（电力系统及其自动化专业论文）新型直流输电系统损耗特性及降损措施研究.pdf

验证。仿真表明，所提出的混合调制方式具有良好的控制性能和稳态损耗特性。 ( 4 ) 研究了利用混合直流输电降损的可行性。理论分析了基于l c c 和v s c 型混合直流输电的局限性，并提出一种新型电流源型混合直流输电拓扑。该新型 混合直流输电的逆变侧采用基于可关断器件的c s c 换流器，整流侧采用传统 l c c 换流器。本文建立了该型混合直流输电的数学模型、触发方法、控制策略， 并仿真了其在各种常见故障下的响应特性。仿真结果表明：当直流线路发生接地 故障时，直流系统能够通过换流器控制来清除故障，并可以快速重启动；在整流 侧或逆变侧交流系统发生严重交流短路故障而导致交流电压跌至3 0 时，该混 合直流输电系统均可持续运行，并保持一定的直流功率，有利于逆变侧交流系统 的稳定；当故障被清除后，该型直流系统能够快速恢复至故障前的稳定状态。所 以，该混合直流输电系统具有工程实用性，是新型直流输电在远距离、大功率应 用领域的一种可行的改进方案。 关键词：直流输电，电压源换流器，电流源换流器，电网换相换流器，损耗分析， 降损措施，多脉动换流器，混合调制，混合直流输电。 i i l o s se v a l u a t i o na n dr e d u c t i o na p p r o a c h e sf o r v s c - h v dcs y s t e m s a bs t r a c t t h er e l a t i v eh i g h e rc o n v e r t e rl o s si so n eo ft h em a i nb a r r i e r s f o rt h ea p p l i c a t i o no f v s c - h v d ci nb u l l cp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h u st or e s e a r c ht h el o s se v a l u a t i o na n d r e d u c t i o na p p r o a c h e si so fe v i d e n ta p p l i c a t i o nv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t h el o s se v a l u a t i o na n dr e d u c t i o na p p r o a c h e so fv s c h v d ca r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so f t h e o r i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nv a l i d a t i n s t h em a i nc o n t e n t sa n dr e l a t e dc o n c l u s i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h el o s se v a l u a t i o no fv s c - h v d ci si n v e s t i g a t e da n da l li n n o v a t i v eg e n e r a l i z e dl o s s c a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec u r v ef i t t i n gt h e o r yi sp r o p o s e d b ya n a l y z i n gt h es w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c so fi g b ta n dt h ea n t i - p a r a l l e ld i o d e ，t h ef u n c t i o n so fi g b tl o s s e sw i t hv o l t a g e ， c u r r e n t ，j u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e a dt i m ea r ed e r i v e d t h ep a r a m e t e r si nt h ef u n c t i o n sc a nb e o b t a i n e df r o mt h ed a t a s h e e ts u p p l i e db yt h em a n u f a c t u r e r s c o m p a r e dw i t ht h ep h y s i c a lm o d e l a n df u n c t i o n a lm o d e l ，t h i sp r o p o s e dm e t h o di sm o r es u i t a b l ef