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图1.北美现有和计划的HVDC线路。资料来源:由ICF使用ABB Velocity Suite创建注:虚线表示计划的HVDC项目。
2.2.4 HVDC技术的特点
1. HVDC布局
高压直流输电线路的一些关键技术特征如图2所示。高压直流输电链路由一个或多个发电机电源组成(交叉情况除外),交流输电线路(作为专用交流汇集的一部分)系统或本地AC网络),AC到DC换流站,HVDC线路,DC到AC换流站,AC传输和配电线路,以及最终用户。第一转换器站将能量从AC转换为DC电力,然后能量通过HVDC传输线传输。与传统的交流线路不同,HVDC线路上的功率流是单向的并且可以控制。在线路的接收端,转换器站将能量从DC转换为AC功率。然后将电力馈送到现有的AC输电和配电系统,以便传送给最终用户。
2. 换流站技术
HVDC技术的一个重要组成部分是HVDC换流站。HVDC换流站将电力从AC转换为DC,反之亦然。用于HVDC的完整换流站包括多个串联或并联的换流阀。大多数HVDC换流站固有地双向操作——作为整流器(将AC转换为DC)或作为逆变器(将DC转换为AC)。连接远程发电机的一些HVDC线路可以针对一个优选方向(即,朝向负载中心)的功率流进行优化。
早期的HVDC转换器,如Thury系统,依赖于机电设备。Thury系统依赖于在端子各端串联的多个电动机 - 发电机组。Thury系统的主要限制是系列分布意味着电力故障的可能性更大。此外,Thury系统具有高转换损失和频繁的维护问题。在20世纪30年代早期,开发了汞弧阀,并且将该技术纳入商用HVDC用了二十多年。汞阀依靠转换器所连接的交流系统的线电压来强制电流在过零点关闭阀门。因此,使用汞弧阀构建的转换器被称为线换向转换器(LCC)。直到20世纪70年代早期才使用汞弧转换器。在北美,加拿大尼尔森河直流输电系统是最大的带汞弧阀的高压直流输电系统。
自20世纪70年代以来,许多带有水银阀门的高压直流输电线路被晶闸管或其他转换器技术所取代。晶闸管阀是固态半导体器件,需要外部交流电路才能将其关闭或打开。与水银电弧阀一样,即使使用晶闸管的HVDC线路也称为LCC HVDC。晶闸管阀的击穿电压各为几千伏。对于商用HVDC换流站,晶闸管转换器使用大量串联连接的晶闸管构成。诸如分级电容器和电阻器的附加无源元件与每个晶闸管并联连接,以确保晶闸管之间共享电压。在典型的换流站中,可能有数百个晶闸管电路。基于晶闸管的换向的逐步改进是电容换向变换器(CCC)。CCC使用在换流变压器和晶闸管阀之间串联插入的换向电容器。当今世界上大多数运行的HVDC线路都依赖于基于晶闸管的转换器技术进行转换。
由于基于晶闸管的转换器只能通过控制动作打开,并且需要外部交流电源来关闭它们,因此它们无法为无源系统供电。为了克服这个缺点,开发了使用半导体器件的VSC换流阀。这种转换器不仅能够打开而且能够关闭。VSC中通常使用两种类型的半导体:GTO晶闸管或IGBT。这些转换器具有额外的优点,例如它们可以多次接通和断开以改善谐波性能,并且它们不依赖于AC系统中的同步电机来操作。VSC-HVDC还可以向仅包含无源负载的AC网络供电。VSC转换器也更紧凑,并且更适用于转换器站空间非常宝贵的应用(例如,靠近城市中心的海底电缆)。VSC转换器由两级或多级转换器,相位电抗器和交流滤波器组成。每个单独的阀门元件都由许多串联的IGBT和相关的电力电子设备组成。阀门,控制设备和冷却设备通常在外壳中(通常是运输容器的尺寸),这使得安装和运输变得容易。
3. 其他HVDC组件
除阀外,其他组件也是典型HVDC换流站的一部分(参见图2)。高压直流换流站的变压器使交流电压水平适应高直流电压水平。安装交流滤波器和电容器组以将谐波量限制在网络所需的水平。在HVDC转换过程中,转换器消耗无功功率,其部分由滤波器组补偿,其余部分由电容器组补偿。在CCC的情况下,无功功率由串联电容器补偿,串联电容器串联安装在换流阀和换流变压器之间。使用VSC转换器,无需补偿转换器本身消耗的任何无功功率。因此,这种类型的转换器所需的滤波器数量急剧减少。
图2. HVDC线的示意图。资料来源:ABB(2014b)(左)和Retzmann(2012)(右)。
4. HVDC电缆
对于HVDC输电,线路可以是架空线或海底电缆。架空线通常是双极的,即两个具有不同极性的导体。如果一个极或线路发生故障,仍然可以提供一半的电力容量。一些HVDC项目也用于海缆/地下传输。HVDC电缆通常有两种类型:固体和充油。固体电缆更为普遍且经济。在这种类型中,使用浸渍有高粘度绝缘油的绝缘纸。固体型HVDC电缆没有长度或深度限制。多年来,油浸纸绝缘电缆(MI-PPL)一直是全球高压直流电缆的主要支柱。该技术是为了满足对更高电压的需求而开发的,容量更大(大导体),传输线长度更长。该技术不受转换器技术的限制。然而,其有限的服务经验和对土地电缆应用的不适应性(由于其较高的重量)可能限制该技术仅用于海底/地下项目。充油型HVDC电缆完全充满低粘度油并在压力下工作。这些电缆通常用于低于60 km的HVDC应用。
