柔性直流输电技术课件

柔性直流输电技术基本特征1总体概述标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容2目录3123柔性直流输电的定义柔性直流输电功率器件柔性直流换流器技术4柔性直流输电换流器的控制56柔性直流输电系统

柔性直流输电技术的发展目录41柔性直流输电的定义柔性直流输电技术5VSC-HVDC?

基于可关断器件和电压源换流器（

Voltage

Source

Converter,VSC

）的高压直流输电技术（

VSC-HVDC

），换流器自换向，能够独立调节有功功率和无功功率，可控性和灵活性强，被誉为新一代的直流输电技术命名情况：?

IEEE/CIGRE

等国际组织：基于电压源型换流器的高压直流输电技术（

VSC-HVDC

）? ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（

HVDC-Light）”?

西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（

HVDC-PLUS

）”?

中国：柔性直流输电?6常规直流输电：晶闸管技术，Line

Commutated

Converter（LCC-HVDC)柔性直流输电与常规直流比较高压直流输电（

LCC-HVDC

）

柔性直流输电（

VSC-HVDC

）7??晶闸管相位角控制?IGBT或其他可关断功率器件?晶闸管通过脉冲信号控制开通，但不能控制关断??脉宽调节控制可关断器件，可以通，电网换相。当承受电压过控制信号关断，完全反向时，自动关断。可控，自换相。?开关频率50/60

Hz?强迫换相频率上百赫兹。高压直流输电（

LCC-HVDC8运行性能比较）

柔性直流输电（

VSC-HVDC

）?换流器产生谐波量大，噪音较大，需要配备交流滤波器?需要无功补偿，最大约为50%输送容量?换流站滤波器小组投切过程较慢，且引起电压波动?电网换相，需要交流系统提供足够的短路容量。?脉宽调制使换流器谐波大大降低，只需要容量约为10

～20%的高通滤波器?换流站无需无功补偿，且可为交流系统提供紧急无功支援?无功调节平滑、快速?换流器完成自换相，无需电网提供换相帮助，对短路容量没有要求。高压直流输电（

LCC-HVDC9工程应用比较）

柔性直流输电（

VSC-HVDC

）?换流站占地面积大，辅助设备较多?结构紧凑、功率密度高，换流站面积约小40%?同等容量下，设计较?同等容量下，设计相对为复杂、建设工期长、简单、主要设备在工厂运行维护投入较大生产、现场安装和维护?电压已达±800kV

以上，传输功率6400MW

，适合大系统间大规模功率?较为简单能为弱系统、无源网络供电，如岛屿供电、海传输，适合能源的优化上油气平台供电、风电配置联网等。?可实现黑启动工程应用比较10VSC-HVDC节约空间LCC-HVDC工程应用比较11常规直流换流站柔性直流换流站目录122柔性直流输电功率器件电力电子开关13kV/kA电力电子开关（功率器件）是装置的基础+V/mA=kV/kAV/mA机械开关?

高压?

大电流Electronics?

高速?

电子控制?

低损耗?

长寿命PowerElectronicsPower电力电子技术的三要素14?

电力电子技术是应用于电力领域的电子技

术，使用电力电子器件（电力半导体器件）对电能进行变换和控制的技术，变换的电力从W 级到百MW ，甚至GW?电力电子技术已广泛用于电气工程学科，其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网电能质量补偿与控制、高性能交直流电源等领域?近年来，能源成为当今人类面临的重大问题，电力电子装置是能源变换的功能性装置，电力电子技术已成为能源变换与传输的关键技术交流和直流变换15通过换流器（

Converter

）实现变换功率器件的开通和关断过程16门极控制电压导通电流?导通和关断由门极信号控制?导通和关断过程快速，但非理想?导通和关断存在尖峰电流和电压集电极和发射极电压实际关断和导通波形功率器件的发展17半控器件?

开通可控?

关断不可控全控器件?

开通可控?