o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n g au n i v e r s a l v s c h v d cl o s sc a l c u l a t i o nm o d u l ei se s t a b l i s h e di np s c a d e m t d ca n di tp r o v i d e sap o w e r f u l t o o lf o rv s c h v d cl o s sr e d u c t i o n ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h em u l t i - l e v e lc o n v e r t e ri s i n v e s t i g a t e da n d a l li n n o v a t i v e m u l t i - p u l s ev o l t a g es o u r c ec o n v e r t e rw i t hl o wl o s sr a t i oi sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dc o n v e r t e ri s c o m p o s e do fa12 - p u l sc o n v e r t e ra n da l la u x i l i a r yc i r c u i t t h ea u x i l i a r yc i r c u i ti n j e c t sd cv o l t a g e v i at h em i dp o i n to ft h e12 - p u l sc o n v e r t e r p r o p e ri n j e c t i o nr a t i oa n df r e q u e n c yp a r a m e t e r sa r e s e l e c t e dt oc o n v e r tt h es t a n d a r d1 2 - p u l s ei n t o6 0 - p u l s ec o n f i g u r a t i o nw i t h o u tu s i n gp w mo r i n c r e a s i n gt h en u m b e ro fb r i d g e s ，t h u st h ev o l t a g ea n dc u r r e n tc a nf u l f i l lt h et h dl i m i tw i t h o u t c o n v e n t i o n a lf i l t e r a st h em a i nb r i d g e so p e r a t eu n d e ra tf u n d a m e n t a lf r e q u e n c y , t h es w i t c h i n g l o s ei sr e l a t i v e l yl o w t h i sc o n v e r t e rm a yb ew i d e l yu s e di nt h eh v d ca n df a c t ss y s t e m t h e p r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ep r o p o s e dc o n v e n e ra r ed e s c r i b e d i t so p e r a t i o n a lf e a s i b i l i t yi s a l s ov e r i f i e db yd i g i t a ls i m u l a t i o nu s i n gt h ep s c a d e m t d cp a c k a g e ( 3 ) t h el o s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h ec o m m o nm o d u l a t i o nm e t h o d si s a n a l y z e da n da ni n n o v a t i v eh y b r i dm o d u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hc a nr e d u c et h ev s c h v d cl o s s a n dm e e ti t ss t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ，i sp r o p o s e d t h en e wh y b r i d m o d u l a t i o nm e t h o di se q u i p p e dw i t ht w od i f f e r e n tp w mm e t h o d s ，i e ，s p w ma n dm i n i m u m s w i t c h i n gl o s s e sp w m w h e nt h ev