（电力电子与电力传动专业论文）基于电压源型换流器的新型直流输电系统相关问题研究.pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t a san e wt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , t h eh v d c ( h i 曲v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) t r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e nr e c e i v e db r o a da t t e n t i o na n da p p l i c a t i o n s b u tt h e t r a d i t i o n a ld i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o nh a sm a n ys h o r t c o m i n g s s u c ha si tw i l ln o t s u p p l yp o w e r t ot h eu n p o w e r e dn e t w o r k , i tw i l lg i v ee a s i l yc a u s ef o rt h ef a i l u r et ot h e s h o r tc i r c u i tc a p a c i t ys m a l ln e t w o r kp o w e rs u p p l ya n di tw i l lb en o ta d v a n t a g e o u sf o r f o r m i n gm u l t i p o r t sd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m , h a r m o n i cf i l t e r i n g ，r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ta n dm a n yo t h e rc o m p l e xi s s u e s an e wd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , t h ei n s u l a t i o ng r i d b i p o l a rt r a n s i s t o r ( i g b t ) o ri n s u l a t i o ng r i dc o n v e r t e rt r a n s i s t o r ( i g c t ) w h i c hb e l o n g t o p o t e n t i a ls o u r c ec o n v e r t e ra l eu s e di nc o n v e r t e rc o m p o n e n t s t h en e wd i r e c t c u r r e n tt r a n s m i s s i o nh a st h em e r i t so fa c t i v eo rr e a c t i v ea d j u s tc o n v e n i e n t l y , t h e s t r o n g e rs y s t e ms t a b i l i t y , t h el o w e rh a r m o n i cc o m p o n e n t s ，w i t h o u ta d d i t i o n a lr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s ，e a s i e rt oc o n s t i t u t em u l t i p o r t sh v d cs y s t e m a n d t h et r a d i t i o nd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e me x i s t e n c ep r o b l e m sa l es o l v e d t h ep r i n c i p l eo fw o r ka n dt h es t a b l es t a t ep o w e rc h a r a c t e r i s t i co ft h ep o t e n t i a l s o u r c ec o n v e r t e ra r ef i r s ta n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e nt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yi s c o m p a r a t i v ea n a l y z e db e t w e e nt h et r a d i t i o