直流输电系统及其换流技术现状与发展

摘要：本文主要研究建立一套比较完善的感应滤波理论研究及其在直流输电中的应用研究体系，结合直流输电实际应用中存在的主要问题，通过系统与深入地研究揭示基于感应滤波的新型直流输电的运行特性以及造成这种技术特性的内在作用机制，为新理论与新技术的工程应用奠定比较扎实的理论基础。

关键词：滤波技术；直流输电系统；变压器；谐波；措施

1、滤波新技术得以开发的根源、发展现状和与之相关的几种新型供电变压器，对其应用前景进行展望。

1.1多功能阻抗匹配平衡牵引变压器

多功能阻抗匹配平衡变压器是阻抗匹配平衡牵引变压器基础上，通过在三相变两相平衡变压器的二次侧引出抽头，接入LC调谐支路，所构成的一种新型的具有谐波屏蔽功能的牵引变压器。该类牵引变压器可用于综合解决电气化铁路牵引变电站所存在的无功、谐波等电能质量问题。图1多功能阻抗匹配平衡变压器及其感应滤波配套全调谐装置实物图。

1.2谐波屏蔽单相牵引变压器

谐波屏蔽单相牵引变压器是在我国20世纪90年代进行电气化铁路改造过程中，发展出的一种具有谐波屏蔽功能的单相牵引变压器。这种新型单相牵引变压器可向电气化铁道的单相机车牵引负荷供电，也可向单相的整流或电弧炉负荷供电。

1.3新型换流变压器及其感应滤波系统

将感应滤波技术应用于直流输电系统，可构建一种如图3所示的具有新型绕组接线方式的换流变压器。该换流变压器二次侧绕组采用延边三角形，延边绕组引出端点与换流器连接，内接三角形角接处引出与外部星形接线串有小值电感的电容支路相连接。

2、直流输电系统及其换流技术的现状与发展

2.1直流系统的分类与应用范围

1）在发电侧，尤其是风能、太阳能等新能源的发电端，直流系统通常可作为新能源并网的一种联络方式。例如，风电场的发电端一般通过换流器将交流电转换至直流电，在电网侧又通过换流器将直流电转换至交流电。

2）在输电侧，直流系统一般作为大容量、远距离输电的一种经济选择方式，得到了一定程度的应用，在区域间电网的非同步互联、海底电缆输电领域，直流输电具有比较明显的技术与经济优势。

3）在配电侧，近年来，由直流配网为主干的城市配电网，或者应用直流技术向负荷密集区（如城市中心区）进行送电，这些方面的研究在国内外引起了一定的关注。另外，在以分布式电源为核心构建的分布式配电系统中，直流技术也具有一定的应用价值。

4）在用电侧，尤其是工业用电侧，直流系统更是得到了相当规模的应用，这部分也是直流技术工程化时间最早、应用范围最广的一个领域。例如，金属冶炼、化工生产等部门，直流系统通常被用来向生产系统提供一定容量的直流电源。另外，在城市轻轨、地铁等轨道交通领域，直流系统也得到了相当程度的应用。

2.2直流输电技术及其在我国的应用

直流输电技术是以直流电的方式实现电能传输的技术。直流输电技术与交流输电技术相互配合已经成为现代电力传输系统不可或缺的重要组成部分直流输电技术在远距离大容量输电和区域电力系统联网方面具有明显的优点，是我国“西电东送”和全国联网工程中极其重要的一个环节，也是我国高压/特高压电网建设的一个非常重要的方面。如目前已经投入运行的包括±500kV 葛洲坝至上海直流输变电工程、±500kV贵州至广东直流输变电工程、±800kV向家坝-上海直流输变电工程、云南至广东直流输变电工程等十几项。

直流输电系统主要分为整流站、逆变站和直流输电线路三部分，其基本的构成与接线原理如图4所示。

换流器是直流输电系统中最为核心的电力电子装置。目前，国内外大部分的高压/特高压直流输电工程均采用晶闸管阀作为换流器件，它没有自关断电流的能力，需要借助外部交流系统来完成自然换流，换流器在此过程中消耗大量的无功功率。同时，由于这种换流器强烈的非线性作用，会于换流站的交流侧和直流侧产生大量的非特征和特征谐波电流和谐波电压，因此，必须考虑在换流站中安装交流滤波器和直流滤波器，并且，交流滤波器也部分地补偿了换流器消耗的无功功率。

换流变压器是高压直流输电系统中最为重要的电气设备之一，它向换流器提供适当等级的换相电压和足够的换相电抗，以满足换流器正常换相的要求，并且在一定程度上起到交直流隔离的作用。由于换流器强烈的非线性作用，导致与普通电力变压器相比，换流变压器在短路阻抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压以及型式试验等方面具有比较鲜明的技术特点。