s c - h v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi s u n d e rd i s t u r b a n c eo r t r a n s i e n ts t a t e s ，t h es p w mm e t h o d ，w h i c hh a sf a s t e rr e s p o n s e ，w i l lb eu s e d ；o t h e r w i s e ，i ns t a t i c s t a t e ，t h em i n i m u ms w i t c h i n gl o s s e sp w mm e t h o dw i l lb eu s e d t h es y s t e ms t a t e sc a nb e o b t a i n e db yt h e “d i s t u r b a n c ed e t e c t o r ，t h e nt h es y s t e ms t a t e si su s e dt os e l e c tt h ep r o p e r m o d u l a t i o nm e t h o dd y n a m i c a l l y t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h eh y b r i dm o d u l a t i o nm e t h o di s d e m o n s t r a t e di nt h i sp a p e ra n di t so p e r a t i o n a lf e a s i b i l i t yi sa l s ov e r i f i e db yd i g i t a ls i m u l a t i o nu s i n g t h ep s c a d 厄m t d cp a c k a g e t h er e s u l bs h o wt h a tt h i sh y b r i dm o d u l a t i o nm e t h o dc a nf u l f i l lt h e s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc a nb eu s e di nt h ec o n t r o lo fv s c h v d c ( 4 ) t h ef e a s i b i l i t yo fl o s sr e d u c t i o nu s i n gh y b r i dh v d ci si n v e s t i g a t e d t h el i m i t a t i o n so f t h eh ：y b r i dh v d cb a s e do nl c ca n dv s ci sa n a l y z e da n da ni n n o v a t i v eh y b r i dh v d ct o p o l o g y i sp r o p o s e d i nt h i sn e wh y b r i dh v d c t h et r a d i t i o n a ll c ci su s e da tr e c t i f i e rs i d ea n dt h ec s ci s u s e da ti n v e r t e rs i d e t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，f i r i n gs c h e m ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h i sh y b r i d h v d ci ss e tu pa n dc a r e f u l l yd e s i g n e d t h es y s t e mr e s p o n s e sf o l l o w i n gt h ec o m m o nf a u l t sa r e a n a l y z e db ys i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h i sh y b r i dh v d cc a nc l e a rd c l i n ef a u l t si t sc o n v e r t e rc o n t r o l l e r sa n dc a nr e s t a r tq u i c k l ya f t e rf a u l tc l e a r n e s s ；( 2 ) w h e nt h ea c v o l t a g ed r o p st o0 3p ub e c a u s eo f s e v e r ef a u l t sb o t ha tr e c t i f i e ra n di n v e r t e rs i d ea cs y s t e m s ，t h e h y b r i dh v d cc a ns t i l lt r