华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch5-VSC-HVDC-电压源换流器型高压直流输电技术课件

VSC-HVDC的概述VSC-HVDC的基本原理VSC-HVDC的技术特点VSC-HVDC的应用情况及研究现状VSC-HVDC的控制方式及仿真验证VSC-HVDC的实验方案*第五章VSC-HVDC技术VSC-HVDC的概述*第五章VSC-HVDC技术§1.1VSC-HVDC概述基于电压源换流器的高压直流输电(HVDCbasedonVoltageSourceConverter,VSC-HVDC)常规HVDC采用线换相电流源换流器（LineCommutatedCSC），其本身存在一些固有的缺陷，主要表现在以下几个方面§1.1VSC-HVDC概述基于电压源换流器的高压直流输电§1.1VSC-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，即必须有足够的短路比（ShortCircuitRatio），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要吸收大量的无功功率，其数值约为输送直流功率的40~60%，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。

§1.1VSC-HVDC概述（续）传统的HVDC需要交流电§1.1VSC-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。

§1.1VSC-HVDC概述（续）因为传统的HVDC需要交§1.1VSC-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BoonTeckOoi等首先提出了利用PWM控制的VSC进行直流输电的概念。

§1.1VSC-HVDC概述（续）随着电力半导体技术，尤其§1.1VSC-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（HVDCLight）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HVDCLight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。§1.1VSC-HVDC概述（续）ABB公司把VSC与IG不同的称谓ABB公司称之为轻型直流输电（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”。我国很多专家称为柔性直流输电（HVDC-Flexible）*不同的称谓ABB公司称之为轻型直流输电（HVDCLight电压源换流器的应用领域*电压源换流器的应用领域***10向城市中心送电连接分布电源非同步联网提高配电网电能质量促进电力市场发展向远方孤立负荷点送电

方便地调节有功和无功，改善系统的运行性能

风电场、小型水电厂、太阳能电站及其它新能源发电系统

用电量急增，线路走廊困难

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快速控制有功无功，使电压、电流满足电能质量标准要求如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等柔性直流输电的应用场合多端VSC-HVDC网络10向城市中心送电连接分布电源非同步联网提高配电网电能质量促§1.2VSC-HVDC的基本原理图1两端接有源网络的VSC-HVDC系统原理图

§1.2VSC-HVDC的基本原理图1两端接有源网络的§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）直流侧并联大电容，起到为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时冲击电流、减小直流侧谐波的作用

换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带同时也有滤波的作用交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波换流器中IGBT上并联反向二极管，除了作为主回路以外，还起到保护和续流的作用

§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）直流侧并联大电容，§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）假设换流电抗器是无损耗的，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

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。

§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）假设换流电抗器是无§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）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

换流器通常采用脉宽调制（PWM）控制技术

UC由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控制，

就是PWM的调制波相角§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）有功功率的传输主要§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）有功功率的传输主要取决于，通过对

的控制就可以控制直流电流的方向及输送功率的大小。无功功率的传输主要取决于m，通过控制m就可以控制VSC发出或吸收无功功率及其大小。尤其当＝0时VSC只发出无功功率，当=

