探索高壓輸電――第1部分：電網(wǎng)換相換流器

據美國能源信息管理局統計，2014年美國能源的平均零售價(jià)格為10.44美分/千瓦時(shí)，預計輸配電損耗為5%。這一損耗值似乎很低，但是這必須考慮到美國的總凈發(fā)電功率是4.1萬(wàn)億兆瓦時(shí)。在這種情況下，5%的損耗意味著(zhù)超過(guò)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。

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比常規交流輸電更高效呢?HVDC輸電線(xiàn)路的損耗比相同電壓的AC線(xiàn)路少30-50%。當電壓和電流變得異相時(shí)，HVDC可以提高功率因數。因為DC沒(méi)有與其相關(guān)的頻率，因此它不受集膚效應的影響，可以降低通過(guò)線(xiàn)路傳輸的總功率。當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，并且當其朝導體中心移動(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(lèi)型的HVDC站可以幫助穩定異步網(wǎng)絡(luò )。

那么這么大量的電力如何從全國范圍內傳輸到你家呢?電力首先從源開(kāi)始，被傳輸到換流站，在整流為DC電壓前，AC在這里被升級至所需電壓。然后，電力可以作為HVDC通過(guò)遠距離轉移到另一個(gè)換流站，在那里被重新轉換為AC，某些類(lèi)型的換流站具有控制有功和無(wú)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，以根據需要將電壓傳輸和配送到家庭和/或工廠(chǎng)。圖1展示了這一完整過(guò)程。

圖1：傳輸過(guò)程(輸電線(xiàn)路圖片由美國杜克公司提供)

最常見(jiàn)的換流站類(lèi)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

目前運行的大多數HVDC系統采用LCC拓撲。LCC的效率稍高于VSC，能夠傳輸更大數量的電力。其典型電壓電平為450kV或500kV;然而，中國有幾條800kV的線(xiàn)路。由于采用脈寬調制(PWM)技術(shù)，LCC不會(huì )像VSC那樣出現開(kāi)關(guān)損耗。LCC使用晶閘管作為開(kāi)關(guān)裝置。多個(gè)晶閘管串聯(lián)成三相整流器的單支線(xiàn)路，即構成了所謂的“閥”。

由于晶閘管只能接通，不能斷開(kāi)，因此交流電壓會(huì )使晶閘管發(fā)生反向偏置并停止傳導。因此，LCC中的晶閘管的偏置取決于電網(wǎng)AC側用于換流的功率。在晶閘管正向偏置后導通時(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)現了交流波的相位角控制。

LCC有兩種典型的架構：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(lái)傳導正負電壓波形。LCC的諧波響應能力非常差。為了彌補這一點(diǎn)，通過(guò)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(guò)分析信號，可以控制進(jìn)出換流器的波形。適當地分析信號能夠讓系統知道電壓和電流電平以及功率因數，并且有助于確定線(xiàn)路上是否存在任何故障。保護繼電器或智能電子設備(IED)分析信號。請參見(jiàn)圖3。

圖3：信號解釋

TI有幾個(gè)介紹信號分析方法的設計指南。使用Delta-Sigma芯片診斷來(lái)測量保護繼電器中AC電壓和電流的參考設計討論了如何通過(guò)使用電流互感器、分壓器或羅戈夫斯基線(xiàn)圈來(lái)采集輸出信號。然后，該信號由隔離和非隔離運算放大器進(jìn)行調節，以增加振幅，抑制任何共模電壓和噪聲。隨即由ADC分析經(jīng)調節的信號。從ADC獲得的數字化信息被傳遞到MCU進(jìn)行解釋。根據波形確定的信息反饋到換流器的控制裝置，從而將對不斷變化的相位和電壓電平進(jìn)行調整以保持穩定性。