柔性直流输电.pdf

柔性直流输电柔性直流输电 传统直流输电传统直流输电 传统HVDC以晶闸管 为换流元件 采用 相控换流技术 以 交流母线线电压过 零点为基准 通过 顺序发出的触发脉 冲 形成一定顺序 的硅阀的通与断 从而实现交流电与 直流电的相互转换 传统HVDC以晶闸管 为换流元件 采用 相控换流技术 以 交流母线线电压过 零点为基准 通过 顺序发出的触发脉 冲 形成一定顺序 的硅阀的通与断 从而实现交流电与 直流电的相互转换 轻型直流输电轻型直流输电 最早加拿大学者于最早加拿大学者于1990年提出 年提出 ABB命名命名HVDC Light 谐波大为减弱 无功补偿容量减少 不会出现换相失败故障 谐波大为减弱 无功补偿容量减少 不会出现换相失败故障 HVDCHVDC和和HVDC LightHVDC Light比较比较 有没有海上操作经验 20年操作经验 1 6 0 8 变换器一般损耗 无最小要求 影响效率5 10 额定功率 20 最低直流潮流 不需要需要负荷侧电源 能不能无中断潮流反转 不需要 2倍额定功率交流端短路能力要求 有没有 黑启动 功能 能不能故障穿越 范围大范围小电压控制 能连续控制不能无功控制 能能有功控制 聚合物电缆 2大型纸浸渍电缆 3电缆类型 14 6相对体积 自换相电网电压换相半导体技术 50 550MW150 1500MW单变换器容量 应用工程应用工程 Gotland 1999 50MW 30MVar 70km 80kV 风力发电 Directlink 2000 3 60MW 75MVar 59km 80kV 电力交易 Murrylink 2002 200MW 140 150MVar 180km 150kV 电力交易 Estlink 2006 350MW 125MVar 105km 150kV 异步系统互联 TrollA 2005 40MW 67km 60kV 海上平台供电 Tjareborg 2000 7 2MW 3 4MVar 4 3km 9kV 风力发电示范工程 Cross Sound 2002 330MW 75MVar 40km 150kV 电力交易 Hellsjon 1997 3MW 3MVar 10km 10kV 试验工程 Eagle Pass 2000 36MW 36MVar 背靠背 15 9kV 电力交易 NORDE ON 1 2009 400MW 203km 150kV 海上风力发电 Valhall 2010 78MW 292km 150kV 海上平台供电 Caprivi Link 2009 300MW 970km 350kV 电力交易 关于命名关于命名 CIGRE和IEEE 将其正式称为 VSC HVDC 即 电 压源变流器直流输电 ABB称为轻型直流输电 HVDC Light 并作为商 标注册 最大输送容量1200MW 电压 320kV 西门子公司则称之为HVDC Plus 随着可关断器件和控制技术的发展 在不远的将来 VSC HVDC技术与传统的CSC LCC HVDC技术 之间必将形成相抗衡的局面 甚至取代CSC LCC HVDC的可能 2006年5月 国家电网公司科技部和中国电力科学研 究院组织国内权威专家在北京召开 柔性 轻型 直 流输电系统关键技术研究框架 研讨会 在会上 与 会专家一致建议国内将该技术暂时统一命名为 柔性 直流输电 对应英文为HVDC Flexible 换流站结构换流站结构 VSC 桥臂由IGBT 和DIODE组成 通 常用元件串并联 多电平 单元串并 联 直流电容 储能元件 缓冲开断冲击 电流 减少直流电压谐波 为受端提 供电压支撑 缓解电压闪变 影响控 制系统动态相应 极接有直流滤波器 处理电压纹波 另有0序电抗器 和滤波器一起减缓 对直流电缆附近的金属电话线的干扰 直流电缆 新型的三层聚合 材料挤压的单极性电缆 高 强度 环保 方便掩埋 适 于深海传输 重量轻 功率 密度大 换流电抗器 对换流器输出的PWM电 压进行低通滤波 确保 输出基频电压信号 同 时为变换器输出和变压 