低压直流供电与柔性直流输电及超高压直流输电的研究

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摘 要：随着经济的发展和科学技术水平的提高，人们的生活水平也在不断的提高，各类新型的用电设备在提高生活水平的同时也提高了对于供电系统的要求。本文从各类输电方式出发，对低压直流供电、柔性直流输电、超高压直流输电进行分析，包括他们的结构及其相应的故障类型和保护控制方法，旨在为相关的从业人员提供参考意见。

关键词：低压直流供电；柔性直流输电；超高压直流输电；

1、低压直流供电

1、1低压直流供电系统结构

为了能够满足电力系统的要求，即在孤岛和接入电网的状态下正常运行、连续供电性、电压稳定行、可扩展性等，在符合现行规范标准的前提下，提出了低压直流供电系统的结构，如图1所示[1]。

直流供电系统结构中AC/DC装置是由两个电源型整流器通过并联方式构成的，这两个整流器都采用了脉宽调制的控制方法，并配备了绝缘栅双极型晶体管，调节电压并稳定在正常需求水平上，同时也能降低交流系统中谐波的流入，其目的是为了提高系统的可靠性，使系统能够在孤岛模式下进行工作。分布式发电设备通过电源型整流器来实现与直流系统的连接，这种方法比较简单，稳定性比较好，能够保证供电的连续性。

1、2低压直流供电系统的质量可靠性

电力的稳定性和质量是用户比较关注的重点，其中电能质量对敏感类负载的影响较大，可靠性对应急负载的影响较大，数据类和商业类的负载对于二者都有较高的要求。因此使用直流供电能够有效的提高电能质量，并能进一步的提高供电的可靠性，减低损耗，减少成本，提高经济效益。

电力电子器件会影响供电的可靠性，而元件的故障率受负载和温度的影响比较大，因此低压直流供电系统中的电力电子器件需要能够承受一定的负载，并且对温度的波动有较好的的适应性[2]。

1、3低压直流供电系统的保护和控制

在低压直流供电系统中使用了较多的熔断器和断路器，当出现过载情况和短路的时候，系统能够自动的切断电源，保护了系统的运行安全。同时在直流系统降低电压的时候也可以应用交流断路器，但要注意的是需要重新的研究保护整定方法。在低压系统中比较容易出现就地故障，剩余电流保护装置虽对交流系统有较好的的保护作用，但是因为工作原理而无法直接用在直流系统中，所以需要另行设计。

低压直流供电系统的控制结构如图2所示，该系统能够有效的缓解各设备控制器之间的冲突，并减小瞬变状态对供电连续性和质量的不良影响。该控制系统的基础是电流控制，能够针对设计的阈值以及用户的指令来作出相应的反应，可通过对电流的控制来完成电压的稳定控制。

2、柔性直流输电

2、1柔性直流输电换流器技术

柔性直流输电换流器根据桥臂等效特性将换流器分为可控电源型和可控开关型，可控电源型换流器的各个桥臂中分散着储能电容，因此可以通过对桥臂等效电压的改变来实现交流侧输出电压的变化[3]。比较典型的代表就是模块化多电平换流器，可通过改变桥臂内串联子模块个数来完成等效电压的改变，根据子模块的类型可分为钳位双子模块型、全桥型、半桥型等；级联两电平换流器也属于可控电源换流器，它是由半桥电路级联而成的。模块化多电平换流器具有无需滤波装置、模块化设计、开关频率应力低、谐波含量少、电压畸变率低等优点。但是缺点也比较明显，因为串联的子模块很多，所以增加了系统处理的数据量，加大了对控制系统的要求，并且无法在直流出现故障的时候对交流进行隔离，使得安全性不高。

可控开关型换流器可以通过相应的脉宽调制技术来控制桥臂的断通，但是因为桥臂存在大量的串联开关器件，所以需要注意因开关通断引起的动态静态均压问题。两电平换流器的运行控制和拓扑结构都比较简单，但是交直流侧含有大量的谐波，需要加装滤波器，同时开关频率也比较高，使得换流器的损耗比较大；三电平换流器的开关频率比较低，谐波含量比较少，但是结构却比较复杂，经济性不好，可靠性不高。

2、2柔性直流输电控制和保护

柔性直流换流站级控制系统可以满足系统正常的启停操作和稳态的功率调节，包括无功和有功两类控制器，无功控制器实现了对于交流电压、无功功率的控制，有功控制器实现了对直流电压、有功功率的控制，运行的时候，二者互相配合又独立控制，保证了系统的稳定性和安全性[4]。

柔性直流输电控制保护系统不同于常规的直流输电，其阀级的控制保护系统更加复杂，特别是在模块化多电平柔性直流输电系统中，对于阀体的保护主要由阀级控制器来完成，换流站级控制器的作用微乎其微。因此对于保护控制的时机要求比较高，必须要高速同步控制，满足控制系统的实时性需求。

3、超高压直流输电系统

3、1超高压直流输电结构

超高压直流输电系统主要包括换流变压器、换流器、平波电抗器、直流避雷器、交流滤波器及控制保护设备等。换流器又被称为换流阀，它是换流站的关键设备，能够实现整流和逆变，阳极到阴极施加正向电压或者在门级上施加适当的电压能够触发换流阀导通，当电流将为零且阀的电压变成反向的时候，阀才不会出现导通情况，因为换流阀具备承受正反向电压的能力，所以可以实现交流和直流的变换[5]。平波电抗器具有降低直流线路的谐波电压和电流、避免逆变器换相失败、防止轻负荷电流不连续等功能。谐波滤波器，换流器在直流和交流侧均会产生谐波电流和谐波电压，它们可能会导致电容器和电机过热，同时干扰远动通信系统，所以在直流侧和交流侧都装有滤波装置。

3、2超高压直流输电系统故障分析

换流器常出现的故障有很多，换流阀短路故障是较为严重的故障之一，整流器阀大部分情况下承受反向电压，在经历反向电压增大或者阀的系统故障时候将会造成绝缘损坏，导致阀短路；逆变器阀大部分情况下承受正向压，在电压过高以及电压上升幅度过大的时候会导致阀短路。

换相失败也是比较常见的故障，因为换流器阀需要在承受反向电压的前提下才能实现关断，所以如果在这段时间当中阀没有恢复阻断能力，或者换相一直没有完成的情况下，当阀为正电压的时候，便会发生倒换相，使得应该开通A阀出现关断情况，导致换相失败[6]。

阀开通故障，因为直流控制系统的故障会导致触发脉冲异常，造成换流器的工作出现异常，导致阀出现误开通或者是没有开通的情况。

结束语：文章对低压直流供电、柔性直流输电、超高压直流输电进行了一系列的分析，对它们的结构进行了简单的介绍，简单分析了保护措施和控制方法。相关人员在进行参考的时候需要结合实际情况，对其进行方法改进和优化，不断的推动电力事业的发展和进步。

参考文献：

[1]杨道培. 低压直流供电系统稳定性研究[D].上海电力学院，2015.

[2]马为民，吴方拢杨一鸣，张涛. 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J]. 高电压技术，2014，（08）：2429-2439.

[3]汤广福，贺之渊，庞辉. 柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J]. 电力系统自动化，2013，（15）：3-14.

[4]雍静，徐欣，曾礼强，李露露. 低压直流供电系统研究综述[J]. 中国电机工程学报，2013，（07）：42-52+20.

[5]李子青. 超高压直流输电系统故障诊断新方法[J]. 通信电源技术，2010，（06）：39-40+43.

[6]林秀丽. 超高压直流输电线路电场环境研究[D].浙江大学，2006.