电压源换流器型高压直流输电技术

,1/58,电压源换流器型高压直流输电技术,2010,423,2/58,.5.6.7.,VSC-HVDC的起源电压源换流器常见拓扑结构电压源换流器的应用领域及主要工程VSC-HVDC系统简介VSC-HVDC的运行原理VSC-HVDC的控制方式及仿真验证VSC-HVDC的实验方案,11:19内容摘要,1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和,Grangesberg之间建成首条的工业试验工程。Ph.D.(McGill),3/58,VSC-HVDC起源,1954年，连接Gotland与瑞典大陆之间的世界,上第一条高压直流输电线路建成，标志着HVDC进入了商业化时代。,1990年，加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi等首次提出使用PWM技术控制的VSC进行直流,输电的概念。,从此VSC-HVDC作为一种新兴的输电技术开始,进入大发展的商业应用阶段。,Prof.Boon-TeckOoi,McGillUniversity,11:19,4/58,不同的称谓,ABB公司称之为柔性直流输电（HVDCLight）并作,为商标注册；,Siemens公司将其注册为HVDCPLUS；,国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为VSC-HVDC，即“电压源换流器型高压直,流输电”。,11:19,u1ur,uc,ucf,u0,ucUd0,t,t,+,-,-Ud两电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形5/58,11:19电压源换流器常见拓扑结构,ipp,A,B,C,O,n,udc,iL1udc1,udc2,iL2,VTa3VTa4,VTb1VTb2,VTb3VTb4,VTc1VTc2,VTc3VTc4,in,io,VTa1Uc0VTa2,Us,is,Xf,Ps,Qs,0.31500.32000.32500.33000.33500.34000.34500.3500,0.00-0.50-1.00,1.000.50,_c1,_c2,_aa,1.000.500.00-0.50-1.00_,_,三电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形6/58,11:19电压源换流器常见拓扑结构,590,(),UC01234,Ud,2,ua,SM1SM2,SMn,SM1SM2,SMn,SM1SM2,SMn,SM1SM2SMn,SM1SM2SMn,SM1SM2SMn,+,Ud,SM,T1,T2,D1,D2,Submodule(SM),C,+,-PhaseModule多电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形7/58,11:19电压源换流器常见拓扑结构,8/58,电压源换流器的应用领域,11:19,9/58,11:19,年,率/MW压/kV流电压流/A,投运输送功直流电两侧交直流电线路长,度/km,用途,Hellsjon,1997,3,10,10/10,150,10,工业试验,Gotland,1999,54,80,80/80,350,270风力发电，地下,电缆,Directlink,2000,180,80132/110,342,659电力交易，系统,互联，地下电缆,Tjaerebog,2000,7.2,9,10.5/10.,5,358,24.3风力发电，示范,工程,EaglePass,2000,36,15.9132/1321100,0(B-B)电力交易，系统,互联，电压控制,CrossSound2001Cahle,330,150345/1381175,240电力交易，系统互联，海底电缆,MurrayLink2002,200,150132/22014002180电力交易，系统互联，地下电缆10/58,11:19VSC-HVDC的主要工程,投运输送功直流电两侧交直流电电缆长年率/MW压/kV流电压流/A度/km,用途,TrollA,2005242,60,56/132,400,470绿色环保，,海底电缆,Estlink,2006,350,150400/3301230,272电力交易，,系统互联，地下电缆,Valhall,2010,78,150300/11,-,292,绿色环保，,海底电缆11/58,11:19VSC-HVDC的主要工程,12/58,VSC-HVDC系统简介,换流桥,换流变压器换流电抗器交流滤波器直流电容器直流电缆,控制与保护系统,11:19,13/58,330MW的VSC-HVDC换流站俯视图,11:19VSC-HVDC系统简介,14/58,VSC-HVDC系统简介-换流桥,换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。