arcos(US/UC)时VSC以单位功率因数运行。

§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）有功功率的传输主要§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）VSC-HVDC的传输电缆VSC-HVDC传输电缆的表面是由压缩型聚合物做成的绝缘材料，由三芯绞线的屏蔽物和绝缘屏蔽物压缩在一起构成——挤塑电缆§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）VSC-HVDC的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*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电压源换流器常见拓扑结构三电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形*电压源换流器常见拓扑结构三电平电压源换流器拓扑结构及其输出交电压源换流器常见拓扑结构多电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形*电压源换流器常见拓扑结构多电平电压源换流器拓扑结构及其输出交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*VSC-HVDC系统简介*VSC-HVDC系统简介330MW的VSC-HVDC换流站俯视图*VSC-HVDC系统简介330MW的VSC-HVDC换流站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。*VSC-HVDC系统简介--换流桥换流桥每个桥臂是由若干个IVSC-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。*VSC-HVDC系统简介--换流变压器不同于CSC-HVDCVSC-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。*VSC-HVDC系统简介--换流电抗器换流电抗器是VSC与交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。*VSC-HVDC系统简介--直流电容器作用：*VSC-HVDC系统简介--直流电容器*VSC-HVDC系统简介--直流电容器*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。故装设小容量滤波器。作用：滤去交流侧电压谐波分量；对系统提供部分无功补偿的作用。*但是，交流滤波器的设计需要与换流电抗器配合。VSC-HVDC系统简介—交流滤波器换流站在较高的开关频率下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。*VSC-HVDC系统简介—交流滤波器从交流系统侧看过去，VSVSC-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,145kV*VSC-HVDC系统简介—交流滤波器中国龙泉换流器站交流滤波§1.3VSC-HVDC的技术特点VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统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。正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。§1.3VSC-HVDC的技术特点VSC电流能够自关断，可§1.3VSC-HVDC的技术特点（续）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，即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果VSC容量允许，故障时VSC-HVDC系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率的紧急支援，从而提高系统的电压和功角稳定性。潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的并联多端直流系统。

§1.3VSC-HVDC的技术特点（续）VSC不仅不需要交§1.3VSC-HVDC的技术特点（续）由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的VSC-HVDC线路后，交流系统的保护整定无须改变。

VSC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。§1.3VSC-HVDC的技术特点（续）由于VSC交流侧电VSC-HVDC与常规HVDC的区别功率范围：传统的HVDC主要运行于较大的功率范围；而VSC-HVDC输送的功率可以从几MW到几百MW，直流电压可达150kV。模型组件：VSC-HVDC是以一套有若干标准规格的换流站模块为基础，大多数设备在制造厂家就被封装起来；而传统的HVDC往往是根据系统运行的需要以及某些特殊的用途而设计和装配的。

VSC-HVDC与常规HVDC的区别功率范围：传统的HVDCVSC-HVDC与常规HVDC的区别（续）换流电路：VSC-HVDC换流站通过VSC控制IGBT的通断，因此，电路结构与传统HVDC有着很大的不同，其主要指标的比较如下表所示。

换流站指标传统HVDCVSC-HVDC换流阀晶闸管IGBT与交流系统连接的器件换流变压器串联电感（+变压器）滤波和无功补偿滤波器和并联电容器只用小型滤波器直流平波平波电抗+直流滤波器直流电容器站间通信需要不需要VSC-HVDC与常规HVDC的区别（续）换流电路：VSCVSC-HVDC与常规HVDC的区别（续）运行的独立性：VSC-HVDC不依赖于交流系统去维持电压和频率的稳定；与传统的HVDC相比，短路容量并不重要。VSC-HVDC可以给无源网络直接供电；而传统的HVDC在受端电网中必须有旋转电机。对功率的控制：传统的HVDC终端可以通过滤波器和串联电容器的通断以及在某种程度上对触发角的控制来达到对功率的控制，但是这种控制需要额外的设备和额外的损耗；VSC-HVDC则可以在很短的时间内形成任意的相角或幅值，这为独立地控制有功和无功提供了可能性。

