柔性直流输电.docx
《柔性直流输电.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柔性直流输电.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
柔性直流输电
精心整理
柔性直流输电
一、概括
（一）柔性直流输电的定义
高压直流（HVDC）输电技术始于1920年月，到当前为止，经历了3次技术上的改革，其主要推进力是构成换流器的基本元件发生了革命性的重要打破。
第一代直流输电技术采纳的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年月是1970年月从前。
图1.1：
汞弧阀图1.2：
6脉动Graetz桥
第二代直流输电技术采纳的换流元件是晶闸管，所用的换流器拓扑仍
然是6脉动Graetz桥，因此其换流理论与第一代直流输电技术相同，其
应用年月是1970年月初直到此后一段时间。
精心整理
图1.3：
电触发晶闸管图1.4：
光触发晶闸管
往常我们将鉴于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术，其运转原理是电网换相换流理论。
所以我们也将
传统直流输电所采纳的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“LineCommutatedConverter”，缩写是“LCC”。
这里一定明确一个观点，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混杂起来，这是不对的。
LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，鉴于IGBT构成的CSC当前也是业界研究的一个热门。
1990年，鉴于电压源换流器的直流输电观点第一由加拿大
McGill大
学的Boon-TeckOoi
等提出。
在此基础上，ABB企业于1997
年3月在瑞
典中部的Hellsjon
和Grangesberg
之间进行了初次工业性试验（
3MW，
±10kV），标记着第三代直流输电技术的出生。
这类以可关断器件和脉冲
宽度调制（PWM）技术为基础的第三代直流输电技术，国际威望学术组
织国际大电网会议（
CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（
IEEE），
将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电
”。
2006
年5月，由中国电力科学研究院组织国内威望专家在北京召开
“轻型直流
输电系统重点技术研究框架商讨会
”，会上，与会专家一致建议国内将基
于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）一致命名为
“柔
性直流输电”。
精心整理
（二）柔性直流与传统直流的优弊端对照
不论是两电平、三电平或MMC换流器，因为都属于电压源换流器，
其基波频次下的外特征是完整一致的。
图1.5：
柔性直流系统外特征图
柔性直流系统外特征公式以下
VSC
与
LCC
对比，拥有的根天性优势是多了一个控制自由度。
LCC
因为所用的器件是晶闸管，晶闸管只好控制导通而不可以控制关断，所以
LCC
的控制自由度只有
1个，就是触发角α，这样
LCC
实质上只好控制直
流电压的大小。
而VSC因为所用的器件是双向可控的，既能够控制导通，
也能够控制关断，因此VSC有2个控制自由度，反应在输出电压的基波
相量Uvsc上，就表现为Uvsc的幅值和相位都是可控的。
所以从沟通系
统的角度看，VSC能够等效成一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可
以刹时地在PQ平面的4个象限内实现有功功率和无功功率的独立控制，这就是电压源换流器的基本特征。
而柔性直流输电系统的优秀性能在很大程度上就依靠于电压源换流器的基本特征。
1、能够概括出柔性直流输电有关于传统直流输电的技术优势以下：
（1）没有无功赔偿问题：
传统直流输电因为存在换流器的触发延时
角α（一般为10-15度）和关断角γ（一般为15度或更大）以及波形的非正弦，需要汲取大批的无功功率，其数值约为换流站所经过的直流功率的
