直流开断基础及技术应用

第1章 直流电力系统与电力开关设备 传统的电力系统以交流系统为主，随着大功率半导体器件和电网控制技术不断进步，直流电力系统正在世界范围内得到快速发展，涉及轨道牵引、船舶推进、新能源利用、输配电网等多个领域，电压等级也从传统的低压发展到高压等级，供电容量也不断获得提升。直流电网的安全运行离不开直流电力开关装备，也对直流电力开关装备提出了更高的要求。本章主要介绍世界范围内直流电力系统的发展、典型应用场景，结合直流系统阐述直流电力开关设备的发展和作用。 1.1 直流电力系统的发展 电力能源是国民经济发展的重要保障，随着我国经济的稳定快速发展，我国电力行业也有了长足的进步。根据中国电力企业联合会报告统计数据，截至2019年底，全国发电装机容量201066万kW，至此，我国电力行业现状已由改革开放初期的电力供应严重短缺发展至当前电力供需形势总体宽裕的状态。然而，如何输送如此巨大的电能成为人们所必须解决的问题。同时，随着全球石化能源的日益枯竭以及环境保护压力的日益紧迫，世界发达国家均提出了电力能源发展绿色清洁的要求。在电源方面，太阳能电池与风力机作为常见的分布式电源已在我国得到广泛的应用。截至2019年底，我国风电、光伏发电装机容量分别为210GW和204GW，均位居世界首位，新能源已成为我国第二大电源。《中国2050高比例清洁能源发展情景暨途径研究》报告中指出，到2050年，清洁能源满足中国一次能源需求60%以及电力需求85%以上在技术上是可行的，在经济上是可承受的。然而，如何将越来越多的可再生能源接入大电网输送至负荷中心，是电力行业面临的另外一个重要的问题。 世界各地原有的系统大都是依靠交流电网通过交流变压器升压，将电力能源从集中的发电厂输送到用电的负荷中心再降压使用。由于交流系统中存在着线路集肤效应、无功分量等原因，远距离传送下的线路损耗较大。为使交流系统电力传输的过程保持较低的损耗，限制无功分量，需要另外采用无功补偿等设备；同时，多个交流系统之间通过采用互联的方式可以提高供电的可靠性，然而这一互联需要确保各个子交流系统输出的电压幅值、相位和频率一致，特别是在远距离情况下各个子系统的互联更为困难。 随着新能源、新材料、信息技术的发展和电力电子技术的广泛应用，以及直流负荷的不断增加，近年来，直流电力系统获得了国内外的广泛关注，并在远距离高功率密度电能输送、系统互联、可再生能源规模化应用和配用电等多个领域不断发展，涉及电能远距离输送、轨道交通、船舶、航空、通信和数据中心等多个领域。同交流电力系统相比，直流电力系统在输送容量、可控性、电网互联及提高供电质量方面具有优势，主要表现在：①能够提高线路的电能输送容量和质量，有效地控制有功和无功功率、潮流方向；②可以降低线路上的电能损耗；③可以方便实现不同系统之间的互联，充分发挥分布式能源的价值和效益。基于以上优点，同时结合新型直流用电负荷的发展，近年来无论是高压直流输电系统还是中低压直流配用电系统的应用前景引起了行业的关注，直流输配电系统关键技术与关键装备已经成为众多企业与研究机构的研究热点。 1. 高压直流输电系统的发展 我国能源和负荷中心在地理分布上的差异较大，输电系统成为解决这一问题的主要手段。我国能源资源与能源需求呈现逆向分布的显著特点。煤炭、水能、石油、天然气等资源主要集中在西部地区，而东部沿海的京、津、沪、粤等11个省市经济比较发达，而且人口集中，能源消耗大，必须发展输送距离更远、电压等级高、输电容量大、输电效率高的输电技术。其中，长距离直流输电系统通常采用高电压等级，该系统也被称为高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电系统。与同等容量的交流输电线路相比，高压直流输电系统具有线路损耗较低、非同步互联、潮流可控和载流量的优点。