柔性直流输电技术发展背景

1、柔性宜流输电技术发展背景目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark19 o Current Document VSC技术发展历程2 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document VSC 在FACTS领域中的应用2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document VSC在STATCOM 中的应用 3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document VSC在SSSC中的应用3 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document

2、 VSC在UPFC中的应用3 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document VSC在DVR中的应用3 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 柔性直流输电技术发展历程4 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 柔性直流输电技术溯源4 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 柔性直流输电技术命名过程5 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 柔性直流输电原理及技术特点5 HYPERLI

3、NK l bookmark60 o Current Document 柔性直流输电技术基本原理5 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 柔性直流输电技术特点81 VSC技术发展历程受到早期全控器件容量的限制，VSC首先在变频器、逆变电源、高频开关电源等领 域取得了广泛的应用。尤其在电力拖动领域，电机驱动已经从LCC换相技术向VSC换 相技术转移。采用PWM的VSC电机驱动技术能够实现驱动装置的紧凑性和灵活可控 性。目前基于PWM的VSC技术在电力系统拖动领域中的应用已经相当成熟，但是这 些装置的运行电压等级相对较低，通常不使用半导体器件的串联技术。

4、随着VSC应用电压等级和容量不断提升，VSC技术在电力输配电领域的应用也越来 越广泛，以FACTS技术、VSC-HVDC输电技术、CP(Consumer Power)技术为典型代表。 相对于基于半控器件的电力电子装置基于全控型开关器件的VSC技术具有以下优点1：VSC技术响应时间远小于交流系统的基波周期，结合适当的控制策略能够迅 速实现功率的连续精确控制；即使在并网系统电压非常低的情况下，VSC仍然能够输出额定的容性电流， 这样的性质对电力系统是十分有益的；VSC的高频调制频率使系统的谐波电流很小，可以有效降低滤波器的容量；由于采用全控型开关器件，VSC的运行基本上不受接入点短路容量的限制，

5、不会出现换相失败的故障。大量采用VSC技术的FACTS、VSC-HVDC以及CP装置在输配电领域中的应用有 效地实现了电力系统的“可控度”，实现了对电网参数、网络结构的灵活快速控制，实 现了输送功率的合理分配，实现了不同电网的互联，大幅度提高了系统的稳定性、可靠 性。1.1 VSC在FACTS领域中的应用随着电力电子器件的发展和FACTS理论研究的深入FACTS技术功能更加多样化， 控制功能也更强。FACTS装置的应用始于上世纪80年代，从使用的电力电子器件的角 度来看，FACTS装置可以分为基于半控器件的第一代FACTS装置，如：可控串联电容 补偿器(Thyristor Controlled

6、 Series Capacitor， TCSC)静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)以及基于全控器件的新一代FACTS装置，如：静止同步补偿器(Static Synchronous CompensatorSTATCOM静 止同步串联补偿器 Static Synchronous Series Compensator, SSSC)统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)动 态电压调节器(Dynamic Voltage Regulator, DVR)新一代FACTS装置共同特点为：核 心部分都是基于全控器件的VSC。V

7、SC在STATCOM中的应用上世纪8090年代，GTO、IGBT等可关断器件的额定电压、电流已经可以达到电 力系统应用的要求，出现了基于全控型器件的S TATCOM装置。早期的S TATCOM采用 GTO器件，由于受GTO本身工作频率的限制，该类型STATCOM装置通常采用脉冲幅 值调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)技术，其交流侧有较大的谐波分量。近年 来，随着大功率器件制造技术的发展以及对STATCOM性能要求的提高，基于其它可关 断器件(IGCT，IECT和IGBT)的STATCOM装置也开始得到迅速的应用，其中基于 IGBT的STATCOMABB公司称其

8、为SVC Light可以看作VSC-HVDC的一个换流站)采 用PWM调制方式从1999年开始已经有5套实际工程在运行2004年投运的Holly工程的 无功功率变化范围已经达到+110/-80Mvar。VSC在SSSC中的应用SSSC属于串联补偿装置SSSC可以向线路串联注入幅值可控、相角与线路电流垂 直的电压，能够实现对线路的容性和感性补偿，可以控制线路功率、提高系统的稳定性。 目前世界上还没有单独的SSSC工程，但已经投运了两个UPFC工程以及一个可变静态 补偿器K Convertible State Compensator，CSC )X程，其中每一个工程中都包含一个SSSC装 置。VSC