a n s m i tc e r t a i na m o u n tp o w e rt oi n v e r t e rs i d ea cs y s t e ma n di sh e l p f u lf o r t h es t a b i l i t yo ft h ei n v e r t e rs i d es y s t e m w h e nt h ea cf a u l th a sb e e nc l e a r e d , t h eh y b r i dh v d c c a nr e c o v e rq u i c k l yt oi t ss t e a d ys t a t e sb e f o r ef a u l t t h e r e f o r e ，t h i sh y b r i dh v d cs y s t e mh a sa p r o m i s i n gp o t e n t i a lf o rt h eb u l kp o w e r t r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：h v d c ，v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r , c u r r e n ts o u r c ec o n v e r t e r , l i n ec o m m u t a t e d c o n v e r t e r , l o s se v a l u a t i o n ，l o s sr e d u c t i o na p p r o a c h e s ，m u l t i - p u l s ec o n v e r t e r , h y b r i d m o d u a t i o nm e t h o d ，h y b r i dh v d c 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，也不包含为获得逝姿态茔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：燔秋嘭圣签字日期： 妒髟年月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三态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：燔氓啊备 导师签名： ， 祭磁 签字f 1 期：秒y 年多月7 日 签字日期：2 彬g 年石月7 同 浙江火学博i ：学位论文第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 1 1 1 传统直流输电 第一章绪论 高压直流输电( h i g hv o l t a g ed ct r a n s m i s s i o n ，h y d e ) 技术，最早应用于海底 电缆输电( 1 9 5 4 年瑞典g o t l a n d 岛输电工程，1 9 6 7 年意大利s a r d i n i a 岛输电工程) 【1 】。至2 0 0 6 年，全世界已有近1 0 0 个高压直流输电工程投入运行，总输送容 量达7 0 0 0 0 m w 【2 】。与国外相比，直流输电技术在我国的起步较晚，但是发展 快速。二十世纪八十年代起，我国相继投产了浙江大陆至舟山岛直流输电工程和 湖北葛洲坝至上海南桥的直流输电工程。截至2 0 0 7 年，我国已投入运行了9 条 直流输电工程，且正在启动建设大功率、远距离、特高压直流输电工程，其中云 广和川沪特高压直流输电工程已开始兴建【3 - 6 。 但是，目前的直流输电技术广泛采用了基于晶闸管的电网换相换流器( l c c ， l i n ec o m m u t a t e dc u r r e n ts o u r c ec o n v e n e r ) ，由于晶闸管阀关断不可控，导致该 技术存在一些固有的缺陷，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 需要依靠交流电网换相，所以只能工作在有源逆变状态。为保证换相的 可靠性，受端交流系统必须具有足够的容量，即必须有足够的短路比( s h o r t c i r c u i tr a t i o ) ，而当受端电网比较弱时便容易发生换相失败。因此传统直流输电 不能向无源网络( 如孤立负荷) 输送电能。 ( 2 ) 由于开通滞后角口( 一般为1 2 5 0 1 7 5 0 ) 和关断角y ( 一般为1 7 0 , - - - 2 2 0 ) 的存在及输出波形的非正弦，传统直流输电要吸收大量的无功功率，其数值约为 输送直流功率的4 0 - , 6 0 【l 】，这就需要大量的滤波设备及无功补偿，而且在甩 负荷时会出现无功过剩而导致过电压。 因此，l c c h v d c 直流输电技术主要应用于远距离大容量输电、海底电缆 送电、交流系统间非同步联网等领域。 1 1 2 新型直流输电 基于可关断型电力电子器件和p w m 技术的电压源换流器型直流输电技术 ( v s c h v d c ) ，可以实现有功和无功的独立控制，又能向无源网络供电，有利于 构成潮流控制方便、可靠性高的并联多端直流输电系统。