高压直流输电系统的典型结构及可靠性评估
2022-06-09
摘 要：近年来直流输电工程中普遍用到了新型半导体器件，有效地推动了直流输电技术的发展。。随着社会的进步、经济的高速持续发展以及技术的革新，对电力的需求越来越大，远距离、大功率、控制灵活的高压直流输电工程越来越多。文章从高压直流输电系统的发展概况入手，介绍其主要优点、典型结构和可靠性评估方法，最后指出：随着计算机技术和可靠性评估方法的发展，高压直流输电系统的可靠性评估有新的进步。
关键词：高压直流;大功率输电;典型结构;可靠性
中图分类号：TM721 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0079-02
1 高压直流输电系统发展概况
直流发电机发出来的电直接供给直流负荷的方式是直流输电的第一次应用。但因为无法直接升高直流电压，并且技术落后，限制了输电距离，直流输电的发展一度受到阻碍。19世纪80年代和90年代，随着交流发输电技术的发展，交流电几乎完全替代了直流电，并发展成今日规模巨大的电力系统。1954年瑞典采用海底直流电缆进行输电，从此直流输电开始了新时代。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的进步，高电压大容量的晶闸管令直流输电得到了大力发展。1972年，晶闸管技术第一次应用在加拿大的伊尔河HVDC工程。近年来，新型半导体器件在直流输电工程中得到了广泛应用，从而带动直流输电技术的发展。伴随着社会经济、技术的持续进步与技术的革新，对电力的需求越来越大，远距离、大功率、控制灵活的高压直流输电工程越来越多。
与交流输电相比较，直流输电凭借它固有的技术特点和经济特点，在远距离大功率输电、大区联网、利用电缆跨海输电、限制短路电流以及向负荷密集的大城市供电等方面，均发挥着其独特的作用。目前，高压直流输电系统的可靠性已逐步成为整个电力系统可靠性重要的组成部分，分析影响可靠性的各种因素具有重要的理论意义和工程实用价值。
我国的煤炭和水能等发电能源很丰富，但多数分布在中西部，而我国的大多数电力负荷却集中在东部沿海地区，这就需要远距离大功率的电能输送以满足生产生活的需求。为了优化配置和供给电能资源，我国正逐步实现“西电东送”、“全国联网”的能源格局，高压直流输电随着技术的不断发展，已成为我国远距离输电的重要选择[9]。大功率电力电子技术的发展使得大规模高压直流输电的实现成为可能。近年来，随着大电网、高电压的现代电力系统的发展，国内外投运的高压直流输电工程越来越多。预计到2020年前后，我国的特高压直流输电工程线路总长约为26 000 km，输送容量约为9 440万 kW。我国将成为拥有直流输电工程最多、输送容量最大、输送线路最长的国家。
2 高压直流输电系统的主要优点
直流输电有以下三个主要优点：
①能有效控制电缆费用。因线路造价费用相对不高，因此采用直流输电可有效节省电缆费用。
②传输过程中的更为节能。因较小的运行电能损耗，可以在传输过程中实现有效节能。
③线路走廊窄，征地费省。
④先进性。除了经济性，直流输电的技术先进性也值得一说。直流输电调节速度快，运行可靠。正常情况下稳定输出，事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。
还有，直流输电线路无电容充电电流，电压分布平稳，负载大小不发生电压异常，不需并联电抗。
3 压直流输电系统的典型结构
HVDC系统换流站的接线方式主要有三种： 单极接线，单极通常采用负极性导线，由土或水电路;双极接线，该方式有两根直流导线且极性相反，当其中一极发生故障时，另外一极以大地作为回路，继续工作;同极接线，该方式具有两根或以上的导线，且它们的极性相同（通常为负）。
因为地质影响到了单极系统中的地电流，所以其附近的地下设施有时会收到不良影响，为了避免这种情况的发生，在实际应用中常采用双极接线的方式。