9、在UPFC中的应用UPFC属于串联和并联混合补偿装置。UPFC可以同时控制影响线路潮流的全部因 素电抗、电压及相角，它结合了 SSSC与STATCOM的全部优点，具备了串并联 补偿的能力。其中美国的AEP Inez工程的额定容量为2X+160MVA，其电压源换流器 采用GTO开关器件。VSC在DVR中的应用DVR属于定制电力技术范畴，主要串联于配网系统以保证负荷电压恒定。当负荷电压骤降或电压突升时DVR响应注入三相串联补偿电压，补偿故障前后的电压差 值。其中，每相注入电压是单独可控的，即每相电压的幅值和相角都是可控的。产生三相注 入电压所需的有功和无功功率由VSC提供，而VSC直流侧电压则由不

10、控整流桥通过并 联变压器取得。2柔性直流输电技术发展历程柔性直流输电技术溯源直流输电是电力发展初期使用的输电方式，由于当时的技术还不能对直流进行电压 转换，直流只能进行短距离输电，它的进一步应用受到限制，逐渐被交流输电取代。但 直流没有停止前进的脚步，随着技术的进步，20世纪30年代人们开始认识到直流输电 是进行高压大容量远距离输电的有效工具，人们的视线又回到直流输电上来，汞弧阀换 流器问世。20年后，1954年由瑞典本土向哥特兰岛送电的第一条高压直流线路投入商 业运行。此后直流输电飞速发展，世界各地出现了许多大大小小的汞弧阀直流输电系统。 又一个20年后，晶闸管代替汞弧阀成为直流输电换流器的

11、开关元件，自1972年始，相 继有61个晶闸管直流输电项目开始投入运行，总输电容量接近55000MW，其中ABB 承担45000MW，最大的工程是Itaipu两条600kV，3150MW的直流输电项目2。然而，由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛采用的LCC-HVDC技术具有以下固有缺 陷：(1)换流站只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够的短路容量，否则 容易发生换相失败；(2)换流站产生的谐波次数低、容量大；(3)换流站需吸收大量 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， 基于晶闸管的电流源型直流输电技术主要用于远距离和大容量输电、海底电缆输电以及

12、 交流电网互联等领域。但是由于技术可靠性及经济性等原因，目前乃至将来很长一段时 间内LCC-HVDC在直流输电领域中的应用仍然会是最主要的。随着新型高压大功率可控关断电力电子器件，如IGBT、GTO、IGCT的不断涌现， 及其额定电压、电流的快速增长，原来在中低压和小功率系统中广泛使用的基于PWM 技术的新型换流技术已开始在输电领域得到了部分应用，并有可能将来取代相控换流技 术。20世纪末出现了采用电压源换流器技术的柔性直流输电技术。VSC-HVDC技术首 先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，吸引了世界上众多学者 和研究人员的关注。ABB公司首先实现了V

13、SC技术在长距离电力传输、背靠背工程或 者静止无功控制器等领域的应用。该技术1997年开始用于电力传输，同年在赫尔斯扬上马示范工程。赫尔斯扬工程额定功率是3MW，直流电压是10kV,采用IGBT阀， 三相桥结构和高压直流电容。IGBT阀具有可控开通和关断的能力，完全不同于用于线 换相HVDC的传统晶闸管阀，开通可控，而关断要依赖换相电压，有一个换相过程。最早投入经济运行的柔性直流输电系统的输电功率是60MW，其换流器采用两电平 拓扑结构。PWM用于控制IGBT阀的开关。早期的VSC-HVDC系统开关频率较高，直 流电压是土 80kV。第二代采用三电平换流器，直流电压达到土 150kV，输电功率

14、达到 330MW。这种最新的设计方案用在了 Cross Sound电缆工程（330MW）和 Murray Link 工程（220MW）中。Cross Sound的开关频率为1260Hz （产生21次谐波）Murray Link是 1350Hz （产生27次谐波）在最近的关于柔性直流输电的技术介绍中，ABB公布新一代IGBT即将投入使用， 换流站容量将达到500MW。柔性直流输电技术命名过程柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新 型输电技术，国际上权威的电力方面的学术组织，如CIGRE和IEEE，将其正式称为 “VSC-HVDC”即“电压源变流器直流输电。目前，