nd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o na n dt h en e w d i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n m e a n w h i l e t h ea p p r o a c hi sd e m o n s t r a t e db ym a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t s f o rt h et r a d i t i o n a lh v d ct r a n s m i s s i o n s y s t e mi sn o te a s i e rc o n s t i t u t i v eo f m u l t i p o r t sd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ef e a s i b i l i t yo ft h em u l t i p o r t sd i r e c t c u r r e n tt r a n s m i s s i o nn e t w o r kc o n s t i t u t e db yt h en e wd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n s y s t e mi sr e s e a r c h e di nt h ef o u r t hc h a p t e ri nt h i sp a p e r t h ec o n t r o lm o d ea n dt h e s y s t e ms t a b i l i t ya l ea n a l y z e d t h ep r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h en e wc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do n t h ep o t e n t i a ls o u r c ee n n v e r t e ra d o p tt h ep w mm o d u l a t i o nm e t h o d n 圮h a r m o n i ci s e f f e c t i v e l yi n h i b i t e da n dt h ep r o b l e mo f t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni si m p r o v e d 1 1 l i sa r t i c l es t u d i e ss e v e r a lf e a t u r e so ft h ep w i v lm o d u l a t i o ni nt h ef i m lc h a p t e r t h e i a b s t r a c t r e a l i z a t i o np r o c e s si nh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v eo ra c t i v er e g u l a t i o ni s a n a l y z e d m o r e o v e r , t h es i m u l a t i o no ft h en e wd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s u p p l yt ot h e t h ep a s s i v ep o w e rn e t w o r ki sr e s e a r c h e d ，a n di t ss u p e r i o r i t yi s d e s c r i b e d k e yw o r d s ：v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ；n e wd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n ；m u l t i p o r t s d i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ；h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n i v 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。