精心整理
40%-60%
。
因此需要大批的无功功率赔偿及滤波设施，
并且在甩负荷时会
出现无功功率剩余，简单致使过电压。
而柔性直流输电的VSC不单不需
要沟通侧供给无功功率，并且自己能够起到静止同步赔偿器的作用，能够
动向赔偿沟通系统无功功率，稳固沟通母线电压。
这意味着沟通系统故障时，假如VSC容量同意，那么柔性直流输电系统既可向沟通系统供给有功功率的紧迫增援，还可向沟通系统供给无功功率的紧迫增援，进而既能提升所连结系统的功角稳固性，还可以提升所连结的电压稳固性。
（2）没有换相失败问题：
传统直流输电受端换流器（逆变器）在受端沟通系统发生故障时，很简单发生换相失败，致使输送功率中止。
往常
只需逆变站沟通母线电压因沟通系统故障致使瞬时跌落10%以上幅度，就
会惹起逆变器换相失败，而在换相失败恢复前，传统直流系统没法输送功
率。
而柔性直流输电的VSC采纳的是可关断器件，不存在换相失败问题，即便受端沟通系统发生严重故障，只需换流站沟通母线仍旧有电压，就能输送必定的功率，其大小取决于VSC的电流容量。
（3）能够为无源系统供电：
传统直流输电需要沟通电网供给换相电流，这个电流其实是相间短路电流，所以要保证换相的靠谱性，受端交
流系统一定拥有足够的容量，即一定有足够的短路比（SCR），当受端沟通电网比较弱时便简单发生换相失败。
而柔性直流输电的VSC能够自换
相，能够工作在无源逆变方式，不需要外加的换相电压，受端系统能够是无源网络，战胜了传统直流输电受端一定是有源网络的根本缺点，使利用直流输电为孤立负荷送电成为可能。
（4）可同时独立调理有功和无功功率：
传统直流输电的换流器只有1个控制自由度，不可以同时独立调理有功功率和无功功率。
而柔性直流输电的VSC拥有2个控制自由度，能够同时独立调理有功功率和无功功率。
精心整理
（5）谐波水平低：
传统直流输电的换流器会产生特点谐波和非特点谐波，一定配置相当容量的沟通侧滤波器和直流侧滤波器才能知足将谐波
限制在换流站内的要求。
柔性直流输电的两电平或三电平VSC，采纳PWM
技术，开关频次相对较高，谐波落在较高的频段，能够采纳较小容量的滤
波器解决谐波问题；关于采纳MMC的柔性直流输电系统，往常电平数较
高，不需要采纳滤波器已能知足谐波要求。
（6）合适构成多端直流系统：
传统直流输电电流只好单向流动，潮流反转时，电压极性反转而电流方向不动；所以在构成并联型多端直流系
统时，单端潮流难以反转，控制很不灵巧。
而柔性直流输电的VSC电流
能够双向流动，直流电压极性不可以改变；所以构成并联型多端直流系统时，在保持多端直流系统电压恒定的前提下，经过改变单端电流的方向，单端潮流能够在正、反两个方向上浮理，更能表现出多端直流系统的优势。
（7）占地面积小：
柔性直流输电换流站没有大批的无功赔偿和滤波装置，沟通场设施极少，所以比传统直流输电占地面积少得多。
2、自然，柔性直流输电有关于传统直流输电也存在不足，主要表现
在以下几个方面：
（1）消耗较大：
传统直流输电的单站消耗已低于0.8%，两电平易三
电平VSC的单站消耗在2%左右，MMC的单站消耗能够低于1.5%。
柔
性直流输电消耗降落的远景包含两个方面：
①现有技术的进一步提升；②
采纳新的可关断器件。
柔性直流输电单站消耗降低到1%以下是能够预期
的。
（2）设施成本较高：
就当前的技术水平，柔性直流输电单位容量的设施投资成本高于传统直流输电。
相同，柔性直流输电的设施投资成本降
精心整理
低到与传统直流输电相当也是能够预期的。
（3）容量相对较小：
因为当前可关断器件的电压、电流额定值都比
晶闸管低，如不采纳多个可关断器件并联，VSC的电流额定值就比LCC
的低，所以VSC基本单元（单个两电平或三电平换流器或单个MMC）的
容量比LLC基本单元（单个6脉动换流器）的容量低。
。
当前已投运或正
在建设的柔性直流输电工程的最大容量在1000MW左右，与传统直流输
电的6000MW以上还存在必定的距离。
可是，假如采纳VSC基本单元的
串、并联组合技术，柔性直流输电达到传统直流输电的容量水平是没有问题的，技术上其实不存在根天性的困难。
能够预示，在不远的未来，柔性直流输电也会采纳特高压电压等级，其输送容量会与传统特高压直流输电相当。
（4）不太合适长距离架空线路输电：
当前柔性直流输电采纳的两电
