（电力系统及其自动化专业论文）vschvdc控制策略研究.pdf

摘要 4 实际运行的v s c h v d c 系统中存在不确定性因素，如连接电抗器、直流电容器等 参数会偏离其设计值，交流系统的运行状态也会改变。这些不确定性会恶化控制系统性能， 有时甚至使系统失去稳定。为了降低不确定性对控制系统品质的影响，提出了一种基于定 量反馈理论( q f t ) 的v s c h v d c 换流器级鲁棒控制系统设计方法。q f t 是一种工程化的 鲁棒控制器设计方法，基于此设计方法设计了v s c h v d c 的内环电流控制器和外环功率 控制器。 5 为了减缓v s c h v d c 系统启动及重新启动时对自身和电网的冲击，针对目前应用 较广泛的两电平和二极管箝位型三电平换流器拓扑结构，提出了一种简单、适用于 v s c h v d c 系统的两段式自励启动方法。在启动的第一阶段，串接限流电阻器对直流侧 电路充电。若设定的时间内，电容器电压不能达到设定值，启动转入第二阶段，此时换流 站在直流电压控制器的作用下对电容器继续充电，直至达到预设值，从而为换流器从启动 控制模式切换到正常运行模式做好准备。文中提出的启动方式既能够把直流电压快速提升 到设定值，同时又能有效避免启动过程中可能出现的过电压和过电流。 通过数字仿真的方法来验证上述控制策略和算法的有效性。 关键词：v s c h v d c ；标幺值数学模型；主电路参数；不对称运行；广义直流电压控制器； 依赖于直流电压的电流限制单元；启动控制；定量反馈理论；不确定性 i i a b s t r a c t o nc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rv s c - h v d c a b s t r a c t v o l t a g e s o u r c ec o n v e r t e rb a s e dh v d c ( v s c h v d c ) i sar e l a t i v e l yi n n o v a t i v e t e c h n o l o g y a n dh a sm a n ya d v a n t a g e so v e rt h ec l a s s i ch v d ci nm a n ya s p e c t s w i t ht h e a d v a n c e si ns e m i c o n d u c t o r sa n dt h ec o s tr e d u c t i o nf o ri n s t a l l i n ga n do p e r a t i n g ，v s c - h v d ci s e x p e c t e dt o f i n di n c r e a s e du s eb o t ha t 仃a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nl e v e lf o ri t s h i g h c o n t r o l l a b i l i t y , e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n de a s ye x p a n d a b i l i t yi nn e a rf u t u r e i te n a b l e sf a s t c o n t r o lo fa c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ri n d e p e n d e n t l ya n dc a nd e l i v e r yp o w e rt ot h ew e a ko r p a s s i v en e t w o r ko nt h ei s l a n d sa n do i lp l a t f o r m s t h er a t i n ga n dv o l t a g el e v e lo fv s c h v d c a r ei n c r e a s i n gg r a d u a l l y t h ed e s i g na n di n s t a l l a t i o n so fv s c - h v d ca r ei nt h ea s c e n d a n t t h ed i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w s ( 1 ) ag e n e r a ld i s c u s s i o na b o u tt h eh i e r a r c h yo fv s c - h v d cc o n t r o ls y s t e m ，n a m e l yt h e s y s t e mc o n t r o l ，t h ec o n v e r t e rc o n t r o la n dt h ef i r ec o n t r o l ，i sp r e s e n t e d