对于大容量换流器，每臂可能有上百个IGBT级联而成。IGBT旁边都反并联一,个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起续流的作用。,11:19,15/58,VSC-HVDC系统简介-换流变压器,不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的换流变,压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规的单相或三相变压器大体类似。,11:19,16/58,VSC-HVDC系统简介-换流电抗器,换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，决定有,功功率与无功功率的控制性能,作用,滤除换流器所产生的特征谐波，以获得期望的基波电流和基波电压；抑制直流过电流的上升速度。,11:19,17/58,VSC-HVDC系统简介-直流电容器,作用：,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。,11:19,18/58,VSC-HVDC系统简介-直流电容器,11:19,对系统提供部分无功补偿的作用。,VSC-HVDC系统简介交流滤波器,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。换流电抗器的滤波作用使得电流的谐波较容易符合标准。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波，且其总的谐波的谐波标准。故装设小容量滤波器。,作用：滤去交流侧电压谐波分量；,C1,L1,R,L2,C1,C,R,L,(a)二阶高通滤波器,(b)四阶高通滤波器19/58,11:19,20/58,VSC-HVDC系统简介交流滤波器,从交流系统侧看过去，VSC-,HVDC等效为一个谐波电压源(图a)。其中，Lc是换流电抗，Ls是系统等效电抗。图b是h次谐波电压等效网络，使,交流滤波器的h次谐波阻抗近似,为零，则其与交流系统的等效阻抗Xeq便远远小于换流电抗器的阻抗Xc(图c)。,于是，h次谐波电压uh便近乎全部地降落在Xc上，系统所分得的那部分电压就很少。这就是VSC,系统中滤波器的工作原理。,11:19,us,Ls,Lc,Filter,uh,Xs,uc=u1+uhXc,Xf,uh,Xc,XeqXc,(a),(b),(c),VSC-HVDC系统简介交流滤波器中国龙泉换流器站交流滤波器组瑞典5次谐波滤波器36MVar,145kV21/58,11:19,22/58,VSC-HVDC的运行原理,对于VSC-HVDC系统，在稳态分析中作如下假设：,VSC母线的交流电压是三相平衡的正弦波VSC本身的运行是完全平衡的,以VSC的额定容量为基值，换流电抗器的标么值约为0.10.2,VSC联接有源交流网络时的稳态模型如下图所示：,11:19,P,Qc,C,C,R,Ud,LHPF,PsQsUs,PcQcUc0,RX,1R2L2,令XL、Y,、arctan,，由图可知,s,s,c,c,UsUcYsin()U2YsinUsUcYcos()U2YcosUsUcYsin()U2YsinUsUcYcos()U2Ycos,cPsQs,调节Uc和即可控制有功功率和无功功率的大小及流动方向。23/58,11:19VSC-HVDC的运行原理,24/58,可见，对于交流系统而言，VSC可等效于一个端电压幅值、相角均可控，无旋转惯量的同步发电机。,M2,Uc,Ud(s),R,L,PsQs,PcQc,Uss,Uc(s-),is,11:19VSC-HVDC的运行原理一般的，若交流系统电压的相位是s，换流器交流电压与直流电压Ud存在如下关系：,25/58,VSC-HVDC的控制原理,采用PWM调制时，是调制波相角，Uc正比于调制,度m。,故利用调制波相角和调制度m能同时控制有功功率,P和无功功率Q。,11:19,26/58,VS2KX,sin,P,VS2(1Kcos)X,Q,AC,AC,Vs,jXT,VN,Vcon,V,I,INq,INp,VN,Re,V,Vcon,交流系统,换流器,VSC与交流系统基,波潮流的相量图交流系统和换流器之间基波潮流的等效电路由变压器的交流系统端看进去的有功和无功功率,11:19VSC-HVDC的稳态特性换流变压器Im,VconVs,其中，K,保持恒定而改变K时，得到一系列的直线，如边界值min和max；保持K恒定而改变时，能得到一系列曲线，如Kmin=1-x,Ki=1.0,Kmax=1+x等；当使换流站传输能力恒定将得到|P+Q|=1的圆;调整参数和K，可使VSC连续运行,在圆内的任意一点。