培训课件：高压大容量柔性直流关键设备技术研究

务实

求精

协作

创新高压大容量柔性直流关键设备技术研究提纲一

概述二

关键设备技术三

应用展望2概述•

柔性直流输电在可再生能源并网、城市扩容改造、海岛互联、偏远地区供电和多端直流网络构建等方面具有显著地优势，是构建未来智能化输电网络的关键技术。3概述•

国际欧洲规划以柔性直流为主的超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的级电网；连接欧洲、北非及中东的多端直流输电网络。需求。4概述•

国内未来三北地区、西部、东部沿海的风电、太阳能、水电将被大力开发，局部地区可再生能源发电比例将超过50%；新能源开发将呈现出“大规模集中接入、远距离输送、大范围消纳”的特点，西电东送规模将进一步增大；华东、广东区域负荷中心直流输电较为集中，存在换相失败等问题；我国电网迫切需要发展高压大容量柔性直流输电技术。5概述•

电压和容量达到500kV常规直流输电水平201120132014201520186柔直电网关键技术•

柔性直流换流阀、阀控技术•

高压直流断路器技术•

直流控制保护技术•

高速测量技术7提纲一

概述二

关键设备技术三

应用展望8换流阀关键技术•

±500kV/3000M高压大容量换流阀的挑战高电压大电流下器件的快速关断技术，高强度电、磁、力、热综合应力条件下的高可靠性换流阀设计；换流阀器件级、换流器级、系统级全功率等效试验技术和大规模复杂系统实时动态模拟仿真技术；高压大容量换流阀桥臂串联子模块数超多，阀控制复杂；换流阀桥臂串联级数IGBT3300V4004500V266±320±500直流电压（kV）6254169换流阀关键技术•

换流阀设计方面-

应用4500V压接式IGBT器件；-

换流阀需要耐受更严酷的故障电流；制造商电压/电流等级峰值型式3300V/1500A4500V/1200A6500/750A塑壳封装ABB4500V3000A2500V/2250A4500V/1800A4500V/3000A压接式封装压接式封装WESTCODETOSHIBA压接式封(IEGT)10换流阀关键技术-

换流阀子模块设计-

高可靠、强关断能力的4500V压接IGBT驱动设计-

子模块散热及结构设计：单个子模块损耗近10kW，需开展高功率密度子模块散热设计，优化水冷散热结构；11换流阀关键技术-

换流阀塔结构及抗震设计3000M换流阀子模块体积、重量均有显著增加，单个子模块~500kg；考虑抗震，对结构设计要求高；-

换流阀电磁场分析及屏蔽设计阀塔绝缘子12换流阀关键技术-

子模块快速检修设计模块可分离检修设计：控制板卡、电源、旁路开关等抽屉式子模块设计抽屉式子模块13换流阀关键技术-

基于精细数学模型的多物理场分析与设计技术多物理场关联分析与设计解决高压大容量换流阀结构、绝缘、电磁屏蔽等设计难题，实现换流阀高可靠设计应力分析电场分析热分析CNCNCNCMNL35CNCNCNPMLVV_01ML323_V10TNVLTCNCNCNCN33CNCNCNP1V_ML34VLdTCNMLVV__MLMVL3_34__VV10CNCNCNCNCNCNCNV_ML6_VdMLV01V_MLL33667V0VCNCMLCNCNCN_VLCNCNCNCNCNCN_VVNVTLCNCNCNCNL3CNCNCNV1_LL310dNVLTdCNCNCNCN32CNCNCNPV_ML33_VdLVdCNCNCNCMNLCNCNCNV0V_ML33_NVLdTCNCNCNCN34CNCNCNP10V_MLL3355__VVTNVLTVV_01MVL_3M5_V10LTNVLTdCNCNCNCN36CNCNCNP_VdCNCNCNCMNL37CNCNCNV0PVTLVTCNCNCNCN38CNCNCNVV_01MPVLL1VTCNCNCNCMNL39V0V1V_MPVL_3M9L_4V010TdCNCNCNCMNL40CNCNCNVPV_ML40_V10NNNCM1NNNPV_MML332212__VVLTV_MLL3388__38_V9V0_TVV_ML31_T_M_VV_L36LV_LL26NV__MML3L377__VV10V_LL28NV_L31LV_LL21V_L32LV_L33LV_LL23V_L34LV_L35LV_L37LV_LL27V_L38LV_L39LV_LL29V_L40L