据我所知，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 为获得直昌去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( 手写) ：剥磋乔签字日期：7 年，月乎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直星太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 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：司积卅乙导师签名；一三缸谚f 乙 签字日期：妇年“月哥日签字日期：o ) 年，月参日 第1 章引言 第1 章引言 本章首先介绍直流输电发展现状，并针对传统直流输电存在的问题提出了 基于电压源型换流器的新型直流输电系统，阐述了基于电压源型换流器的新型 直流输电系统的工作原理，并对本文的主要工作进行了总结。 1 1 直流输电发展现状 高压直流输电( h v d c ) 作为一种新兴的输电技术，目前已经得到了广泛的重 视和应用。它的发展大致可分为如下三个阶段： 1 ) 1 9 5 4 年以前为试验阶段。由于5 0 年代初交流系统高压输电处于发展的黄 金时代，加上当时技术水平的限制，直流输电发展缓慢并且不受重视。 2 11 9 5 4 年至1 9 7 2 年为发展阶段。1 9 5 4 年瑞典建成世界上第一条工业直流 输电线路，标志着直流输电进入实用阶段。在这一阶段，直流输电设备的制造 技术、施工质量、运行水平都有了很大的提高。直流输电技术的应用范围由单 一的电能输送扩展到水下输电、不同频率交流系统互连等多个领域。 3 11 9 7 2 年至今为快速发展阶段。1 9 7 2 年晶闸管阀换流器第一次在工程中应 用，取代了汞弧阀，使直流输电技术提高了一大步。直流输电技术得到了普遍 的重视。 从瑞典首次采用直流输电起，至今已经有2 0 多个国家应用直流输电。目前 全世界己经投产的直流输电工程有5 3 项，线路总长1 万多公里，总的传输容量 己达3 3 0 0 万k w ，最高输送电压为7 5 0 k v ，正在建设和计划建设的约2 0 余项。 发展非常迅速。我国对高压直流输电的研究起步较晚，从6 0 年代初开始，并由 于种种原因中断了一段时间。7 0 年代前半期才又先后在浙江、上海、北京、西 安等地恢复筹建研究工作。 1 9 7 7 年，在上海建成并投运了我国第一条3 1 k v ，4 6 5 0 k w ，地下电缆长8 6 k m 的直流输电试验线路。+ 1 9 8 7 年，在浙江舟山投运了1 0 0 k v ，1 0 0 m w ，5 4 k m 的 高压直流工程，这是我国第一条自行设计、施工、全部设备国产化的线路。 1 9 9 0 年投运的葛洲坝至上海的电压5 0 0 k v ，传输功率1 2 万k w ，输电线路 全长1 0 5 0k m 的高压直流输电线路是我国第一条长距离高压大功率直流输电线 第1 章引言 路，它的建成标志着我国高压直流输电技术上了一个台阶，为今后我国直流输 电的建设和发展积累了丰富的经验。 2 0 0 1 年天生桥至广州直流输电系统投运，其额定工作电压5 0 0 k v ，容量 1 8 0 0 m w ，线路长9 6 5 k m 。南方电网以它为系统联络线，形成了我国第一个高压 大容量交直流并联运行电力系统。 2 0 0 2 年上海宝钢需要的上海芦潮港至峡泅岛的直流海底电缆输电工程投 产，额定容量6 0 m w ，额定电压5 0 k v ，其换流站均用国产设备。 2 0 0 5 年6 月投产的联接西北与华中电网的灵宝背靠背直流换流站( 位于河南 省灵宝县) 是我国第1 个区域电网背靠背直流联网工程，传输容量3 6 0 m w ，直流 电流3 k a ，西北侧交流电压3 3 0 k v ，华中侧交流电压2 2 0 k v 。值得一提的是，此 换流站由国内自主成套设计，采用引进了国际先进技术的国产设备，包括换流 阀、换流变压器、直流平波电抗器、直流控制保护设备等。 随着“西电东送”和“全国联网”战略规划的实施，我国将出现越来越多 的直流输电工程。 直流输电的主要应用结合在我国实际情况分述如下： 1 ) 远距离大功率输电。我国动力资源的分布，据统计水力资源7 0 以上分 布在西南、西北地区；煤炭资源约7 0 集中于山西和内蒙一带，而用电较密集 的负荷中心又分布在我国沿海地区。因此，随着我国国民经济的发展，必将开 发西部电力，并向东部负荷中心输送。例如，长江三峡水电站向华东送电，黄 河上游龙羊峡、李家峡水电站向华北送电，工程的输电距离都在9 0 0 k m 以上， 输送功率大于1 0 0 0 m w 。由于我国的具体情况，跨大区的远距离输电工程往往 既是输送电力的强大主干线，又是连接两个大区交流电力系统的联络线。如果 采用直流输电实现多大区交流电力系统之间联网，可充分发挥直流输电的优点， 以取得最佳的联网效益。 2 ) 海底电缆送电。由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过 等价距离时，采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。我国沿海有 很多岛屿，今后台湾、海南等大岛电网与大陆电力系统的互联，采用直流输电 系统是一种较为合理的方案。 3 1 交流电力系统之间的非同步联络。我国目前的七个跨省的电力系统，今 后将逐步发展成为多大区联合电力系统。为了避免低频振荡、波扰动、调度管 理复杂化、短路容量增大等交流电力系统过大所带来的问题，可采用直流输电 2 第1 章引言 联络跨省电力系统，并把全国电力系统分隔为几个既可获得联网效益又相对独 立便于经营的电力系统。 