輕型直流輸電（HVDC Light）是輸電領域中的一種新型技術，它的輸入源運用電壓型的換流器，功率開關由絕緣柵雙極電晶體組成，克服了傳統直流輸電系統中的一些缺點，具有良好的套用前景。
基本介紹
- 中文名：輕型直流輸電
- 外文名：HVDC Light
- 開發公司：ABB公司
- 開發時間：上個世紀八、九十年代
- 類別：新型輸電技術
- 學科：電力工程
簡介,輸電原理及特點,系統特性,關鍵技術,套用領域,
簡介
電力系統未來的是向著新型、清潔、可再生能源發電等節能型方向發展，多種新型能源發電發展迅猛，例如風力、太陽能等，它們具有分散化、小型化等特點。地理條件、發電規模等都限制了它們的發展，運用輸電方法進行“孤島”電源與電網連線，會在經濟性、環保等方面的帶來巨大壓力。柴油發電機供電是鑽探平台、島嶼、礦區等區域的主要供電方式，它會給空氣帶來嚴重的污染，如果套用同樣的技術供電也有相同的問題。還有，隨著社會發展，各類負荷日益增加，這就給電網規模、傳輸容量提出了更高要求，如果通過增加輸電走廊來解決輸電問題，也會受到更多的經濟、環保制約，特別是在城市核心區域，已經無法為架空交流輸電線提供建設走廊。所以，我們要找到一種輸電方式解決上述困難，這種方式要具有經濟、靈活、高質量等特點。
輕型直流輸技術，以電壓源型換流器（VSC)為核心，硬體上採用IGBT等可關斷器件，控制上採用脈寬調製技術(PWM)以達到具有高可控性直流輸電的目的。HVDC Light 系統存在兩個基本元素：換流站和一對電纜。換流站是電壓源換流站，控制著IGBT的通斷。
輸電原理及特點
相控換流器（PCC）技術具備一定的特點，它主要套用於HVDC 輸電，其原理是：以交流母線線電壓過零點為基準，具有一定的延時，在達到一定時間內，會觸發導通相應閥，當同一半橋上的兩個閥同時導通， 它會和交流系統共同導致短暫的相間短路，當先流過導通閥的電流小於它的維持電流時，閥會斷開，而直流電流不受影響，通過新的導通閥繼續流通。利用具有一定順序觸發脈衝，通過一定順序控制閥的通和斷，進而促使交流電與直流電的相互轉換。
HVDC 輸電由於在引用PCC 技術的基礎上，採用晶閘管，這樣是它優於交流輸電，具體如下：
（1）在交流系統中，不受額定頻率影響，使它們非同步聯絡，有效提升系統之間的互備能力及緊急支援能力，對系統的穩定性、供電的經濟性有顯著提升。
（2）非常適用於高電壓、遠距離大容量輸電
由於HVDC 輸電不會影響功角關係， 所以輸送容量不會受靜態或暫態性能的影響。
（3）在電纜供電方面有更廣闊的套用空間
在電壓、型號相同的情況下，直流電纜的傳輸功率密度約交流電纜的1.5 倍。
（4）具有耗能效、對環境的影響小
在電壓、輸送功率等同的條件下，直流輸電線路具有有功損耗小，不存在無功耗能。直流輸電存在空間電荷效應，它使其輸電線路電暈造成的損耗、無線電導致的干擾均變小，達到了環保的目的。
（5）控制更迅速、精準
晶閘管功率器件具有靈活、精準等特點，將它套用於換流站，就可以快捷、靈活、準確的控制有功潮流大小以及雙向傳送，在功率、頻率及電壓等方面對交流系統提供幫助。
系統特性
與傳統的直流輸電技術相比較，HVDC Light系統具有以下優點
(3)潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，與傳統HVDC 恰好相反。這個特點有利於構成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的並聯多端直流系統，克服了傳統多端HVDC系統並聯連線時潮流控制不便、串聯連線時又影響可靠性的缺點。
(4)由於VSC交流側電流可以被控制，所以不會增加系統的短路功率。這意味著增加新的HVDC Light線路後，交流系統的保護整定基本不需改變。
(5)模組化設計使HVDC Light的設計、生產、安裝和調試周期大大縮短。同時，VSC採用PWM技術，開關頻率相對較高，經過高通濾波後就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，從而簡化了換流站的結構，並使所需濾波裝置的容量也大大減小。換流站的占地面積僅約同容量下傳統直流輸電的20%。採用新型(XLPE)直流電纜，可以直接安裝在現有交流電纜管內，可以使輸送容量提高約50%。
(6)換流站間的通訊不是必需的，每個站可以獨立控制，易於實現無人值守。而且HVDC Light在電網故障後快速恢復控制能力良好。
(7)HVDC Light在事故後可快速恢復供電和黑啟動，可以向無源電網供電，受端系統可以是無源網路，不需要濾波器開關。功率變化時，濾波器不需要提供無功功率。
關鍵技術
電壓源換流器(VSC)技術
在傳統電力工業中用於高壓直流輸電的基PCC技術，如今已幾乎全被VSC技術所取代。這2種技術的根本區別在於PCC技術不僅需要開通電流的電力電子元件，還需要關斷電流的組件。而VSC技術則不需要這么麻煩，它通過使用全控型功率元件IGBT，可方便地控制電流的開斷。由於VSC能切斷電流，就不需要從所聯結電網來獲取有源換相電壓，所以比在驅動裝置上控制電動機的速度容易得多。VSC 套用在HVDC Light上，使得HVDC Light可以連線“無源”網路。