t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e s o nt h ec o n v e n e rc o n t r 0 1 b a s e do nt h ep r o p e r l ys e l e c t e db a s ev a l u e s ，ap e ru n i tm o d e li nt h ed q s y n c h r o n o u sr o t a t i n g f r a m e su n d e rb a l a n c e da n du n b a l a n c e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n sf o r v s c h v d ci sa d d r e s s e d ( 2 ) t h ed e s i g no fd ec a p a c i t o r sa n di n t e r f a c i n gr e a c t o r si sa ni m p o r t a n tp a r tf o rt h ed e s i g n o fav s c h v d c t h es i z i n go ft h ed cc a p a c i t o r sa n di n t e r f a c i n gr e a c t o r si s g e n e r a l l y i n v e s t i g a t e d ( 3 ) t oe n h a n c et h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ea b i l i t yt os u r v i v et h ef a u l t s ，t w or e f i n e d c o n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rv s c h v d ch a v eb e e ni n t r o d u c e da n di n v e s t i g a t e d ：( i ) an o v e l a c t i v ep o w e rc o n t r o l l e r ( a p c ) i sd e s i g n e da sag e n e r a l i z e dd cv o l t a g ec o n t r o l l e r ( g d c v c ) ， w h i c ht a k e so v e rt h ef u n c t i o no fd cv o l t a g ec o n t r o l l e r ( d c v c ) a u t o m a t i c a l l ya n ds m o o t h l y w h e nt h ed cl i n kv o l t a g ec a nn o tb em a i n t a i n e db yd c v cf o rs o m er e a s o n s ( i i ) ad cv o l t a g e d e p e n d e n tc u r r e n to r d e rl i m i t e r ( v d c o l ) i si n c l u d e db e t w e e nt h eo u t e ra c t i v ep o w e rc o n t r o l l o o pa n dt h ei n n e rc u r r e n tc o n t r o ll o o p v d c o lc h a n g e st h e i n n e ra c t i v ec u r r e n to r d e r s a c c o r d i n gt ot h ed cl i n kv o l t a g e w h e nt h ed cv o l t a g ei sa b n o r m a l ，v d c o lr a p i d l ym o d i f i e s t h ec u r r e n to r d e r s ，w h i c ha r ed e r i v e df r o mt h eo u t e rc o n t r o ll o o p s ，b e f o r eb e e ns e n dt ot h ei n n e r i i i a b s t r a c t c u r r e n tc o n t r o ll o o p sa c c o r d i n gt op r e s e tc h a r a c t e r i s t i c s w i t ht h et w op r o p o s e dc o n v e r t e r c o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ea c t i v ep o w e ru n b a l a n c eb e t w