4 ) 抽水蓄能电站和潮汐电站与电网的连接。采用直流输电，使水轮发电机 组可不受电网额定频率的限制，而是随水位的变化变速变频运行，这样水轮发 电机可运行于最佳效率区。如潘家口抽水蓄能电站采用直流输电和水轮发电机 组变频运行后，效率提高了1 0 左右。 以上四点是直流输电的主要应用。此外，直流输电的应用范围广泛，还可 用于磁流体发电、太阳能电池、燃料电池和热核聚变直接发电等多种新型发电 方式的配套和超导输电等方面。 1 2 传统直流输电系统存在的主要问题及新型直流输电系统的提出 传统的直流输电经济传输功率比较高，以往多用在巨型电网的连接上，在 大容量输电中能抑制低频振荡，但因为其换流阀是用晶闸管，在换相时需要受 端电源电压作用，所以不能向无源网络供电。 传统直流输电系统在向短路容量不足的系统供电时易发生换相失败，一个 换流站换相失败可能会影响到整个系统，或者一个换流站换相失败后可能受其 他换流站的影响而难以恢复，所以不便于形成多端直流输电系统和多馈入直流 输电系统。 晶闸管换流器本身是一个谐波源，在直流侧和交流侧都会出现谐波，需要 配置专门的滤波装置，增加设备投资和占地面积。另外晶闸管换流阀在运行中 要吸收较多的无功功率，需要大型无功补偿设备。 为克服这些缺点，本文提出了基于电压源型换流器的新型直流输电系统， 与基于电流源型换流器的传统直流输电不同，在新型直流输电系统中采用绝缘 栅双极晶体管i g b t 或集成门极换向晶闸管( i c , c t ) 等电压源型换流器作为换流 元件。 新型直流输电有着与传统直流输电不同的特性，首先其换流器控制量不象 传统直流输电只有晶闸管触发角，而是同时有电压幅值，电压相角和频率三个 可控量，其次，换流器输入输出间可以实现解耦。这些特点增加了新型输电技 术控制的灵活性，同时也使其控制规律不同于传统直流输电。 第1 章引言 1 3 电压源型直流输电系统工作原理 基于电压源型换流器的新型直流输电技术是由以下两种基本技术的进步推 动的，一种是电压源型换流器的研制；另一种是用于高压直流输电的交联聚乙 烯电缆的研制。 新型直流输电就是基于电压源型换流器( v s c ) 的直流输电，其基本原理如图 1 1 所示，其送端、受端换流器均采用v s c ，则两个换流器具有相同的结构，电 压源型换流器一般由6 脉波换流桥构成，其中的自换相开关( 6 t o 或i g b t 等) 与二极管反向并联，如图1 1 所示。为了获得所需的容量，需将多个开关器件串 联连接以构成一个阀。g 1 i o 阀允许较大的电流，但其直流耐压比相当的i g b t 要小。对于较长距离的输电，期望保持较高的输电电压以减小损耗，因此i g b t 比g t o 更适合于这种场合。在现今的技术条件下i g b t 阀的阻断电压可以达 1 5 0 k v 。基于这种阀的的电压源换流器能承担高达l k a 的有效值交流线电流。因 此对应的单极新型直流输电设计容量约为1 5 0 m v a 。这样，一个双极性系统可以 很容易达到3 0 0 m w 的输送功率。而在低端容量方面，经济上合理的设计仅几个 兆瓦。世界上第一个新型直流输电工程是1 9 9 7 年3 月瑞典的试验输电工程，该 工程输送功率为3 m 瓦，输电电压为1 0 k v ，输送距离为1 0 k m 。 图1 1 新型直流输电系统工作原理图 电压源型换流器的功能是将储能电容器上的直流电压转换为交流电压。换 流器直流电压的极性决定于二极管桥的极性。换流器阀的在适当的门极电压下 4 第1 章引言 可在任意时间开关。但是，如果一个阀要导通，则与它互补的那个阀必须事先 关断，以防止短接储能电容器。与某一相连接的两个阀交替开关，将换流器的 交流端依次与直流电容器的正极或负极相连，从而形成2 电平的交流电压方波， 这样的电路称为2 电平换流器，近年来的实践与研究已将上述运行原理扩展到 多电平换流器，利用电容器和二极管增加电平数，并对不同电平的电压进行钳 位，这样就提高了波形质量，就电压总谐波而言，多电平换流器可以提供相当 好的输出波形质量。但是，其复杂的换流器设计将导致较大的占地面积和较高 的成本。 直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电 流、减小直流侧谐波；换流电抗器是v s c 与交流侧能量交换的纽带同时也起到 滤波的作用；交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波。 新型直流输电的特点和基本控制方式与传统的直流输电相比，有如下优点： ( 1 ) 在应用到低短路比电力系统中不需要外加无功补偿设备。 ( 2 ) 能够独立地调节直流线路有功和每个终端处的无功，可为交流系统提供 支持，有利于交流系统电压稳定。 ( 3 ) 在电力系统发生故障而引起系统电压下降或波形突变时，也不会发生换 相失败。不依赖交流系统去维持电压和频率稳定，与传统直流输电相比，短路 容量并不重要。 ( 4 ) 功率反转时直流电压极性不变，有利于构成多端直流系统。 ( 5 ) 通常采用p w m 技术，开关频率较高，谐波成分低于传统直流输电。 