HVDC可以在非同步的交流传输系统之间以及在不同频率(如50Hz和60Hz)的交流电网系统之间传输电能，提高了电网供电的稳定性和经济性；柔性高压直流系统(voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)可以利用换流站控制，对不同交流系统之间的潮流进行自动控制；同时，海底或者地下电缆具有较高的电容大小，交流电的传输过程中电缆导体会增加热损耗和能量损失，限制了电缆的传输能力，而HVDC不受这些限制。 当前，高压直流输电已成为世界范围内电力传输的重要组成部分，电网结构上从传统的点对点连接模式，发展到了多端连接模式，换流方案上从原先基于电流源换流的高压直流输电系统(current source converter HVDC，CSC-HVDC)，发展到当前基于电压源换流的柔性直流输电技术(VSC-HVDC)。早在1954年，首个商用100kV的HVDC系统通过96km长的海底电缆从瑞典大陆为格陵兰岛供电，其主要的变流器设备从20世纪70年代基于晶闸管的半控换流阀(即电流源型换流阀)，发展到目前采用绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的全控型换流阀(电压原型换流阀VSC)。自2005年以来，世界范围内电压源型HVDC转换器已在海上油气平台的岸上供电、海上风力发电机的岸上供电、陆用新能源输配电系统中获得应用，如表1-1所示。 表1-1 近年世界各国新建直流输配电工程(部分) 2. 中低压直流配电系统的发展 在中低压电力系统容量和用电负荷持续增长的背景下，直流输配电的优势日益凸显，并得到广泛应用，大容量直流系统在城市无轨电车、地铁、电动汽车、太阳能发电、冶炼、化工、轧材、船电、矿山等领域的发展十分迅速，这些应用场景较多都具有供电密度高的特点，通常额定供电电流可达数千安，供电容量为数十甚至上百兆瓦。 随着我国城市化进程不断推进，城市人口急剧增加，采用直流供电的地铁和城市轻轨等新型交通方式的发展越来越受到重视。地铁和轻轨作为城市轨道交通中便捷的交通工具，具有方便、快捷、污染小、能耗少、噪声低、运输量大等许多优点，是解决我国大中城市日益严重的交通问题的一项有效措施。截至2020年底，我国城轨交通运营里程达7978.19km，45座城市已开通运营城轨交通，2020年新增线路36条，新增线路里程首次单年突破1000km，达到了1241.99km，运营规模遥遥领先于世界其他国家。从供电电压等级来讲，轨道交通中直流牵引系统主要电压等级达1500V水平，欧洲局部地区也有采用3000V的。 在船舶推进领域，世界范围内船舶电力系统重点发展方向是在采用直流供电，通过电力电子装置转换为低压交流或低压直流供给负荷用电，相比较与交流系统，直流系统可以消除了原动机转速和母线频率之间的相互影响，提高系统的效率和功率密度，降低设备的噪声振动水平；取消大容量的推进变压器和配电变压器，减少变换设备的变压器体积和重量；没有电流的集肤效应，也不用传输无功功率，减轻了电缆的重量，对原动机的调速性能要求低。可以预见，直流供电系统逐渐成为新型船用电力系统的发展方向。 另外，世界范围内面临着当前环境保护和未来能源枯竭的巨大压力，由此世界发达国家的能源战略正发生巨大改变，能源组成结构正发生大调整，可再生能源的比例越来越高。基于分布式新能源发电的城市直流配电系统正在不断兴起，对此人们提出了采用数十千伏直流系统将太阳能、风能分布式发电系统、储能系统和传统交流配电网进行互联并直接给数据中心、公交通电系统、路灯系统、楼宇等进行供电的方案，如表1-2所示。 表1-2 国内外中压直流工程(部分) 可见，直流输配电系统以其独特的优势在近二十年内如雨后春笋般涌现。其中，特高压直流输电工程已成为我国的技术名片，解决了我国幅员辽阔、能源分布不均的问题，创造了较高的经济价值和环境价值。