除交流输电和传统高压直流输电(HVD)C以外,在某些特定情况下需要采用特殊的输电方式,主要包括轻型HVDC(HVDCiLhgt)、分频输电(FFT)S、多相输电(M盯)S、微波输电、激光输电等。为充分发挥上述各种输电方式的独特优势,综合分析比较了它们的原理、特点、优势、难点及当前研究发展情况,指出各自的适用领域,展望它们的发展前景。其中,FFI,S和MPTS从属于交流输电方式,主要应用于长距离大容量输电,轻型HVDC、微波输电和激光输电从属于直流输电方式,主要应用于特殊场合输电,而轻型HVDC已有较成熟的工业应用线路,且其交直流转换技术的发展可作为MTE和激光输电的技术基础,因此轻型HVDC的研究和发展具有重要的意义。
自从1882年法国人德普勒首次实现第l条直流输电线把电力送到57km远的慕尼黑国J标博览会驱动水泵电动机,1891年第1条_二相交流高压输电线在德国劳奋一法长克福竣工以来,开始了电力系统的传统直流和交流输电一个多世纪的应用和发展,至今已形成较完善的高压直流输电(HVDC)和交流输电(HVAC)技术但随着各种新能源的开发、不同负荷对电力需求的多样化和技术、经济、环境等多方而的要求及传统HVDC和HVAC本身所固有的特性,使它们不能适应所有输电场合,于是多种新型输电方式的概念和技术被提出并得到积极地研究这些输电方式主要包括轻型HVDC(HVDCiLgh`),分频输电(FraetionalFrequeneyTransmissionSystem,FFTS),多相输电(Multi一phasepowerTra,lsmissionSystelll-M用’S),微波输电(MierowavePowerTrans;ni、51011,MWPT),激光输电(LaserPowerl’ransmissioil,LPT)等现对上述几种特殊输电方式的原理、特点、优势、难点及当前的研究情况作综合分析比较,指出它们各自的适用领域,展望它们的未来发展前景。
轻型HVDC
自1954年世界上第1条HVDC联络线投人商收运行以来,HVDC作为一项口趋成熟的技术在远距离大功率输电、海底电缆送电、交流系统间的非同步联络等方一面得到了广泛应用然而,由于技术经济的原因,HVDC在近距离小容量的输电场合却难以应用随着绝缘栅双极晶体管(IGBT)的快速发展,促进了HVDC的轻型化。现在,以电压源换流器(VoltageSour。、eCollverter,VsC)和IGBT为基础的轻型HVDC,把HVDC的容量延伸到了只有儿兆瓦到)L十兆瓦。这种小功率的轻型HVDC系统,有很好的应用前景〔’创。除具有常’规HVDC的优点外,轻型HVDC还可直接向小型孤立的远距离负荷供电、更经济地向城市中心送电、方便地连接分散电源、运行控制方`式灵活多变、可减少输电线路电压降落和电压闪变,进一步提高电能质量等。
轻型日VOC的原理和构成
轻型HVDC基本原理如图l所示,送端和受端换流器均采用VSC,2个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带,同时也起到滤波的作用;直流电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波;交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。另外,轻型HVDC的传输线路一般采用地下电缆,对周围环境没有影响。轻型HVDC换流站为无人值守型换流站,几乎不需要人去维护,可进行远程控制或根据相邻交流系统的情况进行自动控制,换流站间可不需要通信。有功功率的传输主要取决于占角,无功功率的传输主要取决于从。而U。是由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控制的。因此,通过对占角的控制就可控制直流电流的方向及输送有功功率的大小,通过控制cU就可控制VSC发出或吸收无功功率及其大小!3州。
