柔性电力技术-第4章-直流输电技术

4直流输电技术4.1概述直流输电换流技术三相换流器有两种基本结构：电流源换流器（CSC）和电压源换流器（VSC）。4直流输电技术4.1概述换流技术的发展：20世纪50~90年代，都采用电流源变换器。50~70年代中期，电流源换流器都采用汞弧阀，之后，晶闸管换流阀被作为高压直流系统的基本开关器件。20世纪90年代以后，电压源换流器得到应用。由于新的大功率自换相器件（如GTO和IGBT）的出现；由于数字信号处理（DSP）强大的计算处理能力使得在技术上能够满足控制要求，在经济上具备竞争力。现代高压直流系统既可采用电流源换流器也可采用电压源换流器作为换流单元。4.1概述电流源换流器与电压源换流器特性比较电流源换流器（CSC）电压源换流器（VSC）交流系统侧的作用作为恒定电压源需要电容器作为储能元件需要大型滤波器以消除谐波需要无功补偿与提高功率因数作为恒定电流源需要电感元件作为储能元件需要小型滤波器以消除较高频率的谐波不需要无功补偿，因为该换流器可以四象限运行。直流系统侧的作用作为恒定电流源需要电感元件作为储能元件需要直流滤波器具有固有的故障电流限制特性作为恒定电压源需要电容元件作为储能元件储能电容器起到直流滤波器的作用直流侧故障时，已充电的电容器会向故障点放电开关方式电网换相或串联电容器强迫换相每周波只发一个脉冲开关功耗较低自换相高频开关，即每周波内发多个脉冲。开关功耗较高额定值范围单换流器的容量为0~550MW电压可达800kV单换流器的容量为0~200MW电压可达320kV4.2电流源换流器（CSC）直流输电换流站包括：换流变压器、换流器、交流滤波器、直流滤波器以及控制保护装置等。换流器由基本换流单元组成，它在换流站内允许独立运行。电流源换流器的基本换流单元有：6脉动换流单元（三相桥式换流电路）；12脉动换流单元（由两个交流侧电压相位差30°的6脉动换流器所组成）。6脉动换流单元换流变压器结构：可以采用三相or单相结构;阀侧绕组接线方式：可以采用星形or三角形接线。6脉动换流器在交流侧和直流侧分别产生6k±1次和6k次的特征谐波（k为正整数）。4.2电流源换流器（CSC）直流滤波器平波电抗器6脉动换流单元交流滤波器换流变压器控制保护装置12脉动换流单元由两个交流侧电压相位相差30°的6脉动换流单元在直流侧串联，同时，交流侧经换流变并联所组成。12脉动换流单元可采用双绕组换流变压器或三绕组换流变压器，其阀侧绕组的接线方式必须为一个是星形接线，另一个是三角形接线。12脉动换流单元在交流侧和直流侧分别产生12k±1次和12k次的特征谐波。直流滤波器平波电抗器12脉动换流单元交流滤波器换流变压器控制保护装置换流变压器4.2电流源换流器（CSC）4.2.16脉动整流器工作原理晶闸管换流阀的特点:单向导电性。导通条件(两个)：阳极对阴极为正电压；控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲。控制极无关断能力，只有当换流阀加反向电压或流经换流阀的电流为零时，它才能关断。换相电抗平波电抗进行理论分析时做如下假设：直流电流Id恒定(即平波电抗器为无穷大)；阀为理想开关；交流系统为无穷大(即三相电动势平衡并且是完全正弦波)。4.2.1

