關(guān)于高壓輸電的探索:電網(wǎng)換相換流器
發(fā)布時(shí)間:2017-09-04 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】據(jù)美國(guó)能源信息管理局統(tǒng)計(jì),2014年美國(guó)能源的平均零售價(jià)格為10.44美分/千瓦時(shí),預(yù)計(jì)輸配電損耗為5%。這一損耗值似乎很低,但是這必須考慮到美國(guó)的總凈發(fā)電功率是4.1萬(wàn)億兆瓦時(shí)。在這種情況下,5%的損耗意味著超過(guò)2000億千瓦時(shí)和210億美元的損失,因此努力改善電力傳輸方式成為我們的優(yōu)先事項(xiàng)。
高壓直流(HVDC)輸電是為減少輸配電損耗而實(shí)施的解決方案之一。為什么HVDC比常規(guī)交流輸電更高效呢?HVDC輸電線路的損耗比相同電壓的AC線路少30-50%。當(dāng)電壓和電流變得異相時(shí),HVDC可以提高功率因數(shù)。因?yàn)镈C沒(méi)有與其相關(guān)的頻率,因此它不受集膚效應(yīng)的影響,可以降低通過(guò)線路傳輸?shù)目偣β?。?dāng)電流密度集中在表面或“外膚位置”時(shí),會(huì)發(fā)生集膚效應(yīng),并且當(dāng)其朝導(dǎo)體中心移動(dòng)時(shí)會(huì)漸漸稀疏。沿表面的電流密度越高,AC的有效電阻也就越高。HVDC還提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。某些類型的HVDC站可以幫助穩(wěn)定異步網(wǎng)絡(luò)。
那么這么大量的電力如何從全國(guó)范圍內(nèi)傳輸?shù)侥慵夷??電力首先從源開(kāi)始,被傳輸?shù)綋Q流站,在整流為DC電壓前,AC在這里被升級(jí)至所需電壓。然后,電力可以作為HVDC通過(guò)遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移到另一個(gè)換流站,在那里被重新轉(zhuǎn)換為AC,某些類型的換流站具有控制有功和無(wú)功功率的增值效益。然后變壓器將AC電力提高到所需的電壓,以根據(jù)需要將電壓傳輸和配送到家庭和/或工廠。圖1展示了這一完整過(guò)程。
圖1:傳輸過(guò)程(輸電線路圖片由美國(guó)杜克公司提供)
最常見(jiàn)的換流站類型是電網(wǎng)換相換流器(LCC)和電壓源換流器(VSC)。
電網(wǎng)換相換流器
目前運(yùn)行的大多數(shù)HVDC系統(tǒng)采用LCC拓?fù)?。LCC的效率稍高于VSC,能夠傳輸更大數(shù)量的電力。其典型電壓電平為450kV或500kV;然而,中國(guó)有幾條800kV的線路。由于采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),LCC不會(huì)像VSC那樣出現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗。LCC使用晶閘管作為開(kāi)關(guān)裝置。多個(gè)晶閘管串聯(lián)成三相整流器的單支線路,即構(gòu)成了所謂的“閥”。
由于晶閘管只能接通,不能斷開(kāi),因此交流電壓會(huì)使晶閘管發(fā)生反向偏置并停止傳導(dǎo)。因此,LCC中的晶閘管的偏置取決于電網(wǎng)AC側(cè)用于換流的功率。在晶閘管正向偏置后導(dǎo)通時(shí)的延時(shí)決定了相位角延遲(觸發(fā)角)。晶閘管的相位角延遲實(shí)現(xiàn)了交流波的相位角控制。
LCC有兩種典型的架構(gòu):6脈沖橋和12脈沖橋。圖2所示為6脈沖橋,其使用六個(gè)晶閘管閥:每個(gè)相位使用兩個(gè)閥來(lái)傳導(dǎo)正負(fù)電壓波形。LCC的諧波響應(yīng)能力非常差。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn),通過(guò)將兩個(gè)6脈沖橋串聯(lián)形成12脈沖橋則可以改善諧波。
圖2:LCC配置(圖片由EE web提供)
通過(guò)分析信號(hào),可以控制進(jìn)出換流器的波形。適當(dāng)?shù)胤治鲂盘?hào)能夠讓系統(tǒng)知道電壓和電流電平以及功率因數(shù),并且有助于確定線路上是否存在任何故障。保護(hù)繼電器或智能電子設(shè)備(IED)分析信號(hào)。請(qǐng)參見(jiàn)圖3。
圖3:信號(hào)解釋
TI有幾個(gè)介紹信號(hào)分析方法的設(shè)計(jì)指南。使用Delta-Sigma芯片診斷來(lái)測(cè)量保護(hù)繼電器中AC電壓和電流的參考設(shè)計(jì)討論了如何通過(guò)使用電流互感器、分壓器或羅戈夫斯基線圈來(lái)采集輸出信號(hào)。然后,該信號(hào)由隔離和非隔離運(yùn)算放大器進(jìn)行調(diào)節(jié),以增加振幅,抑制任何共模電壓和噪聲。隨即由ADC分析經(jīng)調(diào)節(jié)的信號(hào)。從ADC獲得的數(shù)字化信息被傳遞到MCU進(jìn)行解釋。根據(jù)波形確定的信息反饋到換流器的控制裝置,從而將對(duì)不斷變化的相位和電壓電平進(jìn)行調(diào)整以保持穩(wěn)定性。
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