新型直流输电基本控制方式有三种： ( 1 ) 定直流电压控制，控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率； ( 2 ) 定直流电流( 功率) 控制，控制直流电流( 或功率) 和输送到交流侧的 无功功率； ( 3 ) 定交流电压控制，控制交流电压。 第一第二种方式适用于与有源交流网络相联的情况，第三种方式适用于对 无源网络供电，如向城市电网或向边远海岛等地区供电。 针对不同系统情况可以用不同控制方式组合来满足要求，与只能向有源网 络供电的传统直流输电相比较，新型直流输电的应用范围大大拓宽了。 第1 章引言 1 4 电压源型直流输电应用研究现状及相关问题 基于电压源型换流器的新型直流输电方式，大大扩宽了直流输电的应用范 围。由于v s c - h v d c 中v s c 的自换向特性而带来的相比传统h v d c 的诸多优 点使它被看好成为传统i - i v d c 的理想替代品，a b b 、s i e m e n s 等公司都将该技 术纳入了重点研究计划中。近年来国内外学者主要对v s c - h v d c 的数学模型、 运行特性、控制策略和保护等进行了一些探讨研究。国内v s c h v d c 技术研究 比国外晚，但是目前本课题研究也日趋成为一个热点。目前已经有浙江大学、 华北电力大学、中国电力科学研究院、东南大学、华中科技大学等高等学校和 科研机构进行相关的研究 i - 2 1 。v s c - h v d c 所具有的优越性吸引人们对它进行了 很多的研究工作，尽管有多个v s c h v d c 投入商业运行，但由于v s c - h v d c 技术的应用才刚刚开始，许多基础理论和相关的应用基础问题需要深入探讨， 特别是该系统的运行特性及相关的保护控制策略尤为引人关注。 单独新型直流输电技术正在研究中。从经济和技术上考虑，将新型直流输 电和传统直流输电结合使用是一个比较有前景的选择，这样既可以利用传统直 流输电现有的设备和丰富的运行经验，也能利用新型直流输电在防止换相失败 等方面的技术优势。采用目前的大功率i g b t 开关，新型直流输电的额定值在双 极性结构下可以达到约1 5 0 k v 、3 0 0 m w ，而且新型直流输电系统还可以与弱 交流系统甚至无源网络连接。 现在的新型直流输电系统是紧凑型、模块化设计的，预先组装于集装箱内， 并已在厂内进行了完整的测试。集装箱可以重新布置在不同的系统连接点，并 进行快速的安装和调试。由于设计是模块化的因而工程可以分期建设，以适应 将来负荷的增长。 现有应用实例主要是弱交流系统互联、边远地区供电( 如a b b 公司的轻型 直流输电) 以及系统的无功支持等。 新型直流输电的现行其他应用研究还有： ( 1 ) 向无源网络供电，如城市，海岛供电，对无源网络供电的性能通过仿真 试验已经得到了验证。考虑到城市的无源特性，采用新型直流输电是一种很好 的选择。把新型直流输电应用到城市供电中，在中压和低压配电系统中可以进 行稳态和动态电压控制，在向不对称负荷供电时应该也能提高电能质量。 ( 2 ) 由于新型直流输电的高度可控性，可以在改善电力系统运行性能方面起 到积极作用。通过向系统提供同步和阻尼功率的方法，可以使系统在暂态过程 6 第1 章引言 后能快速地到达稳态。 ( 3 ) 将新型直流输电与传统直流输电在直流侧串联，将前者作为一个有源滤 波器来消除后者产生的谐波，用p w m 技术来控制故障发生后产生的过电流。特 别值得引起重视的是如果加以合理的控制在交流侧不平衡的条件下，新型直流 输电仍能获得良好的运行性能，而对于传统直流输电在这种条件下有换相失败 的危险。 ( 4 ) 在抑制电力系统中的次同步振荡方面新型直流输电也能起有效作用。 ( 5 ) 由于电压源型换流器内在的电压支持能力，在背靠背的异步联接中能增 加线路的传输能力。 1 5 论文的主要研究工作 ( 1 ) 首先对v s c - h v d c 输电系统中电压源换流器的稳态功率特性及兵弪制 方式进行了分析，建立v s c h v d c 的稳态模型，定义对应v s c 稳态运行状态 的四个变量。 ( 2 ) 其次基于节点电流注入法，建立v s c - h v d c 的暂态稳定分析模型。在该 模型中计及v s c h v d c 系统中的主要部件，即v s c 交流侧准稳态模型、 v s c h v d c 内部直流输电系统动态模型以及控制系统模型，从而使得模型具有 一般性： ( 3 ) 针对不同的换流器并联运行模式，阐述了多端v s c 系统运行调节问题， 并分析了其保护构成。通常v s c m t d c 的控制系统分为本地控制和上层控制。 多端v s c 系统具有多种并联运行方式，就保证系统正常稳定运行的要求而言， 有的运行方式不需要设置整定值协调平衡模块，而有的运行方式需要设置整定 值协调平衡模块。但是就直流系统潮流调整而言，上层控制器是必不可少的。 采用下降电压控制方式时，所有换流器都参与功率平衡调节，因此负荷功率发 生扰动时，系统运行状态比较平稳，不易出现越限等情况。通常可以通过调节 直流电流整定值从而控制换流器的稳态功率，而通过调节压降电阻控制换流器 的动态功率分配特性，从而保证充分利用所有换流器的储备容量进行动态功率 平衡。 ( 4 ) 从电压源型换流器功率控制工作原理可知：p w m 控制是v s c 四象限运 行的核心技术，两端v s c 必须协调控制保证有功功率的传输平衡。