6脉动整流器工作原理一、不考虑漏电感的理想情况：换相电抗为0，即重叠角；换流桥上、下半桥各有一个阀导通；触发延迟角。每个时刻2个晶闸管同时导通，一个是共阴极的，一个是共阳极组的，且不在同一相。6个晶闸管触发脉冲按V1V2V3V4V5V6的顺序，相位依次相差60°；共阴极组V1、V3、V5触发脉冲依次相差120°。整流输出电压Ud一周脉动6次，每次脉动波形一样，估该电路为6脉动整流电路。整流电路合闸启动过程或电流断续时，须保证同时导通2个晶闸管均有触发脉冲。4.2.16脉动整流器工作原理自然换相点4.2.16脉动整流器工作原理V1为什么能关断，V3为什么能导通？4.2.16脉动整流器工作原理4.2.16脉动整流器工作原理4.2.16脉动整流器工作原理4.2.16脉动整流器工作原理晶闸管按照一定次序的“通”与“断”，将交流电压变换成脉动的直流电压。4.2.16脉动整流器工作原理结论：直流电压瞬时值在一个周期内由六段相同的曲线所组成，取其中一段就可求出直流平均电压Udo。6脉动整流器的理想空载直流电压：交流线电压有效值Udo为时直流电压平均值，称为理想空载直流电压4.2.16脉动整流器工作原理二、考虑延迟角的情况：直流电压下降4.2.16脉动整流器工作原理结论：调节触发延迟角，可改变直流输出电压，从而改变直流输出功率。注意：；在正常运行时，通常取最小触发角为5°；如果需要利用整流器进行无功功率调节，或直流输电需要降压运行时，则触发角需要相应增大。4.2.16脉动整流器工作原理三、既考虑延迟角，又考虑换相电抗的情况：存在V1和V3同时导通的时间，称为换相时间，电气角度为换相角或重叠角。在这段时间内，相当于交流a、b两相通过阀V1和V3短路。4.2.16脉动整流器工作原理整流电压下降4.2.16脉动整流器工作原理在换相结束时，6脉动整流器交流侧电流波形不是正弦波，近似为正、负矩形波。不计换相影响时，6脉动整流器交流侧电流中所含谐波次数为6k+1,相电流波形如图2-6所示。基波电流有效值为4.2.16脉动整流器工作原理结论：换相过程实质上是交流系统短时间的两相短路过程，换相是依靠电源提供的短路电流进行的。名词：换相过程中的短路电流称为换相电流。提供换相电流的交流电压称为换相电压。每相从电源中性点到阀之间的短路阻抗称为换相电抗。换相过程中两个阀共同导通的时间用电气角度表示，称为重叠角。4.2.16脉动整流器工作原理整流侧的等值换相电阻4.2.16脉动整流器工作原理Y/Y接线换流变压器相位超前于Y/Δ接线换流变压器；桥1对应阀臂的开通时间超前于桥2对应阀臂30o；每个单桥内部的6个阀臂按照60o的间隔顺序轮流导通。4.2.2

12脉动整流器工作原理4.2.212脉动整流器工作原理12脉动整流电路工作特点：每个时刻均需4个晶闸管同时导通形成向负载供电的回路，每个单桥中各有两个阀臂导通，直流电流通过四个阀臂。对触发脉冲的要求：12个晶闸管的相位依次相差30o；同一组的上下两个桥臂，即V11与V41等脉冲相差180o。整流输出电压一周脉动12次，每次脉动的波形都一样，故该电路为12脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程或电流断续时，为确保电路正常工作，须保证同时导通的4个晶闸管均有触发脉冲。4.2.2

12脉动整流器工作原理12脉动整流器的整流电压平均值为：交流系统a相电流的傅里叶展开式为：交流系统电流中含有12k±1次谐波。12脉动整流电压中只含有12k次谐波4.2.2

12脉动整流器工作原理4.2.3逆变器的工作原理直流输电工程所用的逆变器，大部分为有源逆变器，它要求逆变器所接的交流系统提供换相电压和电流，即受端交流系统必须有交流电源。从整流器的原理开始讨论：假设整流器接阻感负荷。直流电压曲线所决定的正负电压相等，直流电压的平均值为0；直流电压曲线所决定的负面积大于正面积，直流电压变为负值而反向；直流电压曲线所决定的面积都是负的。分析逆变状态：超前触发角4.2.3逆变器的工作原理要使逆变器导通，必须满足下列条件：(1)在直流母线上加一个足够大的直流电压，以克服反电势的作用，才能使电流流通。(2)在直流电压小于交流反电势时，为了保持电流的连续，直流回路中要有充分大的电感，利用储藏在磁场中的能量帮助电流连续导通而不致中断。(3)换流阀的触发延迟角。4.2.3逆变器的工作原理逆变器的换流过程与整流器类似，也是依靠交流系统提供的两相短路电压和电流（换相电压和电流）完成的。换流器电流不能反向，Ud反向将引起功率的反向。熄弧角逆变角延迟触发角换相重叠角“换相失败”：为使换相成功，必须在换相电压变为负值前完成从将关断阀到导通阀的转换。例如，从阀V5到阀V1的换相，只有时才能实现，而且需要有一个使阀去游离的足够时间裕度的条件下完成。4.2.3逆变器的工作原理逆变器的直流平均电压：逆变器的直流电流：逆变器工作原理：直流回路提供足够大直流电压和磁场能量，电流从高电位阀流进，经低电位的阀流出。4.2.3逆变器的工作原理换相引起的直流电压平均值的变化量4.2.3逆变器的工作原理4.3电压源换流器（VSC）