因此，它很适合应用于 浙江人学博i j 学位论文第一章绪论 可再生能源发电并网、向城市和孤岛供电、异步交流电网互联等领域。这种新一 代直流输电技术最早由加拿大m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等学者，于1 9 9 0 年 首次提出【7 】。 a b b 公司于1 9 9 7 年在瑞典中部的赫尔斯杨与格兰斯堡之间进行了首次 v s c h v d c 工业试验【8 】，实验过程十分顺利，无论在稳态还是在暂态条件下， 电力输送都非常稳定，完全达到了预期的性能。1 9 9 9 年，a b b 公司在格特兰岛 投入运行了世界上第一个商业化的v s c h v d c 系统，应用于风电的接入。此后， 该公司又先后将其成功应用于海底输电、电力交易等多个领域【9 ，1 0 】， v s c h v d c 均展现了其优良的性能和广阔的应用前景。近来，a b b 公司在 v s c h v d c 的关键技术上又获得新的突破，宣称已将v s c h v d c 系统的最大输 送容量提高到了1 0 0 0 m w 、直流电压达3 0 0 k v 【1 0 1 。 目前世界范围内关于电压源型新型直流输电的研究十分活跃，国际大电网会 议也专门成立了b 4 3 7 和b 4 3 9 工作组1 9 ，1 0 ，以推动该技术的研究和应用。 国内学者也就新型直流输电开展了大量的研究，2 0 0 6 年5 月，由国家电网公司 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 。可以预见，随着可关断器件和控制技术的不断 发展和完善，新型直流输电技术将会广泛应用于输配电系统中。 1 1 3 本课题的意义 社会的发展给输配电系统提出了越来越高的要求，主要表现在以下几个方 面：伴随城市化的进程，城市用电负荷迅速增长，而且对电能质量提出了更高 的要求，但是有限的输电走廊限制了输送能力的提高，输电线路也需要转入地下。 由于能源紧缺和环境污染问题，可再生的清洁能源将得到大力的开发和利用。 但是诸如风能和太阳能等可再生能源具有容量小、位置分散、远离负荷中心等特 点，如果利用交流和传统直流输电技术联网将显得不经济【1 1 】。对孤立小岛 的和海上钻进平台的无源负荷供电，如果采用本地发电机，不经济也不利于环保。 在我国，直流输电的发展形成了直流多馈入系统和交直流混联系统。当交流系 统发生故障时，可能会引起多个换流站同时发生换相失败，换相失败的冲击还可 能引起交流系统暂态失稳；单条直流故障引起的交流系统波动，也可能导致其他 直流线路的连锁故障。 因此，迫切需要发展更加灵活、经济、环保、高效的输配电技术，而新型直 流输电技术是解决上述问题的一个可行方案。我| = k l 在“中长期科技发展规划纲要” 2 浙江人学博卜学位论文 第一章绪论 和国家“十一五”发展规划中均指出【1 2 ，1 3 】：“为了满足持续快速增长的能源 需求和能源的清洁高效利用，在坚持节能优先、降低能耗的同时，要推进能源结 构多元化，提高能源区域优化配置的技术能力，开发安全可靠、高效率的先进电 力输配技术 。为此，国家电网公司和南方电网公司目前都将发展电压源换流器 型直流输电技术列入各自的“十一五”科技发展计划，以通过建设新一代直流输 电技术，促进能源结构多元化和提高直流输电技术的自主创新能力。 但到目前为止，新型直流输电工程多为a b b 等国外公司建造，其中的关键技 术也被垄断。在国内，对新型直流输电技术的研究始于上世纪九十年代后期 【1 4 2 0 ，开展的相关研究主要集中在理想情况下新型直流输电的建模仿真和控 制策略等研究领域。由于客观条件的限制，国内基础理论的研究还不够深入，与 实际系统的建造和运行的要求尚有较大差距，需要继续进行基础理论和工程应用 化的研究。 新型直流输电有着良好的响应特性，但是相对较高的损耗率是其广泛应用 的主要障碍，其单个换流站的损耗率高达1 5 左右【2 1 - 2 3 ，远高于传统直 流输电，这在大容量应用场合是一个非常不利的因素。开关器件功率损耗还造成 器件温升，而v s c 所用的i g b t 、二极管等半导体器件对温度都很敏感，为了保 证器件的安全和良好的运行性能，所有的阀组都必须工作在最高允许结温以下。 所以适时开展新型直流输电的损耗特性、降损措施的研究，最大程度地提高其输 电效率，可以改善v s c 系统的运行性能，增加v s c 的运行范围，也将显著提高 系统运行的经济性，对于新型直流输电技术的发展和工程应用具有重要价值。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 2 新型直流输电系统的原理 1 2 1 新型直流输电的系统结构 新型直流输电的单线原理图如图1 1 所示。系统两端换流站均采用v s c 结 构，它由换流站、换流变压器、换流电抗器、直流侧电容器、交流滤波器和直流 输电线路等部分组成 2 1 2 4 2 5 】。 浙江人学博f ：学位论文第一章绪论 v s g直流线路v s g 特泸j 罐_ 鍪争嘴雌 图1 - 1 两端v s c h v d c 系统的单线原理图 图1 1 所示，电压源型换流器v s c 的每个桥臂由多个大功率可控关断型电 力电子器件( 如i g b t 、i g c t ) 和反并联二极管串联组成。