器之间提供阻抗 换流变压器 将交流 电压变换到与直流侧 电压匹配的二次侧电 压 确保调制度不至 于过小 以减小输出 电压和电流的谐波量 进而减小交流滤波 的容量和换流器损耗 交流滤波器 由于开关频率较高 从换流电抗器输出含有很少的 低次谐波 但其总的谐波畸变率不能达到相关的谐波标准 对此 通常是在换流母线处安装交流滤波器加以抑制 容量和参数选 择与换流器拓扑结构 开关频率及其调制方式等因素有关 换流器和电网之间传输有功功率P和无功功率Q sin X VU P s X VUU Q ss cos V 换流器输出基波 Us 交流基波 V和Us的相角差 X 换流电抗器电抗 当P和Q的合成值在圆环以内时 换流器 在四个相限内能发出理想的P和Q P在两端之间传递 losscc ppp 21 两端的Q的调节是完全独立的 操作范围受到电流和电压的限制 因为功率器件耐压能力的限制 变换器输出电压达不到理想值 功 率的操作范围就会如虚线所示 阀阀阀阀 为了提高换流器容量和桥臂的耐压水平 通 常采用桥臂开关器件的串并联来实现 由于 采用IGBT等全控型开关器件 要求在同一桥 臂上各个开关器件的开通和关断必须保持同 步 所以对触发脉冲的同步和各器件间的均 压电路等都提出极高的要求 为了保证可靠 性 串联电路采用冗余控制 故障的IGBT通 常短路 不会影响其它IGBT工作 阀控制最主要是IGBT的均压 如果仅使用RC 缓冲器 则RC缓冲器的电容和开关元件的损 耗会加大 还必须加入定时调节电路来调节 不同IGBT和门极驱动信号初始的时间差 为了提高换流器容量和桥臂的耐压水平 通 常采用桥臂开关器件的串并联来实现 由于 采用IGBT等全控型开关器件 要求在同一桥 臂上各个开关器件的开通和关断必须保持同 步 所以对触发脉冲的同步和各器件间的均 压电路等都提出极高的要求 为了保证可靠 性 串联电路采用冗余控制 故障的IGBT通 常短路 不会影响其它IGBT工作 阀控制最主要是IGBT的均压 如果仅使用RC 缓冲器 则RC缓冲器的电容和开关元件的损 耗会加大 还必须加入定时调节电路来调节 不同IGBT和门极驱动信号初始的时间差 通常 脉冲的传输由光纤完成 定时调节电 路由FPGA芯片形成 按40ns的倍数调节光纤 传输的时间延迟 目的是减少因IGBT本身特 性引起的时间延迟 定时调节电路在测试 IGBT开关时进行调试 通常 脉冲的传输由光纤完成 定时调节电 路由FPGA芯片形成 按40ns的倍数调节光纤 传输的时间延迟 目的是减少因IGBT本身特 性引起的时间延迟 定时调节电路在测试 IGBT开关时进行调试 两电平电路工作原理两电平电路工作原理 VSC单相结构上下桥臂的开关器 件由正弦调制波与三角载波比较 产生的触发脉冲来驱动 上下桥 臂的开关管在脉冲驱动下 实现 高频开通和关断 桥臂中点电压 单相结构上下桥臂的开关器 件由正弦调制波与三角载波比较 产生的触发脉冲来驱动 上下桥 臂的开关管在脉冲驱动下 实现 高频开通和关断 桥臂中点电压 uc则在两个固定电压则在两个固定电压 ud和和 ud 之间快速切换 经过电抗器滤波 后则为网侧的交流电压 之间快速切换 经过电抗器滤波 后则为网侧的交流电压us 优点 电路简单 直流电容较小 占地面积小 器件开关频率一 致 缺点 开关器件承受电压较高 输出波形较差 优点 电路简单 直流电容较小 占地面积小 器件开关频率一 致 缺点 开关器件承受电压较高 输出波形较差 L ua ub uc C C valve NPCNPC多电平工作原理多电平工作原理 在相同直流电压下 其开关器件 所承受的电压减小一半 并减少 了换流器输出的谐波量 换流器 所用器件的个数增加 电路结构 和开关调制算法也随之更为复杂 二电平变流器输出线电压供有 在相同直流电压下 其开关器件 所承受的电压减小一半 并减少 了换流器输出的谐波量 换流器 所用器件的个数增加 电路结构 和开关调制算法也随之更为复杂 二电平变流器输出线电压供有 Ud 0三个电平 三电平变流 器供有 三个电平 