VSC的优点：快速控制有功功率和无功功率；高电能质量；对环境的影响小；可与弱交流网络甚至无源网络连接。VSC技术的主要应用：小功率(小于250MW)直流输电系统(称为轻型直流输电)；无功补偿(SVC和STATCOM)；有源滤波器(APF)；风力发电系统及变频调速系统。电压源换流器VSC采用自换相器件(如GTO、IGBT等)；在一个周波中可换相多次；功率反向可以通过直流侧的电流反向或者电压反向获得；通过脉宽调制技术控制功率因数。电流源换流器CSC采用电网换相的晶闸管器件；一个周波只能换相一次；功率反向只能通过电压反向来实现；4.3.2电压源换流器(VSC)的工作原理

主电路图单相等效电路图PWM技术在逆变电路应用最为广泛，现在大量应用的逆变电路，绝大部分都是PWM型逆变电路。太阳能光伏发电VSC的四象限运行特性

整流器运行于单位功率因数逆变器运行于单位功率因数

电流超前电压的纯无功运行电流滞后电压的纯无功运行4.3.2电压源换流器(VSC)的工作原理

柔性直流输电的特点无源逆变谐波含量小，无功需求小不会出现换相失败模块化设计可以实现无人值守或少人值守柔性直流输电的应用场合偏远地区供电孤岛或海上平台新能源发电并网非同步电网互联多端直流输电的发展城市配电网增容改造提高配电网电能质量4.3.2电压源换流器(VSC)的工作原理

40三电平结构也有工程投运，比两电平结构开关频率低，损耗小。拓扑结构2—三电平结构4.3.2VSC拓扑（补充）41模块化多电平换流器（MMC）由西门子公司提出拓扑结构3—多电平结构1（半桥）4.3.2VSC拓扑（补充）42MMC各相任意时刻导通子模块数相同，以维持直流电压恒定。4.3.2VSC拓扑（补充）43MMC与2、3电平VSC对比投资成本较低模块化设计输出滤波器容量小

开关频率低损耗小电压谐波畸变率小

MMC输出的多电平波形两、三电平VSC输出波形MMC的技术优势：MMC44适合于MMC的调制策略MMC调制策略的本质是使MMC输出所期望的多电平波形，工程中电平数低的场合主要采用载波移相正弦脉宽调制（CPS-SPWM），电平数较高的场合采用最近电平逼近调制（NLM）

（TBC工程以及上海南汇风电场都采用NLM）。CPS-SPWM调制示意图NLM调制示意图4.3.3

电压源换流器的PWM调制方法脉冲宽度调制（PWM）技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM技术的理论基础是面积等效原理，即面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的电路中时，其输出响应基本相同。脉冲宽度调制是把希望输出的电压波形作为调制信号与高频载波信号进行调制，在交点时刻对电路中开关器件进行控制，就可得到宽度正比于调制波幅值的脉冲，即PWM电压波。PWM调制方法：正弦脉宽调制（SPWM）；PWM跟踪控制技术（滞环比较、三角波比较）；空间矢量调制等。

4.3.3.1正弦脉宽调制（SPWM）

驱动信号产生原理图VSC输出三相电压波形图4.3.3.2PWM跟踪控制技术

（1）滞环比较滞环比较方式的电流跟踪PWM换流器特点：a．属于实时控制方式，电流响应快。b．不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。c．与SPWM相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多。4.3.3.2PWM跟踪控制技术