VSC-HVDC与常规HVDC的区别（续）运行的独立性：VS§1.4VSC-HVDC的应用情况及研究现状HVDCLight研究现状从1997年瑞典的Hellsjön工程试验成功开始，到目前为止，世界上已运行和在建的VSC-HVDC工程已有多项。（1）瑞典Hellsjön工程是世界上第1个VSC-HVDC工业试验工程（2）1999年6月，瑞典果特兰岛（Gotland）VSC-HVDC工程投入运行。这是世界上第1个商业化运行的VSC-HVDC工程§1.4VSC-HVDC的应用情况及研究现状HVDCLi37投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A线路长度/km用途Hellsjon19973±1010/1015010工业试验Gotland199954±8080/803502×70风力发电，地下电缆Directlink2000180±80132/1103426×59电力交易，系统互联，地下电缆Tjaerebog20007.2±910.5/10.53582×4.3风力发电，示范工程EaglePass200036±15.9132/13211000(B-B)电力交易，系统互联，电压控制CrossSoundCahle2001330±150345/13811752×40电力交易，系统互联，海底电缆MurrayLink2002200±150132/22014002×180电力交易，系统互联，地下电缆世界上已投运或在建的柔性直流输电工程37投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/38投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途TrollA20052×42±6056/1324004×70绿色环保，海底电缆Estlink2006350±150400/33012302×72电力交易，系统互联，地下电缆Valhall201078±150300/11-292绿色环保，海底电缆世界上已投运或在建的柔性直流输电工程38投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/39工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途NordE.ON12009400±150170/380-203风电并网CapriviLink2009300350400/330-970弱电网互联TransBayCable2010400±200400-88大城市供电南汇工程201118±303530010风电并网世界上已投运或在建的柔性直流输电工程39工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电40工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途EastWestInterconnector，UK2012500±2001250电网互联，黑启动DolWin12013800±320150/380125075,90风电并网SkagerrakHVDCInterconnections（Pole4）20147005004001400140,104电网互联世界上已投运或在建的柔性直流输电工程40工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电41工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途INELFE（法-西）20132×1000±320400/400156060电网互联HelWin1(德国)2013576±250150/380115085,45风电并网BorWin2(德国)2013800±300155/4001330140,104风电并网世界上已投运或在建的柔性直流输电工程41工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电42

从世界上第一个试验性的工程——赫尔斯扬（Hellsjion）工程至今，VSC-HVDC最大输电容量由3MW发展到了1000MW，直流电压由10kV提升到500kV。

TGS公司总裁Rashwan在EPEC2011上指出VSC-HVDC的应用领域已经达到2000MW，这就使其具备应用于大规模输电网的能力。柔性直流输电的发展42从世界上第一个试验性的工程——赫尔斯扬（Hellsj43

VSC-HVDC在容量上的突破主要归功于四个领域取得的进展：换流阀——换流电流可达1740A直流电缆

——新型交联聚乙烯直流电缆能够承受300kV的直流电压且敷设深度超过2000米主电路和控制系统

——保持低损耗的情况下保持良好的控制特性和简化控制结构，其发展的过程涉及到换流站的拓扑结构、IGBT的开关频率以及脉冲触发模式的选择。换流站的主电路VSC-HVDC的发展43VSC-HVDC在容量上的突破主要归功于四个领域取得的44NanhuiMMC-HVDCprojectwhichisinShanghai,China

hasbeenincommissioned:

Commissionedtime:May,2011TransmissionRating:18MWDCVoltage:±30kVVoltagelevel:

49

中国柔性直流输电的进展44NanhuiMMC-HVDCprojectwhicDalianflexibleHVDCprojectSystemParameters：Rating：450MWDCvoltage:±280kVBeginning:2012

MarinecabledalianNortheastcontinent45中国柔性直流输电的进展DalianflexibleHVDCprojectSyCircuitdiagramofMTDC46中国柔性直流输电的进展CircuitdiagramofMTDC46中国柔性直§1.5VSC-HVDC的控制典型的3相2电平的VSC结构如图所示