三电平变流 器供有 Ud Ud 2 0五 个电平 优点 直流电容小 占地面积小 波形较好 缺点 电容电压难恒定 电路复 杂 二极管增加较多 功率器件 开关不一致 五 个电平 优点 直流电容小 占地面积小 波形较好 缺点 电容电压难恒定 电路复 杂 二极管增加较多 功率器件 开关不一致 L ua ub uc valve 多电平优势多电平优势 多电平变换器被关注的还有 随 着电平数量的增加 环路中的杂 散电感会大量增加 同时导致寄 生电容的明显增加 这些又会带 来开关损耗的增大 对于飞跨电 容型变换器 如果将多个直流电 容并联 环路中杂散电感将大大 减小 对于二极管钳位型变换 器 在阀换向的过程中 只有一 半直流电容的杂散电感起作用 对于变换器的高频滤波器和连接 电网的滤波器 电平数多的明显 低于电平数少的 由于PWM的 应用 滤波器所需容量减少 低 于变换器额定容量的20 1150OPWM 两电平 2006Estlink 1260 1350 3PWM SPWM 三电平 2002 Cross Sound Murrylink 1950SPWM 两电平 1999 2000 2000 Gotland Tjaereborg Directlink 频率 Hz 模式拓扑时间项目名称 接线方式接线方式 方式 1 能方便隔离零序分量的 通路 可利用调节变压器分接头来 改变直流输电系统的功率输送能力 变压器连接系统侧采用星形接法 靠近换流器侧则采用三角形接法 主要优势是 一 减少系统谐波分 量和直流分量 二 为减少开关损 耗和提高换流器的功率输送能力 换流站的开关调制需要采用不同的 零序分量注入方法 如变压器二次 侧采用三角形接法后 可以避免零 序 分 量 对 交 流 系 统 的 影 响 方式 2 由于换流站经电抗器与 交流系统连接 直流侧电容不能接 地 否 则 会 构 成 零 序 量 回 路 方式 3 两侧VSC都通过电抗器 与交流系统相连 其直流侧也不能 接地 为消除交流系统中的零序分 量影响换流站侧的交流系统 在换 流站侧交流系统加装零序量滤波器 容量改善措施容量改善措施 换流站由多个两电平换 流器并联组成 提高了 输出电流的大小 桥臂 器件所承受的电压都是 一样的 当采用载波移 相开关调制策略时 提 高了等效开关频率 大 大减小换流器的输出谐 波 连接变压器只起电 气藕合的作用 换流器单元串联提升整 个容量 减小了开关器 件的电压应力 控制策略控制策略 间接电流控制 通过控 制VSC交流侧电压幅值 和相位 进而控制交流 电流 直接电流控制 采用电 流反馈和电压前馈补偿 等环节 直接控制换流 电抗器的电流 动态响 应快 限流等控制性能 好 内环电流控制器 外环 控制 无功功率 有功 功率 直流电压 交流 电压等 基本控制策略基本控制策略基本控制策略基本控制策略 内环解耦控制 外环控制 直流电压控制 有功功率 无功功率 交流电压 外环控制的输出作为电流参考值输入内环电流控制器 为保证控制的精度 还 可加入反馈和积分控制 同时为加快速度 可加入前馈控制 因为每个变流器 的控制量有两个 能同时控制的目标也只有两个 P Rl Ll0 5 P Rl Ll0 5 ld U lq U ldref i ld i lqref i lq i ldref U lqref U 2 kikikkiki L kRikEku ddrefpqqrefdddref ti dt d LtLitRitEtu dqddd ti dt d LtLitRitEtu qdqqq 2 kikikkiki L kRikEku qqrefpddrefqqqref 2 R T L kk s pfp tititu dt d C lcdc ki ku kikE kuku T C l dc qrefq dcdcref s ki kE ku kuku T C kE ku kki l q dc dcdcref sq dc dcpfqref q ref qref E p i q ref dref E Q i lql ldref uX v