（2）三角波比较功率开关器件的开关频率固定，等于载波频率；和滞环比较方式相比，输出电流所含的谐波少。

（3）空间矢量PWM调制空间矢量PWM(SVPWM)调制:主要思路是将三相逆变器的端部电压在复平面上综合成电压矢量，并通过若干开关状态形成一系列的空间矢量，利用这些电压矢量去逼近以交流电动机理想磁通圆为基准的电压圆，从而形成PWM波形。空间矢量调制特点：具有较高的直流电压利用率；通过对零矢量的合理控制，降低谐波含量或降低开关损耗。4.3.3.2PWM跟踪控制技术

4.4强迫换相换流器

对于弱的交流系统，在系统受到扰动后，可能会遭受严重的输电中断，并导致系统稳定性破坏。晶闸管换流器需要一个可靠且具有足够强度的电压源供换相使用。为了避免对电压源强度的依赖，强迫换相技术可用于阀的关断。强迫换相技术的优点：可以馈入弱系统甚至无源系统；通过控制有功和无功潮流可以改善电压的调节特性；系统受到扰动后具有快速恢复能力（1个周波）。4.4.1用于HVDC换流器的换相技术

换相：指将直流电流（Id）从一个阀转移到6脉波桥电路共阳极或共阴极中的另一阀。换相过程依赖于电路参数和开关参数：电路参数：与电路的拓扑结构有关，包括变压器漏抗（电抗器）、换流电容器、辅助开关装置等。开关参数：包括器件的导通和关断时间、di/dt和dv/dt的限制等。开关的导通时间比其关断时间要短得多，且不会对换相过程有显著的影响。因此最重要的参数是关断时间强迫换相技术：可以在换流器的高压（功率）侧，通过晶闸管、二极管、电抗器和电容器等辅助元件实现(电容换相换流器和可控串联电容换流器)，也可以在换流器的低压（控制）侧，采用自换相器件来实现。普通晶闸管换流器的换相：依赖于电路参数和开关参数。在换流器的高压侧可采用电网换相（LC）和电路换相（CC）技术。可关断器件的HVDC换流器的换相：不依赖于电路的参数。在换流器的低压（控制）侧应用自换相技术。4.4.2

电容换相换流器

技术特点：换相电压由电容电压和电网电压共同组成。电容电压使换相电压相位滞后，从而过零点滞后，在逆变角小于0时，仍可正常换相。特高压电网由特高压骨干网架、超高压、高压输电网、配电网以及高压直流输电系统共同构成的分层、分区，结构清晰的大电网。（国家电网） 由1000kV级交流输电网和±660kV级以上直流输电系统构成的电网。特高压输电分类特高压交流输电（UHVACtransmission）特高压直流输电（UHVDCtransmission）4.5

特高压直流输电

4.5.1

特高压电网建设的必要性1、发电能源资源和经济发展呈逆向分布，决定了能源资源必须在全国范围内优化配置运煤发电环境污染严重。运煤发电交通运输压力大。一座5GW的电厂日耗煤达4.1万吨，对铁路、公路的运输压力极大2、提高输送容量一回1000kV交流输电线路的自然功率接近5GW，约为500kV输电线路的5倍。±800kV直流输电线路的输电能力为6.4GW，是±500kV的2.1倍。3、缩短电气距离，提高稳定极限

1000kV输电线路的电气距离相当于同长度500kV的1/4～1/5。即输送相同功率下，1000kV输电线路的最远送电距离是后者的4倍。

±800kV直流的经济输电距离为2500km及以上。4、降低线路损耗相同条件下，1000kV线损是500kV的四分之一。相同条件下，±800kV线损是±500kV的39％。4.5.1

特高压电网建设的必要性5、减少工程投资单位输送容量综合造价：1000kV输电方案约为500kV的四分之三。±800kV输电方案约为±500kV的四分之三。6、节省走廊面积一回1000kV输电线路的单位走廊输送能力约为同类型500kV线路的3倍。±800kV直流输电线路的单位走廊输送能力是±500kV的1.29倍。4.5.1

