电力电子技术在输电领域的应用

电力电子技术在输电领域的应用

摘 要 介绍电力电子技术在直流输电、直流联络与系统稳定中的原理与应用。

关键词 电力电子技术； 直流输电；直流联络： 系统稳定

中图分类号TM72 文献标识码 B 文章编号 1008—0198(2004)06—0059—0,1

0 前 言

电力电子技术是指以晶闸管为代表的大功率电子器件(主回路工作电压伏特、千伏特级， 电流安培、千安培级)，以电力为处理对象，对电能进行调节、控制与转换的技术。自从1974年美国Westinghouse公司的w．E．Newell在IEEE上发

表论文，把电力、电子和控制工程3者结合处定义为电力电子技术以来，电力电子器件性能不断完善，参数水平逐年提高，其应用范围已经广及电力、铁路、电机控制、机器人以及家用电器等众多领域。电力电子技术在输电领域的应用始于上世纪70年代，用晶闸管取代原来利用水银整流管的直流输电。本文仅从直流输电、直流联络和输电系统稳定等几项典型事例， 简要介绍电力电子技术在输电领域的应用。

1 直流输电

直流输电只有2根输电线路，线路建设费用低廉。当输电距离超过某一定长度(即交直流输电等价距离)时，直流输电可以取得经济效益。直流适合于远距离大容量输电，世界上很多直流输电的距离都在7o0～1 500 km 的范围。直流输电没有电抗的影响，稳定问题

易于解决，在由直流联络的2个交流系统之间也不存在同步运行稳定问题。在区域电网联络中，采用直流可以减小短路容量，也有利于电网的稳定运行。因此在现代输电网络中，越来越多地采用直流输电方式。早期的直流输电利用水银整流器进行交、直流变换。后来随着大功率晶闸管元件性能改善，参数收稿日期；2004—07—15水平提高，用品闸管组成的换流阀取代水银整流器，便组成了现代直流输电的基本格局。根据晶闸管控制回路工作情况的变化，现代直流输电技术大体经历了3个发展阶段。在70~80年代，早期应用的晶闸管，采用高频脉冲信号控制晶闸管主电路的工作状态，是名副其实以弱电控制强电的方式。随着光电子学技术的进步， 以光间接触发晶闸管的方式于80年代投人使用。光信号通过光纤输出，在受信端再通过光电转换变成电信号，仍

以电信号控制晶闸管主电路工作状态。用光纤取代高频电磁脉冲，是晶闸管控制技术上的一大进步。但在触发瞬间仍采用电信号有待改进，还需取得质的突破。80年代后期，以光信号直接触发的光晶闸管开始正式投入使用。光晶闸管换流阀触发回路采用发光二极管和光纤。当光晶闸管的受光部位接受到

数mw～数十mw近红外线(波长0，75～3,urn)光·59 ·脉冲的时候，半导体耗尽层及其附近产生电子～ 空穴对而导通。实用中以o．9～1．05 gm 波长光脉冲最合适，作为这个波长范围的光源有镓砷(GaAs)系发光二极管。在远距离直流输电中，担负换流任务的晶闸管阀都是由成百上千个晶闸管元件，通过串联、并联或混联的方式来获得所需要的高电压与大电流的。这种情况下，用光脉冲取代电脉冲意义重大：可以减少控制回路电气零件数目，提高换流阀的可靠性，也使形体庞大的换流设备小型化有了可能。另外光晶闸管的主回路和光脉冲触发回路．电气上可以完全分离，有利于提高设备的噪声容量。与光间接触发晶闸管换流装置比较，光直接触发换流器体积变小，重量减轻，电气零件数大大减少，维护周期也加长了。

直流输电技术已经在世界各地广泛应用。目前世界上至少在2O个以上的国家和地区有5O个以上的直流输电或联络设备在运行。我国自1989年9月第一条超高压远距离直流输电工程—— 葛洲坝至上海±500 kV 直流输电投入使用以来，先后又有天生桥—— 广州、三峡—— 常州、三峡—— 广东(惠州)等直流输电投入使用，500 kV直流输电线路总长度超过3 800 km，输电能力900万kW 。其中特别要提到的是三峡直流输出。三峡直流工程总计3个单项工程，输电线路3条总长2 965 km、换流站6座总容量l 800万kW 。随着三峡电站机组相继投产、· 6O ·三峡电力外送通道开通，未来5～10年将还有更多直流输电线路要建设。预计到2009年三峡电站全部完成时，我国以三峡为中心的全国统一联合电网将由形成期进入完成期。届时， 中国输电将正式跨人交、直流并举的联合大电网时代。

2 直流联络

目前世界各国建设的交流同步联络电网，规模还在不断扩大。决定交流联络并网的基本条件是：电压一致、频率相同、三相交流的相序一致、相位相同。否则，并网不能成立。实际上连接在电力系统的设备何止千万，运行情况又瞬息万变：交流联络的条件严格要求上述参数的变化必须在规定允许的范围之内，这就是电力系统稳定的概念。稳定至关重要，稳定是交流输电的前提。为了维持这种必不可少的稳定，在庞大的交流系统中，不得不投入各种各样维持稳定的装置。这种情况下， 如果能实现直流非同步联络，整个电网的情形会不一样。直流联络是指，通过交、直流变换，利用直流把频率相同或不同的交流电网连接在一起的联络。直流没有频率、相序和相位的问题，只要电压相等、极性相同便可以连接。一般把交流电网通过直流完成的非同步联络称为“直流BTB (Back to Back：背靠背)联络”。

从电力电子技术应用分析，直流联络属于广义上的直流输电，只不过应用的重点在于

联络电网，对电网起到“强筋健骨” 的作用。这种作用是通过直流联络所具有的特征来实现的：被联接的交流系统之间不存在同步运行的稳定问题；交流系统可以各自调频，独立调度、独立运行而互不干扰；采用直流联络不会增加整个系统的短路电流等。这方面突出的事例有，2000年6月投运并获得爱迪生奖(2001年度，美国爱迪生电气协会颁布)的日本纪伊水道直流联络。在日本四国东部的德岛县阿南市，由四国电力公司与电源开发公司共同兴建了一座容量为280(2×1O5+1×70)万kw 的燃煤电厂。其中电源开发公司的210万kw 容量中有1．10万kW 送关西电力公司。若经由本(州)—— 四(国)线路输送， 中(国)—— 关(西)联络线及关西地区的东向潮流都超过了运行限度，于是采用直流联络。纪

伊水道直流联络线全长约l00 km (其中地下与海底电缆长约49 km)。