《直流输电与FACTS技术》教学PPT课件整套电子讲义

1、直流输电与FACTS技术 2第一章 绪论第二章 换流器的工作原理第三章 直流输电系统中的谐波和滤波器第四章 直流输电系统的调节与控制第五章 VSC-HVDC系统第六章 FACTS概述第七章 典型的FACTS装置3教材及参考书籍 “直流输电” 张一工编（校印） “高压直流输电原理与运行”韩民晓等编 （机械工业出版社） “高压直流输电与柔性交流输电” 杨晓萍编 （中国电力出版社） “直流输电” 戴熙杰等编（中国电力出版社）考核方式考试：80%，闭卷平时成绩：20%，测验、签到等5第一章第一章 绪论绪论 直流输电基本概念 直流输电发展历史 直流输电与交流输电的比较 直流输电的主要优缺点和适用场合 两

2、端直流输电系统的构成方式 直流输电系统的组成及主要设备61.1 直流输电基本概念 两端HVDC系统示意图交流系统A交流系统B换流站换流站高压直流输电 (High Voltage Direct Current Transmission，HVDC)71.1 直流输电基本概念81.1 直流输电基本概念91.2 直流输电发展历史 19世纪，能够通过线路传送电报，最早的“输电”。传递信息，不是传送能量。n1882年，法国物理学家德普勒进行了第一次直流输电试验。米斯巴赫煤矿-慕尼黑的国际展览会上；直流15002000V；输送功率1.5kW；输送距离：57公里。n交直流之争10 1929年，Dr. Uno

3、Lamm成功解决了汞弧阀（mercury arc valves）容量提升的问题。 Dr. Uno Lamm被称为“the father of HVDC” Early mercury arc valve for HVDC transmission n1954年，瑞典本土哥特兰岛（Gotland）第一条商业化的海底电缆直流输电系统。额定值：20MW，200A，100kV 1.2 直流输电发展历史n1901年，美国人Peter Cooper Hewitt发明汞气灯（ mercury-vapor lamp），进而发明mercury arc rectifier（汞弧整流器）。11 20世纪60年代可控硅

4、出现，为高压直流输电创造了更加有利的条件。 n截止到1988年，世界上已建成的直流输电工程约45项，总容量达35000MW。 1.2 直流输电发展历史12哥特兰岛（Gotland）直流工程中的汞弧阀1.2 直流输电发展历史13哥特兰岛扩建工程（1970）, 世界上最早的晶闸管阀1.2 直流输电发展历史14直流换流阀厅内部中的换流阀1.2 直流输电发展历史15换流站1.2 直流输电发展历史16 同时也使电源点越来越远离负荷中心直流输电在中国的发展1718华北华北 西北西北 东北东北华东华东 南方电网南方电网 西藏从三峡到华东从三峡到华东的三回直流的三回直流德阳宝鸡德阳宝鸡 直流直流晋城阳城江苏晋

5、城阳城江苏AC灵宝背靠背灵宝背靠背直流直流荆州惠州荆州惠州 直流直流姜家营高岭交流姜家营高岭交流新乡邯东新乡邯东华中华中 三峡三峡水电站水电站西北西北华北华北2010年全国电网互联示意图192015-2020年全国电网互联示意图华北华北 西北西北 东北东北华东华东南方电网南方电网西藏三峡华东三回直流德阳宝鸡直流德阳宝鸡直流晋城阳城江苏晋城阳城江苏AC灵宝背靠背直流灵宝背靠背直流荆州惠州荆州惠州 直流直流高岭高岭DC新乡邯东新乡邯东背靠背直流背靠背直流华中 三峡三峡西北西北华北华北锦屏锦屏金沙江金沙江 锦屏至苏州 金沙江至华东三峡地下机三峡地下机组到山东组到山东20呼辽工程呼辽工程, 300万千

6、瓦万千瓦, 908公公里里, 已投运。已投运。德宝工程德宝工程, 300万千瓦万千瓦, 908公公里里, 已投运。已投运。三常、三沪、三沪三常、三沪、三沪II工程工程 300万千瓦万千瓦, 葛上工程葛上工程, 120万千瓦万千瓦,约约1000公里公里, 1990-2011年陆年陆续投运。续投运。三广、贵广一回、贵广二回三广、贵广一回、贵广二回, 300万千瓦，万千瓦， 天广，天广，180万千万千瓦已投运。瓦已投运。青藏工程青藏工程 ,60万千瓦万千瓦, 1038公公里里, 已投运。已投运。500kV500kV及以下直流工程及以下直流工程溪洛渡溪洛渡-广东双回，广东双回，2013年底年底投运投运

7、21宁东-山东 660kV直流工程，4000MW, 1335km, 2011年2月投运。660kV660kV直流工程直流工程22向家坝向家坝-上海上海, 640万千瓦万千瓦, 1,907公里公里, 水电送出，水电送出，2010年年7月投运月投运哈密哈密-郑州郑州, 800万千瓦万千瓦, 2,210公里公里, 火电送出，火电送出，2014年初投年初投运。运。锦屏锦屏-苏南苏南, 720万千瓦万千瓦, 2,097公里公里, 水电送出，水电送出，2012底投运。底投运。溪洛渡溪洛渡-浙西浙西, 800万千瓦万千瓦, 1,669公里公里, 水电送出，水电送出，2014年年7月投运月投运800kV800