特高压电网建设的必要性7、降低短路电流特高压长距离送电可减少负荷中心区装机需求，从而降低当地电网的短路电流幅值。实现分层分区布局，优化系统结构，从根本上解决短路电流超标问题。8、加强联网能力UHVAC同步联网可大大缩短电网间电气距离，提高稳定水平，发挥大同步电网的各项综合效益。增强电网间功率交换能力，实现更大范围内优化能源资源配置。4.5.1

特高压电网建设的必要性4.5.2

特高压输电研究和应用概况4.5.2.1国外特高压输电研究和应用特高压直流输电技术起源于20世纪60年代，瑞典Chalmers大学1966年开始研究±750kV导线美国邦德维尔电力局（BPA） 1970年规划建设1100kV远距离输电线路，建成2个试验场。美国电力公司（AEP）规划在765KV电网之上建设1500kV特高压输电骨干电网，建成特高压试验场。前苏联上世纪70年代规划，1981年起开始建设，建成1150kV线路900km，在额定电压下累积运行超过5年。1978年计划建设±750kV直流特高压，试制出工程所用的全套设备，两端换流站完成了大部分土建及设备安装工作，直流线路建成1090km。4.5.2

特高压输电研究和应用概况日本 上世纪70年代规划，80年代初开始技术研究，建成1000kV同塔双回线路427km，目前降压500kV运行。意大利

规划建设1050kV特高压输电骨干网，建成试验站加拿大、巴西、印度加拿大、巴西分别研究过UHVAC和UHVDC技术，近年来，印度开始考虑UHVDC。4.5.2

特高压输电研究和应用概况4.5.2.2国内特高压输电研究和应用2005年初，国网公司启动特高压输电工程关键技术问题的研究（研究内容共113项，其中直流56项，交流57项）。北京特高压直流试验基地于2007年5月投入使用。西藏高海拔直流试验基地于2008年建成。我国具备±1000kV及以下特高压直流输电工程在不同海拔高度下的电磁环境、空气间隙放电特性、绝缘子污秽放电特性、直流避雷器等设备关键技术的试验研究能力，试验功能达到了世界领先水平。4.5.3特高压直流输电系统UltraHighVoltageDirectCurrenttransmission---UHVDCUHVDC的系统组成形式与超高压直流输电(EHVDC)相同，但单桥个数、输送容量、电气一次设备的容量及绝缘水平等相差很大。1、换流站主接线典型方式:每极2组12脉动换流单元串联(图a)其他方式:每极2组12脉动换流单元并联(图b)400kV＋400kV6英寸ETT阀运行方式灵活平抗分布在极线和中性线4.5.3特高压直流输电系统2、换流阀二重阀，空气绝缘，水冷却；控制角：整流器触发角15°，逆变器熄弧角17°4.5.3特高压直流输电系统3、换流变压器型式:单相双绕组，油浸式短路阻抗：16%

-18%有载调压开关:29档，每档1.25%

4.5.3特高压直流输电系统黑河工程,中俄联网,75万千瓦,已投运

高岭工程,2*75万千瓦,1期已投运，二期在建。灵宝工程,111万千瓦,已投运.背靠背工程呼辽工程,300万千瓦,908公里,已投运。德宝工程,300万千瓦,908公里,已投运。三上、三常、三沪、三沪II工程300万千瓦,葛上工程,120万千瓦,约1000公里,1990-2011年陆续投运。三广工程,300万千瓦，已投运。青藏工程,60万千瓦,1038公里,已投运。±500kV及以下直流工程宁东-山东±660kV直流工程，4000MW,1335km,2011年2月投运。±660kV直流工程向家坝-上海,640万千瓦,1,907公里,水电送出，已投运哈密-郑州,800万千瓦,2,210公里,火电送出，已开工。锦屏-苏南,720万千瓦,2,097公里,水电送出，双极低端已经投产，今年年底全部投产。溪洛渡-浙西,800万千瓦,1,669公里,水电送出，已开工±800kV直流工程中国已投运直流工程工程名称直流电压输送容量输送距离投运时间投资方葛南直流±500kV1200MW1045km1990国