平易三电平VSC或多电平MMC，在直流侧发生短路时，即便IGBT所有关断，换流站经过与IGBT反并联的二极管，仍旧会向故障点馈入电流，
进而没法像传统直流输电那样经过换流器自己的控制来消除直流侧的故障。
所以，当前的柔性直流输电技术在直流侧发生故障时，消除故障的手段是跳换流站沟通侧开关。
这样，故障消除和直流系统再恢复的时间就比较长。
当直流线路采纳电缆时，因为电缆故障率低，且假如发生故障，往常是永远性故障，原来就应当停电，所以跳沟通侧开关其实不影响整个系统的可用率。
针对此缺点，当前柔性直流输电技术的一个重要研究方向就是
开发拥有直流侧故障自消除能力的VSC。
（三）柔性直流输电应用领域及当前工程列表
1、应用领域
精心整理
柔性直流输电当前主要的应用领域有异步电网互联、小型发电厂/新能
源/散布式能源并网、偏僻山区/海上供输电、城市输配电、电能质量改良等方面
2、柔直工程列表
序号
工程名称
直流电压
容量
换流
输电线路
投运
备注
器
时间
1
He?
llsj?
n
±10?
kV
3MW
2电平
架空线10km
1997
试验性工
程
2
Gotland
±80kV
50MW
2电平
电缆70km
1999
风电并网
3
Tjaereborg
±9kV
7.2MW
2电平
电缆4.4km
2000
风电并网
示范
4
Directlink
±80kV
3*60MW
2电平
电缆6×65km
2000
电网互联
5
EaglePassB2B
±15.9kV
36MW
3电平
背靠背
2000
背靠背联
网
6
MurrayLink
±150kV
220MW
3电平
电缆180km
2002
电网互联,
电力交易
7
CrossSoundCabl
±150kV
330MW
3电平
电缆40km
2002
电网互联,
e
电力交易
8
TrollA
±60kV
2*41MW
2电平
电缆67km
2005
海上平台
供电
9
Estlink
±150kV
350MW
2电平
电缆105km
2007
非同步联
网
10
NordE.ON1
±150kV
400MW
2电平
电缆406km
2009
风电并网
11
CapriviLink
350kV
300MW
2电平
架空线970km
2009
弱电网互
联
12
Valhall
±150kV
78MW
2电平
电缆292km
2010
钻井平台
供电
精心整理
13
EastWest
±200kV
500MW
2电平
海缆186km
2013
东西互联
陆缆70km
工程
14
TransBayCable
±200kV
400MW
MMC
电缆88km
2010
电网互联,
城市供电
15
上海南汇工程
±30kV
18MW
MMC
电缆小于
2011
风电并网
14km
16
南澳三端
±160kV
200/150
MMC
电缆
2013
风电并网
/50MW
17
DolWin1
±320kV
海缆75km、陆缆
2014
风电并网
800MWCTL（MMC）
90km
18
INELFE
±320kV
2×1000MWMMC
陆缆65km
2014
法西联网
19
BorWin2
±300kV
800MW
海缆125km、陆
2014
风电并网
CTL（MMC）
缆75km
20
HelWin1
±259kV
576MW
MMC
海底电缆85km
2014
风电并网
21
HelWin2
±320kV
690MW
MMC
电缆131km
2014
风电并网
22
Skagerrak4
500kV
700MW
MMC
海缆140km、陆
2014
跨海联网
缆104km
23
SylWin1
±320kV
864MW
MMC
海缆160km、陆
2014
风电并网
缆45km
24
DolWin2
±320kV
900MW
CTL（MMC）海缆135km
2015
风电并网
25
TrollA二期
±60kV
100MW
CTL（MMC）海缆4x70km
2015
海上平台供电
26
NordBalt
±300kV
700MW
MMC
海缆400km、陆
2015
北波互联工程
缆50km
27
北海德国联网工程
320kV
900MW
MMC
电缆135km
2015
风电并网
28
SuperStation
±345kV
750MW
MMC
背靠背
2015
电网互联
29
South-West?
