直流輸電技術

晶閘管觸發技術是直流輸電的關鍵技術之一，採用光觸發晶閘管，可以省去用於再次進行光電轉換的觸發電路板。但需要將相應的保護或測量電路集成在晶閘管上，因此技術複雜，工藝要求嚴格。13本1992年投運的新直流擴建工程、1993年投運的北本線直流擴建工程、1999年投入的東清水變頻站（±125 kV，2400A，300MW）及2000年投運的紀伊海峽直流電纜及架空線系統共5個工程全部採用光直接觸發晶閘管，標誌着直流輸電新時期的開始。

直流輸電的接地極引線的運行電壓很低，換流站採用傳統的電流、電壓測量方法，難以檢測到靠近接地極的對地短路故障。為了檢測接地極引線故障，近年來開發出脈衝回聲、阻抗等接地及引線測量裝置。其基本原理是，在換流站接地極的兩根引線之間加低壓高頻脈衝，通過接收這些脈衝的回波，計算接地引線的阻抗。當引線任何地點發生對地短路時，其阻抗的變化將反映到測量裝置中，從而判定是否發生故障，並能判斷故障地點。

隨着電子信息技術的高迷發展，處理器的計算速度越來越快，存儲空間越來越大，並行運行的處理器越來越多。微處理器技術遍佈直流系統各個設備的控制和保護，包括：極控（或閥控）、站控（交流場/直流場）、直流系統保護、換流變壓器控制保護、交/直流濾波器控制保護、換流器冷卻系統控制保護、站用電系統控制保護等。

直流輸電系統中，為了便於事故分析處理，需要對分佈在換流站內的各個控制保護系統、兩端換流站設備的測量時間進行同步，以便精確測量直流線路的故障地點。以往的直流輸電系統各種設備之間及兩站之間沒有統一的時間參考，暫態故障記錄與事件記錄不同步，不能示出直流線路故障的正確位置，給檢修和維護帶來極大不便。採用全球衞星定位系統（GPS），可使各種設備時間的誤差小於lms。直流線路故障定位可以精確到300m。

輕型高壓直流輸電是ABB公司發展的一項全新的輸電技術，尤其適用於小型的發電和輸電應用，它將高壓直流輸電的經濟應用功率範圍降低到幾十兆瓦.該系統由放在兩個或兩個以上的輸電終端上的終端換流站及它們之間的聯接組成。雖然傳統的直流架空線可以作為聯接，但如果我們應用地下電纜來聯接兩個變電站，整個系統將能最多地獲益。在很多場合，評估下來的電纜成本低於架空線的成本，而且在一個輕型高壓直流輸電系統中，使用電纜所需的環境等方面的許可還更容易獲得。比起交流輸電和本地發電，輕型高壓直流輸電系統不僅具有成本優勢，它對提高交流電網供電品質也提供了新的可能.自1997年提出輕型高壓直流輸電，數個輸電線路已投入商業運營，其中最高容量已達330MW。更多的正在建設中。

⑴功率範圍

傳統直流輸電的顯著特點就是傳輸功率範圍大，一般都在250MW以上。然而輕型直流，其功率可以與發電機組相配合，從幾十MW大到約350MW左右，並以最高為±150 kV的直流電壓傳輸。

⑵模塊化

輕型直流基於一種模塊的概念，使得換流站的大小有一系列的標準組成。大多數設備可在工廠裏封裝成模塊。而傳統直流通常需要根據特定的應用情況來定製換流設備。

⑶直流電路

輕型直流是雙極的，直流回路沒有與大地相聯，因此需要兩條導線（或線纜）。

⑷換流站

輕型直流在換流站中與傳統直流有很大不同。前者對應晶閘管，後者一般對應IGBT。傳統直流通過換流變壓器連接交流電網，而輕型直流是串聯電抗器加變壓器。在濾波和無功補償方面，傳統直流有無功有50%左右在濾波器中，且要並聯電容。而輕型直流僅需要小型的濾波器。傳統直流以平波電抗器和直流濾波器來平伏電流，而輕型直流可採用直流電容器。此外，傳統直流需要有換流站站間控制與通訊功能，而輕型直流則可不需要。

⑸對交流系統的依賴性

輕型直流不需要依靠交流系統的能力來維持電壓和頻率穩定。與傳統直流所不同，短路容量顯得並不重要。輕型直流可以向缺乏同步機的電網饋送負荷。

⑹可以象SVC（靜止無功補償器）工作

傳統的直流輸電終端點可以通過投切濾波器和並聯電容器組或改變觸發角來控制無功與電壓。但是這顯然需要額外的設備，從而增加投資。輕型直流可以快速改變相角和幅值，這樣使得同時獨立控制有功和無功成為可能。

它通過VSC（電壓源變換器）來實現，通常採用兩電平6脈動型，每個橋臂都由多個IGBT或GTO串聯而成。直流側電容器的作用是為逆變器提供電壓支撐、緩衝橋臂關斷時的衝擊電流、減小直流側諧波；換流電抗器是VSC與交流側能量交換的紐帶同也起到濾波的作用；交流濾波器作用是濾去交流側諧波。