此外，随着晶闸管技术的进步，国内外的HVDC系统采用的接线方式为双极双桥12脉波。无论是单极接线还是双极接线，其换流单元的接线方式，可采用单桥换流器也可采用多桥换流器。多桥换流器通常用偶数个桥在直流侧相串而在交流侧相并的接线。12脉动换流阀的接线方式即两个换流桥在直流侧串联而在交流侧并联，由于每个极上使用的换流阀组的个数有不同，所以可以分为单12脉和双12脉两种。
单12脉接线方式每个极中均只有一个换流阀组，且它们是12脉动的，当任意一个发生故障时，都将导致系统出现单极停运。可见，两个6脉动的换流阀在交流侧的相位上相差30 °。它们在直流侧相串而在交流侧相并，共同组成了12脉动的换流单元。国外许多HVDC工程和国内已投入运行的葛洲坝-南桥、天生桥-广州和贵州-广东等若干个±500 kV的HVDC工程都采用这种接线方式。
单12脉动换流阀接线方式的优点在于：结构简单、所需元件少、成本小、能量利用率较高。但其缺点也是显而易见的，例如单台设备的容量大，导致制造的难度很大，也给运输造成了困难。另外，当任意一个单桥换流器发生故障时，都会令HVDC系统出现单极停运的情况，继而导致对两端交流系统的巨大冲击。所以，双极双桥单12脉高压直流输电系统共包含双极运行的100%容量、单极运行的50%容量以及双极停运的零容量三种运行方式。
双12脉接线方式的特点是每个极上都含2个12脉动的换流阀组，该接线方式的优点在于，当任意一个换流阀组发生故障时，均可由控制开关来令这一极得以部分运行，从而大大提高了高压直流输电系统传输电能的能力。根据每个极上的两个换流阀组的连接方式不同而分为串联和并联两种方式。考虑到实际HVDC工程远距离、大容量、高电压等特点，常采用双12脉的接线方式。 双12脉动换流阀接线串联方式相对单12脉动接线方式而言，关键设备的个数均多了一倍，即可减小单台设备的容量，从而为其制造和运输提供便利。因为各个12脉动换流器之间是相互独立的，故可分期进行建设。因为该每极均包含2组12脉动的换流阀，因此当任意一个阀组方式故障时，可由换流器两端多个开关的切换操作令故障阀组停止工作，这样便不会对两端交流系统造成太大冲击。但是因为设备数量的增多，建造成本会随之增加。这种结构共包括6种运行方式，输送功率的容量状态包含100%、75%、50%、25%和0%五种。容量缺失时状态转移过程带来的双12脉的劣势，即带来故障持续时间长。
特高压换流站系统输送容量大，电压等级高，考虑运行及设备制造原因，较多采用双12脉接线。双12脉动换流阀接线并联方式与串联相比而言，设备的数量和容量均相同，当每个极任意一个12脉动换流阀组发生故障时，只有这一极的设备停止运行，因此也具有6种运行方式。但因其特有的运行方式，需要耐受更高电压的换流设备，故提高了换流站的制造成本。
4 高压直流输电系统可靠性的评估方法
可靠性评估方法包括确定性方法、概率性方法。
确定性方法根据预想的元件故障，通过计算分析给出对系统性能的判断。该方法的不足：没有考虑多元件同时失效;只分析了元件失效事件的后果，忽略了其发生的概率和失去的电量等信息。
概率性方法根据元件故障、修复、切换、安装等过程的统计参数，对系统运行方式和元件故障模式进行概率模拟，获得概率可靠性指标和概率经济指标，对系统可靠性有全面和客观的评价。概率性可靠性评估方法又有解析法和模拟法。
无论采取何种方法评估系统可靠性，预测评估指标的精度都要受到系统规模、模型、方法以及使用数据质量的限制。而考虑元件随机故障、预安排停运、天气状况、设备自身健康状况等诸多因素时，对超大规模电力系统，不论是解析法还是模拟法都将面临不可避免的“计算灾”难题。但是，随着计算机技术与可靠性评估方法术的发展，这种“计算灾”有望得到相当程度的解决。
参考文献：
[1] 王遂，任震.高压直流输电系统可靠性影响因素分析[J].电力系统及其 自动化学报，2007，（5）.
[2] 胡博，黄莹，谢开贵，等.高压直流输电系统最优备用分析[J].高电压技
术，2009，（9）.
[3] 周家启，陈炜骏，谢开贵，等.高压直流输电系统可靠性灵敏度分析模型 [J].电网技术，2007，（19）.