论文在分析 7 第1 章引言 两电平空间矢量p w m 的原理和实现方法的基础上，重点探讨了电压正弦p w m 和空间矢量p w m 间的关系，并通过仿真给予了说明。 ( 5 ) 提出了连接无源网络时v s c 的控制策略，简单讨论了h v d c - v s c 无源 高通滤波器的设计。 第2 章电压源型换流器的工作原理及其稳态特性 第2 章电压源型换流器的工作原理及其稳态特性 本章重点阐述电压源型换流器的电路结构、工作原理以及功率交换特点， 分析电压源型换流器的控制方式，为后文新型直流输电系统相关问题研究提供 理论依据。 2 1 电压源型换流器 换流器是h v d c 系统的核心部件，其容量的提高和性能的改进对h v d c 技 术的发展起着至关重要的作用。二十世纪七十年代初，晶闸管替代汞弧阀应用 于h v d c 系统后，极大地促进了h v d c 技术地发展和应用，此后，晶闸管获得 了很快发展，容量和耐压都大为提高。但它的开关频率很低，且只是半控型器 件，两端电压保持一段时间为零或为负时才会转入断态。 作为新型直流输电系统的主要元件电压源型换流器近年来发展很快，2 0 世 纪9 0 年代以后，具有可关断能力的新型氧化物半导体器件一绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ，i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 首先在工业驱动装置上获得广泛的应 用，1 9 9 7 年3 月世界上第一个采用i g b t 组成电压源换流器的直流输电工业性 试验工程在瑞典中部投入运行，被称为轻型直流输电( h v d cl i g h t ) ，标志着直 流输电技术开始了新的发展。 如今商业化i g b t 已发展成系列，电流范围从2 a 的i g b t 单管到2 4 0 0 a 的 i g b t 模块，耐压范围从3 7 0 v 到4 5 0 0 v ，i g b t 的拖尾电流问题也已有了比较好 的解决方法，e u p e c 公司生产的6 0 0 a 6 5 0 0 v 的i g b t 模块已获得实际使用。目 前瑞士a b b 公司能提供8 0 0 0 v 的i g b t 和4 0 0 0 a 6 0 0 0 v 的集成门极换相晶闸管 ( i g c t ) ，i g c t 和大功率炭化硅元件的研制在直流输电工程中将有很好的应用 前景。 这类元件的电压高、通流能力大、损耗低、体积小、可靠性高，并且还具 有自关断能力。这些新型的半导体换流器件将会取代普通晶闸管，并将有力地 推动直流输电技术的发展。 9 第2 章电压源型换流器的工作原理及其稳态特性 2 2 电压源型换流器稳态功率特性 v s c h v d c 中电压源型换流器由全控换流桥、换流电抗器、直流电容器和 交流滤波器组成，其基本原理如图2 1 所示。图2 1 中交流母线线电压的基波相 量为u s ，换流桥输出线电压的基波相量为u c ，占为u c 滞后u s 的角度，x c , x f 分别为换流电抗器以及交流滤波器的基波电抗。 采用图2 1 所示的物理量参考方向，当忽略换流电抗器电阻时，v s c 与交流 系统之间传输的有功功率风和无功功率函分别为： 只：u l ，s u cs i n 万 ( 2 1 ) g = 盟警塑学 亿z ， 图2 1v s c 型换流器原理图 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可见，有功功率咫的传输主要取决于& 无功功率的传输 主要取决于阮，改变6 和就可以控制有功功率和无功功率的大小和方向。因 此，v s c 能够实现在功率p q 平面的四个象限中运行。正常稳态运行时，v s c 与交流系统间传输的有功功率和无功功率的大小，一方面受换流桥额定线电流 的限制，即 i o 第2 章电压源型换流器的工作原理及其稳态特性 巧+ ( 级一笋22 洳s 2 ( 2 3 ) 另一方面，还取决于换流桥输出线电压有效值的大小，该电压由v s c 直流侧电压枷、与脉宽调制方式相关的直流电压利用率弘( 正弦波脉宽调制对应 旷= j 2 、空间矢量脉宽调制对应，旷= 1 o ) 以及调制比m ( o 剑! 共同决定【i l l s 。 = 华肋 ( 2 4 ) v 2 利用式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 和( 2 4 ) ，并令m = 1 ，则可导出直流侧电压为u d 时，v s c 输出最大魄对应的功率特性方程为： 鲥级鼍一净2 = ( 等2 ( 2 5 ) 以v s c 额定容量以及额定交流母线电压为基准，当直流电压和脉宽调制方 式固定时，由式( 2 3 ) ，( 2 5 ) 共同决定的v s c 功率特性的边界曲线如图2 2 所示。 图2 2 中，功率为正表示v s c 从交流母线吸收功率，反之则由v s c 向交流 母线注入功率。从图2 2 可以看出：随着交流母线电压u s 的升高，传输功率风 和幺的最大值也成比例增加。但与此同时，由于换流桥输出电压u c 和u s 之间 差值的减小，v s c 向交流母线注入的最大无功功率会受到进一步的限制。然而 当魄较高时，通常不再需要向交流母线注入更多的无功功率。