V_LL30V_L21CNCNCNCNLCNCNCNPVVM_LL2222_HVTNVLTCNCNCNCMNL22CNCNCNPV_L23CHNCNCNCNCNCNCNVV__L2M4H2_VVLdTNVLTCNCNCNCMNL24CNCNCNP1V_L25CHNCNCNCNCNCNCNVV__LM26HVLdTNVLTCNCNCNCMNL26CNCNCNPV_L27HCNCNCNCNCNCNCNVV__LM28LH28_VTNVLTCNCNCNCMNL28CNCNCNPV_L29CHNCNCNCNCNCNCNV_V_L0_H_VLdVVTNCNCNCNCMNL30CNCNCNP1L2CNCNCNCNCNCNCNV0L2CNCNCNCNCNCNCNVV_01VML23_V10TNVLTCNCNCNCMNL23CNCNCNV0P1V_ML24_VdCNCNCNCNCNCNCNV0V_MVL_2M4_V10_VNVLTCNCNCNCMNL25CNCNCNV0PL26_VdCNCNCNCNCNCNCNVV_01VML267_V10TNVLTCNCNCMNL27CNCNCNP17_CNCNCNCNCNCNCNV0MLCNCNCN29CNCNCNV0P1ML30dCNCNCNCNCNCNCNVV_ML30_V10VVTNVTL21VM_VV_LL12_2VdV_M3_V10V_LL14V_ML5VLd1V_M5_V10V_LL16_VdCNVV_V_M2V_LL181V_289_V10TNVLTdCNML_V_LL20VM_M1_M1M1_MV10VV_L21LV_LL11V_L22LV_L23LV_LL13V_L24V_L25LV_LL15V_L26V_L27LV_LL17V_L28LV_L29LV_LL19V_L30LV_L11CNCNCNCNLCNCNCNV_L12H_VVLdTNVLTCNCNCNCMNL12CNCNCNPV_L13CHNCNCNCNCNCNCNV_L1V4_HML4__VVLdTNVLTCNCNCNCMNL14CNCNCNP1V_L15CHNCNCNCNCNCNCNV__LM16HVLdTNVLTCNCNCNCMNL16CNCNCNPV_L17CHNCNCNCNCNCNCNVV__LM18H1_VVLdTNVLTCNCNCNCMNL18CNCNCNPV_L19CHNCNCNCNCNCNCNV_VL_M20L2H2_VVNCNCNCNCMNL20CNCNCNP1NVTLMV1V_ML12_VdCNCNCNCNCNCNCNVV_01ML23_V10TNVLTML13P114VdCNCNCNCNCNCNCNV0V_MVL_1M4_V510_VTNVLTML151PV_L16_VdCNCNCNCNCNCNCNVV_01ML67_V10TNVLTML1ML18_VdCNCNCNCNCNCNCNV019P1V_ML0LdVLCNCNCNCNCNCNCNVV_ML20_V10V_ML11__VTCNCNCNCN11CNCNCNPV_LL2V_ML1VdCNCNCNCNCNCNCNVV0_M3_V10V_LL4V_MLdCNCNCNCNCNCNCNVV0_M5_V10V_LL6V_ML1VdCNCNCNCN7CNCNCNV0P1_MV_7_V10V_LL81V_ML189_V10TNVLTVdCNCNCNCMLNCNCNCNV01V_LL10V_L11LV_LL1V_L12V_L13LV_LL3V_L14LV_L15LV_LL5V_L16LV_L17LV_LL7V_L18LV_L19LV_LL9V_L20LV_L1HCNCNCNCNCNCNCN_MLL22__VVLdTNVLTCNCNCNCMNL2CNCNCNPV_L3HCNCNCNCCNCNCNVV__L4MHL_VVLdTNVLTCNCNCNCNML4CNCNCNP1V_L5HCNCNCNCCNCNCNV_L6VH_L66__VVLdTNVLTCNCNCNCMNL6CNCNCNPV_L7HCNCNCNCNCNCNCNVV__L8MHL_VVLdTNVLTCNCNCNCNML8CNCNCNPV_L9HCNCNCNCNCNCNCNV_VL_M10L1H1_VVNCNCNCNCMNL10CNCNCNP1VTNVTLCNCNCNCMNL1CNCNCNPV_ML1VdCNCNCNCCNCNCNV0V_ML23_V01TNVLT1CNCNCNCML3CNCNCNP1V_ML4VdCNCNCNCNCNCNCNV0V_MVL_4M_V10V_TVNVLTCNCNCNCML5CNCNCN1P_MVdCNCNCNCNCNCNCNV0V_ML67_V01TNVLT1CNCNCMLCNCNCNL7L8_VdCNCNCNCNCNCNCNV1CNCNCN9CNCNCNV0V_ML9_V01P1V_ML0LdVdCNCNCNCNCNCNCNVV_ML101_V01TVM_ML1_VLdV0_ML1__VV10V_ML3_VLdVdV0V_ML3_V01V_MLdV0V_ML5_V01V_ML7_VLdVdCN7V0VP1_MVM_V100V_ML89_V01TNVLTV_ML9_VLdVdCNMLML11_VLdV_DB宽频等效配水设计±500kV/3000MW

