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直流电网关键技术和设备
直流电网通过AC/DC变换器将直流线路和DC/DC变换器连接起来,直流电网系统具有灵活性和可靠性较高、冗余性好、功率损耗低及抗干扰能力强等优点。因此,直流电网被认为是实现可再生能源接入、海上风电集成、将远端可再生能源输到符合中心、新型城市电网建设和交流系统互联最有效和最有前景的技术措施。直流电网的发展和应用成为发展智能电网和能源互联网的重要方向。
直流电网关键技术:除了VSC-HVDC的关键技术之外,直流电网独特的关键技术可分为仿真、控制保护和标准化三个方面。直流电网关键设备:除了VSC-HVDC关键设备之外,直流电网中还涉及到3类专用的关键设备,即直流断路器、DC/DC变换器和直流功率控制器。其中,直流断路器用于快速开断直流侧的故障;DC/DC变换器用于连接不同的直流电压等级,实现直流电压的变换;直流功率控制器用于确保在任何运行方式下,直流系统中的所有支路都不会出现过载的情况。
直流断路器技术是需要重点攻克的技术难题。如图7所示,ABB(图8a)、GE(图8b)和GEIRI(图8c)已经研制出了直流断路器的样机,其参数如表3所示。虽然3类直流断路器采用的电力电子器件和拓扑结构有所不同,但是其基本原理类似,即:
采用电力电子器件(ABB采用IGBT,ALSTOM采用晶体管,GEIRI采用基于IGBT的MMC)开断没有过零点的直流电流。
采用特快速隔离开关来保证直流电流在短时间内开断。
采用避雷器来限制过电压和吸收系统中储存的能量。
图8 直流断路器拓扑结构
表3 3类直流断路器样机的参数
DC/DC变换器也称为直流变压器,用于不同电压等级之间的互联,以实现电压变换,对于包含多个电压等级的直流电网而言,DC/DC变换器是最基本的设备。广义而言,DC/DC变换器可以分为3类:
带有中间变压器的高频变压器,如图9a和9b所示。
带有中间电容或电感,直接连接的方案,如图9c和9d所示。
带有半导体开关和MMC子模块堆栈的混合级联变换器,如图9e所示。
图9 不同类型的DC/DC变换器
中国的VSC-HVDC工程
目前,VSC-HVDC在中国得到了广泛的关注,相关的工程建设也得到快速发展。表4列出了中国已建成和在建的VSC-HVDC工程的具体情况。
表4 中国已建或在建的VSC-HVDC工程
结论
GEI是解决可持续发展和能源需求之间矛盾的基本途径。VSC-HVDC技术为区域电网建设及加速在这个领域的探索和实践提供了更多有效的支持。从所有VSC-HVDC输电工程,尤其是张北直流电网工程中获得的经验,将为该技术在世界范围内的应用和发展提供有益参考。
作者介绍
安婷,博士(IETFollow),中国国家电网公司(SGCC)全球能源互联网研究院(GEIRI)智能设备系统设计首席专家,中央“千人计划”、国家特聘专家。英国特许注册电力工程师,英国工程与技术学会会士;国际大电网会议B4/C1.65工作组成员,B4.72工作组召集人;中国科学院电工所客座教授,中国能源研究会特聘专家。研究方向为柔性直流输电和直流电网。
汤广福,国家电网公司(SGCC)全球能源互联网研究院(GEIRI)副院长,国际大电网会议B4-48工作组召集人,B4-AG04工作组成员。主要研究方向是常规直流输电、柔性直流输电和直流电网。
王伟男,华北电力大学与全球能源互联网研究院联合培养的在读硕士生。研究方向为直流电网的接地方式研究。
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