e e nt h ea ca n dd cs y s t e mc a nb eb o t hr e d u c e d d u r i n gt r a n s i e n t s t h e r e f o r et h ed cu n d e r v o i t a g ea n do v e r v o l t a g ec a nb ee f f e c t i v e l ys u p p r e s s e d a n dt h er i s ko f t r i p p i n gt h ew h o l es y s t e mi sr e d u c e d ( 4 ) t h e r ea r eu n c e r t a i n t i e si nt h ep r a c t i c a lv s c h v d cs y s t e m ，s u c ha st h ei n t e r f a c i n g r e a c t o r sa n dd cc a p a c i t o r sm a yd e v i a t ef r o mt h e i rr a t e dv a l u e sf o rm a n yr e a s o n s t h e s e u n c e r t a i n t i e sm a yd e t e r i o r a t et h ep e r f o r m a n c ew i t h o u td e d i c a t e d l yd e s i g n e dc o n t r o l l e r s t od e a l w i t ht h e s eu n c e r t a i n t i e sa n dm e e tt h ep e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n s ，ad e s i g nm e t h o d o l o g yf o r r o b u s tc o n t r o lo fv s c h v d cu s i n gq u a n t i t a t i v ef e e d b a c kt h e o r y ( q f di sp r o p o s e d i no r d e rt o o b t a i nah i g hp e r f o r m a n c e ，a ni n n e r - o u t e rc a s c a d e dc o n t r o ls c h e m eo fq u a n t i t a t i v ef e e d b a c k t h e o r yi su t i l i z e dt od e r i v et h ei n n e rc u r r e n tl o o pc o n t r o l l e r sa n do u t e rp o w e rl o o pc o n t r o l l e r s ( 5 ) i no r d e rt or e d u c et h eu n d e s i r e di m p a c t sa n dd a m a g e so nt h ev s c h v d cs y s t e ma n d t h ec o n n e c t e da cs y s t e md u r i n gt h es t a r t u pa n dr e - s t a r t u pp r o c e d u r e s ，at w o - s t a g es e l fs t a r t u p p r o c e d u r ei sp r o p o s e df o rt w o - l e v e la n dd i o d e - c l a m p e dt h r e e - l e v e lv s c - h v d cs y s t e m d u r i n g t h ef i r s ts t a g e ，t h er e s i s t o r sa r ei n s e r t e dt ol i m i tt h ei n r u s hc u r r e n td u r i n gt h ec h a r g i n g i ft h ed c v o l t a g ec a nn o tr e a c ht h ep r e s e tv a l u ea f t e rp r e d e t e r m i n e dt i m e ，t h es t a r t u pp r o c e d u r es w i t c h e s t ot h es e c o n ds t a g ea n dt h ec a p a c i t o r sw i l lb ef u r t h e rc h a r g e dw i t had cv o l t a g ec o n t r o l l e r t h e s t a r t u pp r o c e d u r ec o m p l