关断可控IGBT/IEGTThyristorGTOIGCTETO?电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA)?

开关速度由低到高（

50/60Hz

到几kHz)大功率开关器件的分类大功率开关器件晶闸管类GTO可关断晶闸管晶体管类ETO发射极关断晶闸管集成门极换相晶闸管IGCT模块式IGBT绝缘栅双极晶体管压接式IGBT(IEGT)电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV

IGBT)18晶闸管(Thyristor)?????门极电流控制开通关断关断时所需门极负脉冲电流较大可承受开关频率较低导通压降较低所能实现的电压、电流等级较高晶体管类(Transistor)?????门极电压控制开通关断门极驱动功率小，开关速度快，可承受开关频率高导通压降大所能实现的电压、电流相对不高19GTOGTO和IGCT集成门极IGCT???缓冲层

透明阳极逆导技术?

最

的全控器件?

开关频率低，已很少使用20?

上海50MVAr

STATCOM采用IGCT?

目前只有ABB公司供应IGBTIGBT和PP

IGBT(IEGT)PP

IGBT(IEGT)???电子注入增强低导通电压降宽安全工作区?

模块塑封?

应用最广的全控器件?

三菱、英飞凌、日立、

ABB等多个供应商?

压接式封装，双面散热?

失效后处于短路状态?

主要供应商有东芝、ABB和21Westcode?模块式封装(PMI)功率器件封装模式??????技术成熟安装工艺简单器件制造商多损坏时可能发生爆炸串联不易实现器件容量相对较小?压接式封装（

Press-Pack)??????器件故障后不会爆炸故障后处于短路状态结构上易于串联散热性能好封装难度大供应商少两种封装模式均有柔直应用? ABB工程全部采用StatkPak?

西门子Transbay工程用PMIIGBT，IGCT?

压接式封装可靠性更高?

主要有以下几类ABB

StakPakTM

IGBT日本东芝IEGT英国西玛码PP

IGBT美国ETO22SCFM-23?SCFMFailure

Mode)短路失效模式（Short-Circuit?器件发生失效后器件处于短路模式，并能够继续安全流过工作电流，直至装置检修时更换?ABB

StakPakTMIGBT在SCFM

方面的技术资料公开比较充分，东芝IEGT也有相关试验数据功率器件的电压电流水平24?主流型号????????IGBT

4500V/1200AIGBT

4500V/1500AIEGT

4500V/1500AIEGT

4500V/2100AStakPak

IGBT

4500V/2000AStakPak

IGBT

2500V/2000AIGCT

4500V/4000AETO4500V/4000A备注：IGCT和ETO的标称电流为峰值，约与IGBT的2000A相等??电压等级在3300V以上，有3300V，4500V?通流能力在1000A以上，有1200A，1500A柔性直流输电功率器小结柔性直流输电采用的功率器件一般容量较大?良好的开通、关断特性，导通特性?开通关断过程尖峰电压和电流?开通、关断过程快速，限制开关损耗?导通压降低，限制通态损耗?器件类型和封装?已经使用：压接式IGBT，模块式IGBT?其他器件：IGCT，ETO?压接式封装散热较好，损坏带来的影响较小，是发展趋势备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如STATCOM

等25目录263柔性直流换流器技术基于全控器件的换流器27?自换相换流器

Self-Commutated

Converter直流侧为电容，视作

电压源

直流侧为电抗，视作

电流源全控器件VSC

(Voltage

Source

Converter)全控器件CSC

(Current

Source

Converter)主流方式STATCOM,

SSSCVSC-HVDC较少采用电压源换流器原理28脉冲宽度调制(Pulse

Width

Modulation,PWM)Vdc0正弦载波PWM(Sine

PWM,SPWM)29参考波三角载波载波频率fs：三角载波频率参考波频率f1载波比：fs/f1换流器输出电压（基波）波形与参考波一致换流器四象限运行（有功和无功独立控制）USIULUCIsUU