8、kV直流工程直流工程云南楚雄云南楚雄-广东广东, 500万千瓦万千瓦, 1,437公里公里, 水电送出，水电送出，2010投运投运云南糯扎渡云南糯扎渡-广东江门广东江门, 500万千瓦万千瓦, 1,437公里公里, 水电送出，水电送出，2013投运投运宁东宁东-浙江浙江, 800万千瓦万千瓦, 1,720公里公里, 风电火电送出，预计风电火电送出，预计2016投运投运晋北晋北-苏南苏南, 800万千瓦万千瓦, 1,119公公里里, 火电风电送出，火电风电送出，2017投运。投运。酒泉酒泉-湖南湖南, 800万千瓦万千瓦, 2,388公里公里, 新能源、火电电送出，新能源、火电电送出，2017年

9、投运年投运23黑河工程黑河工程, 中俄联网中俄联网,75万千瓦万千瓦, 已投运已投运 高岭工程高岭工程, 2*75万千瓦万千瓦, 1期已期已投运，投运，2期也于期也于2012年投运。年投运。灵宝工程灵宝工程, 111万千瓦万千瓦, 已投运已投运. 背靠背工程背靠背工程24截止目前，中国直流工程: 已建成直流输电工程20多项 总输送容量大于6000万千瓦在世界上率先建成800kV和660kV直流示范工程，中国已成为世界上投运直流输电工程最多、直流输电技术应用最全面的国家，在高压直流输电领域实现了“中国创造中国创造”和“中国引领中国引领”。25 25中国已投运直流工程中国已投运直流工程工程名称工程

10、名称直流电压直流电压输送容量输送容量输送距离输送距离投运时间投运时间投资方投资方葛南直流500kV1200MW1045km1990国网天广直流500kV1800MW960km2001南网三常直流500kV3000MW860km2003国网贵广I回500kV3000MW899km2004南网三广直流500kV3000MW975km2004国网灵宝背靠背及其扩建120/167kV360+750MW02005/2009国网三沪直流500kV3000MW1048.6km2006国网贵广II回500kV3000MW1225km2007南网高岭背靠背125kV1500MW02008国网德宝直流500kV3

11、000MW574km2009国网呼辽直流500kV3000MW908km2010国网云广直流800kV5000MW1437km2010南网向上直流800kV6400MW1907km2010国网宁东直流660kV4000MW1335km2011国网三沪II回500kV3000MW1106km2011国网26中国已投运直流工程中国已投运直流工程工程名称工程名称直流电压直流电压输送容量输送容量输送距离输送距离投运时间投运时间投资方投资方青藏直流400kV600MW1038km2011国网南汇风电场柔性直流30kV20MW8.4km2011国网黑河背靠背125kV750MW02011国网锦屏苏南800

12、7200MW2083km2012国网高岭背靠背二期125kV1500MW02012国网溪洛渡浙江8008000MW1680km2014国网27“十二五十二五”直流输电工程直流输电工程序号序号项目项目起点起点落点落点电压等级电压等级（千伏）（千伏）输送容量输送容量( (万千瓦万千瓦) )长度长度（公里）（公里）1哈密河南哈密郑州80080022102宝清唐山宝清唐山80080015003酒泉湖南酒泉湘潭80080023004呼盟山东呼盟青州80080016005陕西山东彬长临沂80080012006哈密北重庆哈密重庆80080023007宁东-浙江宁东绍兴80080020008锡盟江苏锡盟泰州8

13、0080016009蒙西湖北蒙西武汉800800145010陇东江西陇东新余800800140011准东成都准东成都11001050268728中国中国20202020前规划的直流输电工程，总共大约前规划的直流输电工程，总共大约2525项项，大于世界其它国家大于世界其它国家HVDC拟建拟建工程的总和工程的总和世界交流输电的焦点在中国世界交流输电的焦点在中国世界直流输电的市场在中国世界直流输电的市场在中国HVDCHVDC的发展的发展291.3 直流输电与交流输电的比较 经济性比较 线路 两端设备 总费用与等价距离w 技术性比较n稳定性n短路容量n非同步联络线n控制性30等价距离 HVDC与HVA

14、C总投资费用相等时，输电线路的长度。架空线路：架空线路：600-800km电缆线路：电缆线路： 20-40km311.4 直流输电的主要优缺点和适用场合 优点 当输送相同的功率时，直流输电线路造价比交流线路低n可以非同步联网n输送容量不受稳定性限制n联网不增加短路容量n线路电晕干扰小n线路基本不存在电容电流，不需无功补偿321.4 直流输电的主要优缺点和适用场合 缺点 换流站造价高于变电站 目前尚无适用的直流断路器，发展多端直流输电系统受到一定限制 不能使用变压器变换电压水平 运行过程中产生谐波 换流站需要大量的无功补偿 控制复杂331.4 直流输电的主要优缺点和适用场合 适用场合 远距离大功