e t e st i l l t h ed cl i n kv o l t a g er e a c h e st h ep r e s e tv a l u ea n dt h e nt h e c o n v e r t e r sa r er e a d yt oc h a n g ef r o mt h es t a r t u pm o d et ot h en o r m a lo p e r a t i n gm o d e d i g i m ls i m u l a t i o nh a sb e e nu s e dt od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m s k e yw o r d s ：v s c h v d c ，p e ru n i tm o d e l ，m a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s ，u n b a l a n c e dc o n d i t i o n s ， g e n e r a l i z e dd c v o l t a g ec o n t r o l l e r ( g d c v c ) ，d cv o l t a g ed e p e n d e n tc u r r e n to r d e rl i m i t e r ( v d c o l ) ，s t a r t - u pp r o c e d u r e s ，q u a n t i t a t i v ef e e d b a c kt h e o r y ( q f t ) ，u n c e r t a i n t y i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：二口p 弦莎月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名易卺 签字日期：加p 7 年石月厂日 导师签名：餮砭 签字日期：2 衫年月七日 致谢 本论文是在导师徐政教授的悉心指导下完成的。多年来，徐老师在学习、生活等诸多 方面都给予了我无微不至的关怀，使我在多方面都得到了锻炼和提高，值此论文完成之际， 谨向徐老师表示衷心的感谢和敬意。徐老师渊博的学识和严谨的治学态度，为学生树立了 典范。徐老师的言传身教使我终身受益。 浙江大学h v d c & f a c t sc e n t e r 是一个严谨求是、团结向上、富有活力和凝聚力的 大家庭，在这里我度过了非常充实和快乐的5 年，这段经历将是我人生中一笔宝贵的财富。 在此，特别感谢黄莹、贺辉、程改红、杨靖萍、高慧敏、陈海荣、王超、张帆、杨汾艳、 李晓坷、王洪梅、潘武略、林宇锋、张旭昶、刁瑞盛、凌玲、卢睿、朱金花、蔡亮，常勇、 武诚、郑翔、王峰、韩松、孙明洁、朱光友、游广增、乐叶青、任雷、郝全睿、段慧、徐 尉、李普明、吴海霞、吕洋、屠卿瑞、管敏渊、潘伟勇、裘鹏、徐琼璨、韩俊、张琪祁、 薛英林、翁华、黄弘扬、华文、徐韬等各位师兄弟姐妹们，谢谢你们给我的关怀和帮助。 谨以此文献给我深爱的家人，感谢你们一直以来的无私奉献和默默支持! 感谢所有关心、支持和帮助过我的人! 本文得到了国家电网公司科学技术项目柔性直流输电基础理论研究的支持，在此 一并表示感谢! 张静 2 0 0 9 年5 月1 8 日于求是园 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究目的和意义 电压源换流器型直流输电( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e rb a s e dh v d c ，v s c h v d c ) 是一 种以电压源换流器和脉宽调制等技术为基础的新一代直流输电技术。自19 9 7 年a b b 在瑞 典h e l l s j 6 n 建立的第一个工业试验工程开始，v s c h v d c 相关技术发展迅速，传输容量 和电压等级也逐步提升“羽。v s c h v d c 将高压直流输电的经济功率降到数十兆瓦，将 直流输电技术拓展到了配电领域，是一种非常具有应用前景的输电和配电解决方案，将对 未来的输、配电技术产生重要影响。大力研究发展v s c h v d c 技术，对建设我国新一代 更加灵活、经济、环保，高效的直流输电、配电系统，促进大规模风力发电等可再生能源 的并网，解决大城市市中心供电及海岛、海上钻井平台等孤远负荷供电问题，增强 v s c h v d c 领域的自主创新能力等都具有十分重要的意义。 在世界范围内，v s c h v d c 工程的建设方兴未艾。但到目前为止，v s c h v d c 工程 多为少数几个外国公司建造，其中的关键技术也多为商业秘密。为了推进新技术的研究和 应用，国家电网公司将v s c h v d c 技术研究列入国家电网公司“十一五”科技发展规 划中。进一步深化v s c h v d c 基础理论和工程应用等方面的研究，对满足持续快速增 长的能源需求和能源的清洁高效利用，具有明显的工程应用价值和现实意义。