因此，它能独立控制有功功率和无功功率的交换。若不需要传输有功功率，换流站,可以作为STATCOM运行，为交流系统提供容性或感性无功支持27/58,min,Vn=1.0,Q(p,u)inductive,Kmin=1-x|Pn+Qn|=1Ki=1.0P（p,u）Kmax=1+x,max,capacitiveVSC的PQ图,11:19VSC-HVDC的稳态特性,定直流电压,定直流电流(或功率)定交流电压控制,控制直流母线电,压和输送到交流侧的无功功率,控制直流电流(或功率)和输送到交流侧的无功功率只控制交流母线电压一个量,适用于与有源,网络相连给无源网络供电28/58,11:19VSC-HVDC的控制方式,29/58,对一个VSC-HVDC，需有一端采用定直流电压控制,源网络无源网络,定直流电流控制定交流电压控制,11:19VSC-HVDC的控制方式有,Pc1Ud1Id1,定直流电压VSC-HVDC系统稳态模型,定直流电流,由能量守恒,若忽略直流线路的横向电导IdId1Id2(Ud1Ud2)/Rd30/58,11:19VSC-HVDC的定直流电流控制,U21sin212Us1Id1cos(11)定直流电压端,M1sin1,2Us1sin112Id1,M1sin1,M1Y1sin1,2R1,Qs1Ud12,Id2,M22,M2Us2Y2Rd(M22Ud1Y2sin22M2Us2Y2sin(22)cos(22)222M22RdY2sin2,Us2Ud1Y2cos(22)Us22Y2cos2,Qs2,输入量为1和M1输出量为Ud1和QS1,在给定的范围内用MATLAB画出上式的三维立体图31/58,定直流电流端M2Ud1Y2sin22M2Us2Y2sin(22)输入量为2和M22M2RdY2sin2输出量Id1和QS2,11:19VSC-HVDC的定直流电流控制推导得到,32/58,VSC-HVDC的定直流电流控制,2、如果以换流器的额定容量为基值，换流电抗器的标幺值为0.10.2；,3、对于换流器R1X1在分析中取R0.8X3.144、分析范围/4/4，0.5M1。,在给定的范围内用MATLAB画出上式的三维立体图假设条件：,1、Rd5.4,11:19,33/58,说明直流电压控制侧，不能实现,Qs1M1,Qs11,Ud1M1,Ud11,Qs1M1,Qs11,定直流电压控制端电压图和无功图,定直流电流控制端电流图和无功图,直流电压和无功解耦。功角对直流电流有较大的影,影响一样大。,响，即IId2d22M2而功角和调制比m对无功的,11:19VSC-HVDC的定直流电流控制功角对直流电压和无功有较大的影响，即,dI1dRdqVsdVcd,I1I1,dI1qRqdVsqVcq,dtL11,34/58,逆变侧dtL1L1I1I1L,整流侧交流电压和交流电流经Park变换转化为dq坐标系表示,11:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式基于dq矢量变换的解耦控制策略,P32(VsdI1dVsqI1q)VsqVs1,Vsd0P32VIq,Q132(Vs11Vs11),Q132Vsq11d,II,35/58,dqqd,q,1s11,I,前馈解耦技术,Kq,1,干扰项Vcd(M1/2)Vdc1sin1Vc1(M1/2)Vdc1cos1耦合项,M11,11:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式dq同步旋转坐标系下VSC-HVDC的数学模型联接有源系统时，整流器作为功率控制器，逆变器作为电压控制器,36/58,VSC-HVDC的功率解耦控制方式,电压控制器将直流电压Vdc2和交流母线电压Vs2作为控,制目标。,换流器输出电压基波分量与直流电压的关系为,Vc(t)(M/2)Vdcsin(t),改变就改变Vc和Vs的相位，从而改变有功的大小,和方向。,M控制Vs2控制Vdc2,电压控制原理图,11:19,PPdc1Idc1Vdc1P32(VsdI1VsqI1)dVdc1,Idc11(dVdc1/dt)Icc,C,3VsqI1q3VsdI1dIcc,dt,2C1Vdc12C1Vdc1C1,以直流电压作为主要控制目标，无功功率作为辅助控制目标与功率控制原理相似整流侧定直流电压控制原理37/58,11:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式,V23(vavej120vej120),b,vs223Vs2cos(t120),s,bcva223Vs2cos(t)vs223Vs2cos(t120)c,Vs2Vs223vs2cavs2bcej120,定交流电压控制，保证换流器变压器输出电压有效值恒定。