15、率输电 海底电缆输电 用电缆向高密度大城市供电 不同额定频率或同频率非同步运行的交流系统之间的联络341.5 两端直流输电系统的构成方式 单极系统（Monopolar Link） 双极系统（Bipolar Link） 非同步联络站（Back-to-Back tie, BTB or B2B）或背靠背直流系统361.5 两端直流输电系统的构成方式 单极系统（Monopolar Link） 双极系统（Bipolar Link） 非同步联络站（Back-to-Back tie, BTB or B2B）381.5 两端直流输电系统的构成方式 单极系统（Monopolar Link） 双极系统（Bipol

16、ar Link） 非同步联络站（Back-to-Back tie, BTB or B2B）401.6 直流输电系统的组成及主要设备交流母线交流母线交流交流系统系统 I I无功补无功补偿设备偿设备交交 流流滤波器滤波器直流线路直流线路V Vd d I I 换流站换流站I I平波电抗器平波电抗器直直 流流滤波器滤波器桥桥I I交流母线交流母线断路器断路器桥桥II II换流站换流站II II 交流系交流系统统 I II I无功补无功补偿设备偿设备交交 流流滤波器滤波器换换 流流变压器变压器V Vd d II II 断路器断路器换换 流流变压器变压器1 1）系统基本构成）系统基本构成41412）直流输

17、电系统的主要设备u换流器（converter） 将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流电的设备。其中， 整流器（Rectifier）-将交流电转换成直流电的换流器。 逆变器（Inverter）-将直流电转换成交流电的换流器。42三相桥式换流器的原理结线图三相桥式换流器的原理结线图43432）直流输电系统的基本组成q作用: 向换流器提供适当的电压减小注入系统的谐波u换流变压器(Converter Transformer) 向换流器提供适当等级的三相电压源设备444546462）直流输电系统的基本组成q作用: 减小注入直流系统的谐波减小换相失败的几率防止轻载时直流电流间断 限制直流短路电流峰

18、值u 平波电抗器（Smoothing Reactor） 4748干式49492）直流输电系统的基本组成u 滤波器（Filter） 减小注入交、直流系统谐波的设备q种类:交流滤波器， 直流滤波器有源、无源滤波器无源滤波器: 单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器505152522）直流输电系统的基本组成q种类:无源类： 电容器有源类： SVC，STATCOMu 无功补偿设备（Reactive Power Campensitor） q作用: 提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。5354542）直流输电系统的基本组成q种类:架空线路电缆线路u 直流线路（DC Line） u 交流

19、断路器（Breaker） 使HVDC完全退出运行5555 常规常规500500直流直流 云广云广800800直流直流 常规常规750750交流交流 56谢谢！第二章 换流器的工作原理 概述 单桥整流器的工作原理 单桥逆变器的工作原理 多桥换流器简介 换流器的常见故障2.1 概述 两端HVDC系统示意图交流系统A交流系统B换流站换流站三相桥式换流器的原理结线图三相桥式换流器的原理结线图 桥臂组成方式-晶闸管串联和并联AM晶闸管晶闸管AM串联方式需要串联方式需要均压均压，并联方式需要，并联方式需要均流均流晶闸管晶闸管电压电压：5.59kV电流电流：1.26kA626364换流器桥臂换流器桥臂桥臂符

20、号桥臂符号组件组件66 二重阀阀塔外形图二重阀阀塔外形图 阀导通条件：阀导通条件：阳极电位高于阴极电位，阀承受正向电压；触发脉冲。阀等效：单个晶闸管阀等效：单个晶闸管假定条件：假定条件：三相交流电源的电动势是对称的正弦波，频率恒定；交流电网的阻抗也是对称的，而且忽略不计换流变压器的激磁导纳；直流侧平波电抗器具有很大的电感，使直流侧电流经滤波后波形是平直的，没有纹波；阀的特性是理想的，即通态正向压降和断态漏电流小到可以忽略不计；六个桥阀以1/6周期的等相位间隔依次轮流触发。135462ibmneaLabcLd+Ud _IdiciaLLebecovd单桥整流器的等值电路图单桥整流器的等值电路图交流

21、系统三相等值电势交流系统每相等值电感如果以系统等值电动势如果以系统等值电动势 的矢量作为基准，则电源相电动的矢量作为基准，则电源相电动势的瞬时值为势的瞬时值为cae2sin3 032sin9 032sin1 5 03ao abo bco ceeEteeEteeEt其中，E为电源线电动势的有效值。 (2-1) 则相应的线电动势为：2 sin2 sin1202 sin120caacabbabccbeeeEteeeEteeeEt (2-2) 三相电压波形图三相电压波形图线电压波形图线电压波形图135462ibmneaLabcLd+Ud _IdiciaLLebecovd单桥整流器的等值电路图单桥整流器

22、的等值电路图0120030001800360eaebec00600240tC1C3C5C1C3C2C6C4C2p2p1p4p3p5p1p6p3p2v2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2 v2v3 v3v4mvnv0120030001800360eca00600240ebaeabecbebceac06.2812.571.21.232305101fx()xdv单桥整流器自然换相过程（=0，=0 ）ebc阀电流波形（=0，=0 ）0120030001800360eaebec00600240tC1C3C5C1C3C2C6C4C2p2p1p4p3p5p1p6p3p2v2