轻型HVOC的技术优点
(l)VSC电流能自关断,可工作在无源逆变方式,不需要外加的换向电压,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。正常运行时VSC可同时且独立控制有功和无功,控制更灵活方便。
(2)VSC不仅不需要交流侧提供无功功率,而且能起到STATCOM的作用,即动态补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线电压。
(3)潮流反转时直流电流方向反转,而直流电压极性不变,与传统的HVDC恰好相反。这有利于多个VSC构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的并联多端直流系统7[]。且其拓扑结构与交流系统相同,而运行控制方式灵活多变。
(4)由于VSC交流侧电流可控制,所以不会增加系统的短路容量。VSC通常采用SPWM技术,开关频率相对较高,经过低通滤波后就可得到所需交流电压,可不用变压器,所需滤波装置的容量也大大减小。轻型日VOC的研究应用情况
从1997年瑞典的赫尔斯扬轻型HVDC工程试验成功,到现在全世界已有6条轻型HVDC线路投人商业运行。我国电力科技工作者一直关注轻型HVDC技术的发展,并开展了一此初步的研究工作。该技术的多方面优势也已引起一些应用单位的注意,正考虑在实际输配电工程中采用但总体上说,该项研究还不太深人和全面。
分频输电(FFTS)
我国西安交通大学王锡凡教授于1994年在东京IEE年会及1995年7月IEEE/PES夏季会议I首一先提出了一种全新的输电方式——分频输电。
FFTS构成与原理
输电系统的最大输送功率尸可用下式估计:P=U^2/x(3)式中,U为输电系统的额定电压;、为系统电抗从式(3)可知,欲提高输电容量,除提高输电系统的额定电压外,还可降低系统电抗,如利用降低输电频率来减小输电系统电抗x,可大幅度提高输电容量,达到减少输电线路的回路数和出线走廊数的目的。FFTS的基本构成是由50/3Hz的发电机组发出503/Hz电力,经50/3Hz变压器升压后山输电线路输送至末端,经倍频变压器将分频电力转变为50Hz电力向工频电力系统供电。因此结构上,FFTS的构成非常简单,其中50/3Hz发电机组可用水轮发电机组构成,由于水轮发电机组转速很低,适合于低频发电,因此对常规水轮机设计一不需作大的改动,只需将发电机的极对数减小即可;输电线路可利用常规输电线路;倍频变压器可采用铁磁型倍频变压器。
FFTS的优势
(1)FFTS可提高输电容量。频率降低为工频的1/3时,输电线路的输送容量大致可提高3倍,已接近输电线路的热极限,从而可充分发挥线路的作用。分析表明常规500kV交流系统在距离为1000km时输送功率不超过800MW,而同样条件下FFTS的输送功率可达1SOOMW左右。
(2)F们,S在适当距离有明显经济效益。在500kV输电电压水平下,与常规交流输电系统和直流输电系统相比,当距离大于650km时,FFTS具有较好的社会经济效益。图2显示了这3种输电方式投资与输送距离的关系。因此,FFI,S结构简单,效益显著,在成倍提高线路输送能力的同时,还可显著提高系统的稳定运行水平,减少电压波动和无功补偿容量可显著提高系统的稳定运行水平,减少电压波动和无功补偿容量。
(3)FFTS运行性能较好。对倍频变压器进行的初步研究表明其效率高于95%,对FFTS作短路及暂态稳定分析表明:这种输电方式不会提高受端电力系统的短路电流水平,但能提高系统的暂态稳定性。倍频变压器具有可逆性,即分频输电系统有功功率的流向可改变。降低频率对于输电系统各项运行指标,如末端空载电压,末端补偿容量,电压波动率等亦有显著改善。
FF丁S的研究、应用现状