而中低压直流配电系统在地铁、船舶等领域快速发展，并且大力推动了新能源的开发和利用，未来将发挥更为巨大的作用。 1.2 直流系统应用典型场合 1.2.1 高压直流输电系统 1. 传统点对点高压直流输电系统 传统的点对点高压直流输电系统的示意图如图1-1所示，整个系统仅有两个端口(送电或者受电)，其主要组成为换流站、输电线路、整流变压器等。其中，在实际工作时，两个换流站中一个作为整流站，把三相交流电变换为直流电；另一个作为逆变站，把直流电变为交流电。通常，发电厂输出的交流电经过升压后，由一端的换流站(整流站)变为直流电，通过输电线路输送到另外一端，经过换流站(逆变站)变为交流电，向另一端的交流系统供电。图中，假设电力传输方向是从换流站C1到C2，则C1工作在整流状态，C2工作在逆变状态。 图1-1 传统的点对点高压直流输电系统示意图 图1-2所示为日本Kii线路的系统配置图，该线路为双极LCC HVDC (line-commutated converter，HVDC)线路(位于四国岛和本州岛关西地区之间)，具有两条中性金属回流线。此项目的建设目的是将四国岛火电厂(Anan换流站(C/S)侧)产生的1400MW的电力输送到本州岛(Kihoku C/S侧)的大型供电系统。每个电极可独立运行，当一个电极进行维护工作或其中一条输电线路发生故障时能维持输电。双金属回线配置采用两条传输线，总长约100km，有效构成了包括两条金属回线的四条线路。该高压直流输电系统能够在单极换流站中断的情况下继续传输。两条金属回线允许进行多种操作，等效于两组单极性金属回路连接，以连接不同的交流电力系统。这种配置还可以避免由于海底电缆故障而导致的长期停机。金属回流管线的一侧在Anan处接地，另一侧在Kihoku C/S处连接至金属回路转换开关(metallic return transfer breaker，MRTB)。当其中一条金属回流线的架空部分发生直流接地故障时，与中性金属回流线相连的(常开)MRTS(metallic 图1-2 Kii-channel HVDC线路示意图 return transfer switch，MRTS)关断。回路电流传输至接地的MRTS后，携带接地故障电流的电弧将立即熄灭。直流故障排除后，MRTS断开，以便将电流换回到中性金属回流线，系统双极运行恢复。 2. 多端直流输电方式 多端直流系统是通过直流输电线路将多个电源/受电负荷端进行互联而形成的直流电力系统。近年来，基于VSC换流技术的多端柔性直流系统发展速度较快，将为今后发展的主要方向。图1-3所示为以4端直流系统为例的一种系统拓扑结构，这也是多端高压直流输电系统较为简单的实现形式。由图1-3(a)可见，AC1～AC4为四个交流系统电源，从每个交流系统引出多个换流站，通过直流点对点的方式连接不同的交流系统，由于这种方式线路中间没有断路器，多端直流没有形成网格，没有冗余，一旦系统中任何一个换流站或线路发生故障，则需要整条线路及连接在这条线路的两侧换流站全部退出运行，由此导致该方案的供电可靠性较低。 图1-3 多端直流输电的拓扑结构示意图 为了解决以上问题，同时兼顾经济成本，通常将直流传输线在直流侧相互连接起来，形成“一点对多点”和“多点对一点”的形式，即可组成真正的直流电网，如图1-3(b)所示，每个交流系统通过一个换流站与直流电网连接，换流站之间通过直流断路器来连接多条直流线路，一旦发生线路或者换流站故障，可通过断路器进行选择性切除线路或换流站。由此可见，增加了直流断路器这一关键设备，使系统具有如下特点：①与图1-3(a)相比，图1-3(b)换流站的数量可以大大减少，只需要在每个与交流电网连接点设置一处，这不仅能显著降低建设成本，而且能够降低整体的传输损耗；②每个换流站可以单独地发送或者接收功率，并