23、v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2 v2v3 v3v4mvnviV1iV2iV3iV5iV4iV6相电流波形（=0，=0 ）0120030001800360eaebec00600240tC1C3C5C1C3C2C6C4C2p2p1p4p3p5p1p6p3p2v2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2 v2v3 v3v4mvnviaibic25vvciii41vvaiii63vvbiii135462ibmneaLabcLd+Ud _IdiciaLLebecovd单桥整流器的等值电路图单桥整流器的等值电路图触发滞后角触发滞后角 1P1

24、3P3电压波形（0，=0 ）0120030001800360eaebec00600240C1C3C5C1C3C2C6C4C202468101210.50.51eaebeceattv2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2 v2v3 v3v4p2p1p4p3p5p1p6p3p2p5p4mvnv01200300018003600060024002468101221.510.50.511.52tecaebaeabecbebceacecaebaecbdvebc阀电流波形(0，=0 ）0120030001800360eaebec00600240C1C3C5C1C3C2C6C

25、4C202468101210.50.51eaebeceattv2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2 v2v3 v3v4p2p1p4p3p5p1p6p3p2p5p4mvnviV1iV2iV3iV5iV4iV6相电流波形(0，=0 ）0120030001800360eaebec00600240C1C3C5C1C3C2C6C4C202468101210.50.51eaebeceattv2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2 v2v3 v3v4p2p1p4p3p5p1p6p3p2p5p4mvnviaibic25vvciii41vvaii

26、i63vvbiii135462ibmneaLabcLd+ud _IdiciaLLebeco单桥整流器的等值电路图单桥整流器的等值电路图5 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6电压波形（ 0，0 ）+ 120 + 024681 01 221 .510 .50 .511 .52eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C6tmvnv02468101210.50.51024

27、68101210.50.513180ecaebaeabecbebceacecaebaeabecbebceactdv120 +从阀5和阀6导通，其余各阀阻断的状态开始，并且假定整流器向直流线路输出的直流电流为 ，这时整流器实际导通的电路为：dI图图2-3 阀阀5和阀和阀6导通时的电路导通时的电路dbcve（1）换相前）换相前假定触发角为 ，则在 阀1触发开通的瞬间，实际导通的电路变为图2-4。t图图2-4 阀阀5和阀和阀1换相时的实际电路换相时的实际电路（2）换相中）换相中此时，阀5、6、1都导通了，等值电路如图2-5所示。图图2-5 阀阀5和阀和阀1换相时的等值电路换相时的等值电路在分析换流器

28、各组阀导通状态转换过程时，一个基本原则是：在导通或关断瞬间，通过电感的电流是连续的，不会突变。在等值电路中有：在等值电路中有：51rracdidiLLeedtdt由于由于 ，所以，所以 的方向是从的方向是从a点流向点流向c点，因此：点，因此：aceeri1rii5driIi代入式（代入式（2-3），可得：），可得：drrrracdIidiLLeedtdt (2-3) (2-4) (2-5) 整理后，得：整理后，得：22sinrrdiLEtdt求积分后，得：求积分后，得：22coscos22rrrEEitAtALX 2cossItA 式中，式中， -从电源到桥之间的每相等值电抗；从电源到桥之间的

29、每相等值电抗； 交流系统在换流器交流端两相短路交流系统在换流器交流端两相短路 时，短路电流强制分量的幅值；时，短路电流强制分量的幅值； A A - - 积分常数。积分常数。 (2-6) (2-7) rrLX222srEIL在在 时，电路从一组阀（阀时，电路从一组阀（阀5和阀和阀6）导通改变成）导通改变成另一组阀（阀另一组阀（阀5、阀、阀6和阀和阀1）导通的瞬间，电流不会突变，）导通的瞬间，电流不会突变，即：即：10riit (2-8) 所以式（所以式（2-7）中的积分常数：）中的积分常数：22coscos2srEAIX将式（将式（2-8）代入式（）代入式（2-7）中即得：）中即得：122cos

30、coscoscos2rsrEiitItX由式（由式（2-9）可知：）可知： 实际上是阀实际上是阀1开通时，交流系统在开通时，交流系统在ca两点两点发生两相短路时的短路电流。式中第一、二两项分别为短路发生两相短路时的短路电流。式中第一、二两项分别为短路电流的自由分量和强制分量。电流的自由分量和强制分量。同时同时 (2-9) (2-10) ri5driIi阀1和阀5的电流波形如图2-6所示。图图2-6 阀阀5和阀和阀1换相时的电流波形换相时的电流波形随着随着 的增加，电流分量的增加，电流分量 将增大，因此阀将增大，因此阀1电流逐渐增电流逐渐增大，而阀大，而阀5电流逐渐减小。电流逐渐减小。如果经过一

31、定相角如果经过一定相角 之后，电流之后，电流 增大到增大到 。即当。即当 时，从式（时，从式（2-9）可得：）可得：由于阀单向导电特性的限制，由于阀单向导电特性的限制， 不能反向，而停留在零值；不能反向，而停留在零值；此后此后 不可能再增大，不可能再增大， 也保持为也保持为 ；所以当；所以当 ， 阀阀5就关断。换流器电流又从三个阀（就关断。换流器电流又从三个阀（5，6和和1）导通状态）导通状态改变位两个阀（改变位两个阀（6和和1）导通的状态，如图）导通的状态，如图2-7所示。所示。 (2-11) (2-12) triridIt122coscos()coscos()2rsdrEiiIIX 50d

32、riIi5iri1idIt图图2-7 阀阀6和阀和阀1导通时的实际电路导通时的实际电路dbave（3）换相后）换相后5 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6电压波形（ 0，0 ）+ 120 + 024681 01 221 .510 .50 .511 .52eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C6tmvnv02468101210.50.5102468101210.

