柔性直流输电.doc

南京工程学院远距离输电技术概论 班级： 输电112 学号： 206110618 姓名： 钱中华 2014年12月10日14目录0.引言31.研究与应用现状42.原理43.特点54.关键技术65.发展趋势76.小结9柔性直流输电技术0. 引言随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程，详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。1.研究与应用现状自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。其先研究主要发展有一下几项基本技术：1.高压大容量电压源变流器技术 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。图1 模块化多电平变流器拓扑示意图2.混合多电平技术（Hybrid Multilevel Technology, HMT） 另一种可被应用于柔性直流输电系统的变流器叫混合多电平变流器。该技术将开关器件和半桥或全桥构成的多电平单元组合构成一种新的变流器拓扑；由多电平单元产生电压波形，再由串联的开关器件将电压波形接入交流或直流网络。混合多电平变流器的一种典型的电路拓扑如图 2 所示，每一相由 IGBT 与多电平单元串联构成桥臂。该拓扑可以实现串联 IGBT 的零电压动作，同时多电平单元可以降低串联 IGBT的电压应力，从而减少 IGBT 的串联个数。图2 混合多电平变流器拓扑示意图3.两电平级联型变流器（Cascaded Two-Level Converter, CSL） 两电平级联型变流器的原理和模块化多电平变流器类似，使用另一个名称是为了强调换流阀中使用了串联压接式 IGBT。两电平级联型变流器利用 IGBT 压接技术将两电平电压源型变流器扩展到级联型多电平变流器。典型的拓扑如图 3 所示，每相拓扑分为两个桥臂，分别与直流母线的正负极相连。每个桥臂由多个两电平单元构成，每个单元可独立控制以产生需要的交流基波电压，实现对有功功率和无功功率的输出控制。图3两电平级联型变流器4大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术 实时数字仿真系统已广泛应用于传统超高压系统的在线仿真研究，这类数字仿真系统硬件通常采用基于共享存储器的多 CPU 并行计算机，核心程序包含丰富的电力系统及控制系统元器件模型。以 RTDS 为例，其仿真步长为20-70微秒，包含的数据转换软件能将PSS/E和EMTDC格式的数据和模型转化为RSCAD格式，可实时仿真大型交直流混合系统的电磁和机电暂态现象。 但对基于 MMC 的柔性直流输电系统来说，由于其变流器由数百甚至数千个独立控制的电压源子模块组成，在运行过程中，每个子模块的投切都是随机的，难以对其出口特性进行等值，且求解等值网络变量的导纳矩阵规模过大,精度难以保证。此外，变流器每个子模块与阀基控制设备之间通过独立的光纤进行通信，信道多、数据量大，难以通过现有的仿真接口进行转换，因此需要开发新的仿真系统。 在此背景下，中国电力科学研究院开发了双站多电平 MMC-HVDC 系统的动模仿真平台的研究。该系统可用于精确验证具有较多电平数(40 以上)换流阀的 MMC-HVDC 系统及控制保护平台设计，从而检验工程的主电路参数设计、控制器性能和交直流系统的动态特性。动模仿真平台主要由换流站交直流场(包括换流变压器、交直流开关场)、多电平电压源变流器、交直流线路数模转换接口、阀基控制器 VBC 等组成。 动模仿真平台的创新有：以弱功率电子器件实现了对大功率 MMC 子模块的模拟，具有优良的外特性和控制性能； 首次实现了 49 电平调制的模块化多电平变流器； 实现了对 VBC和 PCP的实时闭环在线验证； 实现了对电压电流平衡控制算法的验证；实现了对启停控制流程、运行方式切换的试验；实现了对直流和交流故障控制保护算法的验证。 基于通过对双端柔性直流输电工程的故障态仿真，得出了相应的试验结果，并与电磁暂态仿真软件PSCAD 的仿真结果进行了对比，证明了该系统为 MMC-HVDC 的动态特性和控制保护平台提供实时在线验证的有效性。5.多端柔性直流输电技术 多端直流输电系统(Multi-Terminal Direct Current，MTDC)是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统，其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活、快捷的输电方式。传统的 MTDC 输电系统采用基于晶闸管的电流源型变流器，其只能依靠电网电压的过零变化换流，只能工作在有源逆变状态，且需要电提供大量的换相所需无功功率，这些固有缺陷大大影响了整个 MTDC 系统的运行性能，降低整个 MTDC 系统的适用范围。图4 三端柔性直流输电系统示意目前国际上关于多端柔性直流输电系统的研究中，不同应用场合下的变流器设计是一个研究热点,包括：建立多端柔性直流系统的动态模型；多种基于坐标变换的控制器设计和仿真验证；在各种应用场合多端柔性直流的仿真精度的提高和仿真时间缩短等方面。 柔性直流输电技术由电压源型变流器构成， 其对交流侧故障的鲁棒性较强； 当发生交流侧永久故障时，多端柔性直流输电系统在设计时一般已满足 N-1 法则，可以通过故障换流站退运，以达到新的稳定运行状态，此时需要注意的是过渡过程中直流线路的过压抑制。