VSC换流器§1.5VSC-HVDC的控制典型的3相2电平的VSC结构如VSC-HVDC的控制方式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*VSC-HVDC的控制方式定直流电压定直流电流(或功率)定交VSC-HVDC的控制方式对一个VSC-HVDC，需有一端采用定直流电压控制有源网络无源网络定直流电流控制定交流电压控制*VSC-HVDC的控制方式对一个VSC-HVDC，有源网络无§1.5VSC-HVDC的控制（续）VSC-HVDC系统换流器的基本控制方式（1）定直流电压控制方式，用以控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率；（2）定直流功率（电流）控制方式，用以控制直流功率（电流）和输送到交流侧的无功功率；（3）定交流电压控制方式，仅控制交流侧母线电压，适用于向无源网络供电；（4）变频率控制方式，用以控制交流侧频率，适用于与风力发电厂连接或黑启动。通常对于一个两端VSC–HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式。§1.5VSC-HVDC的控制（续）VSC-HVDC系统换§1.5VSC-HVDC的控制（续）简单PI控制§1.5VSC-HVDC的控制（续）简单PI控制§1.5VSC-HVDC的控制（续）定直流电压控制器§1.5VSC-HVDC的控制（续）定直流电压控制器§1.5VSC-HVDC的控制（续）定交流电压控制器§1.5VSC-HVDC的控制（续）定交流电压控制器§1.5VSC-HVDC的控制（续）低通滤波器结构§1.5VSC-HVDC的控制（续）低通滤波器结构仿真验证VSC1侧的有功功率发生50—70MW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*仿真验证VSC1侧的有功功率发生50—70MW的阶仿真验证无功功率由0→20MVar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*仿真验证无功功率由0→20MVar变化时，Vsc1侧交流§1.5VSC-HVDC的控制（续）向无源网络供电的Simulink仿真模型§1.5VSC-HVDC的控制（续）向无源网络供电的Sim§1.5VSC-HVDC的控制（续）仿真结果无源侧纯电阻负荷变化无源侧纯电阻负荷为20MW，0.5s后再增加纯电阻负荷20MW。整流侧系统的功率因数为1，即无功参考值为0，系统只发纯有功。

§1.5VSC-HVDC的控制（续）仿真结果华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch5-VSC-HVDC-电压源换流器型高压直流输电技术ppt课件华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch5-VSC-HVDC-电压源换流器型高压直流输电技术ppt课件§1.5VSC-HVDC的控制（续）无源侧阻感性负荷变化无源侧阻感性负荷20MW，p.f.=0.85，0.5s再增加一倍同样负荷，系统功率因数p.f.=1。§1.5VSC-HVDC的控制（续）无源侧阻感性负荷变化华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch5-VSC-HVDC-电压源换流器型高压直流输电技术ppt课件华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch5-VSC-HVDC-电压源换流器型高压直流输电技术ppt课件§1.5VSC-HVDC的控制（续）整流侧无功定值变化在无源侧阻感性负荷20MW，功率因数p.f.=0.85的条件下，整流侧无功定值0.5s由0变为20Mvar，即换流器吸收20Mvar无功功率；1s时无功定值由20Mvar变为-20Mvar，即换流器发出20Mvar无功功率。

§1.5VSC-HVDC的控制（续）整流侧无功定值变化华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch5-VSC-HVDC-电压源换流器型高压直流输电技术ppt课件华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch5-VSC-HVDC-电压源换流器型高压直流输电技术ppt课件§1.6VSC-HVDC的实验方案方案整体设计

*§1.6VSC-HVDC的实验方案方案整体设计*芯片介绍DSP芯片TMS320LF2407特性LF2407运行速度为30MIPS128K存储空间16路10BIT片上A/D接口片上双重的管理器PWM4路的DAC7625转换UART串行接口符合RS232标准32K片上FLASHCAN总线标准接口数据地址I/O控制4处扩展连接器*芯片介绍DSP芯片TMS320LF2407特性LF2407芯片介绍IGBT及其驱动模块(SKM200GD123D)单相IGBTs驱动模块*芯片介绍IGBT及其驱动模块(SKM200GD123D)单相控制部分设计DSP与IGBT驱动模块以及IGBT的连接*控制部分设计DSP与IGBT驱动模块以及IGBT的连接*实验内容VSC有功、无功独立控制研究；

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。物理实验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