[4] 刘洋，白泰，蒋平，张禄琦.高压直流输电系统可靠性评估模型和算法探 讨[J].华东电力，2008，（5）.
[5] 谢开贵，王立斌，刘映尚，等.高压直流输电系统最优设备选型模型和算 法[J].中国电机工程学报，2010，（4）.
关键词：高压直流;大功率输电;典型结构;可靠性
中图分类号：TM721 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0079-02
1 高压直流输电系统发展概况
直流发电机发出来的电直接供给直流负荷的方式是直流输电的第一次应用。但因为无法直接升高直流电压，并且技术落后，限制了输电距离，直流输电的发展一度受到阻碍。19世纪80年代和90年代，随着交流发输电技术的发展，交流电几乎完全替代了直流电，并发展成今日规模巨大的电力系统。1954年瑞典采用海底直流电缆进行输电，从此直流输电开始了新时代。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的进步，高电压大容量的晶闸管令直流输电得到了大力发展。1972年，晶闸管技术第一次应用在加拿大的伊尔河HVDC工程。近年来，新型半导体器件在直流输电工程中得到了广泛应用，从而带动直流输电技术的发展。伴随着社会经济、技术的持续进步与技术的革新，对电力的需求越来越大，远距离、大功率、控制灵活的高压直流输电工程越来越多。
与交流输电相比较，直流输电凭借它固有的技术特点和经济特点，在远距离大功率输电、大区联网、利用电缆跨海输电、限制短路电流以及向负荷密集的大城市供电等方面，均发挥着其独特的作用。目前，高压直流输电系统的可靠性已逐步成为整个电力系统可靠性重要的组成部分，分析影响可靠性的各种因素具有重要的理论意义和工程实用价值。
我国的煤炭和水能等发电能源很丰富，但多数分布在中西部，而我国的大多数电力负荷却集中在东部沿海地区，这就需要远距离大功率的电能输送以满足生产生活的需求。为了优化配置和供给电能资源，我国正逐步实现“西电东送”、“全国联网”的能源格局，高压直流输电随着技术的不断发展，已成为我国远距离输电的重要选择[9]。大功率电力电子技术的发展使得大规模高压直流输电的实现成为可能。近年来，随着大电网、高电压的现代电力系统的发展，国内外投运的高压直流输电工程越来越多。预计到2020年前后，我国的特高压直流输电工程线路总长约为26 000 km，输送容量约为9 440万 kW。我国将成为拥有直流输电工程最多、输送容量最大、输送线路最长的国家。
2 高压直流输电系统的主要优点
直流输电有以下三个主要优点：
①能有效控制电缆费用。因线路造价费用相对不高，因此采用直流输电可有效节省电缆费用。
②传输过程中的更为节能。因较小的运行电能损耗，可以在传输过程中实现有效节能。
③线路走廊窄，征地费省。
④先进性。除了经济性，直流输电的技术先进性也值得一说。直流输电调节速度快，运行可靠。正常情况下稳定输出，事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。
还有，直流输电线路无电容充电电流，电压分布平稳，负载大小不发生电压异常，不需并联电抗。
3 压直流输电系统的典型结构
HVDC系统换流站的接线方式主要有三种： 单极接线，单极通常采用负极性导线，由土或水电路;双极接线，该方式有两根直流导线且极性相反，当其中一极发生故障时，另外一极以大地作为回路，继续工作;同极接线，该方式具有两根或以上的导线，且它们的极性相同（通常为负）。
因为地质影响到了单极系统中的地电流，所以其附近的地下设施有时会收到不良影响，为了避免这种情况的发生，在实际应用中常采用双极接线的方式。
此外，随着晶闸管技术的进步，国内外的HVDC系统采用的接线方式为双极双桥12脉波。无论是单极接线还是双极接线，其换流单元的接线方式，可采用单桥换流器也可采用多桥换流器。多桥换流器通常用偶数个桥在直流侧相串而在交流侧相并的接线。12脉动换流阀的接线方式即两个换流桥在直流侧串联而在交流侧并联，由于每个极上使用的换流阀组的个数有不同，所以可以分为单12脉和双12脉两种。