因此，无功功率 的输出限制并不会严重制约v s c 的稳态性能。 女i ： 沪 ， 睡 _ 1 t i f f 碡 楚二 j 靖 汇二o 毫!：，一， 图2 2 电压源换流器的稳态功率特性 第2 章电压源型换流器的工作原理及其稳态特性 2 3 稳态控制方式 采用p w m 技术的v s c 具有两个控制自由度，即p w m 的调制比m 和移相 角度占，因此v s c 可同时独立地控制两个物理量。v s c h v d c 正常稳态运行 时，每个v s c 可以各自独立地控制其交流侧无功功率或交流母线电压，但直流 网络的有功功率必须保持平衡，即输入直流网络的有功功率必须等于直流网络 输出的有功功率加上换流桥和直流网络的有功功率损耗。 如果出现任何差值，都将会引起直流电压的升高或降低。为了实现有功功 率的自动平衡，在v s c h v d c 系统中必须选择一端v s c 控制其直流侧电压， 充当整个直流网络的有功功率平衡换流器，其它v s c 则可在其自身容量允许的 范围内任意设定有功功率。与有源交流网络连接时，v s c h v d c 中电压源换流 器可以选择的控制方式有以下四种： ( 1 ) 定直流电压蝴，交流无功功率q s 控制； ( 2 ) 定直流电压粕，交流母线电压弧控制； ( 3 ) 定交流有功功率p s ，交流无功功率绕控制； ( 4 ) 定交流有功功率p s ，交流母线电压魄控制。 第3 章基于电压源型换流器的h v d c 暂态稳定分析 第3 章基于电压源型换流器的h v d c 暂态稳定分析 本章主要分析新型直流输电系统如何解决在受到大扰动情况下的稳定性问 题，并与传统直流输电相比较，说明新型直流输电系统的优越性。 传统h v d c 对暂态稳定影响和h v d c 的运行方式，如控制方式，电压，电 流，功率等有关，同时与交流系统本身运行方式有关，例如丰水期，枯水期以 及机组数量，网络结构多种因素有关。传统直流输电与交流系统的相互影响体 现在以下几个方面： 1 传统直流输电对交流系统电压稳定性影响 h v d c 由于安装较大的换流电抗器的原因，直流两侧均消耗一定无功，所 以必须装无功补偿设备，由于换流站消耗的无功随运行方式的改变而改变，轻 载时候消耗q 少，如果无功补偿设备不能够根据运行状况自动调节，则换流站 在轻载的时候可能出现多余的无功功率，这些无功将注入到交流系统中，引起 换流站交流侧电压升高，反之下降，甚至造成交流电压稳定性的破坏。 针对以上缺陷，传统h v d c 有以下两种方式改善以上状况： a 加装具有自动调节功能的无功补偿设备 如：a s v c ( a d v a n c e ds t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) ，s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r s ) 等，这类自动无功调节装置能够根据系统状况在一定范围内，发 出或者吸收无功。 b 通过换流站的控制方法进行改善 传统h v d c 有以下几种基本运行控制方式：定直流电压、定关断越前角r ， 定功率、定电流方式。下面依次分析这几种方式的不同作用【l 9 j 。 定直流电压方式：能起到抑制电压振荡的作用，如果逆变侧交流电压上升， 由于采用定电压方式，系统将，增大以保持电压稳定，导致吸收无功增大，引 起交流电压下降，这样起到稳定电压和抑制电压振荡作用。这种方式适用于交 流系统等值( 短路) 阻抗较大( 弱系统) 的场合，有利于提高换流站交流电压 的稳定性。 定关断越前角r 方式：不能起到抑制电压振荡的作用，假定逆变器交流侧 电压升高后，控制器将减小触发越前角p 以保证关断越前角，不变，从而导 致触发越前角，减小，导致逆变器消耗的无功功率进一步减少，结果反使交流 第3 章基于电压源型换流器的h v d c 暂态稳定分析 电压进一步上升，形成正反馈，导致电压稳定性的破坏。 定功率方式：不利于起到抑制电压振荡的作用，交流电压下降引起直流电 压下降，由于采用定功率控制方式，所以会引起直流电流上升，进一步导致交 流电流上升，引起交流电压进一步下降。 定电流方式：自动保持电流为定值，可以改善直流输电运行性能，同时可 以限制过电流和防止换流器过载，是直流输电系统基本的调节方式。 2 单双极性闭锁引起的频率及电压变化 整流侧极闭锁相当于突甩负荷，逆变侧极闭锁相当于切机。当直流系统闭 锁后，由于原动机调节过慢，且有死区，这会造成系统中暂时的功率不平衡， 引起频率振荡。另外对于水轮机来说有反调，容易引起频率振荡。振荡的幅度 和直流传输容量相对于电网的容量比例有关，一般而言，所占的比例越小，振 荡幅度越小。 3 h v d c 故障电流对交流系统的影响 由于h v d c 的故障电流能够持续一段时间，但换流阀可以快速关断1 0 m s ， 所以故障电流对交流系统而言，感觉不明显。 4 直流功率调制改善稳定性 直流功率调制分为有功调制和无功调制。其中： 有功调制：调制信号取与直流线路并联的交流线路的有功功率增量p 。； 无功调制：调制信号取换流站的无功电流增量i a ； 另外也可以取频率差，相角差等为辅助信号，设计类似于p s s 。 研究表明：直流调制设计合理，可以有效改善交直流并联电力系统的稳定 性，抑制系统中发生的低频振荡，提高交流输电线路的功率极限。