所需的稳定而又可靠的电能，无论可再生能源(如风能、太阳能、潮汐发电等)的并网带来怎样的间歇性。为满足电网中不断涌现的新需求，ABB 正持续不断地把性能更佳的创新性电力电子器件应用到新建和现存的电网结构中。

过去 10 年，常规高压直流和轻型高压直流的性能取得了迅猛的发展-(12)。随着撒哈拉沙漠太阳能项目 (Desertec) 和直流电网等富有远见性的项目成为现实，半导体技术应用的优势在未来得以持续。

Claes Rytoft

ABB 电力系统业务部

瑞士苏黎世

Peter Lundberg

ABB 电网系统业务部

瑞典维斯特拉斯

Harmeet Bawa

ABB 电力产品与电力系统业务部

瑞士苏黎世

Mark Curtis

ABB 企业传播部

瑞士苏黎世

(完)