33、50.513180ecaebaeabecbebceacecaebaeabecbebceactdv120 +几个名词：几个名词：u 换相过程换相过程：从阀：从阀1开通瞬间到阀开通瞬间到阀5关断瞬关断瞬间，直流电流从间，直流电流从c相流经阀相流经阀5转移到从转移到从a相流相流经阀经阀1的过程；的过程；u 换相电流换相电流：电流：电流 ；由上面的分析可知，；由上面的分析可知，直流输电的换流器是借助于交流电网所提供直流输电的换流器是借助于交流电网所提供的短路电流的短路电流 来实现换相的。来实现换相的。u 换相电抗换相电抗：换相电流所流经的回路中每：换相电流所流经的回路中每相等值电抗相等值电抗 ；u 换

34、相角换相角：换相过程所经历的相位角：换相过程所经历的相位角 12coscos2rdX IE 由式（由式（2-11）可得：）可得：ririrX (2-13) 当换相角 大小变化时，换流器在工作中同时导通的桥阀数目将不相同。如图2-8所示。换流器在正常工作情况下，一般 。在这种情况下，非换相期间有2个阀导通，换相期间有3个阀导通，而且2个和3个阀导通的状态是交替出现的，这种工作方式简称2-3方式。图图2-8 换相角换相角 的大小和换流器工作过程中的大小和换流器工作过程中同时导通的桥阀数的关系同时导通的桥阀数的关系601.整流器工作在滞后角整流器工作在滞后角 和换相角和换相角 的情况的情况dbave

35、六脉动六脉动图图2-9 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压波形情况下的电压波形0,000整流器的直流电压整流器的直流电压 在一周之中是由六段相同的正弦曲线在一周之中是由六段相同的正弦曲线段组成的，求其平均值时，只要取其中的一段计算。段组成的，求其平均值时，只要取其中的一段计算。假定基准纵轴假定基准纵轴Y-Y位于位于 处，则曲线处，则曲线 的纵坐标可的纵坐标可用用 表示。在表示。在 从从 到到 间隔内，这段间隔内，这段曲线下的面积为：曲线下的面积为：660662cos2sin2AEdEE将将 除以除以 即可得即可得 情况下的直流电压平均值情况下的直流电压平均值00321.353dAVEE此电

36、压称为此电压称为无相控无相控的理想的理想空载空载直流电压。直流电压。0,0dI030,00AdV30t66bae2cosE (2-14) (2-15) 2.整流器工作在滞后角整流器工作在滞后角 和换相角和换相角 的情况的情况图图2-11 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压波形情况下的电压波形直流电直流电压有缺压有缺口口0,000同理，可取一周中的同理，可取一周中的1/6波形来计算直流电压平均值，但积分的波形来计算直流电压平均值，但积分的上下限不同。上下限不同。662 cos2 cosAEdE 取平均，即可求得在此情况下的直流电压的平均值取平均，即可求得在此情况下的直流电压的平均值032co

37、scos3ddAVEV此电压称为此电压称为有相控有相控的理想的理想空载空载直流电压。直流电压。 (2-16) (2-17) 3.整流器工作在有相控且有负载的情况（整流器工作在有相控且有负载的情况（ ）0,0图图2-12 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压波形情况下的电压波形0,0解释：解释： 在换相角在换相角 之内，由于阀之内，由于阀5和阀和阀1换相，换流器交流端换相，换流器交流端ca两相两相短路，线电压短路，线电压 全部降落在这两相的换相电抗全部降落在这两相的换相电抗 上，每相上，每相 的降落各为的降落各为 的一半，所以这时的一半，所以这时m点的电位处于点的电位处于 和和 两曲两曲线之间

38、的中点上线之间的中点上 如图如图2-12(a)中中AB一段粗曲线所示。一段粗曲线所示。ceae12mcaveecae2Xcae直流电压的平均值可以从间隔为直流电压的平均值可以从间隔为60的一段的一段 曲线下的面积曲线下的面积求取平均值求得，这时曲线下的面积又比求取平均值求得，这时曲线下的面积又比 时的小了时的小了一块由换相过程引起的缺口一块由换相过程引起的缺口 ，因此，因此 01cos3ddVAAVV 根据图根据图2-12(a)可以求出可以求出22caacaeeeeAedd112sin22cae dEd 2coscos2E (2-19) (2-20) dv0A32coscos32AVE所以所以

39、00coscossinsin222ddVV (2-21) 将式（将式（2-11）代入上式可得换相压降：）代入上式可得换相压降：336ddddLVIX IfL IR I最后得到：最后得到：0coscos2dV03cosddXVI (2-22) (2-23) dV0cosddVR I式中，式中， 其意义是一个单位直流电流在换相过其意义是一个单位直流电流在换相过程中所引起的压降，称为程中所引起的压降，称为比换相压降比换相压降；有时也称为；有时也称为等值换相电阻等值换相电阻。但是，它不是真正的电阻，。但是，它不是真正的电阻， 只是只是代表换相电流在换相电抗中造成的压降而引起的换代表换相电流在换相电抗中