3、直流输电系统在工程的问题措施分析

3.1换流变压器的电磁环境与噪声污染

换流变压器由于运行过程中受到交直流电场的同时作用，其电磁环境相比于普通电力变压器要恶劣得多。由于换流变压器绕组中含有大量的谐波电流，势必会增加绕组的铜耗；换流变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能使某些金属部件和油箱产生局部过热现象；但在已投运的直流输电工程出现的新问题中，噪声问题越来越突出，有的换流站中换流变压器噪声超过国家标准达到20dB以上。环境友好型将是高压/特高压直流输电工程必须考虑的关键问题之一，国家有关部门也已经将相关条例纳入法制化管理。

3.2直流输电稳定运行与现代电能质量

安全、可靠与稳定的运行是直流输电的基本要求，然而现代电网存在的日益

严重的电能质量问题对这一基本要求提出了挑战。直流输电遭受的电能质量问题主要由两个方面引起，一是电网存在的背景谐波；一是换流器产生的特征与非特征谐波。其中，背景谐波问题在很大程度上是由于大量以电力电子设备为代表的非线性负荷接入电网引起的，尤其是目前HVDC普遍采用的电流源型换流器在实现交直流电能变换的同时会于换流器的交直流侧产生大量的特征谐波与非特征谐波，这同样会对直流输电的稳定运行带来不利影响。

3.3直流偏磁

直流偏磁是直流输电在实际应用中客观存在的一个典型问题。目前，消除由直流输电接地极电流引起的换流变压器直流偏磁根本性的举措是保持直流输电的双极平衡运行。然而，在直流输电建设过程中，一般先建成的一极会立即投入运行以发挥效益，而且，即便在双极运行条件下，因故障导致的单极闭锁也有可能发生。不仅如此，换流器触发脉冲间隔不相等或者换相电压的三相不对称等因素导致的换流变压器直流偏磁也是客观存在的，即使是在双极平衡运行条件下也有可能发生。因此，如何抑制换流变压器的直流偏磁及其造成的危害仍是值得研究的问题。

3.4直流输电谐波传递与谐波不稳定

直流输电换流器作为一种高度非线性的电力电子变换装置，对交流侧而言是一种谐波电流源，对直流侧而言是一种谐波电压源。谐波不稳定造成的危害是不容忽视的，它会使换流站交流母线电压严重畸变，恶化换流站的电能质量，导致换流器换相困难，危害直流输电的稳定运行，甚至造成系统闭锁。谐波不稳定问题是一个受诸多影响因素制约且作用机制比较复杂的问题，换流变压器直流偏磁、换流母线三相电压失衡、换流器非等间隔触发模式、直流系统故障恢复等非理想运行状态均有可能引发直流输电的谐波不稳定。特别是鉴于现代电能质量问题的源头与形式变得愈发扑朔迷离，关于直流输电谐波不稳定的问题更应该引起足够的重视。

3.5直流输电无功功率的协调与平衡

为了实现交直流电能的变换，HVDC换流器无论是工作于整流方式还是逆变方式，均要从交流系统吸收无功功率。一般地，换流器吸收的无功功率占其直流传输功率的30%～60%。因此，如何进行切实可行的换流器无功功率管理一直以来都是直流输电工程非常重视的一个问题。换流器的无功功率管理主要涉及两个方面，一个是无功功率的控制；一个是无功功率的补偿。由于换流器无功功率的控制与补偿同时存在，且控制方式众多，因此存在协调与平衡的问题。特别是，换流器在从交流侧取用无功功率时，所引起的无功分量对换流变压器的危害也是应引起足够重视的，而目前关于这方面的研究是少之又少。

4、结语

感应滤波换流器是感应滤波理论应用于直流输电形成的具有独特运行性能的新型换流器，它的提出主要是受到电容换相换流器的启发，但其运行特性和拓扑结构在根本上有别于电容换相换流器以及现有的电网换相换流器和电压源型换流器。由感应滤波换流器构成的直流输电系统更是一种具有新型拓扑结构的直流输电系统，这有别于目前的基于电流源型换流器的直流输电系统和基于电压源型换流器的直流输电系统。

目前，我国除了大功率、远距离直流输电技术得到广泛应用外，轻型直流（也称柔性直流）技术也处于应用起步阶段，轻型直流在城市分布式能源、大规模风电场、太阳能并网等方面具有较强的技术优势，尤其是在孤岛供电方面更显其灵活、节能的优越性而具有广阔的应用前景。

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