SULUcLUIICUcδULUsCSU

>U

时,Q为容性UCIULUSU

<U

时，Q为感性C

SVSCP>0,整流模式UcδIUsP<0,逆变模式30UL实现高压大容量换流器的途径31在功率器件单体容量限制下，如何实现VSC高压大容量？器件串联?开关器件的直接串联实现高压?对功率器件要求高，技术难度大变压器多重化?通过变压器将多组低压VSC耦合连接，实现高压大电流?变压器损耗大，占地大，逐渐淘汰?通过功率模块串联，实现多电平换流器结构?成为电网应用的主流多电平换流器?器件串联32??ABB公司的两电平换流器的串联IGBT阀，HVDCLight/SVC

LightIGBT器件，器件不单独基于ABB公司StakPak

TM出售...引自ABB参考资料?器件串联33??换流器输出电平数低，正弦度不高，谐波和损耗大实现中存在多方面困难??串联器件静、动态均压技术杂散参数控制、安装、运行维护ABB的StakPak

TM

IGBT模块两电平换流器的PWM

控制3410SPWM1脉冲0dc(V

)V2dc输出电压(0)?V2dc器件直接串联的关键技术问题35?开关过程中的动态均压?尽量选择参数一致的器件?强化结构设计，减小杂散参数?强制均压电路控制开通和关断过程串联IGBT的动态均压串联IGCT的动态均压多电平换流器?多电平换流器的起始–NPC换流器–中性点钳位

NPC-

Neutral

Point

Clamp–实现三电平，电平数仍较低3636NPC换流器（三电平换流器）+S1+S1Vdc-VdcDB1DB1S2S22VO-VOO+O+DS3B2Vdc-VdcS4-DB2S3S44S

S

S

S1

2

3

4110001100011V

=VOdcVdc0V

=0OV

=-VOdc-Vdc3737三电平NPC换流器3838两电平换流器相电压线电压频谱??谐波性能得到改进开关频率仍较高多电平换流器3939多电平换流器4040+ECS1a1p-Sa2p+ECa3p2-SSO+ECa4VpAO3a1n-SSa2n+ECS4a3n-Sa4n二极管钳位换流器（5电平）+EC1-+EC2SSa1pa2pSa3p-SOa4pVAO+ECS3a4n-+Sa3nEC4S-a2nSa1n悬浮电容钳位换流器（5电平）v+C1C1-vo1+C2vC2-vo2vov+CNC

N-voN模块串联换流器（数十到百电平）?

二极管钳位多电平换流器dc定义N为电平数目每个器件仅需承受V

/(N-1)+Vdc/2+Vdc/40-Vdc/4?所需主开关器件数目所需钳位二极管数目2×(N-1)(N-1)×(N-2)?-Vdc/2N>3时的直流电容电压平衡控制十分困难?所需二极管数量平方次增长??在电力系统中少采用4141?

模块串联换流器——全H桥结构4242??所需主开关器件数目2×(N-1)所需钳位电容数目(N-1

）/2???需要直流电压平衡控制直流侧无法实现端对端连接已是大容量STATCOM主要采用的结构上海50MVASTATCOM，东莞200MVA均是这种结构Modular

Multilevel

Converter,

MMC?(模模块块化串多联电换平流换器流—器—）半H桥结构4343???需要直流电压平衡控制直流侧能够实现端对端连接柔性直流输电主流结构?

MMC

换流器工作原理44S1=On,

S2=Off

:

Vx=VcS1=Off,

S2=On:

Vx=0交流电压控制

V

=VAC直流电压控制

Vd=n

×VC+V1+…V2n44?

MMC

换流器工作原理等效为可控电压源4545iapibpSM1SM1icpSM1SM2SM2SM2………………Vd2VsaSMnSMnSMniaNVsbLcLcLcVsc0ibicLcLcLcSM1SM1SM1SM2SM2SM2Vd2………………SMnSMnianibnSMnicn直流电压约束NdV ?