link
300kV
700MW
MMC
陆缆200km
2016
地下输电
400/300/1
30
舟山多端
±200kV
00/100/10
MMC
电缆134km
2014
海岛联网
0MW
31
厦门供电
±320kV
1000MW
MMC
电缆15km
2015
城市供电
32
云南鲁西背靠背工
±350kV
1000MW
MMC
背靠背
2016
电网互联
程
二、柔性直流输电的分类与构造构成
（一）柔性直流输电的分类及优弊端对照
精心整理
已有柔性直流输电工程采纳的VSC主要有三种，即两电平换流器、
二极管箝位型三电平换流器和模块化多电平换流器（MMC），模块化多电平换流器在各样特征上都比较优胜，所以模块化多电平为此刻广泛应用的
技术。
两电平换流器的拓扑构造最简单，如图2.1所示。
他有六个桥臂，每
个桥臂由绝缘栅双极晶体管（IGBT）和与之反并联的二极管构成。
在高压
大功率的状况下，为提升换流器容量和系统的电压等级，每个桥臂由多个IGBT及其相并联的二极管互相串连来获取，其串连的个数由换流器的额定功率、电压等级和电力电子开关器件的通流能力与耐压强度决定。
有关于接地址，两电平换流器每相可输出两个电平，明显两电平换流器需经过PWM迫近正弦波。
图2.1：
两电平拓扑构造和单个桥臂构造
图2.2：
两电平换流器的单相输出波形
精心整理
二极管箝位性三电平换流器如图2.3所示。
三相换流器往常公用直流
电容器。
三电平换流器每相能够输出三个电平，也是经过PWM迫近正弦
波的。
图2.3二极管箝位型三电平换流器的基本构造
图2.4三电平换流器的单相输出波形
模块化多电平换流器（MMC）的桥臂不是由多个开关器件直接串连构
成的，而是采纳了子模块（Sub-Module，SM）级联的方式。
图2.5模块化多电平换流器（MMC）的基本构造
精心整理
2.6：
MMC单个子模块（SM）的构造
MMC
的每个桥臂由
N个子模块和一个串连电抗器
Lo
构成，同相的
上下两个桥臂构成一个相单元，如图
2.5所示。
MMC
的子模块一般采纳
半个H桥构造，如图2.6所示。
此中，uc为子模块电容电压，usm和ism分别为单个子模块的输出电压和电流。
MMC的单相输出电压波形如图2.7所示。
可见，MMC的工作原理与两电平易三电平换流器不一样，它不是采
用PWM来迫近正弦波，而是采纳阶梯波的方式来迫近正弦波。
图2.7MMC的单相输出电压波形
1、有关于两电平易三电平换流器拓扑构造，MMC拓扑构造拥有以下
几个明显优势：
（1）制造难度降落：
不需要采纳鉴于IGBT直接串连而构成的阀，这
种阀在制造上有相当的难度，只有失散性特别小的IGBT才能知足静态和动向均压的要求，一般市售的IGBT是难以知足要求的。
因此MMC拓扑构造大大降低了制造商进入柔性直流输电领域的技术门槛。
精心整理
（2）消耗成倍降落：
MMC拓扑构造大大降低了IGBT的开关频次，
进而使换流器的消耗成倍降落。
因为MMC拓扑构造采纳阶梯波迫近正弦
波的调制方式，理想状况下，一个工频周期内开关器件只需开关2次，考
虑了电容电压均衡控制和其余控制要素后，开关器件的开关频次往常不超
过150Hz，这与两电平易三电平换流器拓扑构造开关器件的开关频次在
1kHz以上形成了鲜亮的对照。
（3）阶跃电压降低：