这也有利于 提高我国电网的整体科技含量，提升我国直流输电设计、制造产业的竞争力本文是在国 家电网公司科技计划项目“柔性直流输电基础理论研究”资助下取得的相关研究成果。 1 2v s c h v d c 应用现状 由于具备向无源系统或者弱交流系统供电、有功和无功功率快速独立控制、易于构成 多端网络和环境友好等优异性能，v s c h v d c 在输电领域和配电领域都有着广泛的应用 潜力，国内外多家公司和机构投入了大量精力进行相关的研究。利用电压源换流器进行直 流输电的研究可以追溯至1 9 8 4 年前苏联在吉尔吉斯斯坦( k y r g y z s t a n ) 建立的 t j u j a - a s h u s u d a m y r 实验性工程，此工程采用电触发晶闸管( e l e t r i c a lt r i g g e r e dt h y r i s t o r s ， e t t ) ，用于研究电压源换流器相关技术及其在向边远、恶劣环境下的负荷提供电力供应 浙江大学博士学位论文第一章绪论 中的应用， h e l l s j f i n 进 但遗憾的是这个工程在1 9 9 5 年退出运行。1 9 9 7 年3 月，a b b 在位于瑞典的 行了首次v s c h v d c 工业实验，此示范工程采用i g b t 半导体器件，电压等 为1 0k v 。该工程自建成以来获得了大量的技术数据，在稳态和暂态条件下都表现了良 的性能。此后，a b b 、s i e m e n s 等公司相继又有多个v s c h v d c 工程投入商业运行或 正在建设中，如表1 1 所示n 又4 1 。 表1 1 世界范围内已经投运和在建的主要v s c h v d c 工程 级 好 者 投运直流电线路长开关选择的主要原园设备商 工程名称功奉电平囊田塞 时闻压，k v度仇m嚣件 t j u j a - a s h u 3 5 1 9 8 432 m w1 42 矾t 苏联试验工程n ，a - s u s a m y r2 2 t o h l h e l t s j o n 1 9 9 73 m w 3 m v a tl o1 02l g b t瑞典实验工程a b b i n t e r c o n n e e t i o n5 3 m w 3 75 m w3 端 4 - 1 9 a g c 日立东 1 9 9 81 06g r o日本样机 i e l n f o r e e t t i g i l t3 7 5 m v a t背靠背2 1 e v e l芝，三菱 6 5 m v 5 0 m w 风力发电( 电压支撵) 、地 c o o t l a n d1 9 9 9士7 02l g b t瑞典bb ，士3 0 m v 缸下电缆 b m v m 2 m w 1 ：i m b 0 喀 2 0 94 32l g b t丹麦风力发电并网示范工程 b b - 3 4 m v a r 1 9 5 m 、v 1 m w澳大利电力交易，系统互连，地下 d i r e i n k 2 0 0 0 8 05 92k m tbb 士7 5 m v a t亚电缆 3 6 m 、，3 6 m w 美国一墨电力交易、系统互联电压 e a g l e p 舢1 59背靠背 3 i g l 盯bb 3 6 m v 打西哥控制 3 4 6 m w 3 3 0 m w电力交易、系统互联、海底 c m 站s o u n d2 2 1 5 0 4 03i g b t 美国a b b ，7 5 m v a t电维 2 0 0 m w 澳大利电力交易、系统互联、地下 m u r r 坷l i n k 2 0 0 2士1 5 0l s 031 0 b tbb + 1 4 0 1 15 0 i v i v i u 亚电缆 向钻井平台供电和电机驱 1 o 儿a2 52 x 4 1 m 冒6 06 72i g b t挪唬abb 动、海底电缆 芬兰爱地下电缆和海底电缆，异步 e 照l i n k2 0 0 63 5 0 m w1 5 01 0 52i g b ta b b 沙尼亚系统瓦联 提高海上油田的生产效率， v a l h a l i2 0 l o7 8 m w1 5 02 9 2n 从i g b t挪威abb 减少温室气体捧放 风电并网。长距离海底和陆 n o r d e o ni 2 0 0 9 4 0 0 m w1 5 02 0 3n ai g b t德国abb 上电缆 纳米比 c a l m v il m k 2 0 0 93 0 0 m w 3 5 09 7 0 ( 0 h )n ai g b t远距离弱交流系统bb 亚 t r a n s b 甜 提高电网整体的安全性和 2 0 i o4 0 0 m w 2 1 3 0 8 8 m m ci g b t美国s i e m e n s c a b l e 可靠性解决输电阻塞 珠o h = o v e rh e a d 2 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 在下列领域v s c h v d c 展现了广阔的应用前景。 ( 1 ) 交流电网的同步或者异步互联 随着技术的发展和成熟，v s c h v d c 换流站的容量和电压等级不断提升，造价和损 耗却逐步降低，这为v s c h v d c 在远距离、大容量输电场合中的应用提供了条件文献 【5 】宣称v s c h v d c 系统的直流电压已能达到3 0 0k v ，最大输送容量已能达到1 0 0 0 m w 。可以预见，v s c h v d c 系统的传输容量会进一步提升。与基于电网换相的传统直流 输电相比，v s c h v d c 具有更强的可控性和灵活性，v s c 换流器中电流能够自关断，不 会发生换相失败，在提高系统稳定性，增加传输容量等拍t7 方面将有更广泛的应用。正在 建设中的非洲纳米比亚( n a m i b i a ) c a p r i v il i n k 工程1 将首次在v s c h v d c 商业工程中采 用长距离架空线路，线路长度达到9 7 0 k m 。与电缆线路相比，在远距离输电应用中架空线 路仍然具有经济性方面的优势，特别是当把已有的三相交流线路转化为直流线路功用时能 显著降低整个系统的造价。c a p r i v il i n k 一期单极工程直流电压被提升到3 5 0 k v ，二期双 极工程直流电压将达到3 5 0 k v 。纳米比亚电网很弱，v s c 。h v d c 有助于提高系统的稳定 性。s i e m e n s 公司在建的t r a n sb a yc a b l e 工程博1 容量将达到4 0 0 m w 。作为电网冲击吸收器 ( g r i ds h o c ka b s o r b e r ) 一1 ，v s c h v d c 还将在未来大型电网的分区控制、隔离故障传播、提 高电网可靠性等应用中发挥重要作用。 ( 2 ) 风力发电等清洁能源并网 随着能源问题的日益突出，发展和利用风能等清洁可再生能源是国际的大趋势，风力 发电量在世界各国总发电量中所占比例不断增大。如未来3 0 年内，丹麦海上风电场预计 装机4 0 0 0 m w ，达到总用电量的4 0 5 0 。由于风力发电的特点，风电场特别是大型风电 场并网对电力系统的影响已经成了一个不可回避的问题。由于海上平均风速更大，能够提 供更多的电能，在海上建立风电场具有巨大的吸引力，已有很多国家把注意力投向建立海 上风电场。虽然通过三相交流系统把小型近海风电场接入电网是一种经济有效的联网方 式，但是v s c h v d c 能为远离海岸建立的大型海上风电场提供更有效的联网手段。 v s c h v d c 能够有效解决风电场功率波动引起的电压稳定和电能质量等问题。a b b 公司 于1 9 9 9 年在瑞典g o t l a n d 岛建立了世界上第一个商业化运行的v s c h v d c 工程，该工程 采用地下电缆输送电能，对环境的影响很小，能实现有功功率、无功功率、风电场电压支 撑和电能质量等方面的控制“们。a b b 公司于2 0 0 0 年在丹麦建立了t j a e r e b o r g 工程，它是 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 一个用来研究风电场采用v s c h v d c 技术并网发电的示范工程n u 。此工程的投运能有效 解决风力发电引起的无功功率和电压问题，为风电场并网积累了一定的经验。a b b 公司 正在建设的n o r d e o nl 工程1 也将采用v s c h v d c 系统与交流系统联网。n o r d e o nl 工程把位于北海( n o r t hs e a ) 的海上风电场接入德国电网，此风电场距离海岸线约1 3 0 k m ， 是当前世界上最大的海上风电场。此工程与g o t l a n d 工程、t j a e r e b o r g 工程相比在电压等 级和容量方面都有很大的提升，其直流电压等级为1 5 0 k v ，容量达到了4 0 0 m w 。目前， 我国也正在做上海南汇风电场通过v s c h v d c 接入交流电网的相关研究和示范工程建设 工作。可以预见，随着技术的成熟和成本的降低，v s c h v d c 在风电场并网等应用场合 将有更大的发展空间。 ( 3 ) 电力交易 v s c h v d c 没有最小功率和电流的限制，可以灵活地安排运行方式、制定传输的经 济功率，利用其可以快速、独立控制有功和无功功率等特性，人们可以方便地构建地区电 力供应商间电力市场交易的技术平台，增加系统运行的灵活性和可靠性。a b b 于2 0 0 0 年 在澳大利亚建设的d i r e c tl i n l ( 工程“2 1 ，通过3 个并列v s c h v d c 系统将n e ws o u t hw a l e s 电网和q u e e n s l a n d 电网异步互联，并根据两边电网电价的高低来控制功率的传输，从中获 取利润。a b b 于2 0 0 2 年在澳大利亚建设的m u r r a yl i n k 工程n 纠是到目前为止最长的陆上 电缆项目，它把s o u t ha u s t r i l i a 电网和v i c t o r i a 电网异步互联在一起，能根据市场电价的 不同方便地调整功率的流动方向。