换流阀14高速阀控技术控制&监视高速阀控系统换流阀与控制保护系统之间的桥梁，实现换流阀模块的控制、保护与监测控制保护系统控制对象多、处理负担重、控制功能复杂500kV换流阀多子模块串联使阀控规模达到数千个节点以上，控制周期数十微秒，需解决控制集成度、同步并行处理、模块动态均压、环流抑制、阀快速保护等一系列技术难题。15高速阀控技术•

采用多通道高速总线及超大容量FPGA同步并行处理技术，可同时实现数百乃至上千阀模块的整体协调控制；•

采用无延时平行扩展技术，有利于更高电压等级的应用，三个VBC装置即可实现±500kV换流阀的控制；•

换流阀模块电压不平衡度小于5%，桥臂二倍频电流分量小于1%，有效提高换流阀的安全裕度；±320kV±500kV16换流阀试验关键技术•

换流阀电气应力是复杂的交、直流电气量叠加的结果，必须在挂网运行前对其进行系统性的试验验证。•

需要可完成全方位的测试与多手段的试验验证的平台，重点包括：系统级-

柔性直流架空线输电系统动模系统，准确呈现电网不同接线方式与运行特性；换流器级模块级-

构建大容量背靠背试验平台，实现换流阀全电流运行和故障试验，故障水平可控。两电平多电平数字仿真物理仿真17换流阀试验关键技术•

具备器件级、换流器级、系统级的试验能力，可进行IGBT、电容、高速开关等器件测试，模块功能、性能测试，阀塔高压、大功率运行测试，多端柔直电网控制保护仿真测试及全系统的闭环验证18直流电网故障特征直流电网是一个“低惯量”系统，若发生直流故障将瞬间影响到整个直流电网；通过布置线路电抗器，故障发生后6ms内，电流不超过目前IGBT器件能力限制；要求直流断路器分断能力不低于3ms/20kA，线路超高速线路保护在3ms内检测到故障并且可靠出口。电抗布置方式区内故障19直流断路器•

500kV直流断路器的分断时间应不长于3ms，分断电流能力不低于20kA，且要具备双向分断能力；•

需要具备重合闸能力，以实现线路、换流站在直流电网中的灵活投退；•

需要考虑直流断路器与直流电网控制保护的配合。DCB11DCB12Line1S1VSCS2VSCDCB41DCB22直流负荷Line2Line4DCB44DCB23S3

