柔性直流输电基本原理介绍

柔性直流输电基本原理介绍基本原理

柔性直流输电是20世纪90年代开始发展起来的一种新型的高压直流输电技术；

与传统的高压直流输电技术相比，柔性直流输电技术最根本的特征在于采用了全控型器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）、电压源换流器（VSC）。基本原理CU

换流器输出电压的基波分量；US

交流母线电压基波分量；和之间的相角差；X1

换流电抗器的电抗。·

忽略换流电抗器的损耗和谐波分量，则换流器和交流电网之间的功率交换为：有功功率

无功功率通过控制δ就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小；通过控制UC就可以控制换流器发或吸收无功功率及其大小。换流器的四象限运行基本原理

从系统角度看，柔性直流系统可等效为无转动惯量的发电机，可快速调节其出口的电压和频率；控制系统根据系统需求，通过对换流阀的开关控制，获得期望的电压、电流波形。柔性直流输电的命名

在学术界，国际性权威电力组织（CIGRE、IEEE），一般将其称为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器直流输电”；

ABB公司称之为“轻型直流输电”（HVDC

Light），并作为商标进行注册；西门子公司称之为“新型直流输电”（HVDC

Plus）；

为形成自有知识产权，并参考相关命名习惯，我国将该技术命名为“柔性直流输电”（HVDC

Flexible）。柔性直流与常规直流的比较半控器件：晶闸管仅控制有功需配置大量滤波、补偿装置稳定运行必须站间通信直流极性反转直流电缆要求高全控器件：IGBT有功无功独立控制无需滤波器、无功补偿无需站间通信直流极性不反转直流电缆要求低柔性直流与常规直流的比较比较项目常规直流输电柔性直流输电换相失败经常发生不会发生滤波器容量较大较小或无无功功率没有无功控制能力，需补偿装置有无功控制能力，不需补偿装置换流站间通讯需要不需要占地较大较小对交流系统依赖性不能向无源网络送电可以向无源网络送电有功功率控制较快，较灵活非常快，灵活工程建设时间较长较短输送功率较大（300~3000MW）较小（3~1000MW）换流站损耗相对较小（<0.8%）相对较大（～1%）单位建造成本相对较低相对较高柔性直流的技术优势具有独立的有功、无功功率控制功能，并可快速、灵活的调节；具有宽范围的功率运行特性，有功和无功的范围调节范围均可从零到最大设计值；具有潮流反转功能，可以快速的从一个功率输送方向翻转到相反的方向；提供电压支撑功能，可以为相联的交流系统提供无功支撑能力；可以隔离系统故障和短路电流，在相联交流系统故障时阻断故障的扩大，不会增加短路容量；提供黑启动能力，在相联的交流系统故障后能够提供一个恒定的电压和频率支撑，使系统快速恢复；柔性直流的技术优势向无源系统供电功能，不需要系统提供换相容量，可以为无源系统或弱系统进行供电；异步电网互联功能，可以用来联接不同频率的电网，进行功率交换电力市场交易功能，可以对传输的功率进行准确的控制，从而提供了电力市场交易的可能性；全室内化设计，最大限度降低了故障的概率，减小了对周围环境的影响；由于直流电缆相距较近且电流方向相反，基本对周围无电磁辐射，不会对无线电造成干扰；紧凑型设计，滤波器很小或没有，占地比普通直流输电大为减小。在保护环境方面的优势柔性直流输电的典型应用领域多端直流互联风电场并网海上钻井平台/孤岛供电电网互联/电力交易太阳能发电并网特大城市供电柔性直流输电的技术特点目前公认的风电并网的最佳方式适于向无源网络供电适用于远距离小功率输电提供无功支持，改善电压水平隔离交流故障可以提供黑启动能力适合构建直流电网占地面积小两端柔性直流输电工程序号工程名称直流电压容量换流器输电线路投运时间备注1Heällsjön±10

