探索高压输电——第1部分:电网换相换流器

日期:2017-08-30

 
据美国能源信息管理局统计,2014年美国能源的平均零售价格为10.44美分/千瓦时,预计输配电损耗为5%。这一损耗值似乎很低,但是这必须考虑到美国的总净发电功率是4.1万亿兆瓦时。在这种情况下,5%的损耗意味着超过2000亿千瓦时和210亿美元的损失,因此努力改善电力传输方式成为我们的优先事项。
 

 
高压直流(HVDC)输电是为减少输配电损耗而实施的解决方案之一。为什么HVDC比常规交流输电更高效呢?HVDC输电线路的损耗比相同电压的AC线路少30-50%。当电压和电流变得异相时,HVDC可以提高功率因数。因为DC没有与其相关的频率,因此它不受集肤效应的影响,可以降低通过线路传输的总功率。当电流密度集中在表面或“外肤位置”时,会发生集肤效应,并且当其朝导体中心移动时会渐渐稀疏。沿表面的电流密度越高,AC的有效电阻也就越高。HVDC还提高了网络的可靠性。某些类型的HVDC站可以帮助稳定异步网络。
 
那么这么大量的电力如何从全国范围内传输到你家呢?电力首先从源开始,被传输到换流站,在整流为DC电压前,AC在这里被升级至所需电压。然后,电力可以作为HVDC通过远距离转移到另一个换流站,在那里被重新转换为AC,某些类型的换流站具有控制有功和无功功率的增值效益。然后变压器将AC电力提高到所需的电压,以根据需要将电压传输和配送到家庭和/或工厂。图1展示了这一完整过程。
 

1:传输过程(输电线路图片由美国杜克公司提供)
 
最常见的换流站类型是电网换相换流器(LCC)和电压源换流器(VSC)。
 
电网换相换流器
 
目前运行的大多数HVDC系统采用LCC拓扑。LCC的效率稍高于VSC,能够传输更大数量的电力。其典型电压电平为450kV或500kV;然而,中国有几条800kV的线路。由于采用脉宽调制(PWM)技术,LCC不会像VSC那样出现开关损耗。LCC使用晶闸管作为开关装置。多个晶闸管串联成三相整流器的单支线路,即构成了所谓的“阀”。
 
由于晶闸管只能接通,不能断开,因此交流电压会使晶闸管发生反向偏置并停止传导。因此,LCC中的晶闸管的偏置取决于电网AC侧用于换流的功率。在晶闸管正向偏置后导通时的延时决定了相位角延迟(触发角)。晶闸管的相位角延迟实现了交流波的相位角控制。
 
LCC有两种典型的架构:6脉冲桥和12脉冲桥。图2所示为6脉冲桥,其使用六个晶闸管阀:每个相位使用两个阀来传导正负电压波形。LCC的谐波响应能力非常差。为了弥补这一点,通过将两个6脉冲桥串联形成12脉冲桥则可以改善谐波。
 

2LCC配置(图片由EE web提供)
 
通过分析信号,可以控制进出换流器的波形。适当地分析信号能够让系统知道电压和电流电平以及功率因数,并且有助于确定线路上是否存在任何故障。保护继电器或智能电子设备(IED)分析信号。请参见图3。
 

3:信号解释
 
TI有几个介绍信号分析方法的设计指南。使用Delta-Sigma芯片诊断来测量保护继电器中AC电压和电流的参考设计讨论了如何通过使用电流互感器、分压器或罗戈夫斯基线圈来采集输出信号。然后,该信号由隔离和非隔离运算放大器进行调节,以增加振幅,抑制任何共模电压和噪声。随即由ADC分析经调节的信号。从ADC获得的数字化信息被传递到MCU进行解释。根据波形确定的信息反馈到换流器的控制装置,从而将对不断变化的相位和电压电平进行调整以保持稳定性。
 
本系列的第二部分将讨论VSC及其优点,并将其与LCC进行比较。
请继续关注本两部分博客系列的第二部分,其中将讨论电压源换流器(VSC)。
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