VSCS4VSCLine3DCB34DCB3320直流断路器•

直流断路器技术路线主要分为机械式、固态式和混合式等几种类型，其中混合式断路器是实现高压直流断路器有效技术途径21直流断路器•

原理•

稳态运行时，主支路快速机械开关及少量IGBT器件来导通负荷电流；•

发生故障时，主支路的IGBT器件闭锁，电流全部转至转移支路后打开快速机械开关，然后闭锁转移支路关断故障电流；ABB全控型混合式直流断路器•

最后由耗能支路吸收故障能量，并抑制分断过电压。22直流断路器关键技术—断路器拓扑级联全桥断路器拓扑主支路：由超高速机械开关和少量IGBT全桥模块串联构成，用于导通直流系统负荷电流；转移支路：由多级IGBT全桥模块串联构成，用于短时承载直流系统故障电流，并通过换流将电容串入故障回路，建立暂态分断电压；耗能支路：由多个避雷器组并联构成，用于抑制分断过电压和吸收线路及平抗储存能量。级联全桥断路器拓扑（联研院）分断换流过程23直流断路器关键技术—断路器拓扑-

整流型H桥拓扑结构：具备双向分断能力，设备成本相对低；具备重合闸功能-

额定电压500kV，分断电流不小于20kA，分断速度不超过3ms-

正在开展500kV直流断路器样机研制与试验24整流型H桥拓扑（南瑞继保）直流断路器关键技术断路器拓扑研究分断开关直流线路超快速机械开关电流转移开关辅助放电电路辅助放电开关电阻器组合式断路器拓扑（浙大）25直流断路器关键技术—功率半导体器件26直流断路器关键技术—超高速机械开关序号项目参数500kV3kA123额定电压额定电流分断时间2ms27直流断路器关键技术§功率组件大电流、高电压等效试验§功率组件耐流与能量吸收等效试验；§高速机械开关分断暂态绝缘能力试验；§500kV整机绝缘与分断试验；§重合闸试验28控制保护系统柔直电网的应用对控制保护提出了更高的需求考虑柔直电网工程可能接入含新能源的孤岛系统或弱系统，可能采用直流架空线路、直流电网拓扑，应用直流断路器，对控制保护提出了更高的要求，主要包括：•

多个换流站协调控制控制需求•

接入交流系统协调控制•

线路故障超快速保护•

线路故障快速恢复保护需求29控制关键技术柔直电网中，各换流站的协调控制是关系直流电网稳定运行的关键。除换流站基本控制外，关键技术主要有：u

直流协调控制相对交流电力系统兼顾电压和频率稳定性而言，直流系统的稳定性仅仅取决于直流电压的控制特性，因此，直流电压的协调控制是整个直流电网的核心，是保障直流潮流平衡的关键。u

接入新能源孤岛的电压、频率控制新能源发电的间歇性、交流线路故障的多发性以及风电等设备对交流电压的灵敏性，可通过换流站电压控制以提高交流系统电压稳定性。频率是交流系统稳定的重要特征，弱交流系统或新能源孤岛系统可能存在频率稳定等问题，可利用柔直系统参与电力系统调频控制，提高系统稳定性。30控制关键技术•

直流协调控制多换流站直流电压协调控制四类直流电压协调控制策略：主从控制、裕度控制、下垂控制、裕度下垂控制。采用裕度下垂控制策略实现多换流站直流电压协调控制，适合于柔直电网。主从控制策略（a）稳态工作模式优化电压下垂控制策略电压裕度控制策略（b）暂态工作模式直流电压裕度下垂控制原理31控制关键技术•