在輕型直流中，VSC通常採用正弦脈寬調製（SPWM）技術，SPWM的基本原理是：用給定的正弦波與三角載波比較，來決定每個橋臂的開通關斷時刻。當直流側電壓恆定時，SPWM的調製度（正弦給定信號與三角載波幅值之比，在0—1的範圍內）決定VSC輸出電壓的幅值；正弦給定信號的頻率與相位決定VSC輸出電壓的頻率與相位。VSC吸收有功功率和無功功率分別取決於VSC輸出電壓的相位和幅值，所以，通過控制SPWM給定正弦信號的相位就可以控制有功功率的大小及輸送方向，通過控制SPWM的調製度就可以控制無功功率的大小及性質（容性或感性），從而可以實現對有功功率、無功功率同時且相互獨立的調節。

⑴ VSC電流能夠自關斷，可以工作在無源逆變方式，不需要外加的換相電壓。克服了傳統HVDC受端必須是有源網絡的根本缺陷，使利用HVDC為遠距離的孤立負荷送電成為可能。

⑵ 正常運行時VSC可以同時且相互獨立控制有功功率、無功功率，控制更加靈活方便。

⑶ VSC不僅不需要交流側提供無功功率而且能夠起到STATCOM的作用，即動態補償交流母線的無功功率，穩定交流母線電壓。這意味着故障時，如VSC容量允許，那麼HVDC Lisht系統既可向故障系統提供有功功率的緊急支援又可提供無功功率緊急支援，從而提高系統功角電壓的穩定性。

⑷ 潮流反轉時直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，與傳統HVDC恰好相反。這個特點有利於構成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的並聯多端直流系統。

⑸ 由於VSC交流倒電流可以被控制，所以不會增加系統的短路功率。這意味着增加新的輕型直流輸電線路後，交流系統的保護整定基本不需改變。

⑹ VSC通常採用SPWM技術，開關頻率相對較高，經過低通濾波後就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，所需濾波裝置容量也大大減小.

⑺ 但IGBT損耗大，不利於大型直流工程的採用。今後集成門極換相晶閘管（IGCT）和碳化硅等新型半導體器件的開發，給直流輸電技術的發展

將創造更好的條件。

同時，***電力研究所正在研製以GTO為功率器件、9脈衝PWM控制的300MW VSC，並稱之為高性能自換相交直流換流器，該項研究的目的是用於將來的直流輸電，GTO的串聯均壓等技術難題已試驗成功。

輕型直流潛在的用途包括遠距離無源網絡送電、發電廠的連接及用來構成大城市內多端直流輸電系統代替傳統的交流配電網等。由於器件容量及其串聯技術限制，輕型直流可達到的容量有限，還不能取代傳統HVDC用於大功率直流輸電。以GTO為功率器件的大容量VSC一旦研製成功將較大幅度提高輕型輸電容量。

在分析直流輸電系統設備可靠性指標時，通常按以下幾種故障的原因分析，即交流設備及其輔助設備、換流閥及其冷卻系統、換流站控制保護和通信設備、直流一次設備、直流線路或電纜，以及其它原因，如人為的或不明的原因。

直流系統可靠性的分析方法通常包括對世界已投運的直流工程進行可靠性指標的統計及原因分析；對影響可靠性的主要因素進行敏感性分析；建立直流系統可靠性計算的數學模型，並對相關的計算條件和參數進行收集和假設，然後按照有關的計算方法進行計算分析；對可靠性的等效經濟指標進行評估；最後提出工程可靠性的指標要求，主要是單極和雙極的年強迫停運次數和系統的可用率，並按此提出相關的設計、製造、建設、運行和檢修要求。直流可靠性的計算方法通常是建立描述系統可靠性的數學模型，根據狀態之間的轉移關係列出狀態概率的狀態方程進行有關計算，如馬爾可夫過程研究方法，這是一種數學解析方法。另一種是模擬法，它是對系統進行數字仿真模擬，然後採用統計試驗方法進行分析，如蒙特卡洛模擬法。在直流輸電系統中，根據工程經驗，對直流系統可靠性分析中最敏感的故障因素是交流系統故障、換流變壓器故障、換流站控制保護系統和換流閥及其輔助設備，其中又以電纜、換流變壓器和換流閥的返修時間最長，影響系統可用率為最嚴重。對各設備元件的可靠性分析中，主要考慮的因素為設備的故障率、備品備件的數量、設備的維修週期和故障後修理和運輸的時間，以及各子系統是否雙重化和自動切換等。直流系統可靠性的經濟評估主要涉及到：在強迫停運期間，要有補償的送電容量，可能需要增加系統的備用容量以避免直流系統的停運給用户用電帶來過大的影響，這種臨時的容量往往價格較高。此外，就是故障的修復費用。由於直流系統通常配有完全獨立的雙重化快速極控制保護系統、根據系統要求設計的雙極或單極過負荷能力，以及可降壓運行的性能，這些特點或使直流輸電系統的雙極和單極停運率大大減少；或使得當一極停運時不僅不影響另一極的運行，另一極還可採用過負荷運行方式；或者線路絕緣水平降低時還可降壓運行；這些都將使故障時發生的輸送容量的變化減至最小，而系統的可靠性和可用率大大提高。