因为MMC所产生的电压阶梯波的每个阶梯都不大，MMC桥臂上的阶跃电压和阶跃电流都比较小，进而使得开关器件蒙受的应力大为降低，同时也使产生的高频辐射大为降低，简单知足电磁
兼容指标的要求。
（4）波形质量高：
因为MMC往常电平数好多，所输出的电压阶梯波已特别靠近于正弦波，波形质量高，各次谐波含有率和总谐波畸变率已能知足有关标准的要求，不需要安装沟通滤波器。
（5）故障办理能力强：
因为MMC的子模块冗余特征，使得故障的子模块可由冗余的子模块替代，并且替代过程不需要停电，提升了换流器
的靠谱性；此外，MMC的直流侧没有高压电容器组，并且桥臂上的Lo与
散布式的储能电容器相串连，进而能够直接限制内部故障或外面故障下的故障电流上涨率，使故障的消除更为简单。
2、自然，MMC拓扑构造与两电平或三电平换流器拓扑构造对比，也
有不足的地方：
（1）所有器件数目多：
关于相同的直流电压，MMC采纳的开关器件
数目较大，约为两电平换流器拓扑构造的2倍。
（2）MMC固然防止了两电平易三电平换流器拓扑构造一定采纳
精心整理
IGBT直接串连阀的困难，但却将技术难度转移到了控制方面，主要包含
子模块电容电压的均衡控制以及各桥臂之间的环流控制。
（二）MMC的工作原理
MMC子模块拥有以下三种工作模式
表中关于表2.1进行剖析可得表2.2，表中关于T1、T2、D1和D2，
开关状态1对应导通，0对应关断。
从表2.2能够看出，对应每一个模式，
T1、T2、D1和D2中有且仅有1个管子处于导通状态。
所以能够认为，
SM进入稳态模式后，有且仅有1个管子处于导通状态，其余3个管子都
处于关断状态。
另一方面，若将T1与D1、T2与D2分别集中起来作为开
关S1和S2对待，那么对应投入状态，S1是导通的，电流能够双向流动，而S2是断开的；对应切除状态，S2是导通的，电流能够双向流动，而
S1是断开的；而对应闭锁状态，S1和S2中哪个导通、哪个断开是不确
定的。
表2.1子模块的三种工作状态
依据上述剖析能够得出结论，只需对每个SM上下两个IGBT的开关
状态进行控制，就能够实现投入或许切除该SM。
精心整理
表2.2SM的3个工作状态和6个工作模式
（三）柔性直流换流器系统的构成
1、柔性直流系统构造
柔性直流依据接线方式可分为真双极系统和伪双极系统。
舟山五端柔直工程采纳伪双极主接线构造，该主接线构造包含换流器
区和极区，无双极区。
图2.8舟山伪双极柔直系统图
厦门柔直工程为世界上第一个真双极MMC柔性直流工程，直流主接
线构造包含换流器区、极区和双极区。
图2.9厦门真双极柔直系统图
图2.10户内式换流站设施部署
精心整理
图2.11敞开式换流站设施部署
图2.12敞开式换流站设施部署（阀厅透视版）
图2.13柔性直流系统表示图
2、柔性直流系统主要设施
图2.13柔性直流系统主要设施表示图
如图2.13，能够看到柔性直流系统主要设施有换流阀、阀电抗器、联
接变压器、启动电阻、沟通接地装置、直流电缆、避雷器、控制保护系统、
协助系统（水冷、空调）等
精心整理
（1）联络变压器：
在沟通系统和电压源换流站间供给换流电抗的作用；
进行沟通电压变换，使电压源换流站获取理想的工作电压范围；
阻挡零序电流在沟通系统和换流站间流动；
（2）启动电阻
系统启动从前，MMC各功率模块电压为零，换流阀中电子元器件处于关断状态。
限制功率模块电容的充电电流，减少柔性直流系统上电时对沟通系统
造成的扰动和防备换流器
升级会员 