系统级控制功能接入新能源孤岛的电压、频率控制u接入新能源孤岛系统时，换流器应向无源网络供给稳定的交流电压，因此需要对无源侧的交流电压进行控制，即采用无源定交流电压控制；u利用直流功率调制对交流侧系Ud2TA10TA1TA3Id2Id2Id1统进行辅助频率控制、事故下互相的紧急功率支援；TV10Ud1Ud3++U0+u接入弱交流系统情况下，可以采用虚拟同步发电机控制技术。++Qref-参考DQ

电压坐标

DQ变换

指令生成Q电流内环控制参考电压生成网侧PQ计算Pe-ω0++Pref+

+Pm+++ω0+△P++ωref-ω032保护关键技术故障时需要尽可能减小直流电网停电范围，对于线路故障做到只切除故障线路而不闭锁换流器，基于现有可关断器件能力，直流线路保护在快速性和选择性的要求远高于端对端柔性直流。DCB11DCB12Line1DCB11DCB41KDCB12DCB22Line1S1

VSCS2

VSCS1VSCS2VSCDCB41DCB22直流负荷直流负荷Line4Line2Line4Line2DCB44DCB23S4VSCS3VSCS4VSCS3VSCLine3DCB34DCB33Line3DCB34DCB33正常运行故障DCB11DCB41DCB12DCB22DCB11DCB41KDCB12DCB22Line1Line1S1

VSCS1

VSCS2VSCS2

VSC直流负荷直流负荷Line4Line2Line4Line2DCB44DCB23DCB44DCB23S4VSCS3VSCS4

VSCS3VSCLine3Line3DCB34DCB33DCB34DCB33重合成功，恢复运行断路器动作33保护关键技术Protection:

GraphsCOMM_WAVEDIFF_WAVE（一）直流线路高速保护1.0k0.8k0.6k0.4k00.

.20ku

直流线路保护必须具有选择性，能够准确判断故障区域-0.2k-0.4ksec1.4801.5001.5201.5401.5601.580单极金属性接地区内行波u

主保护依靠单端电气量实现，避免依赖通讯，例如行波、du/dtu

对于瞬时性故障，要能够判断并重合断路器Protection:

GraphsDIFF_WAVECOMM_WAVE6005004002001000-100-200sec1.4801.5001.5201.5401.5601.580单极高阻接地区内行波（100ohm）Protection:

GraphsDIFF_WAVECOMM_WAVE1.0k0.8k0.6k0.4k0.2k0.0-0.2k-0.4ksec1.4801.5001.5201.5401.5601.580单极金属性接地区外行波34保护关键技术（二）换流站保护u

可基于目前柔性直流输电工程采用的成熟技术①②③⑤④IDPT1CUDPT2u

需要特别考虑：IrGISIVTIVCQF1•

运行方式变化后保护及故障处理策略需要自适应调整•

主、后备保护配合关系较两端系统复杂，需要确定逻辑关系USUVQS3T1T2CUDNIDNUsIsIrGIvtIvcUvIbpIbnIdpIdnUdpUdn阀阀交流系统过压交流系统欠压交侧连接线过流侧连接线差动阀桥直流欠压过流换流器过流直直流频率异常接侧零序过压桥臂过流桥臂环流臂电抗差动阀差动极差动流低电压流过电压地过流•

直流断路器故障时的失灵保护策略35高速测量•

由于IGBT对短路电流耐受能力不高，柔性直流对于测量系统的有超高速的响应时间需求。如为了避免短路故障电流造成IGBT器件损坏，对于阀控系统的过流保护动作的快速性有着苛刻的要求S1_tfr3>1_A-ipa:

ipa(A1)(kA)S1_tfr3>1_A-

ipa:

ipa(A1)(kA)S1_tfr3>3_A-

ipb:

ipb(A3)(kA)S1_tfr3>5_A-

ipc:

ipc(A5)(kA)S1_tfr3>2_A-

ina:

ina(A2)(kA)S1_tfr3>4_A-

inb:

inb(A4)(kA)S1_tfr3>6_A-

inc:

inc(A6)(kA)121086420-2050100150Time

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