?

(Sapi?

S

)Vani

Ci?1交流电压约束2aniapi

Ci?1v ?

1

(?n

S ?

?n

S

)Vconvi?1?

MMC

换流器桥臂等效电路

桥臂电流存在交流和直流分量4646Idiapvconv_a---+vconv_b+vconv_c+VdNV

CNV

CNV

C2222LLsLs-+vsasiad2vconv_a+-v+vconv_c+--iancNonv_b-vs+aiaiapianv+conv_a+-vconv_a---++vsbvscibicINV

C2LsLsNV

C2LsNV

CV2NVCadVd?

MMC

换流器的调制策略两种主要调制策略47?最近电平逼近调制(NLM)0

0500

060120wt1(8d0eg)2403003602019vconv18v17ref11615141312111098765432100500100015002000250030003500400020191817E1615141312111098100150200250300350764E54321047?

载波移相调制（CPSM

）?多电多平电换平流换器流的器优谐点波特性好4848?

多电平换流开关频率大大降低4949两电平换流器等效开关频率多电平换流器器件开关次数器件开关频率很高器件开关频率大大降低器件开关频率从几千Hz降低到250Hz到300Hz降低开关频率等于降低损耗5050Losses

in

Power

DevicesConducting

LossSwitching

LossLosses

in

MagneticComponentscesatCP ?

V ?

IcondP ?

?E ?

E

??

fSWO

N O

F

F

s提高器件性能降低开关频率例子：换流器技术对损耗的影响5151Gen.1是两电平换流器，损耗3.3%Gen.2和Gen.3是三电平换流器，损耗2.0%左右Gen.4是多电平换流器，损耗<1.0%常规直流???注：引自ABB 参考资料不同拓扑换流器比较2、多电平换流器控制难题能够解决5252注：1、多电平换流器指几十电平以上的换流器?5353主要采用模块化多电平换流器拓扑柔性直流输电换流器小结?基本单元为功率模块，功率模块串联实现高电压?模块化多电平换流器特点?一般电平数达到100以上?无需安装滤波器?通过模块实现换流器冗余?器件开关频率几百赫兹，换流器损耗较低?能够采用的功率器件种类多，选择广备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如STATCOM

等目录544柔性直流输电换流器的控制VSC-HVDC55的主要控制方式类别定P、Q控制定直流电压控制定交流电压控制基于VSC

系统的控制层次56上层控制（产生系统级控制目标指令）实现系统级控制目标产生补偿参考电流i

（谐波、无功等）refiref中层控制（产生输出参考电压指令）vref底层控制（生成PWM控制脉冲）...使换流器输出电流得到控制产生v

指令ref生成PWM控制脉冲VSC-HVDC57中换流器的控制QUdcPQ系统状态系统命令(P,Q)上层控制（系统级控制）系统状态上层控制（系统级控制）系统命令(P,Q)P,Q本地采集量及自身状态量UdcP,QUdc本地采集量及自身状态量中层控制（电流控制）VSC中层控制（电流控制）VSC直流电压均衡状态量Uref底层控制（控制）PWMUref底层控制（控制）PWM直流电压均衡状态量触发脉冲触发脉冲dq

坐标系下的VSC

数学模型58电压母线不考虑拓扑结构，只考虑外部变量特性USIL连接电抗UI电压源变流器C直流支撑电容dq坐标系下的VSC反馈线性化解耦控制59v1v

id

dVSCv反馈线性化2vqiqi

i

vdc,vsd,vd,

q,

sq引入新的变量v、v1

2i*did线性化后的控制环i*qiqVSC-HVDC60的dq解耦控制器QUdcPQ*vdc+PIi*dvddq解耦控制器PWM…P*÷i*dvddq解耦控制器Q