i 控制重点控制重点 与传统的直流输电相比 VSC HVDC的另外一个 显著特点是 在连接两个独立的交流系统时 一 侧交流系统发生故障并不会影响到另一侧交流系 统和换流器的工作 通过控制系统的设计 不仅能 够保证系统在正常工况下的良好表现 还应在交 流系统出现故障时能正常工作 控制的难点是如 何抑制暂态中出现的过电流和过电压问题 如果 能够解决过电流和过电压 则在交流系统发生单 相故障或远端三相故障时 VSC HVDC系统仍能 传输一定的有功功率 VSC HVDC的另一个优点 是 通过对交流端电压的快速控制 可以在不用 增加短路容量的情况下加强交流网络的强度 开关模式开关模式 开 关 模 式 S P W M S V P W M O P W M OPWM通过导通角的控制 来减少输出波形中的谐波 含量 从理论上说 选择 前1 4周期的N个触发 角 就能1 N次波形幅值 令V1 Vref 参考值 Vk 0 k 2 N 代入上 式可得N次方程组 解方 程 可 得 1 N N i i i k k k E V 1 cos 1 21 4 保护系统保护系统保护系统保护系统 优先级别 器件级 装置级和系统级 内部故障和外部故障 外部故障发生在直流输电线 上 若是电缆 故障将会是永久性的 系统应该闭锁 如果是架空线 故障应该是暂时的 为了防止故障通 过VSC站的反并联二极管馈入 必须使所有末端交流 电路断路器或者直流断路器跳闸 如果是内部故障 VSC必须隔离任何故障元件并且迅速地把VSC HVDC系统从运行中闭锁 内部故障可能是短路或者 是非正常运行 将导致设备的损坏或者干扰交流系统 的有效运行 外部暂态故障清除后 VSC HVDC能够手动或自动重 启 对于非永久性故障 VSC HVDC 系统不应该跳 闸 这是针对风力发电保护的基本要求 VSC中 对门极单元的保护可以在几纳秒内动作 根 据电容和电抗器电流整定的备用保护可以在3微秒内 动作 谐波谐波谐波谐波 VSC运行时 同时在其直流侧和交流侧产生谐波 它的影响能够传播很远的距离 当发生系统电压 不平衡或交流系统不对称故障时 直流侧和交流 侧都将产生大量的非特征谐波 这些谐波将使系 统产生过电压和过电流 治理谐波的措施有 PWM 多脉冲 多电平 滤波器 控制 系统抑制 以上技术的综合 VSC结合了可关断器件和PWM 特征谐波为高次 谐波 谐波含量相对很小 因此小容量的高通滤 波器接于公共连接点 就能使系统电压满足谐波 水平要求 VSC HVDC系统交直流侧的谐波理论 计算 仿真分析和优化设计 可以为交直流侧滤 波系统 PWM 控制的设计及其优化 噪音和无 线电干扰的降低 提供相应的理论基础 电磁干扰电磁干扰电磁干扰电磁干扰 电力系统的辐射和低压设备完全不同 主要原因 因为电晕和电弧 金属部件受高压辐射而激发 变电站安装尺寸很大 对高压设备的无线电干扰的标准覆盖全频域 因为高频电流的流动 HVDC设备的辐射不仅有阀 还包括连接母线 所以干扰源应该是整个设备 功率元件的换向产生高频电流进入导线和地 这个电 流环乘以环的面积决定了干扰源的强度 即使电流很 小 干扰也可能很强 对于VSC HVDC这种采用自换 向的电路 快速的换向过程可能使杂散电感和电容共 振 共振频率可达到10MHz 高频电流干扰的对应措 施是高频滤波器 损耗分析损耗分析损耗分析损耗分析 VSC HVDC应用于大容量传输的主要障碍是相对较高的功率损 耗 包括IGB T 滤波器和换流变压器的损耗 其中IGBT的损 耗分析最为重要 VSC HVDC损耗的决定因素包括VSC的拓扑 结构 IGBT的开关频率 直流侧电压等 两电平结构电路简单 就必须加大开关频率 开关损耗随之增 加 为减小开关损耗 就必须增加电平数目 但电路的复杂性 增加 为减小损耗 传统的保护IGBT的缓冲电路不会被使用 IGBT损耗包括 通态损耗 开通损耗 关断损耗 通态 损耗取决于IGBT中的有效电流和功率因数 由IGBT的固定前 向电压降和IGBT的导通电阻引起 开通损耗和关断损耗则由每 个开关状态的电压和电流 