40、造成的压降而引起的换流器交流端电压和直流电压的降落，所以等值换相流器交流端电压和直流电压的降落，所以等值换相电阻是不消耗有功功率的。电阻是不消耗有功功率的。3 LRdR I从式（从式（2-23）可知：单桥整流装置在以恒定交流电）可知：单桥整流装置在以恒定交流电压和定滞后角压和定滞后角 正常运行时的等值电路如图正常运行时的等值电路如图2-15所所示。示。根据式（根据式（2-23）可绘出整流装置输出端的正常运行）可绘出整流装置输出端的正常运行（ ）外特性曲线，如图）外特性曲线，如图2-15所示。所示。等等 外特性曲线是一族随外特性曲线是一族随 的增大而向下倾斜的直的增大而向下倾斜的直线，它在纵轴的

41、交点是理想空载电压：线，它在纵轴的交点是理想空载电压： ，斜率是，斜率是 。60dI03 2coscosdEVR图图2-15 单桥整流器正常运行（单桥整流器正常运行（ ）的等值电路）的等值电路和等和等 外特性曲线外特性曲线60图图2-14 单桥整流器阀电压波形单桥整流器阀电压波形图图2-14(a)中，以阀中，以阀1为例，作出了它的阳极对中性点为例，作出了它的阳极对中性点O的电压曲线，和它的阴极对的电压曲线，和它的阴极对O点的电压曲线，分别点的电压曲线，分别以粗虚线和粗实线表示。以粗虚线和粗实线表示。两曲线之间的纵坐标长度即代表阀两曲线之间的纵坐标长度即代表阀1阳极和阴极之间阳极和阴极之间的电压

42、，即阀的电压，即阀1的电压，如图的电压，如图(b)所示。所示。由图可见：阀电压是由一段直线和七段正弦弧线所由图可见：阀电压是由一段直线和七段正弦弧线所组成的。组成的。 在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，此时为零；此时为零； 在阻断期间，只有短时间处在正向电压作用下，在阻断期间，只有短时间处在正向电压作用下，大部分时间处在反向电压作用下。大部分时间处在反向电压作用下。各个阀电流的波形如图各个阀电流的波形如图2-13所示。在换相过程中，所示。在换相过程中，阀电流上升和下降部分的波形如图阀电流上升和下降部分的波形如图2-6所示，在其余所示，在其余的导

43、通期间，阀电流等于的导通期间，阀电流等于 。各阀导通的时间为。各阀导通的时间为 。只分析简单的情况：假定只分析简单的情况：假定 ，则阀电流波形是，则阀电流波形是宽度为宽度为120的矩形波，并且形状与的矩形波，并且形状与 的大小无关。的大小无关。阀电流的有阀电流的有效值为：效值为：桥交流侧线电流的桥交流侧线电流的有效值为：有效值为：201210.577233VdddIIII20.8163ddIII0dI120 (2-24) (2-25) 整流器工作在整流器工作在 情况下的电流波形情况下的电流波形0,0图图2-13 整流器工作在整流器工作在 情况下的电流波形情况下的电流波形0,0整流器的基波功率因

44、数角由前面分析可知：当由前面分析可知：当 时，换流器的直流电时，换流器的直流电压平均值为压平均值为 。 当当 时，时， ，工作在整流状态；，工作在整流状态； 当当 时，时， ，工作在逆变状态。，工作在逆变状态。0090901800cosddVV0dV 0dV 换流器的电压波形(60 0,稳态吸稳态吸收的无功较多收的无功较多2164.54.5、带、带VDCOLVDCOL的实际稳态伏安特性的实际稳态伏安特性2174.5.1 4.5.1 整流器控制特性整流器控制特性 整流器侧方程如下： 其中 在 特性曲线中，线段AB表示a 限制控制。 为了保证触发前阀上有足够的电压保证换相，触发角有最小限制为 。一

45、旦调到a min ，电压就不可能再升高了，整流器将运行在恒触发延迟角（CIA）上了。0cosdd rcr dUUR I3crcrRL5dIUd218整流器控制特性（续）整流器控制特性（续） 图13中线段BC表示定电流控制特性。 通过调节“电流指令”可以使整流器特性即BC线水平移动。最大电流限制这是为避免换流阀受到过热损害，一般短时间最大电流限定在正常满负荷电流的1.2到1.3倍。219整流器控制特性（续）整流器控制特性（续）图13中线段DE表示了最小电流极限，通常值为0.2-0.3pu。最小电流限制当电流值较低时，一方面，电流的波动会引起其不连续或间断，在中断瞬间电流变化率会很高，会在交流变压

46、器绕组和直流电抗器上感应出高电压;另一方面，当电流低值时，叠弧很小，可能会引起每个阀桥两端之间设置的保护间隙发生闪络。220整流器控制特性（续）整流器控制特性（续）图14中线段CD表示低压限流特性。VH、VL为VDCOL的电压高、低门槛值;IH 、IL为直流电流的最大值、最小值。221整流器控制特性（续）整流器控制特性（续） 依赖于电压的电流指令限制(VDCOL)作用是在直流电压下降到一定程度之时相应地降低直流电流指令。 在低电压条件下，要想保持额定电流或额定功率不可能实现，原因：（1）一个换流器交流电压下降很多时，其无功功率下降很多，另一个换流器无功需求将增加，对交流系统不利（2）当逆变器交

