HVDC系统的设计是为了提高效率

日期:2011-10-31

  
        作者:David G. Morrison,编辑,How2Power.com

  电源转换器的额定值可达数百甚至数千兆瓦。架空线和海底电缆通常要运行上千公里。几十年来人们一直在测量设备的工作寿命,预算不菲。

  数字表明高压直流(HVDC)输电系统规模巨大。虽然这一技术概念可以追溯到很多年,随着能源需求增长最近其部署的步伐也在加快。

  HVDC 技术开始主要是作为通过海底电缆从内地电网到偏远岛屿传输电力的手段。这方面的发展源于使用交流电源系统的电缆。在长达约70公里的距离,交流电源传输是可行的。但是,一旦电缆长度变长,由于电缆电容的充电,损耗可增加到不可接受的水平。

  连接到电网的商业岛屿HVDC 项目开始于20 世纪50 年代。然后,水电创造了另一个HVDC 技术的需求,因为地处山区的电厂往往与其负载距离很远。此外,最近风力发电的发展也创造了HVDC 需求,因为风电场,特别是那些位于海上的,更需要海底电缆。

  但并不是所有的HVDC 技术的应用都是海底电缆。它也被用来延长架空线距离,采用裸导线,而不是绝缘电缆。虽然AC 电源可以通过跨越架空线传输,而不是通过电缆传输,AC损耗仍然是距离的限制因素。通过减少电缆的损耗,HVDC 系统可以延长距离,它采用另一种架空线路的先进技术,甚至超越FACTS(灵活交流输电系统)的距离。

  HVDC 输电需要注意的是,它一般是点对点的,而AC 系统允许电力输送到多个地点。不过,至少有一个系统使用了HVDC 技术从一个源馈入两个电网,人们正在尝试把HVDC 输电用在多点应用。

  随着时间的推移,HVDC 输电的所有这些要求为生产输变电设备的大型全球企业的电力电子工程师带来了机会。预计这些机会将增加HVDC 项目的数量,并随着应用需求变得更具挑战性。由于HVDC 部署规模的扩大(更长距离的更高功率水平的传输),以及效率提高的需求,设备制造商可能需要更多的工程师进行必要的研究和开发,以及支持实施HVDC 系统。

  为了解HVDC 电力电子技术对电力设备行业工程师的挑战,我最近采访了ABB 公司的高管。

  损耗对设计非常关键

  在许多电力电子技术应用中,电源转换器的成本一直沉重地压在电源设计师心中。但在HVDC 系统中,尽管电源转换器成本很高,资金成本需要结合功率损耗的能源成本来考虑。

  ABB 全球电力系统部技术负责人Claes Rytoft 说:“如果我们看看这些项目的计算,要考虑的最大项目之一是乘以30 年左右的损耗。因此,损耗是影响HVDC 系统设计竞争力的关键因素。所以,转换器的额外投资可在输电系统生命周期中节约能源成本,尽量减少损耗。”

  为了说明这一点,Rytoft 列举了ABB 公司在中国开发的HVDC 系统,可以从2000 公里以外的向家坝水电站将6700 兆瓦电力传输到上海。

  Rytoft 估计,这个系统的损耗小于7%,这些损耗大部分是在2000 公里的输电线路中。Rytoft 说,电源转换器有99%或更高的效率。即便如此,优化转换器的效率仍至关重要,因为Rytoft 指出,“甚至0.1%的损耗差异在30年都可能对7000 兆瓦产生很大的影响。”

  系统可用性是另一个关键设计要求。在换流站方面,客户的维修可以在年度基础上进行。这实质上是经营成本的问题,因为停机成本很高。

  最小停机时间要求需要优化电源转换器的设计,其中包括串联功率半导体模块,可以在转换器输出端产生数百千伏。Rytoft 说:“我们的转换器拓扑结构有一个设计,允许短路故障模式。即使有个别半导体封装短路,我们也可以继续运行,从而保证维护周期之间12 个月的运行。”

  为了有规模感,可以看看一个HVDC 项目中,ABB安装在一个120 公里海上平台的400 兆瓦的换流站。Rytoft说,这个转换器的尺寸是50×30 米。连同所需的变压器,转换器占用了两个平台。

  要阅读更多关于ABB 公司应对HVDC 系统开发对电力电子技术的挑战,以及这一领域的就业增长,请看“推进HVDC 技术”和“HVDC 创造就业机会”的在线版本。

  作者简介

  David G. Morrison 是How2Power.com 的编辑,该网站旨在加速电源设计的信息搜索。Morrison 也是How-2Power Today 的编辑,它是报道电力电子行业的电源转换设计技术、新的电源组件和职业机会的免费每月通信。订阅电子报请访问www.how-2power.com/newsletters/。

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