柔性直流输电在铁路供电系统中应用前景分析

王 鑫，郭晨曦

柔性直流输电在铁路供电系统中应用前景分析

王 鑫，郭晨曦

通过对传统输电技术和柔性直流输电技术的对比，结合铁路电力系统自身特点，介绍了柔性直流输电系统主接线、换流器拓扑结构和控制等多方面内容，分析了柔性直流输电技术在铁路供电系统中的应用前景，以期对同行具有一定参考作用。

柔性直流输电；铁路供电系统；电路结构

0 引言

柔性直流输电也称之为基于电压源型换流器的高压直流输电，这一概念最早由加拿大McGill大学BoonΤeck Ooi等学者于1990年提出。2000年，国际大电网会议（CIGRE）和美国电气与电子工程师协会正式将其命名为“Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Τransmission”，缩写为“VSC-HVDC”。在我国称之为“柔性直流输电技术”，也可翻译为“HVDC Flexible”，用以表达该项输电技术的灵活性特点。随着电力电子技术的快速发展，柔性直流输电技术不断成熟和发展，在风能、太阳能等新型能源不断开发利用的情况下，柔性直流输电技术的优势日益明显。目前，其在国际上的应用工程主要有哥特兰（Gotland）工程、克劳斯-桑德互联（Cross Sound Cable）工程等。我国高速铁路技术的快速发展要求人们不断寻找高效、节能，符合国情和市场需求的供电技术，故进一步研究探讨柔性直流输电技术在铁路供电系统中的应用是非常必要的。

1 结构原理

柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制技术（PWM技术）为基础的新型直流输电技术。柔性直流输电设备主要包括换流站、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等，其结构原理如图1所示。

图1 柔性直流输电技术结构原理

（1）换流变压器。换流变压器通常选用常规普通变压器。为了保证变压器中不含谐波分量，变压器连接方式通常采用一次侧绕组星形接线，不设置三次谐波磁通回路；二次侧绕组采用三角形接线的方式，电流在三角形绕组内部形成环流，使输出电流中基本不含谐波电流分量和直流电流分量，实现了交直流系统之间的电气隔离。

（2）换流电抗器。换流电抗器是换流站的重要组成部分，其容量大小直接决定换流站的换流能力，因此需慎重选取。电抗器的主要作用之一是限制短路电流，同时滤除系统中的谐波分量，进而获得较好的电压电流波形以达到预期理想效果。

（3）交流滤波器。交流滤波器的主要作用是滤除电压中的高次谐波以获得理想波形，交流滤波器的容量需根据具体情况确定。

（4）直流电容器。直流侧电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，并起到维持直流侧电压稳定的效果。作为储能元件，直流电容器可以缓冲桥臂开断时的冲击电流，减小直流侧的电压谐波，防止直流侧电压波动，提供电压支撑，同时对电压电流起到一定的滤波作用。

2 换流器结构

换流器主电路拓扑结构一般分为2类，即两电平结构和多电平结构。其结构如图2所示。两电平结构电路中，每个电力电子器件两端承受的电压为±Ud/2，电路结构简单，易实现开关器件通断的一致性，但每个桥臂上电力电子器件承受的电压较高，受目前电力电子器件发展水平的限制，致使两电平结构电路的电压传输等级较低。多电平结构电路中每个桥臂上串联多个电力电子器件，相较于两电平结构，多电平结构电路中桥臂上每个器件承受的电压降低，可以很大程度上提高传输的电压等级和传输容量，输出的电压质量较好，但由于电路的复杂性增加，实现电力电子器件的控制难度加大。在设计换流器主电路拓扑时，需综合考虑系统的经济性和运行的可靠性。

3 控制策略

柔性直流输电系统的控制环节由各类控制器构成，具体包括外环功率控制器、内环电流控制器、触发脉冲生成环节以及锁相同步和同步坐标变换等环节。外环功率控制器主要形式包括无功功率控制器、有功功率控制器、直流电压控制器、交流电压控制器等。目前大多文献涉及的控制策略主要分为2类，一类为间接电流控制策略，另一类为直接电流控制策略。间接电流控制是基于“电压幅值和相位”的控制，而直接电流控制则是在同步旋转坐标系下实现的。目前应用较为广泛的是直接电流控制策略，直接电流控制策略可直接控制经过换流电抗器和变压器的电流，动态响应迅速，控制性能良好。柔性直流输电系统应用于其他不同的领域时，则需要结合具体情况采用相适应的控制方式。