47、流下降时，可能会发生换相失败2224.5.2 4.5.2 逆变器控制特性逆变器控制特性 逆变侧方程如下 其中 图中线段SR表示恒熄弧角控制方式。通过调节逆变器的变压器抽头切换装置可以使逆变器特性即SR线上下移动。 图中线段ST表示定电流运行方式。 为了保证因为测量误差或者其他原因导致两条恒电流特性相交，设置了电流裕度0cosdd icidUURI3ciciRL223逆变器控制特性（续）逆变器控制特性（续） 其值一般为0.1倍的额定电流值。 图中线段TU表示最小a限制，防止逆变器变为整流器运行，其值一般为100-110。doidordIII2244.5.3 4.5.3 变压器分接头控制变压器分接

48、头控制 每当 和超出了所需范围数秒之后，即用分接头控制将换流器的触发角调回到正常范围。 逆变器运行在恒熄弧角，从而和分接头切换器的叠加电压控制一起来固定线路电压。 整流器运行在电流控制方式，配之以分接头切换器的叠加 = norm控制。2254.64.6、控制的实施、控制的实施 HVDC系统的控制结构分为三层：主控制、极控制和桥或者换流器单元控制。几个层次既各司其职又相互协调。2264.6.1 4.6.1 各级的功能各级的功能主控制级通常接收来自调度中心的直流输送功率指令，经过控制运算以后发送一个直流电流指令给极控制级； 极控制级经过控制运算以后发送一个触发角指令给各个桥控制级； 桥或者换流器单

49、元（阀组）控制级功能为：取触发脉冲的同步信号；产生满足要求的触发脉冲系列以触发晶闸管阀。227控制的实施控制的实施-各级响应时间各级响应时间 3个层次在响应时间上有较大差别，控制的层次越高，响应速度越慢。主控制层对功率作阶跃变化时的响应时间一般在100ms左右。桥控制层触发角指令变化的响应时间只需要1 4ms。底层阀组控制的核心是换流器触发控制系统。2284.6.2 4.6.2 主控制主控制主控制层的任务是确定一个直流输电系统究竟运行于何点。它把从系统控制中心收到的功率指令Pord转换为电流指令Iord(通常是用Pord除以实测的直流电压)，并将其传送至极控制。双极直流系统的主控制通常装设在整

50、流站里，因为这一侧换流器主要运行在恒电流控制方式下。如果要求直流系统具备双向传输功率的能力，则两侧换流站均需设置主控制。229主控制（续）主控制（续） 对于整流侧，应使直流电流跟踪指令电流值。正常运行时换流器触发角在15左右。对于逆变侧，当采用最小熄弧角控制方式时，调节该侧换流变抽头以获得预定工作点所需的直流电压;当采用恒电压控制方式时，应调节抽头保证在获得指定直流电压的同时，熄弧角等于或略微大于其最小限制18。230主控制（续）主控制（续）在主控制图中包含以下辅助控制单元：系统稳定控制器频率控制器紧急功率控制器2314.6.34.6.3极控制极控制极控制处于直流输电系统多层递阶控制结构的中间

51、层，其主要作用是协调一个极内换流桥的控制。从电流整定值到触发角整定值的转换、分接头控制和一定的保护序列是由极控制来处理的。包括起动、解除闭锁等。 232极控制（续）极控制（续）233极控制（续）极控制（续） 直流输电的极控级具有承上启下的关键作用。 整流侧配备带定min 限制的定电流控制器; 逆变器配备定电压控制器、定电流控制器和定 角控制器。234定电流控制定电流控制每个换流站的极控制都装备有恒电流控制回路，依照由主控制传递来的电流指令Iord实现控制。在交流系统故障环境下，电流指令经VDCOL环节重置。恒电流控制回路的输出作用于触发装置，即桥控制。在逆变侧，这一级控制中还包含恒电压或最小熄

52、弧角控制，作为其控制方式。235定电流控制（续）定电流控制（续） 定电流控制是HVDC最基本的控制方式之一，这种控制特性可使得HVDC系统的运行十分稳定。定电流控制具有下述两个主要特点: 因为电流为定值而不随电压的降低而加大，所以动态性能较好，不但可以改善直流输电的运行性能，同时也可以限制过电流和防止换流器过载，并使因故障引起的损害最小;236定电流控制（续）定电流控制（续）防止系统因交流电压的波动而停运。因此，在正常运行过程中，HVDC系统整流侧基本上采用恒定电流控制。直流电流调节器的稳态和暂态性能是决定直流输电控制系统性能好坏的重要因素。237定电流控制（续）定电流控制（续）定电流控制的基

53、本原理是把实际的电流和电流的给定值进行比较，当出现差别时，通过一个闭环控制器控制换流器触发角，从而控制直流电压以使电流差值减小或 消失，来保证实际电流值等于或接近给定值。238定电流控制（续）定电流控制（续）定电流控制原理框图如下:239定关断角定关断角 控制控制 闭环实测型角控制器，通过将上一周期测得的逆变侧角最小值，作为关断角的测量值。 定关断角控制器原理及典型参数示意见下图: 240241定直流电压控制定直流电压控制 定电压调节的原理与定电流调节相似，仅反馈量或被调量改为直流电压，它保持直流线路送端或受端的电压等于给定值。也是逆变器经常采用的一种控制方式。242定直流电压控制定直流电压控