单12脉接线方式每个极中均只有一个换流阀组，且它们是12脉动的，当任意一个发生故障时，都将导致系统出现单极停运。可见，两个6脉动的换流阀在交流侧的相位上相差30 °。它们在直流侧相串而在交流侧相并，共同组成了12脉动的换流单元。国外许多HVDC工程和国内已投入运行的葛洲坝-南桥、天生桥-广州和贵州-广东等若干个±500 kV的HVDC工程都采用这种接线方式。
单12脉动换流阀接线方式的优点在于：结构简单、所需元件少、成本小、能量利用率较高。但其缺点也是显而易见的，例如单台设备的容量大，导致制造的难度很大，也给运输造成了困难。另外，当任意一个单桥换流器发生故障时，都会令HVDC系统出现单极停运的情况，继而导致对两端交流系统的巨大冲击。所以，双极双桥单12脉高压直流输电系统共包含双极运行的100%容量、单极运行的50%容量以及双极停运的零容量三种运行方式。
双12脉接线方式的特点是每个极上都含2个12脉动的换流阀组，该接线方式的优点在于，当任意一个换流阀组发生故障时，均可由控制开关来令这一极得以部分运行，从而大大提高了高压直流输电系统传输电能的能力。根据每个极上的两个换流阀组的连接方式不同而分为串联和并联两种方式。考虑到实际HVDC工程远距离、大容量、高电压等特点，常采用双12脉的接线方式。 双12脉动换流阀接线串联方式相对单12脉动接线方式而言，关键设备的个数均多了一倍，即可减小单台设备的容量，从而为其制造和运输提供便利。因为各个12脉动换流器之间是相互独立的，故可分期进行建设。因为该每极均包含2组12脉动的换流阀，因此当任意一个阀组方式故障时，可由换流器两端多个开关的切换操作令故障阀组停止工作，这样便不会对两端交流系统造成太大冲击。但是因为设备数量的增多，建造成本会随之增加。这种结构共包括6种运行方式，输送功率的容量状态包含100%、75%、50%、25%和0%五种。容量缺失时状态转移过程带来的双12脉的劣势，即带来故障持续时间长。
特高压换流站系统输送容量大，电压等级高，考虑运行及设备制造原因，较多采用双12脉接线。双12脉动换流阀接线并联方式与串联相比而言，设备的数量和容量均相同，当每个极任意一个12脉动换流阀组发生故障时，只有这一极的设备停止运行，因此也具有6种运行方式。但因其特有的运行方式，需要耐受更高电压的换流设备，故提高了换流站的制造成本。
4 高压直流输电系统可靠性的评估方法
可靠性评估方法包括确定性方法、概率性方法。
确定性方法根据预想的元件故障，通过计算分析给出对系统性能的判断。该方法的不足：没有考虑多元件同时失效;只分析了元件失效事件的后果，忽略了其发生的概率和失去的电量等信息。
概率性方法根据元件故障、修复、切换、安装等过程的统计参数，对系统运行方式和元件故障模式进行概率模拟，获得概率可靠性指标和概率经济指标，对系统可靠性有全面和客观的评价。概率性可靠性评估方法又有解析法和模拟法。
无论采取何种方法评估系统可靠性，预测评估指标的精度都要受到系统规模、模型、方法以及使用数据质量的限制。而考虑元件随机故障、预安排停运、天气状况、设备自身健康状况等诸多因素时，对超大规模电力系统，不论是解析法还是模拟法都将面临不可避免的“计算灾”难题。但是，随着计算机技术与可靠性评估方法术的发展，这种“计算灾”有望得到相当程度的解决。
参考文献：
[1] 王遂，任震.高压直流输电系统可靠性影响因素分析[J].电力系统及其 自动化学报，2007，（5）.
[2] 胡博，黄莹，谢开贵，等.高压直流输电系统最优备用分析[J].高电压技
术，2009，（9）.
[3] 周家启，陈炜骏，谢开贵，等.高压直流输电系统可靠性灵敏度分析模型 [J].电网技术，2007，（19）.
[4] 刘洋，白泰，蒋平，张禄琦.高压直流输电系统可靠性评估模型和算法探 讨[J].华东电力，2008，（5）.
[5] 谢开贵，王立斌，刘映尚，等.高压直流输电系统最优设备选型模型和算 法[J].中国电机工程学报，2010，（4）.