图2 换流器主电路拓扑结构

4 直流输电技术的优势分析

自1831年法拉第发现电磁感应定律，随即出现了原始的直流发电机、直流电动机和交流发电机。电力输送技术的研究最初集中于直流电，原始的电力线路为100～400 V低压直流电，输电电压低，输送距离短，输送功率也很小。1885年在变压器研究的基础上，实现了电力系统单相交流输电；1891年又实现了三相交流输电。三相交流制的优点也很快显现出来，三相交流制的输电形式发展迅速，直流输电则暂时搁置。然而近年来，随着电力系统不断发展，交流系统的一些弊端逐渐显现，直流输电的一些优势也逐渐被人们认识。直流输电再次兴起并迅速发展，说明其在输电技术领域中确实存在交流输电不可替代的优势。

（1）在进行远距离大功率输电过程中，直流输电不受同步运行稳定性的制约，对保证两端电网的稳定运行起到很大作用。而交流输电须保证互联系统的同步性，即需要保证所有发电机的同步性。

（2）传输距离较长的交流输电系统中，传输线路的感抗很大，甚至远远超过线路的电阻。线路越长，电抗越大，线路上的电能损失越大，同时系统维持稳定性也就越困难，这在很大程度上限制了交流输电技术的发展。而对于直流输电系统来说，其输电线路相当于只有电阻，没有电抗，因此不存在上述的稳定性问题，因而直流输电技术在长距离输电方面优势明显。

（3）与传统直流输电相比，柔性直流输电在控制上更加灵活方便，可独立控制有功功率和无功功率。采用全控型电力电子器件，不需要外加换相电压，可以实现自关断，可以向无源网络供电，使其向孤立点的送电成为可能，为孤岛供电提供了技术支持。

（4）柔性直流输电过程中一旦出现潮流反转，其技术特性可保证电压极性不变，便于构成多端直流系统，对2个或多个频率不同系统的互联具有重要意义，而交流输电技术无法实现这一目的。柔性直流输电在连接2个独立的交流系统时，其中一侧系统发生故障或扰动，不会影响另一侧系统的正常运行，另外，可灵活控制交流侧功率，发生故障时系统的短路容量并不会增加，系统的保护整定也无需改变。而交流输电接入电网时，系统的短路容量增大，保护断路器的容量未必完全满足保护需求，需要对其进行相应调整。所以，柔性直流输电技术在系统互联的应用方面前景广阔。

5 应用分析

铁路10 kV电力供电系统为调度指挥、通信信号、旅客服务等系统提供电力保障，向铁路车站和沿线的全部非牵引电气设备供电，包括动力和照明。电力供电线路一般沿铁路全线架设一级负荷电力贯通线和综合电力贯通线各1条。电力供电系统电压一般采用交流10 kV，受交流供电系统线路对地电容引起末端电压升高的限制，供电距离一般在30～40 km，越区供电时可能超过60 km。双回电力贯通线路采用单芯交联聚乙烯绝缘铜芯电力电缆，区间箱式变电站间距1～3 km。电力贯通线的负载为沿线信号楼、通信基站、光纤直放站、牵引所备用电源等一级负荷，正常运行负载电流在10～35 A之间。

从2006年起，我国大力发展柔性直流输电技术，已有多条线路投入运行，但其在铁路方面并未开展实际应用。日本铁道综合技术研究所开发了接触网电压不变，架设高压输电线的高压直流输电技术，变电所间设置电力变换装置，将直流高压转换为较低的直流1 500 V电压传输至接触网，以减小馈电损失。国内一些较偏远地区，如青藏、兰新等铁路地处青藏高原或沙漠人烟稀少地区，由于外部引入电源稀缺，铁路10 kV或35 kV贯通线不得不采取超长距离输电，供电质量较低。电缆线路在交流电压作用下，会产生大量容性无功功率对系统充电，进而影响系统电压。电缆线路对地的电容效应是产生无功功率充电的根本原因，其无功充电功率与线路的对地电容成正比，与线路两端节点电压的平方成正比。空载或轻载时，由于分布电容作用，线路末端电压升高；带负荷运行时，线路电压损失较大，线路首末端电压相角差变大，首端导线发热，线路电阻中消耗的功率大，供电经济性下降。以长距离交流输电线路的π型等值电路为研究对象，建立电力线路模型（图3）进行计算。