54、制（续）（续） 定直流电压控制原理框图如下：2434.6.4 4.6.4 桥控制桥控制换流桥或换流器单元控制处于直流输电系统多层递阶控制结构的最低层，在整个分层中有最快的响应，其作用是确定一个换流桥内阀的触发时刻。 桥控制层的最核心环节是触发脉冲相位控制装置，它接受极控制传递来的触发延迟角信号，将其转换为十二个触发脉冲(针对十二脉波换流器)，并加到可控硅控制极，从而实现整流或逆变过程。 换流器的触发脉冲必须与交流系统电压同步。有两种基本的触发脉冲控制方式：分相控制和等间隔控制早期采用的分相触发脉冲控制会带来谐波和弱交流系统不稳定等大量问题。现代直流系统都采用等间隔触发脉冲控制。245按相控制方

55、式原理方框图246相位控制电路247桥控制（续）桥控制（续）-等间隔触发脉冲控制等间隔触发脉冲控制 由于等间隔触发脉冲控制比较复杂，略去不讲。有兴趣的同学可以参考浙江大学直流教研室编写的直流输电相关章节。248换流站控制和保护系统的总体结构图 4.7、启停和潮流反转控制启停和潮流反转控制启停控制启停控制（1）软启动）软启动（2）正常停机）正常停机（3）快速停机）快速停机（4）旁通对启停）旁通对启停250潮流反转方框图潮流反转控制潮流反转控制2511. VSC-HVDC的概述2. VSC-HVDC的基本原理3. VSC-HVDC的技术特点4. VSC-HVDC的应用情况及研究现状5. VSC-H

56、VDC的控制方式第五章 VSC-HVDC技术1.1 VSC-HVDC概述 基于电压源换流器的高压直流输电 (HVDC based on Voltage Source Converter, VSC-HVDC) 常规HVDC采用线换相电流源换流器（Line Commutated CSC），其本身存在一些固有的缺陷，主要表现在以下几个方面 1.1 VSC-HVDC概述（续） 传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，该电流实际上是相间短路电流，因此要保证换相的可靠，受端交流系统必须具有足够的容量，当受端电网比较弱时便容易发生换相失败。 由于开通滞后角和熄弧角的存在及波形的非正弦，传统的HVDC要吸收大

57、量的无功功率，其数值约为输送直流功率的4060%，这就需要大量的无功补偿及滤波设备，而且在甩负荷时会出现无功过剩，可能导致过电压。 1.1 VSC-HVDC概述（续） 因为传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，这就要求受端系统必须是有源网络。因此，传统的HVDC不能向无源网络（如孤立负荷）输送电能。 造成传统HVDC上述缺点的主要原因是由于线换相换流器采用的是半控型器件，只有用全控型器件代替半控型器件，使换流器能工作在无源逆变方式，并能够同时独立地控制有功功率和无功功率，才能彻底克服上述缺点。 1.1 VSC-HVDC概述（续） 随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极晶体管（IGBT）的快速发

58、展，在HVDC中采用以全控型器件为基础的电压源换流器（VSC）的条件已经具备。 1990年，McGill大学的BoonTeck Ooi等首先提出了利用PWM控制的VSC进行直流输电的概念。 1.1 VSC-HVDC概述（续） ABB公司把VSC与IGBT相结合，提出了轻型高压直流输电（HVDC Light）的概念。 1997年3月在瑞典中部的赫尔斯扬和格兰斯堡之间进行了首次HVDC Light的工业试验。这次试验的输送功率为3MW，输电电压为10kV，所使用的线路是一条暂时不用的10km交流线路。试验过程十分顺利，无论是在稳态条件下还是在暂态条件下，电力输送都十分稳定，达到了预期的性能。不同的

59、称谓ABB公司称之为轻型直流输电（HVDC Light）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”。我国很多专家称为柔性直流输电（HVDC-Flexible）9:58259向城市中心送电向城市中心送电连接分布电源连接分布电源非同步联网非同步联网提高配电网电能质量提高配电网电能质量促进电力市场发展促进电力市场发展 向远方孤立负荷点送电向远方孤立负荷点送电 方便地调节有功和无功，改善方便地调节有功和无功，改善系统的运行性能系统的运行性能 风电场、小型水电厂、太阳能风电场

60、、小型水电厂、太阳能电站及其它新能源发电系统电站及其它新能源发电系统 用电量急增，用电量急增，线路走廊困难线路走廊困难 构建地区电力供应商交换电力的可行性构建地区电力供应商交换电力的可行性平台，增加运行灵活性和可靠性平台，增加运行灵活性和可靠性快速控制有功无功，使电压、电流满足快速控制有功无功，使电压、电流满足电能质量标准要求电能质量标准要求 如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等地区负荷等 多端多端VSC-HVDC网络网络电压源换流器常见拓扑结构两电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形9:581.2 VSC-HVDC的基本原理电压源换流器常见拓扑结构_ 0.