a b b 于2 0 0 2 年在美国建设的3 3 0 m wc r o s ss o u n dc a b l e 工程n 町将康涅狄格州( c o n n e c t i c u t ) 电网和长岛( l o n gi s l a n d ) 电网通过海底电缆连接在一 起，能够改善系统的供电可靠性，同时这个直流工程也被用来进行电力交易，促进当地电 力企业间的竞争。在2 0 0 3 年8 月1 4 日的北美大停电事故中，c r o s ss o u n dc a b l e 工程对长 岛电网的快速恢复发挥了重要作用，是v s c h v d c 优异性能的一个体现。 ( 4 ) 向弱交流系统或者无源系统供电 由于v s c 换流器可运行在无源逆变状态，没有换相失败问题，v s c v h d c 很适合于 向弱交流系统或者无源系统供电等场合。a b b 于2 0 0 5 年在挪威建设的t r o l la 工程n 5 1 通 过两个额定功率为4 0 m w 的v s c h v d c 系统向海上天然气钻井平台上的高压电动机提供 电能。之所以采用v s c h v d c 技术，除了考虑到长距离海底电缆输电和环境保护要求外， 还考虑到电动机变频( 0 6 3h z ) 、调压( 0 5 6 k v ) 等运行要求，受钻井平台的限制，换流器 的体积和重量都受到限制。为了降低成本、提高生产效率，减少温室气体的排放，正在挪 4 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 威北海建设的v a l l h a l l 工程1 也通过v s c h v d c 向海上钻井平台提供6 0 h z 的电源，其中 岸上交流电网的频率为5 0 h z 。 虽然到目前为止，v s c h v d c 在构成优质电力园区n 副，构建城市直流输、配电网络n 7 1 方面还没有实际的应用，但是有很大的应用潜力。城市，特别是大型城市由于环保和居民 反对等原因很难再获得新的空中输电走廊，而地下电缆走廊却相对容易获得为了满足增 容的要求，合理的方法是采用电缆输电，与交流电缆相比，直流电缆不仅能节省空间，还 有更大的传输容量。 1 3v s c h v d c 研究现状 由于其广阔的应用前景和巨大的潜在市场，世界范围内关于电压源换流器型直流输电 技术的研究十分活跃。c i g r e 的高压直流输电与电力电子技术委员会( s t u d yc o m m i t t e e b 4 ) ，成立了多个工作组来研究和推进v s c h v d c 技术。其中，b 4 3 7 工作组给出了 v s c h v d c 的术语定义，简要介绍了应用场合、拓扑结构、基本原理、控制和保护特性 等，目前已经完成了工作组研究报告u 1 。b 4 4 6 工作组主要研究在输电领域v s c h v d c 系统的经济性，以及与其他交流输电和直流输电技术的比较。b 4 4 8 工作组主要研究 v s c h v d c 系统的试验、测试技术；2 0 0 6 年5 月，国家电网公司科技部和中国电力科学 研究院组织专家在北京召开了“柔性( 轻型) 直流输电系统关键技术研究框架”研讨会，并 把基于v s c 的直流输电技术命名为柔性直流输电( h v d cf l e x i b l e ) 。 目前，国际上关于v s c h v d c 技术的研究在基础理论和工程化应用等方面都已经比 较深入，研究的热点主要集中在如何提高系统电压等级和输送容量，如何提高系统的稳态 和暂态性能，如何提高系统的可靠性，如何降低系统造价，如何降低损耗等方面。在国内， 虽然到目前为止尚未有实际的v s c h v d c 工程投入运行，但关于v s c h v c 技术的基础 理论和工程化应用研究已经引起了多家科研院所和两大电网公司的广泛关注，发展迅速。 1 3 1 换流器拓扑结构研究 v s c 换流器拓扑结构与系统容量、电压等级、可控性能、稳态和动态特性、损耗、实 现难易程度、运行经济性能等密切相关。图1 1 为典型两端v s c h v d c 系统单线图。根 据需要，每端换流器可以采用多种拓扑结构。自第一个v s c h v d c 系统投运以来，人们 提出了多种可能采用的换流器拓扑结构。 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 - | 恩 上 上 b i 王 j 晤 tt 图1 1 典型两端v s c h v d c 系统单线图 表1 2 给出了几个由a b b 设计、已经投运的典型v s c h v d c 工程所采用的换流器拓 扑结构及技术参数1 。 