特高压直流背靠背方式和柔性直流原理介绍

李论

2020年10月

特高压直流背靠背方式和柔性直流原理介绍目录一直流输电基本原理三柔性直流输电技术原理二特高压直流背靠背方式四柔性直流输电技术特点

一、直流输电基本原理（一）晶闸管伏安特性导通条件：阳极（A）和阴极（K）之间施加正向电压；门极（G）和阴极（K）之间施加触发脉冲。导通时的正向电压降只有几伏。关断条件：晶闸管在导通状态下直到流通电流降为0时才会关断，并在承受足够反向电压后确保关断。半控：控制导通，受迫关断晶闸管伏安特性图

一、直流输电基本原理

一、直流输电基本原理（二）六脉动整流桥换相过程（理想模型）

假设换相在瞬间完成，每一时刻由联系最高交流电压的晶闸管和最低交流电压的晶闸管导通，按照一定顺序通断将交流电压变换成六脉动的直流电压。

一、直流输电基本原理（三）六脉动整流桥换相过程（考虑换相电感）当导通的阀V1换相至阀V3的过程中，由于系统存在电感，换流变也有漏抗，所以回路中电流不会突变，而存在一个阀V1、V2、V3共同导通的时间。★由于V1阀电流消失后长期承受反向电压，一般整流侧不存在换相失败。（四）六脉动整流桥换相过程（考虑延时角和换相电感）考虑延迟角（用电气角度来表示从自然换相点到阀的控制极上加以控制脉冲这段时间又称触发角、控制角）和换相电感的电压波形

一、直流输电基本原理

一、直流输电基本原理（五）直流输电整流与逆变逆变的条件：1）直流侧有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。2）晶闸管的控制角α＞π/2，使Ud反向。逆变和整流的区别：1）0＜α＜π/2时，换流器工作在整流状态。2）π/2＜α＜π时，换流器工作在逆变状态。三相桥式整流回路三相桥式有源逆变

一、直流输电基本原理（六）三相桥式有源逆变状态时的电压波形

一、直流输电基本原理（七）有源逆变失败换相失败：退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相。换相失败的主要原因是交流系统故障使得逆变侧换流母线电压下降，在一定的条件下，有些换相失败可以自动恢复，但是如果发生两次或多次连续换相失败，换流阀就会闭锁，中断直流系统的输电通道，在严重的情况下可能会出现多个逆变站同时发生换相失败，甚至导致电网崩溃。有源逆变失败：指逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。

二、特高压直流背靠背方式

二、特高压直流背靠背方式（一）特高压直流输电示意图特高压直流输电设备主要包括：换流阀、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、直流避雷器、交流避雷器、无功补偿设备、控制保护装置和远动通信设备等。

二、特高压直流背靠背方式（二）背靠背直流输电系统背靠背直流输电系统是输电线路长度为零的直流输电系统。这种类型的直流输电主要用于两个非同步运行（不同频率或相同频率但非同步）的交流电力系统之间的联网或送电，也称为非同步联络站。背靠背直流输电的整流站设备和逆变站设备通常装在一个换流站内，也称为背靠背换流站。在背靠背换流站内，整流器和逆变器的直流侧通过平波电抗器相连，构成直流侧的闭环回路；而其交流侧则分别与联接电网的连接点相连，从而形成两个电力系统的非同步联网。被联电网之间交换功率的大小和方向均由控制系统快速方便地进行控制。（三）背靠背直流输电系统的优点①背靠背直流输电的直流侧可以选择低电压大电流（因无直流输电线路，直流侧的损耗较小），可充分利用大截面晶闸管的电流值，同时与直流电压有关的设备（如换流变压器，换流阀，平波电抗器等）绝缘也相应较低，从而使这些设备的造价明显降低。②由于整流器和逆变器均装设在一个阀厅内，直流侧谐波可全部控制在阀厅内，而不会产生对通信的干扰，从而可降低直流侧滤波的要求。通常可省去直流滤波器，同时平波电抗器值也可选择的较小。③利用背靠背直流输电系统，除可方便快速地调节有功功率以外，还可比利用远距离直流输电更加方便地进行无功功率的调节，从而更有利于改善被联交流电网的电压稳定性。因此，背靠背直流输电的造价低，设备制造难度小，运行的灵活性好，是进行非同步联网的最佳选择。