*÷v

-dci*qvq触发脉冲Q

*vsd÷i*qvqPWM…触发脉冲vsdvsddq解耦控制的优缺点61?优点????一种较为经典的控制方法控制量、反馈量均为直流量，比较容易稳定对控制速度的要求较低可以与各种PWM 方法配合工作，对开关频率要求较低?缺点??暂态过程中，dq轴上的量存在波动，给控制带来困难尤其在系统不对称故障时，对控制效果的影响较大MMC

换流器的直流电压均衡控制62目录635柔性直流输电系统柔性直流输电系统构成64柔直系统5D1

T1i

,iapm

anmi

,iap

anapmu

,u+

Canm-…

…

…

iapPC控制保护P

A PCP

B3D2

T221:kLsiaUdLs1…

…

…ianP,Q换流站系统控制保护系统柔性直流输电换流站系统655D1

T1i

,ii

,iap

anapmu

,uapm

anm+Canm-…

…

…iapD2

T23Lia21:kUsdLs1…

…

…ianP,Q换流站主要一次功能设备包括：换流阀联接变压器桥臂电抗器启动电阻接地电阻阀冷系统柔性直流输电换流站系统换流站交流侧接线功率模块功率模块功率模块功率模块?

匹配交流系统和换流器之间电压?

在交流侧设置接地系统（也可在直流侧设置接地系统）?

根据换流站P/Q输出范围和系统暂态特性，选取设备参数?无交流滤波器和无功补偿设备66柔性直流输电换流站系统67直流侧接线?

直流电压电流测量装置?

直流侧电抗器限制雷电?

无直流滤波器柔性直流输电换流站系统68柔性直流输电换流站系统69联接变压器主要作用：在交流系统和柔直换流站间提供电抗连接对交流电网与直流输电系统的直流电压等级进行匹配提供中性接地点连接变压器柔性直流输电换流站系统70启动电阻主要作用：限制阀侧电网对于功率模块直流储能电容的充电电流，使换流器相关设备免受冲击电流与冲击电压影响，保证设备安全运行；限制充电速度，避免充电过程中功率模块电容器电压不平衡桥臂电抗主要作用：柔性直流换流站与交流系统之间功率传输的纽带限制桥臂环流限制故障电流上升率阀电抗启动电阻柔性直流输电换流站系统内冷水系统外部空气冷却器71阀冷系统分为内冷水系统和外部空气/喷淋水冷却器两部分。内冷系统主要是迅速吸收换流阀散发热量，外冷系统主要降低循环水温。

内冷水系统的主要设备由主循环回路、去离子回路、定压系统、补水回路、自动排气阀构成。外部空气冷却器由换热翅片管束和变频调速风机构成。冷却水系统回路图柔性直流输电换流站系统72XLPE绝缘柔性直流输电电缆绝缘材料为交联聚乙烯，

其通过超净高纯度工艺或在交联交流电缆绝缘中添加纳米材料解决了交联直流电缆的空间电荷问题。软化点高、热变形小

,在高温下的机械强度高、

抗热老化性能好海缆与传统直流电缆相比,柔性直流输电中不要求直流电缆承受电压极性翻转陆缆柔性直流输电换流站系统73变压器阀侧电压（无直流偏置）00

510

1520

25

30

35~==~交流电网联接变联接变交流电网压器压器换流阀

换流阀①

对称单极接线变压器阀侧电压（带直流偏置）00

510

15

20

25

30

35~==~~

==~交流电网换流阀换流阀交流电网联压接器变联压接器变②

对称双极接线优点：优点：?

设备少，占地面积小?

阀侧设备不需要耐受直流缺点：??阀交直流侧电压水平高单极运行?

阀交直流侧电压水平较低?

双极/单极运行缺点：?

设备较多，占地面积大?