当故障发生在直流侧则有很大不同，由于 IGBT反并联二极管的续流作用，会对换流阀产生很大的冲击。 国内学者对多端柔性直流输电技术的研究主要集中在系统控制保护策略设计及其仿真验证等方面。与国际先进水平相比，我国对多端柔性直流输电技术的研究尚存在较大差距。一方面，研究内容不够全面；另一方面，已有研究开展不够深入。目前的研究成果鲜有从基本数学模型入手，以建立多端柔性直流输电各子系统模型及整体模型为基础，系统地讨论控制器结构及设计思路。而对柔性直流输电保护技术的研究一般都是基于双端系统，以稳定运行时离散控制器为基础，通过设计双序电流控制器，实现柔性直流换流站在交流侧暂态故障期间的持续运行，然而对直流侧故障时多端柔性直流系统的运行特性的研究并不多见。 多端柔性直流输电技术的研究可以参照双端系统已有成果，在此基础上建立基于不同变流器技术下多端网络的等效数学模型；对比分析不同控制策略下各换流站外特性；设计满足系统稳定运行的多端柔性直流输电系统协调控制策略； 系统地研究多端柔性直流输电系统交直流侧故障特性以及相应保护动作机制。柔性直流输电技术的应用截至 2011 年 8 月，世界上已经投运的柔性直流输电工程共有 13 条，仅 2011 年就已投运 3 条，在建柔性直流输电工程 12 条。而目前在的柔性直流输电工程最大工程输送容量已达到 2000MW，总输送容量超过 10000MW，相当于前十几年已建工程容量的 4 倍多，这些工程均显示了发达国家对于柔性直流输电在可再生能源利用和智能电网发展中所起作用的重视。 1国外应用规划 欧洲的多个国家都已经建设和规划了大量的海上风电场，其容量都在数百兆瓦等级，并且已经有部分使用了柔性直流输电技术实现系统的接入。英国国家电网输电公共有限公司（NGET plc）规划到 2025 年建设柔性直流近 50 条，以鼓励和促进新能源的发展。目前德国在建用于海上风电接入的柔性直流输电项目共 4 项，总容量约 2600MW。北欧地区规划到 2030 年通过多端柔性直流（MTDC）实现海上风电的接入，柔性直流输电被认为是最适合的实现手段。图 5 英国柔性直流规划 图6 北欧地区海上直流线路规划美国电科院（EPRI）也推出了其智能电网的发展规划蓝图，在未来 20年，美国计划建设 60 多条柔性直流输电线路。图 7 美国地区发展规划2国内应用规划 截止 2010 年我国风电装机容量超过 3000 万千瓦，预计 2020 年将突破 1.5 亿千瓦。这些风能资源集中度高，并且很多都远离负荷中心，需要使用先进的输电技术进行并网接入和电力传输。柔性直流输电技术以其显著的技术特点和优势必将取得越来越广泛的关注，市场应用前景极其广阔。 2.1 城市供电应用 国家电网公司规划了用于大型城市供电的300kV/500MW 柔性直流输电工程，用来提升大连城市电网的供电可靠性与供电质量，保障大连城市用电的安全。大连工程的建成将成为世界范围内最大容量的城市供电柔性直流输电工程，目前已完成工程的可行性研究与工程设计方案。图8 大连城市供电柔性直流输电工程初步设计2.2 岛屿供电应用 国家电网公司启动了“柔性直流海岛联网关键技术与示范工程前期研究”，以提高舟山岛屿的风电接入能力和海岛供电的可靠性，有效保障海岛居民的用电质量和生活水平。此工程将成为世界范围内第一个多端柔性直流输电工程。图9 舟山海岛互联柔性直流输电工程接入方案 表1舟山海岛互联柔性直流输电工程初步设计2.3 可再生能源接入为了更好的解决海上/陆地风电场发电并网带来的电网安全稳定运行及电能质量等问题， 以江苏、 山东、浙江、福建等海上和岛屿风电场及内蒙、甘肃等陆地风电场的集中式并网技术为研究方向，以百兆瓦和千兆瓦级海上/陆地风电场柔性直流并网工程为重点，全力助推我国经济社会的绿色、环保、可持续发展。 300kV换流站布局 阀厅 图10 高压大容量柔性直流输电换流站建设规划图2.原理 与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，VSC-HVDC是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。下面详细介绍VSC-HVDC的系统结构及其基本工作原理。图11为柔性直流输电系统单线原理图，两端的换流站均采用VSC结构，它由换流站、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。 图11 柔性直流输电单线原理图变压器T：变压器可以采用常规的单相或三相变压器。通常，为了使换流站能够达到最大的有功功功率和无功功率，变压器的二次侧绕组带有分接头开关。通过调节分接头来调节二次侧的基准电压，进而获得最大的有功和无功输送能力。另外，变压器连接交流系统侧的绕组（一次侧）一般采用星形接法，而靠近换流器侧的绕组（二次侧）则采用三角形接法。变压器绕组中基本不含谐波电流分量和直流电流分量；而且这种变压器接法能够防止由调制模式引起的零序分量向交流系统传递。此外，为了向换流站提供辅助交流电源，变压器还可以采用三绕组变压器。除了上述特点外，换流变压器的另一个重要作用是将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，以减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。 