二、特高压直流背靠背方式

三、柔性直流输电技术原理

三、柔性直流输电技术原理（一）柔性直流输电技术柔性直流输电指的是基于全控型器件的高压直流输电。柔性直流输电的主要工作原理是通过控制IGBT换流阀开通或关断，在交流侧调制出一个正弦电压，通过控制电压的幅值和相角实现与交流系统的功率交换。柔性直流输电的核心技术是采用可关断的电力电子器件和脉宽调制技术的电压源型换流器。

三、柔性直流输电技术原理（二）全控型电力电子器件IGBT柔性直流与常规直流的最本质区别在于其核心元件采用全控型电力电子器件IGBT。IGBT的开通和关断都可以控制，换相不依赖于交流电源，可工作在几千赫兹的开关频率下。而常规直流所用晶闸管只能控制开通，关断需晶闸管两端承受反向电压且保证足够电流过零时间，开关换相依赖交流电源，晶闸管每工频周期只开断一次。

三、柔性直流输电技术原理（三）两电平结构换流技术两电平换流器结构有六个桥臂，每个桥臂都可等效成一个开关，桥臂由IGBT和与之并联的二极管组成，其电路结构同常规直流的六脉动桥一致。柔性直流换流器的工作基础是有稳定的直流电压。在换流器解锁前，合上交流进线开关，通过IGBT模块的反并联二极管对直流电容不控整流充电，初步建立直流电压。两电平结构换流器的电容预充电

三、柔性直流输电技术原理（三）两电平结构换流技术二极管不控整流结束后换流器解锁,通过驱动两电平结构上下桥臂的IGBT开关的通断时间生成一系列等幅不等宽的脉冲来等效获得正弦波。相对于接地点，两电平换流器每相可输出两个电平:0.5Ud和-0.5Ud，上桥臂导通输出0.5Ud,下桥臂导通输出-0.5Ud。（三）两电平结构换流技术通过PWM脉宽波等效正弦波的原理解释如下：把正弦半波分成N等份（如N=7），就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等（等于п/N）但幅值不等的正弦脉冲，可用面积相对应的矩形脉冲列替代，该矩形脉冲列就是PWM脉宽波。N值越大，PWM脉宽波就越逼近正弦波。

三、柔性直流输电技术原理（四）模块化多电平结构换流技术模块化多电平换流器同样有6个桥臂，其桥臂不是由多个开关元件串联而成，而是采用多个子模块串联的方式。

三、柔性直流输电技术原理（四）模块化多电平结构换流技术该换流器的工作方式比较简单，也是先通过二极管对直流电容充电来初步建立每个模块直流电压，随后换流器解锁，通过控制投入子模块的数量构成阶梯波的方式来输出正弦波

三、柔性直流输电技术原理

三、柔性直流输电技术原理（五）柔性直流输电技术原理从由交流系统流入柔性直流系统的潮流可表示为：

（1）

（2）四、柔性直流输电技术特点

四、柔性直流输电技术特点（一）柔性直流换流器工作模式（1）功率控制模式是指当柔性直流系统连接有源网络时，通过调整换流器输出正弦电压的幅值和与网侧电源相角差（根据公式（1）和（2））,实现控制有功和无功功率的目的。（2）直流电压控制模式指在功率控制的基础上，通过动态的调节注入直流电容的有功功率，达到控制直流电压的主要目的。当注入有功大于负载功率时，直流电容处于充电状态，直流电压上升；反之则直流电压下降。工作在该模式下的换流站在直流系统中相当于一个平衡节点，起到有功功率平衡和直流电压维持的作用。（3）交流电压控制模式是指当柔性直流系统连接无源网络时，换流器输出一个幅值、频率、角度恒定的正弦电压，为无源网络提供电压源支撑。柔性直流系统运行稳定的重要前提是直流电压的稳定，直流电压稳定的重要性就像交流系统中的频率稳定一样。不论对于多端还是双端柔性直流系统，必须要有一个换流器工作在直流电压控制模式下，且直流电压控制模式的换流器先解锁，其余换流器后解锁并根据交流系统状态选择功率控制模式或交流电压控制模式。

四、柔性直流输电技术特点（二）柔性直流输电技术特点优点：（1）无换相失败问题（2）换相不依赖交流系统，可对无源系统供电。（3）无需无功补偿，还可向交流系统提供无功支援。缺点：直流线路故障不易清除，对于各侧交流系统相当于三相对地短路直流线路上发生故障时，即便IGBT全部关断，交流系统还是会通过IGBT反并联的二极管向故障点馈入故障