v s c 的拓扑结构主要 采用三相二电平和二极管中点钳位型三电平两种结构。v s c 是紧凑型、模块化 设计的，预先组装于集装箱内，并己在厂内进行了完整的测试，这有利于快速的 安装和调试。 直流侧电容器的主要作用是为逆变站提供电压支撑，同时可以缓冲桥臂关断 时的冲击电流，减少直流侧谐波。换流电抗器是v s c 与交流侧能量交换的纽带， 决定了v s c 的功率输送能力，同时也起到滤波和抑制短路电流的作用。交流滤 波器主要用于滤去v s c 产生的高频谐波成分。 理论上来说，v s c h v d c 系统可以不需要换流变压器，但在实际工程中多 数都配备了变压器。究其原因，首先是为了通过调节变压器分接头来调节换流站 最大传输的有功功率和无功功率；其次，换流变压器可以调节二次侧电压，确保 适当的开关调制度，以减少输出电压和电流的谐波量，进而可以降低交流滤波装 置的容量和换流器的运行损耗。 因为无法通过换流器控制来清除直流侧故障，目前的新型直流输电工程大多 采用了直流电缆以减少直流线路的故障率。a b b 公司新型的x l p e 电缆，具有 强度高、重量轻、传输功率密度大、环保和方便掩埋等特点，适合于条件恶劣的 海底区域( 深海和不平整的海床) 。 1 2 2 新型直流输电基本工作原理 如图l 一1 所示，以v s c l 为例，设交流母线电压基波分量为矽。、换流器输出 电压基波分量为0 c 、矽，超前口c 的角度为万，换流电抗器电抗为x ( 包括变压 器) ，则忽略谐波分量时，换流器所吸收的有功功率p 和无功功率q 为： p ：u s u cs in万(i-11 义 9 ：型坠掣( 1 - 2 ) 由式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 町得换流器稳态运行时的基波相量图，如图1 2 所示。v s c 4 浙江人学博l ：学位论文第一章绪论 有功功率的传输量主要取决于西无功功率的传输量主要取决于坼。当莎0 时 v s c 吸收有功功率，相当于传统h v d c 中的整流器运行；当5 4 0 时v s c 发出有功 功率，相当于传统h v d c 中的逆变器运行。当u 。一u f 幸c o s 8 0 时，v s c 吸收无 功功率；u 。一u c 宰c o s 8 o f 尸 o 口 o - 图i - 2v s c 稳态运行时的基波相量图 在v s c h v d c 系统中，v s c 换流站通常采用正弦脉宽调n ( s p w m ) 技术， 其原理可由图1 3 和图1 4 来说明【7 ，2 1 】。图1 3 所示为一单相两电平v s c 结 构，其上下桥臂的开关器件由图1 4 所示的正弦调制波与三角载波比较产生的触 发脉冲来驱动。v s c 上下桥臂的开关管在脉冲驱动下，可以实现高频开通和关断， 此时桥臂中点电压则在两个固定电压+ u d 。2 和一u d c 2 之间快速切换。 l 七p ： j l g b t 1 l 土 =i g b 乇广 一 j 图1 3v s c 单相示意图图1 _ 4v s c 正弦脉宽调制原理及输出波形 由图i - 4 可知，当直流电压恒定时，s p w m 的调制度决定v s c 输出电压的幅值， 而调制波的相位和频率决定v s c 输出电压的相位和频率。因此，通过控制s p w m 调制波的相位和调制度就可以控制v s c 传输的有功功率和无功功率的大小和方 向。 1 2 3 新型直流输电的技术特点 与基于晶闸管的传统h v d c 相比，新型直流输电有以下几方面的特点 【2 1 ，2 5 2 7 】： ( i ) v s c 电流能够自关断，所以不需要外加的换相电压，可以工作在无源 浙江人学博i ：学位论文 第一章绪论 逆变方式下。克服了传统的h v d c 受端必须是有源网络的根本缺陷，也彻底消 除了换相失败的可能性，使利用h v d c 为远距离的孤立负荷送电成为可能。 ( 2 ) 正常运行时v s c 可以同时且相互独立地控制有功功率、无功功率，使 控制更加灵活方便。而传统h v d c 中只能控制触发角，也不可能单独控制有功 功率或无功功率。 ( 3 ) v s c 不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到s t a t c o m 的作用， 可以动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着故障时，只要 v s c 容量允许，那么v s c h v d c 系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援 又可提供无功功率紧急支援，从而既能提高系统的功角稳定性又能提高系统的电 压稳定性。 ( 4 ) 潮流反转时直流电流方向反转而直流电压极性保持不变，这点与传统 的h v d c 恰好相反。这个特点有利于构成并联多端直流系统，克服了传统多端 h v d c 系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。 ( 5 ) 模块化设计使v s c h v d c 的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。 同时，换流站的占地面积大大减少，仅为相同容量下传统直流输电的2 0 左右。 ( 6 ) 换流站问的通讯不是必需的，易于实现无人值守。此外，v s c - h v d c 系 统具有良好的故障恢复能力，非常适合应用于电网故障后的恢复起动。 ( 7 ) 由于v s c 交流侧电流具有可控性，所以不会增加系统的短路容量。这意 味着增加新的直流线路后，交流系统的保护整定值基本不需改变。 ( 8 ) v s c 通常采用p w m 技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得 到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置容量也大大减少。 1 2 4 新型直流输电的应用领域 过去的十年中，由于快速、大功率、高电压开关器件和直流电缆技术的进步， 新型直流输电的成本大大降低，直流输电开始应用于新的领域。从现有投运的工 程及其技术特点来看，v s c h v d c 的应用领域主要有以下几方面。 ( 1 ) 小规模再生能源的馈入。受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量 较小、供电质量不高并且远离主网，如中小型水电厂、风电场( 含海上风电场) 、 潮汐电站、太阳能电站等。交流接入的方式运营成本很高且交流线路输送能力偏 低，所以利用新型直流输电联网是充分利用可再生能源的最佳方式。a b b 公司 于1 9 9 9 年6 月建成了瑞典哥特兰( g o t l a n d ) 岛v s c h v d c 工程，这是世界 上第一个商业化运行的v s c h v d c 工程。该系统为风力发电提供电压支持且采 6 浙江大学博f j 学位论文第一章绪论 用地下电缆输送电能，对环境的影响很小。2 0 0 0 年6 月a b b 公司在丹麦投运了 用于风力发电的v s c h v d c 示范工程，t j a e r e b o r g 工程。该工程的投运有效地 解决了风力发电引起的无功功率和电压问题。 ( 2 ) 交流系统的非同步同步互联。模块化结构及电缆线路使新型直流输电 对场地及环境的要求大为降低，换流站的投资大大下降，因此可根据供电技术要 求选择最理想的接入系统位置。2 0 0 0 年在澳大利亚投运了d i r e c tl i n k v s c h v d c 工程，它将新南威尔士( n e ws o u t hw a l e ) 电网和昆士兰( q u e e n s l a n d ) 电网连接起来，其主要目的是在满足环境要求的前提下，通过异步联网进 行电力交易。2 0 0 2 年8 月，在澳大利亚投运了m u r r a yl i n k 直流工程，它实现 了澳大利亚南部r i v e rl a n d 电网与v i c t o r i a 电网的非同步互联，它也是目前世 界上最长的地下电缆输电项目。 ( 3 ) 城市直流输配电网。通过交流线路向城市中心增加新的输电容量是昂 贵的，并且在某些情况下，新的输电走廊难以获得。直流电缆不仅比交流电缆占 有空间小，而且输送容量大，因此采用新型直流输电向城市中心区域供电可能成 为未来城市电力增容的最佳途径。 ( 4 ) 向远方负荷供电。偏远地区一般远离电网，负荷轻而且r 负荷波动大， 常规的交流输电成本高且线路输送能力低，制约了偏远地区经济的发展和人民生 活水平的提高。采用新型直流输电进行供电，可以提高电缆线路的单位输送功率 和供电的可靠性，并减少线路维护的工作量。 ( 5 ) 海上平台供电。远离陆地电网的海上负荷如：海岛或海上石油钻井平台 等负荷，通常靠价格昂贵的柴油或天然气来发电，不但发电成本高、供电可靠性 难以保证，而且破坏环境，采用新型直流输电以后，这些问题得以解决，同时还 可将多余电能( 如用石油钻井产生的天然气发电) 反送给系统。2 0 0 5 年1 0 月投 运的挪威t r o l lv s c - h v d c 工程，就是用于向海上天然气钻井平台上的用电设备供 电。该工程采用v s c h v d c 技术主要基于以下几点：长距离海底电缆输电和环 境保护要求；钻井平台上的同步电动机需要变频( 0 - - 6 3 h z ) 调速、调压( o 5 6 k v ) 等运行要求；换流器体积和重量要求。 ( 6 ) 提高配电网电能质量。新型直流输电系统可以独立快速地控制有功和无 功，并且能够保持交流系统的电压基本不变，提供高质量的电能。 ( 7 ) 电力市场模式下的应用。通过新型直流输电的直接连接，可以构筑不同 地区电力供应商之间交换电力的可行技术平台，增加了运行灵活性和可靠性。 综上所述，新型直流输电较之传统直流输电具有众多优点，必将成为未来输 配电系统中一个不可或缺的重要组成部分。 7 浙江人学博i ：学位论文 第一章绪论 表1 1 列出了目前世界范围内已经投运的新型直流输电工程。可以看出，新 型直流输电工程的电压等级、输送容量不断的得到提升。随着电力电子技术的发 展，可关断器件性能以及单管容量的不断提高，v s c h v d c 将会得到越来越广 泛的应用。 