换流电抗器L：在电压源换流站中，对应每一相分别安装一个换流电抗器。换流电抗器是电压源换流站的一个关键部分，它是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流器的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时，换流电抗器能抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。因此，对换流电抗器的参数必须进行优化设计。直流侧电容器C：直流侧电容是VSC的直流侧储能元件，它可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。同时，直流侧电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。交流滤波器：与基于晶阐管的传统直流输电系统不同，电压源型直流输电系统采用PWM技术。因此，换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少，又由于换流电抗器对输出电流具有滤波作用，使得电流的谐波能较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。因此，通常要在换流母线处安装适当数量的交流滤波器(接地或不接地)。当然，交流滤波器的容量和参数选择与换流器所采用的拓扑结构、开关频率及其调制方式等因素有关。因此，在选择交流滤波器参数时，要视上述具体情况而定。如前所述，与基于晶闸管的传统直流输电技术不同，柔性直流输电采用电压源型换流器和PWM技术， 其基本工作原理如图5和图6所示。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC上下桥臂的开关管高频开通和关断，则桥臂中点电压uc在两个固定电压+Ud和Ud之间快速切换， uc再经过电抗器滤波后则为网侧的交流电压us。进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为： VSC-HVDC换流器稳态运行时的基波相量图式中：UC为换流器输出电压的基波分量；US为交流母线电压基波分量；为UC和US之间的相角差；X1为换流电抗器的电抗。 由式（1）和式（2）可以得到换流器稳态运行时的基波相量图。由图2.4可知，有功功率的传输主要取决于，无功功率的传输主要取决于UC。因此通过对的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制UC就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。3.特点柔性直流输电技术也称轻型直流输电技术，是以电压源换流器（VSC）、可关断器件和脉宽调制（ PWM）技术为基础的新一代直流输电技术。它在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网方面具有较强的技术优势。VSC HVDC 采用可控关断型电力电子器件和PWM，较之传统直流输电，特点为：（1）vSC 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统HVDC 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC 为远距离的孤立负荷送电成为可能。（2）正常运行时，VSC 可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方便。而传统HVDC 中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。（3）VSC 不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM 的作用，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，如果VSC 容量允许，那么VSC HVDC 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，还能提高系统的电压稳定性。（4）VSC HVDC 系统在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统HVDC 恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端HVDC 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）由于VSC 交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的VSCHVDC 线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。（6） 通常采用PWM 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，从而简化了换流站的结构，并使所需滤波装置的容量也大大减小。