比如美国太 平洋直流联络线的采用功率调制后，传输功率从2 1 0 万k w 提高到2 5 0 万k w 。 5 紧急功率支援 由于直流输电线路具有一定的过负载能力，交直流线路之间，或者直流线 路之间能够进行紧急功率支援，则必然能够提高系统的安全稳定性。例如南方 电网天广直流紧急功率提升对贵广直流双极闭锁时保持系统的稳定性具有非常 好的效果，紧急功率提升6 0 万k w 就可以使贵州侧少切机组6 0 万k w 。 6 对系统潮流影响 h v d c 实际上也可以考虑为一种电流或者负荷，尸q 大小可以改变受端系统 的潮流分布。 1 4 第3 章基于电压源型换流器的h v d c 暂态稳定分析 传统直流输电系统除了自身独立控制之外，在某些情况下，例如：在系统 短路容量比较小时，交流系统事故的情况下，若换流装置停止运行会发生过电 压、高谐波不稳定、发电机轴扭振、换流失败以及产生的交流系统的过渡稳定 性下降等问题。 在基于电压源型换流器的直流输电系统中，其换流站主要有3 种基本控制 方式：定直流电压控制，这种控制方式控制直流母线电压和输送到交流侧的 无功功率；定直流电流( 或功率) 控制，这种控制方式控制直流电流( 或功 率) 和输送到交流侧的无功功率；定交流电压控制，这种控制方式只控制交 流母线电压一个量。其中方式适用于与有源交流网络相联的情况，方式 适用于给无源网络供电的情况。对于一个基于v s c 的直流输电系统，需有一端 采用定直流电压控制，另一端是采用定直流电流控制还是定交流电压控制则取 决于所联的是有源交流网络还是无源交流网络。 3 1 含v s c i - i v d c 的电力系统暂态稳定分析 最初，电力系统基本上是由发电机、励磁机、原动机及调速器等构成的发 电系统，交流输电线路构成的电能输送网络，以及消耗电能的用电负荷等部分 组成。随着电力电子器件的发展，传统h v d c 的应用为电能的输送提供了新的 方式，s t a t c o m ，u p f c 等f a c t s 装置在交流电网中的相继投入，则提高了交 流电网的可控性、运行灵活性以及可靠性。 发电机、输电网络、负荷、传统h v d c 以及f a c t s 等装置相互联接的示意 图如图3 1 所示f 3 j 。 羹j l 薯副 蠢 勇 l 麓丑茎囊廑堪 i q ；珥，筋霹黼托柏勰摹舜黻毳麟麓 图3 1 电力系统联接示意图 在分析这样一个具有多变量、强非线性特征的典型大系统暂态稳定性时， 发电机定子侧与交流网络相一致采用准稳态模型，转子侧则依据分析的精度要 第3 章基于电压源型换流器的h v d c 暂态稳定分析 求，采用不同的数学模型，发电机d q 0 坐标系下的电量经坐标转换与交流网络 x y 同步坐标系下的电量进行接! e l l 3 1 ；传统h v d c 中换流器采用准稳态模型，直 流输电线路则考虑暂态过渡过程【5 ，6 】；s t a t c o m ，u p f c 等f a c t s 装置的模型 中，计及直流电容充放电等本身动态元件特性的条件下，通过相应的方法与交 流网络中的电量进行接口1 7 j j 。 作为一种新型两端接入交流网络的输电装置，分析v s c h v d c 对系统遭受 大干扰后的暂态稳定性的影响，需要以该装置的暂态稳定分析模型以及相应的 仿真计算方法为基础，本章将对此进行研究。 双端v s c h v d c 的系统结构如图3 2 所示。两端由自关断、全控型电力电 子器件组成的换流桥通过换流变压器与交流母线相连。交流滤波器用于滤除交 流侧的谐波分量，直流侧电容为换流器正常工作提供电压支撑，同时起到缓冲 桥臂关断时的冲击电流和减少直流侧谐波的作用。有功功率则通过连接两端换 流桥的直流输电系统传输。从与交流系统的联接方式上看，v s c h v d c 可被视 为一种并联一并联组合型f a c t s 设备。 交流电力网络 交流电力网络 v s c l v s c 2 图3 2 双端v s c - h v d c 系统结构图 图3 3 为v s c - h v d c 换流器稳态运行时的基波相量图，图中乩、j 分别为交流母线电压相量、换流器出1 ：3 电压的基频相量以及两电压之间的相角 差。从图中可以看出，通过对p w m 调制比m 以及移相角度占的调节，v s c 幅 值和相位均可控的出口电压基频分量u c 与交流母线电压u s 共同作用于换流变 压器的阻抗上，形成了v s c 交流侧电流。通过幅值与相位的调整即可改 1 6 第3 章基于电压源型换流器的h v d c 暂态稳定分析 变电流相对于u s 的相位，即改变交流侧的功率因数角西，实现v s c 与交流 系统间交换有功功率西和无功功率缈大小和方向的控制。 q 习仁4 、 。， n ( a ) p s o ，q s o 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8 0 时， v s c 吸收无功功率；u s u cc o s 万 0 时，v s c 发出无功功率。所以，通过控制 的大小就可以控制v s c 发出或吸收的无功功率及其大小。可见，v s c 不仅能 提高功率因数，而且还能起到s t a t c o m 的作用，动态补偿交流母线的无功功 率，稳定交流母线电压