逆变侧定交流电压控制原理图38/58,11:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式,P/MWQ/Mvar,39/58,t/s,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00,3.50,4.00,4.50,6050403020100-10-20,8070,r,p,VSC1侧的有功功率发生5070MW的阶跃变化时，该侧交流系统发出的有功功率和无功功率（无功功率定值为10Mvar）,无功,有功,11:19仿真验证:,P/MWQ/Mvar,40/58,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,6005004003002001000-100-200-300-400-500,r,p,t/s,有功功率发生50-30MW的翻转时交流侧发出的有功和无功功率(无功功率定值为0),11:19仿真验证:,Pdc1/MWPdc2/MW,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,806040200-20-40-60-80,Pdc1,Pdc2,t/s,有功功率由50-30MW变化时，直流线路整流侧和逆变侧的功率波形41/58,11:19仿真验证,P/MWQ/Mvar,42/58,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,403020100-10-20,50,807060,r,p,t/s,无功功率由020MVar,变化时，Vsc1侧交流系,统发出的有功和无功功率(有功功率固定为70MW),有功,无功,11:19仿真验证:,43/58,数据采集卡+dsp控制器,IGBT整流器+驱动,电源,等效电抗,和负荷荷,数据采集卡+dsp控制器,IGBT整流器+驱动,等效电抗,电源,和负荷荷,11:19VSC-HVDC的实验方案方案整体设计,44/58,芯片介绍,DSP芯片TMS320LF2407特性,1.LF2407运行速度为30MIPS128K存储空间2.16路10BIT片上A/D接口3.片上双重的管理器PWM4.4路的DAC7625转换,5.UART串行接口符合RS232标准6.32K片上FLASH,7.CAN总线标准接口,8.数据地址I/O控制4处扩展连接器,11:19,..9.,32-bitPCIbus,plug&play12-bitor16-bitanaloginputresolutionUpto333kHzA/Dsamplingrate16single-endedor8differentialanaloginputchannelsBipolarorunipolarinputsignalsProgrammablegainselection:X1,10,100,1000(for9118HG)Two12-bithighspeedanalogoutputchannels4digitalinput/outputchannelsThreeA/Dtriggersources:softwaretrigger,10.programmablepacertrigger,andexternalpulsetrigger45/58,11:19芯片介绍数据采集卡PCI9118特性,46/58,芯片介绍,CAN卡PCL841,1.同时支持2路CAN网络2.最高速度1Mbps3.可选隔离保护,4.LED指示：TX,RX,5.支持DOS库附WindowsNTDeviceNetdll驱动程序及例程6.含Labview驱动程序,11:19,47/58,单相IGBTs,驱动模块,11:19芯片介绍IGBTs及其驱动模块(SKM75GD123D),48/58,控制部分设计,DSP与IGBT驱动模块以及IGBT的连接,11:19,VSC-HVDC作为大停电启动电源的运行原理和规律研究；交流电网故障情况下VSC-HVDC的自保护和热备用研究。VSC-HVDC系统自保护实验；VSC-HVDC系统“软启动”实验；在负荷大幅度改变情况下由VSC-HVDC实现无源交流系统电压与频率高精度控制的实验；VSC-HVDC的快速潮流翻转实验和交流三相不对称实验。49