在王锡凡教授提出FFTS的概念后,其研究组对FFTS从理论和实践上进行研究,阐述FFTS的原理和结构,利用数字仿真研究了Fl,1,S的可行性和实用性,并利用电力系统动态模拟设备在实验室条件下首次实现了FFTS。除20世纪初,美、加边境的布法罗水电站曾采用25Hz的FFrS外,没有更多的研究和应用,主要是因为目前许多发达国家的水力资源已基本开发利用,各国的电力系统大多以火电或核电为主,利用FFTS输送水力发电的前景不大。水电站的水轮发电机组因转速较低、发出的电力频率较低(如50/3Hz),如采用FFTS,将会使水轮发电机组及其输电系统都能运行在各自较合理的频率之下,提高整个电力系统的运行指标,获得较大的经济效益,因此,水电站更适于采用FFTS方式。我国水力资源十分丰富,大多集中在中西部地区,而电力负荷多在东部沿海,输电距离一般都达到1000一2500km。因此FFI,S的研究对我国更具有现实意义和长远意义。但FFTS也是一种全新的输电方式,还需从理论到实践作更深人、全面的研究和探讨:重负荷、轻负荷时的无功控制;这种大容性电流系统的长时间运行和暂态控制;采用更精确的电力系统数学模型和分析方法研究各种运行状态下的特性。同时还需开发FFTS的保护与控制系统;研制FFTS所需的关键电力设备,如大型倍频变压器、开关设备等,优化设计,改善结构,提高性能指标,以满足FFTS的需要。
多相输电(MPTS)
在1972年法国举行的第24届国际大电网会议上,美国学者HCBames与LTBarthald首次提出多于3相输电线的输电方案(多相输电系统)。之后的多年来,对3相、4相、6相、12相等多相输电方式的研究一直没有停止过。
MPTS的原理和构成
在3相输电系统中引入3相/多相相互转换的变压器和多相架空输电线路,如4相、6相、12相等,每相相差900、600或300,即构成了MPI,S。其典型构成为3相/多相升压变压器、多相输电线路和多相/3相降压变压器。如果多条输电线路采用多相形式,便构成了多相输电网络。
MPTS的优越性
(l)降低线路线电压与相电压比值。相数的增加将使上述电压比值下降,使架空导线间距减小,线路变得紧凑,线路正序电抗下降,相间电容上升,易于与3相现有系统协调、兼容运行,对高压断路器触头断流容量的要求较低。
(2)提高线路输送功率。如与3相输电比较,在依次线间电压相同,各相导线截面相同的条件下,4相输电容量为3相输电容量的1.633倍,电压损耗较3相输电减少了18.4%;在相电压相同、相导线截面相同的条件下,4相输电容量为3相输电容量的1.333倍,且电压损耗与架空线路的相邻线间距离较三相输电减少了1.84%仁’“〕。
(3)提高传输功率的稳定性。与3相输电线路相比,如果电压相同,MPFS不仅相数N增加,而且由于其正序电抗x下降,又进一步促使稳定极限功率上升。
(4)其他优越性。Ml叮S还具有导线表面电场强度较小,架空线路走廊窄等优越性。此外,4相输电还可抑制谐波对通信的干扰。
M户TS的研究应用现状
早期的多相输电方式的研究,限于相数为3的倍数相,因为改变3相变压器接线方式即可实现3相与3的倍数相间的多相变换。但为避免多相输电线路复杂的换位、保证各相参数平衡,必须将多相线路的各相导线排列成正多边形,这使6相及以上多相导线的悬挂困难、杆塔结构复杂,线路造价上升;随着线路相数的增加,多相输电线路故障组合类型迅速增加,增加了故障的分析计算、继电保护的设计及整定难度;MPI,S中的断路器结构比较复杂,相间过电压倍数较高由于上述缺点,6相及以上多相输电方式的推广应用受到限制,在中国近年来着重进行4相输电研究MPI,S的研究在美国等国家已进行了20多年,并进行了一些工业性试验,有的则将某些双回3相同塔架空线路改造为6相运行,取得了一定的技术经济效益,但是近年来进展不大。由于MI门,S输电网架结构较复杂,短路类型多,继电保护很难实现,因此未能大规模推广应用一`“〕。而4相输电与3相输力一式接近,网架结构较简单月_继电保护较易实现,技术经济价值较高,因此具有重大的理论与应用研究意义。
相关阅读：
原标题：电网|几种特殊输电方式的分析比较和展望