开关频率以及IGBT的开通和关断时 的特性决定 反并联的二极管开通损耗可以忽略 而关断损耗 由二极管恢复引起 所以不能忽略 VSC HVDC 的换流器是一个非线性 强耦合系统 而换流器的 损耗分析与系统诸多因素有关 损耗分析是一项既有意义也具挑 战性的工作 对电网作用对电网作用 传统 黑启动 用柴油机需要定期测试和检查 而VSC HVDC不需要 柴油机在欠励磁或过励磁时会产生电压不稳 而VSC HVDC能直接控 制输出电压 VSC HVDC能快速控制频率 可以保证发电机完全进入 稳定状态 VSC HVDC能够逐步激发变压器等设备 不会产生过大的 激磁电流 如果VSC HVDC连接在两个电网之间 则中间区域不会产生低频振 荡 通过阻尼控制器 VSC HVDC可以缓解电网中间区域的低频振荡 VSC HVDC无功功率还利于交流电压稳定 在风电场的VSC HVDC输电系统中 电网的瞬间频率由通讯传输到 风电场侧换流器 由于换流器输出完全可控 所以对频率的反应几乎 没有延时 对于电网侧换流器 电压降低意味着传输功率会按比例降 低 整流侧换流器因为输出功率降低 会导致风电场总线电压过高 使换流器或风机脱扣 解决方法 快速降低风机输出功率 斩波器释 放多余功率 EstlinkEstlink工程工程 1995年设 想 1998年可行 性研究 2005年4月 签订合同 2006年10 月投入使 用 项目目的为 电力交易 22km 9km 74km submarine EstlinkEstlink示意图示意图 EstlinkEstlink换流站构造换流站构造 EstlinkEstlink控制系统控制系统 控制和保护系统为全数字化 全集成化的MACH2 控 制和保护完全独立 全冗余 系统包括当地操作者工作站 暂态故障记录器 事件记 录器和遥控途径 每个换流站都可由两端操控 黑启动 变压器设有辅助绕组为换流站自供电 如果 电网中断 换流站与电网脱扣 由另一端换流站供电 电网恢复从空载开始 电压和频率由换流器确定 接入 交流网络 再把负载逐步接进网络 恢复过程由电网操作者控制 HVDC Light为指定的功 率单元提供辅助功率 当功率单元启动后 就可以将更 多的发电系统联入 当网络有足够的发电供给后 换流 器就由频率 电压控制转入正常的功率 电压控制 研究现状研究现状 VSC HVDC工程涉及电力系统 材料 控制等学科 国内关于VSC HVDC 技术的研究开始比较晚 浙江 大学 华北电力大学 中国电力科学研究院 华中科 技大学等单位已经开展了这方面的基础理论研究 主 要集中在VSC HVDC的建模仿真 VSC HVDC 的 控制和保护策略等 国际上的研究热点包括如何提高VSC HVDC 的容量 降低损耗和造价 如何提高VSC HVDC 的安全可靠 性 以及对交流电网的支持 与交流电网相互作用和 交流系统故障下的保护控制等 由于目前国内还未有相关工程实践经验 因此要充分 调研国外VSC HVDC技术的研究成果和相关工程经 验 对其关键技术进行重点研究 动态建模 动态建模 1 1 VSC HVDC在很多仿真软件中没有详细的模型 稳态软 件主要用相位模型 可以仿真电压稳定性 长期动态 暂 态相位稳定性 但不能仿真电磁暂态和谐波 因为用相位 的方法会丢失非基频的信息 电磁暂态软件需要详细的更 高阶模型 这样的模型需要详细的信息 短的积分步长 移植性 较差 建模是细节程度 建模的难度 仿真速度 信息获取量的中和 例如 当谐波和电磁暂态为研究目标 时 锁相环 PWM等信息就必须建入模型 VSC HVDC 技术的发展需要在模型中加入新的特点 导通角的优化控 制以及相应的算法 为上平台供电以及 黑启动 操作模式 能够加入新应用的鲁棒性强的模型平台 VSC HVDC的建模至少包含 负载电流 损耗 动态表 现 短路电流 模型焦点集中在动态表现 负载电流分析 用于获得动态的初始点 损耗对动态表现没有太大影响 短路电流让使用者根据计算决定是否要断开变换器 动态建模 动态建模 2 2 建立一个通