表1 1在世界范围内已经投运和在建的新型直流输电：f 程的主要技术指标 投运撷定 两侧交直流 长度设备 工程名称国家瘫 直汽电 电流选并的主要原因 时问功率 压，k vk m 商 电压k vi a h e l l s j o n 瑞典1 9 9 7 0 33 m w ，3m v a tl o ，1 0_ 4 - 1 01 5 01 01 = 业试验 b b g o t l a n d瑞典 1 9 9 9 0 65 0 m w 3 0 m v 口8 0 ，8 08 03 5 02 7 0 风力发电( 电压支捧) 、 b b 地下电缆 d i r e c t l i n k澳大利 1 9 9 9 1 2 3 6 0 4 - _ 7 5 m 1 3 2 ，i l o 8 03 4 26 5 9电力交易、系统e 连、地 b b 亚f 电缆 t j a e r e b o r g 丹壶 2 0 0 0 0 87 2 m w 一 l o 5 i o _ - 4 - 9 3 5 82 4 3风力发电并网示范工程 阻 3 斗4 m v 盯5 e | v i ep a s s 美周墨2 0 0 0 0 93 6 m w 3 6 m v ”1 3 2 ，1 3 21 5 91 1 0 0背靠背 电力交易，系统f 联、电 髓 两哥压控制 c r o s is o u n d 美国 2 0 0 23 3 0 m w ，7 5m v a t3 4 5 1 3 8l 如1 1 7 52 4 0 电力交易、系统瓦联、海a b 8 c a b t e 底电缆 m u r r a yl i n k 澳大利 2 2 2 0 0 m w ，+ 1 4 0 1 5 01 3 2 2 2 01 5 01 4 0 02 1 8 0电力空易、系统匠联、地 b b 哑m v ar 下电缆 t r o l l a挪威2 0 0 52 4 0 m w1 3 2 k “56 04 x 7 0 向钻井平台供电和电机 a b b 0 h z 5 6驱动、海底电缆 k v ，o 6 3 h z e 州i n k爱涉尼2 0 0 63 5 03 3 0 4 0 01 5 02 3 l 地下电缆和海底电缆异 a b b 砭莽兰2 7 4 步系统互联 v a l h a l l 挪威 2 0 0 97 83 0 0 ，l ll s 0 2 9 2 海底提| 岛海t 油m 的牛产效 陷 o i l s h o r e ,电缆率，减少温室气体捧放 t r a n s b a y 美国 2 0 l o4 0 0 m w 2 0 0 船 海底电缆，系统瓦联两门 c a h i ef 1 3 新型直流输电的研究现状 1 9 9 0 年加拿大m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等首先提出了采用p w m 控制 的v s c 进行直流输电的概念。随着1 9 9 7 年第一条新型直流输电工程的投运【2 9 ， 世界范围内关于新型直流输电的研究一直处于十分活跃的状态。c i g r e 成立了 专门以v s c h v d c 为研究内容的b 4 3 7 工作组，以推动新型直流输电研究和发 展，目前已经完成了关于新型直流输电输电的工作组研究报告；另外，c i g r e 最近又成立了以基于新型直流输电的风电接入为研究内容的b 4 3 9 工作组。目 前，国际上关于新型直流输电的研究，无论在工程实用化方面还是在基础理论方 面都已比较深入，研究的热点主要是输电容量的提高、输电损耗的降低、造价的 降低和输电可靠性的提高等。 国内，新型直流输电技术的研究丌始的比较晚，目前还属于起步阶段，但是 已经引起学术界的广泛关注。研究工作主要集中在新型直流输电的建模、仿真和 浙江人学博l 学位论文第一章绪论 控制策略等研究领域；由于客观条件所限，对于新型直流输电的损耗分析、主电 路拓扑及调制方式、故障时的运行特性、保护策略、谐波特性和接地系统等方面 的研究还不多。 1 3 1 主电路结构和调制方式研究 换流器的主电路拓扑结构是新型直流输电技术的一个重要方面，它与实际工 程的容量和电压等级、i g b t 串联数目、开关频率、损耗、开关调制方式和系统 可控性等因素密切相关，还要充分考虑装置的实现难易程度、造价、运行的经济 性等因素。下面列出a b b 公司设计制造的几个典型工程的换流器所采用的拓扑 结构【2 7 3 4 】( 见表1 2 ) 。 表1 2a b b 公司典型下程中的换流器技术参数 目前已投运的新型直流输电工程均由a b b 公司建造，广泛采用了两电平和 三电平的结构。两电平换流器的结构和开关调制算法都相对简单。而与两电平换 流器相比，三电平换流器在相同直流电压下，开关器件所承受的电压减少一半， 换流器输出的谐波量也显著降低。由于电容器占地面积大，在实际工程应用中很 少采用飞跨电容型三电平拓扑结构的换流器，而是采用二极管钳位型的三电平结 构。为了提高换流器容量和桥臂的耐压水平，实际工程中的桥臂一般大量串联了 开关器件。 为了进一步提升换流器容量并降低损耗，可以采取换流器单元串并联的方式 来构成组合式的换流器。r 本的s h i n s h i n a n o3 端b t b 系统采用如图1 5 所示 拓扑结构【3 6 】。通过换流器单元并联来提升整个v s c 容量的拓扑结构，系统两 侧的v s c 换流站都是由4 个