阀侧设备耐受直流电压受端多落点混合多端直流74???串并联方式灵活配置多个落点技术挑战?受端并联、串联多端的控制模式多样化并联受端11000MW+50O0HkV串联+500kVOH1受端750MW2受端750MWC&P送端3000MW受端21000MWC&P送端3000MW3受端750MWOH-500kV受端31000MW-50O0HkV4受端

750MW柔性直流输电控制保护系统75光纤换流器开关调制电容电压平衡控制运行方式控制模式有功功率控制直流电压控制脉冲分配与触发触发子模块旁路控制电容电压监测换流阀监测与保护频率控制光纤触发子模块旁路控制电容电压监测启停控制无功功率控制控制指令整定有功类控制内环电流控制无功类控制交流电压控制直流电压指令频率控制指令交流电压控制6套设阀备控N套子模块控制器光纤锁相同步环节换流器开关调制桥臂环流控制电容电压平衡控制脉冲分配与触发换流阀监测与保护触发子模块旁路控制电容电压监测换流器限流控制换流器监视与保护系统与换流站级监视与保护光纤子模块触发旁路控制电容电压监测系统及换流站级控制保护换流器级控制保护阀级控制保护子模块级控制保护柔性直流输电控制保护系统76至调度至集控104

104至主保站信103至调度

至集控104

104服务器A服务器B文件服务器X2运工行作人站员1运工行作人站员2工程师站文工档作管站理打印机远动机1远动机2保信子站GPSA网监控B网监控故障信息网规约转换装置

CSM320EW规约转换装置

CSM320EW设备直流系统485/ModbusModbus/TCPIP交流场测控（联交接流变保及护断路器失灵等）系统及换流站级控制A/BA/B直流保场护测控

A/B四方提供：IEC61850阀控A系/B统换保流护器控制A/B集中录波器区域现场总线/（

）阀冷控制系统A/B站用电及辅助/源（消控防站制用系电统源直流空电调/供水）合并单元

合并单元/UPS/

AB换流站控制保护系统总体分层结构为远方调度中心通信层、集控中心层、换流站监控层、控制保护层、现场I/O层。76目录776柔性直流输电技术的发展应用背景78新能源接入柔性直流输电是采用全控电力电子器件组成的电压源换流器构成的直流输电系统。电压源换流器1交流系统变压器桥臂电感SMSM

2SMn城市配电网供电直流电缆1SM

2SMnSM桥臂电感变压器交流系统1SMSM

2SMn1SMSM

2SMn电网互联/

电力市场交易柔性直流输电系统是构建智能化电网

的重要部分，具有绿色环保，控制灵活，适用场合广的突出优点。孤岛/钻井平台供电国内外柔性直流发展概况7979美国已投运3项柔性直流输电工程，在建1项，2025年前规划40

余项。欧洲已投运7项柔性直流输电工程，在建7项，2025年前规划50

余项。南汇柔性直流输电工程换流站

南澳柔性多端直流示范工程示意图

舟山多端柔性直流输电工程中国于

2011

年投运了南汇风电和中海油文昌两个柔直工程， 2013

年投运南澳工程，2014

年投运舟山工程，正在建设厦门工程、云南电网异步联网工程。世界上已投运和在建工程8080已投运和在建工程特点8181??????1997年-2013年已投运工程20个，总容量5336MW2014年-2015年在建工程12个，总容量9109MW在建工程美国1个，中国2个，欧洲9个在建工程换流器拓扑均为模块化多电平结构在建工程主要为风电接入和系统联网在建工程有2个是多端系统技术发展趋势8282...?

换流阀所需大功率电力电子器件选择多样化?

换流器输出谐波含量少，无需交直流滤波器?

开关频率大大降低，运行损耗减少，运行成本降低?

结构更加紧凑，更适合不利环境下建设、运行技术发展趋势83±700kV

1500MW±200kV400MW±10kV3MW未来可能用于替换常规直流输电，解决受端换向失败，增强电网控制能力19972010

2015技术发展趋势843电源交流母线1电源交流母线

~=交流母线2电源~=直流母线~= =

=

=

=~= =

=

=

=交流储能直流负载

负载高新光伏直流企业