脈寬調製技術(PWM)
VSC使用具有高頻開斷功能的器件IGBT，這使得PWM的套用成為可能。PWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈衝，用這些脈衝來代替正弦波或所要的波形。PWM通過在兩固定的直流電壓間快速切換來產生交流電壓，並通過交流低通濾波器從高頻脈衝調製電壓中得到期望的基波電壓。使用PWM技術，可瞬時地改變交流輸出電壓的相位與幅值，從而實現有功與無功的獨立調節。經PWM逆變的交流電壓可隨控制系統的變化而變化。這樣就可省略傳統HVDC中的換流變壓器，使電路結構簡化,縮小占地面積。
套用PWM技術，在一定限度內可以通過改變PWM型式獲得任意相角與幅值，這一過程幾乎是瞬間完成的。由於PWM允許單獨控制有功功率和無功功率，使得VSC非常接近於理想的輸電網中的一個分支。從系統的角度來看，它可以看作是一個沒有質量的馬達或發電機，幾乎能夠瞬時控制有功功率和無功功率。因為AC電流是可控制的，換流器不提供短路容量。
套用領域
HVDC Light作為一項新技術，工程套用實例還相當少見，共有以下一些HVDCLight工程投入實際運行。
項目名稱 | 國家 | 長度/km | 電壓/kv | 容量/MVA | 投運時間 | 主要目的 |
Hellsjon試驗工程 | 瑞典 | 10 | ±10 | 3 | 1997. 3 | 輕型高壓直流輸電試驗,使兩交流電網互聯 |
Gotland Light | 瑞典 | 70 | ±80 | 50 | 1999. 12 | 風力發電 |
Direct - Link | 澳大利亞 | 65 | ±80 | 180 | 2000. 6 | 交流電網非同步互聯及電力市場交易 |
Tjaereborg | 丹麥 | 4 | ±9 | 8 | 2000.9 | 小型風力發電 |
Eagle Pass | 美國 | 背靠背式 | ±15. 9 | 36 | 2000. 12 | 交流電網間非同步互聯 |
Murray Link | 澳大利亞 | 180 | ±150 | 200 | 2002. 10 | 南澳洲電網與維多利亞州電網互聯 |
Cross - Sound Cable | 美國 | 40 | ±150 | 330 | 2002. 7 | 通過海底電纜實現電網互聯 |
Troll A | 挪威 | 67 | ±60 | 82 | 2005 | 向海上天然氣鑽井平台上的用電設備供電 |
Estlink | 愛沙尼亞 | 105 | ±150 | 350 | 2006 | 電能交易並實現電網互聯 |
NORD E.ON 1 | 德國 | 203 | ±150 | 400 | 2009 | 海岸風力發電 |
Valhall海上油田（HVDCValhall） | 挪威、德國 | 292 | -150 | 78 | 2010 | 電機變頻驅動 |
TransBay | 美國 | 88 | ±200 | 400 | 2011 | 城市供電 |
Caprivi link | 納米比亞 | 950 | 350 | 300 | 2011 | 連線弱交流電網 |
BritainIreland | 英國、愛爾蘭 | 256 | ±200 | 500 | 2012 | 聯網 |
HVDC Light在電力市場的套用主要在以下幾個方面：
(1)清潔可再生能源接入電網。受環境條件限制，清潔能源發電一般裝機容量小、供電質量不高且遠離主網，如中小型水電廠、風電場、潮汐電站、太陽能電站等，由於其運營成本很高及交流線路輸送能力偏低等原因使採用交流互聯方案在經濟和技術上均難以滿足要求，利用HVDC Light與交流大電網實現互聯是充分利用可再生能源的最佳方式，有利於保護環境。
(2)非同步運行的獨立電網之間需要交換較小容量的有功時可採用HVDC Light進行聯網。地區電網之間的互聯是電網未來的發展方向，不僅可以增加系統運行的靈活性和可靠性，對電力市場的發展也有著重要的意義。
(3)向偏遠小負荷地區供電。對於一些偏遠的小城鎮、村莊或島嶼等用電地區，其負荷通常較小且波動較大，因此通過長距離的交流線路對這些地區供電既不經濟有時又受交流傳輸功率極限的限制，因而不是一個較好的選擇，而傳統HVDC又不能向無源網路供電。在輸電性能上，HVDC Light可以向無源純負荷供電，且不受輸電距離的限制，因此HVDC Light是向偏遠小負荷地區供電較理想的選擇。
(4)環境敏感區域(如城市中心)的套用。通過交流線路向城市中心增加新的輸送容量是昂貴的，並且在某些情況下，新的輸電走廊是難以獲得的。直流電纜比交流架空線所需的空間小，而輸送容量比交流電纜大。另外，HVDC Light 系統具有的有功和無功獨立調節能力，使系統在輸送有功的同時能夠保持兩側交流系統的電壓恆定，從而提高電能質量。因此如果城市中心需要更多的電力，很多時候直流電纜是唯一現實的解決方案。