15、ABB公司则称之为轻型直流输电 （HVDC Light）并作为商标注册；西门子公司则称之为新型直流输电（HVDC Plus）在国 内因ABB宣传多，又有实际工程业绩，常常也叫做轻型直流输电，为了促进并形成自 有知识产权，2006年5月，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”，会上，与会专家一致建议国内将该 技术统一命名为“柔性直流输电;对应英文为VSC-HVDC。3柔性直流输电原理及技术特点3.1柔性直流输电技术基本原理VSC-HVD C是一种以电压源换流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型直流 输电技术，与传统的基于线控换流器技术的

16、LCC-HVDC不同，VSC-HVDC在对输送的有功 功率进行快速、灵活控制的同时还能够动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线的 电压，起到STATCOM的作用。因此，VSC-HVDC既可以向故障系统紧急支援有功功率， 又可以紧急支援无功功率，从而提高了系统稳定性4-7。柔性直流输电原理如图2-1所示，送端站和受端站均采用JVSC结构。换流站由换流桥、换流变压器(电抗器X直流电容器和交流滤波器组成。每个桥臂由多个IGBT 串联而成。换流变压器(电抗器)是VSC与交流侧能量交换的纽带，同时也起到滤波 的作用。直流电容器可以为受端站提供电压支撑、缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流 侧谐波。交流滤波

17、器能够滤除交流侧的谐波。送端站直流输电线/电缆受端站图送端站直流输电线/电缆受端站图图2-1柔性直流输电原理图柔性直流输电技术的另一项核心技术是正弦脉宽调制(SinePulse Width Modulation)其控制原理如图2-2所示。图中a相SPWM的调制参考波uraef与三角载波uri进行数值比较，当参考波数值 大于三角载波，触发a相的换流桥臂上开关导通并关断下开关，反之则触发桥臂的下开 关导通并关断上开关。在上下桥臂开关的交替导通与关断下，VSC交流出口电压uao将 产生幅值为正负Ud/2的脉冲序列，Ud为VSC的直流侧电压。该脉冲序列中的基频电 压分量uao1与调制参考波相位一致，幅

18、值为Ud/2。因此，从调制参考波与VSC出口电压 基频分量的关系上看，VSC可视为无相位偏移、增益为Ud/2的线性放大器。由于调制 参考波的幅值与相位可通过PWM的脉宽调制比M(VSC交流输出基频相电压幅值与 直流电压的比值）以及移相角度8实现调节，因此VSC交流输出电压基频分量的幅值 与相位亦可通过这两个变量进行调节。通过以上论述可知，采用PWM技术的VSC可以同时独立地控制调制比M和移相 角8两个物理量。VSC-HVDC正常运行时，每个换流站可以各自独立地控制有功功率类 物理量和无功功率类物理量；但直流网络的功率必须保持平衡，即注入直流网络的有功 功率必须等于直流网络输出的功率、换流阀（V

19、SC阀）损耗和直流网损之和。假设换相电抗器是无损耗的，在忽略谐波分量时，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：P =U&sm8 （2-1）XL(2-2)式中：n 一换流器输出电压的基波分量；v 一为交流母线电压基波分量；8为u& 和u&之间的相角差；C SX 一为换流电抗器或换流变压器的电抗。由上述公式和图2-3可知，有功功率的传输主要取决于8，无功功率的传输主要 取决于Uc。因此，通过控制8就可以控制直流电流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，几乎瞬时的分别单独控制有功功率和无功功率，实现四 象限运行。K 1 iK 1 iP 0 Q 01/ P 0 Q I L厂 0图2-3 VSC-HVDC换流器稳态运行时的基波相量图柔性直流输电技术特点如前所述，柔性直流输电是采用可控自关断型电力电子器件和PWM技术，它与传 统直流输电相比，主要有以下技术特点： VSC的电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，换流器换相不需要交流系 统提供换相电流，所以受端系统可以是无源网络，克服了传统的HVDC受端系统必须 是有源网络的根本缺陷，使利用HV