（7）块化设计使VSC HVDC 的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，换流站的占地面积仅约同容量下传统直流输电的20%。（8） 换流站间的通讯不是必需的，其控制结构易于实现无人值守。（9） VSC HVDC 的电网故障后快速恢复4.关键技术换流器的主电路拓扑结构是柔性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、IGBT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。在工业驱动领域中，为了提高换流装置的容量，通常采用的方法有：桥臂器件的串并联、换流器的多重化技术以及目前广泛研究的多电平技术等。但从表1所示ABB公司的几个典型工程的相关参数可知，应用于柔性直流输电工程中的换流器拓扑结构突出以下几个特点：拓扑结构简单，主要采用两种结构：两电平结构（如瑞典的Hellsjon工程和美国的Directlink等工程）和三电平结构（如澳大利亚的Murraylink工程、美国墨西哥的 Eagle Pass等），其提升电压等级是采用最直接的桥臂器件串联的方式来实现。开关频率低、可控性好。换流器损耗小。另外，在设计主电路拓扑时，还要充分考虑装置的实现难易程度、造价、运行经济性等因素。因此，理想的大容量换流器主回路拓扑结构应该不仅能够降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率，简化系统主电路拓扑结构，而且还能有效降低控制保护系统和主电路的复杂性、器件的开关损耗，为总体上保证系统的经济性、运行可靠性和有效缓解研发难度奠定良好的基础。 另外，主电路的开关调制方式直接关系到系统运行的可靠性、安全性、性能以及系统设计是否优化等诸多问题。在主电路拓扑结构确定的前提下，选择良好的调制方式能够降低换流器输出的谐波，减少交流滤波器容量，降低器件开关损耗，满足交流系统谐波方面的相应标准等对于柔性直流输电的控制策略，已有较多的相关文献进行了报道，总结起来主要分两类：一类是基于“电压幅值和相位控制”的间接电流控制策略；另一类是基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略。由于直接电流控制策略能够直接控制流过换流电抗器和变压器的电流，具有动态响应快、能实现限流等良好的控制性能，因此ABB公司的应用工程基本采用此种控制策略。基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略原理如图2.5所示。由图2.5可知，其基本结构主要由内环电流控制器、外环功率控制器、触发脉冲生成环节、以及锁相同步和同步坐标变换等环节（图中未标出）构成。对于外环功率控制器，其主要形式有：无功功率控制器、有功功率控制器、直流电压控制器、交流电压控制器等。上述这些控制器也构成了柔性直流输电系统的基本控制方式。然而对于柔性直流输电系统应用于不同的领域，如电网背靠背互联、大容量风电场接入、孤岛供电、多端柔性直流输电的并联运行、柔性直流输电与传统直流输电的混合运行、柔性直流输电与交流线路的混合并联运行等，其具体采用的控制方式也不尽相同。图12 柔性直流输电系统的控制系统示意图在柔性直流输电系统中，两站之间的有功功率控制应该协调一致，其中的一个VSC站采用直流电压控制模式，而另外一个站采用有功控制模式。恒定的直流电压控制可以使两个VSC站间的有功潮流自动保持平衡控制，两站之间不需要通讯。通常，受端站采用直流电压控制模式，而送端站采用有功控制，例如Gotland工程的控制方式就是这样。当然，也允许每个站从有功功率控制模式转变为直流电压控制模式，反之亦然。 两站之间无功功率的控制是完全独立的，所需无功功率可以由交流电压控制或直接无功功率控制来实现。由于换流器容量的限制，在同一个站实现独立有功功率和无功功率控制时，必须限制在一个特定的运行范围 VSC的PQ特性。当使用柔性直流输电连接风力发电场时，通常连接风场的VSC站使用频率控制模式和电压控制模式。另外，当使用柔性直流输电向无源交流网络供电时，通常连接无源交流系统侧的VSC站也使用交流电压控制模式和频率控制模式。5.发展趋势在能源清洁化的新趋势下，风能、太阳能等可再生能源开发已经成为全球关注的重点。我国有着极其丰富的风能资源，实际可开发量达230 GW，主要分布在东南沿海及其岛屿、西北、华北和东北地区。除了少数风能就地消纳外，大部分风能都需要并入主网，实现远距离输送。但由于可再生能源发电具有波动性和间歇性的特点，大规模并网将给系统调峰调频、运行调度、功率预测、供电质量等带来巨大挑战，目前可再生能源的并网接入方案还不够理想，采用常规的交直流输电技术并网还不够经济。而利用柔性直流输电具有环保、效率高、对电网干扰小的优点，为实现可再生能源的可靠接入提供了一种可行的技术选择。近年来我国高度重视柔性直流输电技术的发展，并于2008年启动了“柔性直流输电关键技术研究及示范工程”项目，以“上海南汇风电场柔性直流输电示范工程”等为代表的重大工程项目标志中我国在开发柔性直流输电技术方面所取得的重大突破。52城市电网发展 随着城市社会经济的高速发展，城市电网作为主要负荷中心，负荷密度越来越高，用电负荷量、质的需求不断增加，以交流输电为主的城市电网电能输送面临越来越大的困难和挑战。(1)环境保护和有限的土地资源严重制约了大容量电源的建设。对于大型城市，从外地输入大量