kV3

MW2电平架空线10km1997试验性工程2Gotland±80

kV50

MW2电平电缆70km1999风电并网3Tjaereborg±9

kV7.2

MW2电平电缆4.4km2000风力发电,并网示范4Directlink±80

kV3*60MW2电平电缆6×65km2000电网互联5Eagle

Pass

B2B±15.9

kV36

MW3电平——2000背靠背联网6Murray

Link±150

kV220

MW3电平电缆180km2002电网互联,电力交易7Cross

Sound

Cable±150

kV330

MW3电平电缆40km2002电网互联,电力交易8Troll

A±60

kV2*41MW2电平电缆67km2005海上平台供电9Estlink±150

kV350

MW2电平电缆105km2007非同步联网10NordE.ON1±150

kV400

MW2电平电缆406km2009风电并网11Caprivi

Link350

kV300

MW2电平架空线970km2009弱电网互联12Valhall±150kV78

MW2电平电缆292km2010钻井平台供电13Trans

Bay

Cable±200

kV400

MWMMC电缆88km2010电网互联,城市供电14上海南汇工程±30

kV18

MWMMC电缆小于14km2011风电并网15East

West

Interconnector±200

kV500

MW——电缆261km2012电网互联16DolWin1±300

kV800

MW——海缆75km，陆缆90km2013海上风电并网工程实例1－孤岛供电工程实例2－风电接入德国瑙德（Norde

E.ON1）工程

德国瑙德（Norde

E.ON1）工程位于德国北海，距离德国西部海岸大约130km，该风电场总发电容量为400MW。该联网工程选择直流输电联网的原因有：①陆地和地下电缆的总长达203km；②VSC-HVDC可以独立控制有功和无功潮流，并且在不投入滤波器的情况下能够实现零到全功率的控制，保证风电场连续可靠地运行。工程实例2－风电接入工程实例3－电网互联提供双向电力传输使用跨海直流电缆连接新英格兰电网和纽约长岛电网。双向电力传输，提高了康涅狄格和新英格兰电网的供电可靠性；可增加电厂的共享装机容量，减少峰荷时所需的电源装机容量可以根据计划的输送电力精确控制联络线的传输容量；在换流站可以进行无功功率电压控制，为相联的交流系统提供支持；采用塑胶绝缘材料，电缆破损无绝缘油泄露危险，对海底生态环境影响小；2003.8.14，北美东北部大停电，其黑启动功能为长岛电力恢复起到重要支撑作用。工程实例4－大城市供电

2004年1月决定修建输电工程，经过三年多的规划、设计、方案比较、环评、与政府部门的协商等，2007年6月决定采用基于多电平换流器的柔性直流输电技术

建成后把匹兹堡富余电力送到旧金山，避免在旧金山新建电厂；

两端换流站均位于市区，基于多电平换流器的换流站占地面积小，噪声低；

工程总体造价约为40亿美金，西门子订单约为15亿美金；额定输送容量：400

MW额定直流电压：±200

kV柔性直流输电技术的发展趋势发展趋势一：高压大容量

目前已经建成的柔性直流输电工程为：400MW，±200kV目前在建设中的柔性直流输电工程：2x1000MW，

±320kV发展趋势二：多端直流

区域性直流电网技术条件已成熟（Ready

to

go)跨区域直流电网技术正在进一步研发（Under

development)多端柔性直流输电系统多端柔性直流输电系统是指含有3个及以上柔性直流换流站的直流输电系统。√近海/海上风电场并网√多个孤立交流系统非同步互联√大型分布式发电网互联√大型城市或负荷中心供电多端柔性直流输电的发展趋势到2025年，英国国家电网规划建设多端柔性直流输电网络，满足大规模海上风电接入。欧洲规划以柔性直流为主的超级电网；连接欧洲、北非及中东的多端直流输电网络。美国能源部规划新建柔性直流输电60余条，满足2030的20%风能接入目标。国际大电网组织（Cigrè）最近新成立了5个多端柔性直流工作组：B4-56

Guidelines

for

the

preparation

of“connection

agreements”

or

“GridCodes”

for

HVDC

gridsB4-57

Guide

for

the

development

ofmodels

for

HVDC

converters

in

a

HVDCgridB4-58

Devices

for

load

flow

controland

methodologies

for

direct

voltagecontrol

in

a

meshed

HVDC

GridB4-59

Devices

for

load

flow

controland

methodologies

for

direct

voltagecontrol

in

a

meshed

HVDC

GridB4-60

Designing

HVDC

Grids

forOptimal

Reliability

and

Availabilityperformance国内外多端柔性直流的现状规划中的多端直流输