表1 2 典型v s c h v d c 工程中换流器技术参数 投运时换流器开关调制方开关频率电路复损制 工程名称可控性 间拓扑式 i h z 】 杂度耗造商 g o t l a n d1 9 9 9 t j a e r e b o r g 2 0 0 0两电平s i n u sp 、 ，】m1 9 5 0非常好低高a b b d i r e c t i l i n d2 0 0 0 h a g f o r s 1 9 9 9 三电平 s f o p w m1 2 6 0 一1 6 5 0 非常好 中 中 a b b c r o s ss o u n dc a b l e 3 p 、v m1 2 6 0中 m u r r a r y l i n k 2 0 0 2 三电平非常好 低a b b s i n u sp 、 m1 3 5 0中 e s t l i n k o p t i m u m 2 0 0 6两电平1 1 5 0很好低低a b b p w m 由表1 2 可知，目前由a b b 公司建造的v s c h v d c 工程，主要采用两电平和二极管 箝位型三电平换流器结构，它们的基本结构分别如图1 2 和图1 3 所示。实际工程中，为 了提高换流器电压等级和容量，换流器的桥臂通常由大量的半导体器件串并联而成。电力 电子器件在伏安特性、开通时间、恢复电荷等方面的分散性，影响它们串并联时的电压和 电流均衡，这需要精细、有效的控制，这也是高电压等级v s c h v d c 工程化应用中的一 个“拦路虎”。两电平换流器结构和开关调制算法都相对简单。在相同的直流电压下，三 电平换流器开关器件承受的电压只有两电平换流器的一半，但电路结构和开关调制算法的 复杂性略有增加。在给定的开关频率下，为了进一步降低输出谐波水平，二极管箝位型的 三电平换流器可以拓展为2 n + l ( n = l ，2 ，3 ，) 电平换流器。 图1 2 两电平换流器结构 6 浙江大学博士学位论文第一章绪论 j k e i k l _ _- r 2 l 芒 一- 一_ 2 _ h z j (，2o 2 i (zo2i ( h ali rc j l j e _ _ 一 j k 王2 l z芏2 孓 i 【 sz 王 _ 卜 =_ 舀 ii 0 ，换流站运行于整流状态；当p 出( p “) u ：, ( p u ) i e ( p u )( 3 4 2 )。 2 c 0 6 、 3 4 本章小结 本章从连接电抗器自身的m v a 容量、对v s c 换流器容量的影响、对系统短路电流和谐 波特性的影响多个角度简要分析了连接电抗器的初步选择方法。连接电抗器一般初步选择 在0 卜0 3 p u 比较合适。分析了直流电容器选择的限制因素，推导了稳态和故障过程中， 直流电压波动分量和直流电容器容量间的关系，为直流电容器的初步选择提供了依据 浙江大学博士学位论文第四章新型广义直流电压控制策略研究 第四章新型广义直流电压控制策略研究 为7 尽可能地翻两v s c - h v d c 的快速响应能力并在故障条件下对交流系统进行支持有 时要求交流系统敌漳等暂态过程中v s c - h v d c 仍然能够在线持续运行。通过改进的换流 器级控钢策略。可以抑铂系统故障时直流电歪的波动幅受。能够达飘保护设备安全运行 提高系统持续运行能力的琶标，为了实现此目标本章提出了一种新型广义直流电压控翩。 策略它把v s c - h v d c 控钢系统中的有功功率控翩器设计成一个广义直流电压控翩器， 本章首先分析了广义直流电压控铂器的基本踩理然瑶通过时域伤真验证了屹控钠策略的 有效性， 4 1 概述 与传统h v d c 系统相比，v s c h v d c 的一个技术优势是两端换流站控制系统的相对 独立性，换流站之间不需要通讯。但是这也给v s c h v d c 的控制和保护带来了新的问题。 为了维持两端或者多端v s c h v d c 系统有功功率的平衡，通常其中一端换流站必须采用 直流电压控制( d cv o l t a g ec o n t r o l ，d c v c ) 。有效的直流电压控制是v s c h v d c 系统正常、 安全运行的基础。当交流系统发生故障等暂态扰动，特别是当故障发生在采用d c v c 控 制的换流站侧时，由于两端换流站间没有通讯联系或者通信延迟，采用有功功率控制 ( a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，a p c ) 的换流站仍试图跟踪故障前有功功率指令，向直流系统注入 ( 或汲取) 有功功率。此时，由于功率的不平衡直流侧电容器快速充电( 或放电) ，从而使直 流电压在很大范围内波动。当d c v c 换流站失去对直流电压的控制时，过电压( 或欠电压) 现象随之出现，危及设备的安全运行，严重时整个直流输电系统都会被迫退出运行。d c v c 控制器故障时，也会发生类似的现象。 当一端换流器的d c v c 控制器不能有效控制直流电压时，维持和限制直流电压的功 能如果能由另外一端换流器的控制系统自动、平滑地接替，将对提高v s c h v d c 承受扰 动、增强持续运行能力大有裨益。由于v s c h v d c 实际工程中，有功功率控制是一种常 见的控制模式，基于上述设想，本章提出了一种新型有功功率控制器结构。系统正常运行 时，这种有功功率控制器跟踪系统级控制系统传递过来的有功功率指令；当d c v c 换流 站失去对直流电压的控制时，有功功率控制器在继续传输一定有功功率的同时能承担起直 流电压控制的任务。 4 9 浙江大学博士学位论文 第四章新型广义直流电压控制策略研究 4 2 换流器级控制系统设计 v s c 换流站控制策