探索高壓輸電――第1部分：電網(wǎng)換相換流器

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4.1萬億兆瓦時(shí)。在這種情況下，5%的損耗意味著超過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展示了這一完整過程。

圖1：傳輸過程(輸電線路圖片由美國(guó)杜克公司提供)

最常見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)開關(guān)損耗。LCC使用晶閘管作為開關(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，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)討論了如何通過使用電流互感器、分壓器或羅戈夫斯基線圈來采集輸出信號(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。