2.2.5 HVDC技术的优缺点
在较长距离的点对点基础上,与等效AC传输方案相比,HVDC传输方案通常具有成本效益。HVDC线路也用于特殊应用,例如异步电网和海底电缆之间的连接。HVDC应用的优点总结如下:
卓越的长距离应用经济性。高压直流输电线路用于从远离需求中心的大型发电机经济地送出电力。这可能是大型水电站(如巴西的美丽山项目)或当地的可再生资源集合(如俄克拉荷马州 - 德克萨斯州狭长地带拟议的清洁线高压直流输电项目)。与等效的高压交流(HVAC)线路相比,HVDC线路更经济,因为损耗和安装成本更低。
较低的无功和“集肤效应”损耗:交流电源的功率承载能力受到交流电源的无功功率分量和“趋肤效应”损耗的影响,这会导致电流在横截面上的不均匀分布导体的面积。高压直流输电线路不受无功功率元件的影响,也不会因“集肤效应”而遭受任何损失。
降低损耗:平均而言,高压直流输电线路的损耗约为每1000千米3.5%,相比之下,类似电压等级的交流线路损耗为6.7%(Siemens 2017)。高压直流输电线路在换流站也会出现损耗,其功率在输出功率的0.6%到1%之间。在并排比较中,总HVDC传输损耗仍然低于长距离线路的AC损耗(通常低30%-40%)。图3比较了使用HVDC和HVAC配置的1200 MW架空线路的损耗。如图所示,超过300公里(或186英里)的均衡距离,交流线路的损耗始终高于可比较的高压直流输电线路。
更小的路权(ROW)要求和更低的成本:HVDC系列的输电塔配置也很紧凑,并且具有比类似电压/容量的类似AC线路更小的ROW要求。西门子(2017)报告称,与典型的HVAC生产线相比,特高压直流输电线路的ROW要求降低了50%以上。与具有六根导线电缆的双回路AC线相比,双极HVDC仅需要两根电缆(参见图3)。结果,与可比较的HVAC线相比,HVDC线的建造成本较低。
图3. HVDC与HVAC线路的比较(损耗和典型配置)资料来源:ABB(n.d. b)
能够连接异步AC系统:HVDC技术用于互连异步AC网络。在任何AC线路的情况下,两个网络必须同步(即,在相同的电压,系统频率和定时下操作)。因为HVDC是异步传输,它可以适应它接收的任何额定电压和频率。因此,HVDC技术被用作全球异步AC网络之间的互联。
适用于水下应用:HVDC技术是海底电缆的主要选择。带有绝缘片和金属外护套的电缆就像电容器一样。对于更长距离的电缆,电缆(电缆的电容增加。对于使用电缆的长距离AC传输,由大电缆电容产生的无功功率流将限制最大可能的传输距离。因此,HVDC线路是唯一可行的选择。长距离海底电缆。由于这些原因,高压直流输电线路是全球海上风电场互连的首选。
更高的额定容量:HVDC线路也始终在额定峰值电压条件下运行,不像交流线路平均在额定峰值电压的均方根(RMS)值下运行。由于RMS额定电压仅为峰值的71%,因此使用HVDC工作时的电力传输能力比使用AC工作时的能力高约40%。
能够处理更长时间的过载操作:HVDC线路可在一段有限的时间内以过载能力运行(通常比额定容量高出10%-15%,持续时间不到30分钟)。这将为系统运营商提供足够的时间在应急条件下实施缓解措施。在交流线路下,这种线路在过载条件下的延长操作是不可能的。
管理不稳定性的能力:由于HVDC线路可以异步操作,它们用于通过防止级联故障从电网的一部分传播到另一部分来确保系统稳定性。直流线路上的功率流的方向和大小也可以由系统操作员控制。这些线路可用于电力注入,以在任何供需不平衡期间平衡电网。
HVDC传输方案还具有与成本,转换设备,切换,控制和可用性相关的缺点。HVDC传输方案的缺点总结如下:
短距离的成本较高。如前所述,对于相应的电压和功率容量,HVDC线路仅在超过一定的收支平衡距离时具有成本效益。由于换流站和相关设备,高压直流输电项目的成本也较高。高压直流输电项目仅对超过一定临界距离的项目具有经济意义。作为一条粗略的经验法则,ABB报告称这种关键距离为HVDC海底线路为60公里(或37英里),架空线路为200公里(或124英里)。对于较短距离,高压直流换流站和相关资产的投资可能比可比较的交流输电线路更大。此外,维护定制HVDC资产的库存会给系统操作员/传输线所有者带来额外成本。
图4. HVDC和AC线路的成本比较曲线(通用估计)。资料来源:ABB(2014b)。
换流站之间的有限控制:与AC传输系统相比,实现多终端HVDC系统是复杂且成本过高的。控制换流站之间的功率流仍然是技术挑战。
可用性较低:HVDC方案提供的可用性低于同类AC系统,主要是由于转换站和相关设备。此外,转换器站的过载能力有限。
组件的复杂性更高。HVDC断路器难以构建,因为需要开发某种机制以迫使电流为零而不会引起电弧和接触磨损。机械断路器对于HVDC线路而言太慢,尽管它们主要用于其他应用。直到最近才在市场上引入了用于HVDC应用的商用断路器,其使用功率电子器件和快速机械断路器的组合。
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