引 言
随着世界经济的飞速发展，科学技术的日新月异，世界各国的能源相对匮乏和环境污染严重等问题备受瞩目。新型的、清洁的、可再生的能源发电已成为电力系统未来的发展方向，风能、太阳能等新型能源发电已在世界范围内逐步扩展，其主要特点之一是分散化与小型化。地理条件与发电规模的制约使得利用现有交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网连接经济性差、环保压力大。另外，钻探平台、岛屿、矿区等远距离负荷目前多采用污染性大的柴油发电机供电，若采用交流输电技术供电也有同样问题。用电负荷的不断增加要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而增加输电走廊也面临越来越多的经济与环保限制，尤其在城市负荷中心，增加传统的架空交流输电线几乎不可能。为此，需要一种经济、灵活、高质量的输电方式解决上述问题[1]。随着近年来国外轻型直流输电技术的快速发展并应用于实际工程，人们对轻型直流输电技术的巨大经济与环保效益日渐关注。
本文介绍了轻型直流输电技术的基本结构和工作原理，通过与传统高压直流输电技术的比较，阐述了轻型直流输电的技术特点和应用情况，对其应用前景进行了具体的分析和展望。
1 轻型直流输电简介
20 世纪90 年代末随着大功率GTO 和大功率IGBT的商业化应用，轻型直流输电技术逐渐发展起来。轻型直流输电技术是一种基于电压源变流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术的新型直流输电技术。轻型直流输电技术的发展主要是缘于电压源变流器(VSC)和用于高压直流输电的交联聚乙烯(XLPE)电缆这两项基本技术的进步。
1.1 电压源型变流器
HVDC Light 采用电压源型变流器(VSC)，变流器的桥臂由大功率可关断型器件(如：GTO、IGBT或IGCT)和反并联的二极管组成，如图1(a)所示。变流器中可关断器件上并联的反向二极管，除了作为主回路外，还可以起到保护和续流的作用[2]。为了获得所需能量，一般需将多个器件串联连接构成一个阀,如图1(b)所示。GTO阀可以承受较高的电压和允许通过较大的电流，但IGBT阀的优势在于触发控制电路功率小、简单。这是因为前者是电流型控制器件，后者是电压型控制器件。因此选择IGBT 将比GTO更为合理。就现今的技术条件下，IGBT 阀的阻断电压可达150 kV，基于这种阀的VSC能承担有效值高达1 kA的交流线电流，对应单个VSC的设计容量约为150 MV·A。这样，一个双极性系统可以很容易达到300 MV·A。
轻型直流输电基于PWM的控制方法，能够独立控制有功功率和无功功率，并能限制产生的低次谐波，提高电能质量。由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制(SPWM)式VSC变流器的单相电路如图2所示。
如图3 所示，其工作原理是：工频正弦波控制信号uC 经与三角波载波信号uT比较产生触发信号ui。
当V1 被触发导通后，输出电压uo=Ud / 2;当V2被触发导通后，uo=-Ud / 2，由于V1和V2不同时触发导通，所以uo只有±Ud / 2两种数值。经变流电抗器和滤波
器滤除uo中的高次谐波分量后，在交流母线上可得到与uC波形相同的工频正弦波电压us。其中，uT决定开关的动作频率，uC决定输出电压uo的相位和幅值。
改变uC的相位，即改变uo与us的相位关系，可改变有功功率的大小和方向;改变uC的幅值，即改变uo与us的数值关系，可改变无功功率的大小和极性(感性或容性)。因此，VSC变流器可单独调节有功功率和无功功率[3-5]。
忽略谐波分量时，变流器所吸收的有功功率和无功功率分别为
1.2 XLPE电缆
交联聚乙烯(XLPE)电缆技术的革新对轻型直流输电技术的发展有着重要的推动作用。以往应用于直流输电的电缆主要有：纸绝缘电缆、浸渍憎水(MIND)电缆以及低压充油(LPOF)电缆。纸绝缘电缆由于抗弯强度差，不适合于架空应用;MIND电缆在导体运行温度上有限制;LPOF 电缆需要辅助设备维持油压，安装困难，且需要考虑油溢出所造成的环境问题[6]。而XLPE 电缆尽管已经应用于交流输电中许多年了，但是由于其在绝缘中存在的空间电荷导致不可控的局部高电场以及与温度有关的电阻系数引起的应力分布不均等问题，挤压式电缆在直流输电中一直得不到很好的应用。以上这些局限都使轻型直流输电的应用受到制约。
随着以挤压式聚合物为绝缘的新型XLPE 直流电缆的出现，以上的问题都得到了解决[7]。由于采取绝缘层三层挤压，即：导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层同时挤压，其具有坚固的结构，易于用作架空电缆、地下电缆，甚至工作在条件恶劣的海底。而直流电缆由于没有充电电流，因此具有比交流电缆更长的使用寿命，也更适合于输电。图4 为ABB 公司研制的新型的XLPE 直流输电电缆[8][9]。这种电缆重量轻、传输功率密度大，一对典型的95 mm2 的铝电缆在直流电压100 kV时能够传输30 MW的功率，其重量为1 kg/m，绝缘厚度为5.5 mm。
2、 轻型直流输电的技术特点
HVDC Light 采用可关断型电力电子器件和PWM技术，较之传统直流输电，技术特点如下[10]。
1)正常运行时，VSC 可以同时而且独立地控制有功功率和无功功率,甚至可以使功率因数为1，这种调节能够快速完成，控制灵活方便。而传统HVDC中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。另外，VSC不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着故障时，如果VSC 容量允许，那么HVDC Light系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，从而能提高系统的功角稳定性和系统的电压稳定性。
2)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统HVDC 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。
3)潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。
4)由于VSC 交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的HVDCLight线路后，交流系统的保护整定基本不须改变。
5)模块化设计使HVDC Light 的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，VSC 采用PWM技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，从而简化了变流站的结构，并使所需滤波装置的容量也大大减小。换流站的占地面积仅为同容量下传统直流输电的20%。采用新型(XLPE)直流电缆，可以直接安装在现有交流电缆管内，并使输送容量提高约50%。
6)变流站间的通讯不是必需的，每个站可以独立控制，易于实现无人值守。而且HVDC Light在电网故障后快速恢复控制能力良好。
3、 应用与实例
3.1 清洁能源接入系统
受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高且远离主网，如中小型水电厂、风电场、潮汐电站、太阳能电站等，由于其运营成本很高及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求，利用HVDCLight与交流大电网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境[11] [12]。
丹麦Tjaereborg 发电工程是世界上第一个用于示范的风力发电的轻型直流输电工程。工程的目的是进行较小规模的试验并展示这项新技术的应用，这项新型技术将用于连接容量>100 MW 且离海岸>50 km的大规模风电场。这项工程于1999年3月发布并开工，于2000 年12月移交业主用于展示和试验。Tjaereborg风电场由4台不同型号的风力发电机组成，总装机容量为6.5 MW，如图5 所示。采用直流电缆与现有交流电缆并行铺设，可以工作在直流电缆单独运行，交流电缆单独运行和交直流电缆并行运行三种方式。Tjaereborg工程的建成和成功投运，为解决风力发电接入所导致的无功功率和电压稳定问题提供了参考，也为各国的风电场建设提供了借鉴。
本文关键字：技术 其他电源技术，电源动力技术 - 其他电源技术
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