图3 长距离交流输电线路的π型等值电路

对于β支路，支路功率损耗为

对于α支路，支路功率损耗为

因而β支路压降为 d U˙=I˙(R +jX)，故

以2U˙为参考相量，设2U˙=U∠0°，则

设 dU ˙=ΔU+jδU

因而末端电压将高于始端电压。

为解决供电质量问题，目前通常采用并联电抗器、串联电容、加装动态无功补偿装置等措施，在一定程度上改善了供电质量，但也带来投资增加、过电压升高、线路损耗加大、供电可靠性下降等问题。采用柔性直流输电技术则可以避免这些情况的发生，直流传输过程中电缆的电抗和电感接近于0，可以避免由于电容引起的末端电压升高，柔性直流输电在该方面优势明显。纵观近年来柔性直流输电技术的发展发现，限制柔性直流输电系统电压等级和容量提升的主要因素是电缆的电压等级和现有绝缘栅双极型晶体管（IGBΤ）器件的发展水平。采用电缆输电方式能极大减少高原、沙漠、沿海等地区灾害天气对输电线路的干扰，电网故障后的快速恢复控制能力也提高了供电可靠性。随着电力电子器件水平的日益提高，以及高压电缆的不断发展，柔性直流输电系统的容量和电压传输等级也会大幅提升。

此外，由于10 kV供电系统多采用沿线路设置箱式变电站的方式，与目前柔性直流输电技术发展趋势之一——多端直流系统相互契合，形成链式或放射式的多端直流输电网络。多端直流输电（Multi-terminal HVDC）是直流电网发展的初级阶段，是由3个以上换流站通过串联、并联或混联方式连接起来的输电系统，能够实现多点受电。多端直流联网可以向孤岛、边远地区等电网比较薄弱的区域提供安全、经济、有效的输电模式，是长距离链条形供电线路的最佳技术手段，特别适用于铁路沿线供电的技术特点，将给输电方式和电网架构带来重要的变革，近几年来在欧美等发达国家已得到大力发展。鉴于柔性直流输电系统在构建多端系统方面具备独特技术优势，故柔性直流输电技术在铁路供电系统中将会得到很好的应用。

6 结语

目前我国的直流输电技术已应用于实际工程中，如上海南汇、舟山以及大连的柔性直流输电示范工程。其中，舟山柔性直流输电示范工程特别针对孤岛供电困难的情况，实现了对远距离孤立负荷的供电。此外，基于大连柔性直流输电工程，我国成功研制出世界首套1 000 MW/±320 kV换流阀及阀基控制器，标志着我国的柔性直流输电换流阀技术已达到世界领先水平。技术的发展为柔性直流输电在铁路供电系统中的应用奠定了基础。随着我国高速铁路的快速发展，逐渐形成具有自主知识产权的关键技术，铁路供电技术作为其中重要的一环，更需实现资源的高效利用。在未来的工作中，研究人员需结合铁路供电系统自身的特点，通过仿真模拟进行深入研究，使柔性直流输电技术得到更大的推广。

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By comparison of traditional power transmission technology and flexible DC power transmission technology,with combination of characteristics of the railway power system itself,the paper introduces the main wiring of flexible DC power transmission system,topological structure and control of converter,analyzes the application prospect of flexible DC power transmission technology in the railway power supply system so as to provide certain references for the counterparts.

Flexible DCpower transmission;railway power supply system;circuit structure

U223.5

A

1007-936X(2017)06-0016-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.005

王 鑫.中国铁道科学研究院，硕士研究生；郭晨曦.中国铁道科学研究院，研究员。

2017-03-03