柔性直流输电

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柔性直流输电

一、概述

（一）柔性直流输电的定义

高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。

第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。

第二代直流输电技术采用的换流元件是晶闸管，所用的换流器拓扑仍然是6脉动Graetz桥，因而其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年代是1970年代初直到今后一段时间。

通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“Line Commutated Converter”，缩写是“LCC”。这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混淆起来，这是不对的。LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。

1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等提出。在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之间进行了首次工业性试验（3 MW，±10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM）技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“轻型

柔性直流输电技术的应用探究

柔性直流输电技术（Flexible DC Transmission, FDCT）是一种新型的输电技术，它

采用直流电压进行能量传输，可以有效地解决传统交流输电技术的诸多问题，具有输电损

耗小、占地面积小、环境污染小等优点。随着科技的不断进步，柔性直流输电技术已经开

始在实际工程中得到广泛应用。本文将就柔性直流输电技术的应用进行探究，分析其在电

力系统中的优势和发展前景。

一、柔性直流输电技术的原理与特点

1. 原理

柔性直流输电技术是一种通过控制直流电压和电流来实现能量输送和分配的技术。其

核心是采用高性能的功率电子设备对直流电压进行控制，以实现灵活的功率调节、电压调

节和频率调节。通过控制系统可以实现功率的快速响应和精确调节，使得柔性直流输电系

统能够适应复杂多变的电网工况。

2. 特点

（1）输电损耗小：相比于传统的交流输电技术，柔性直流输电技术在能量传输过程中损耗更小，能够有效节约能源。

（2）占地面积小：柔性直流输电技术所需的设备相对较小，可以在有限的空间内实现高效的能量传输。

（3）环境污染小：柔性直流输电技术的设备采用先进的电力电子元件，不会产生有害的电磁辐射和废气排放，对环境友好。

二、柔性直流输电技术在电力系统中的应用

1. 长距离电力输送

柔性直流输电技术在长距离的电力输送中具有明显的优势。传统的交流输电技术在长

距离输电过程中会出现较大的输电损耗，而柔性直流输电技术可以通过控制系统实现功率

的精确调节，大大减小了输电损耗，提高了输电效率。

2. 大容量电力输送

由于柔性直流输电技术具有较高的电压和电流调节能力，能够实现大容量的电力输送。在大规模工业园区、城市用电中心等场景下，柔性直流输电技术可以有效地满足电力需求，支持电网的高容量输电。

柔性直流输电技术简述

柔性直流输电技术介绍

1引言

柔性直流输电技术（Voltage Sourced Converter,VSC）是一种以电压源变流器、可关断器件（如门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT））和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。国外学术界将此项输电技术称为VSC-HVDC，国内学术界将此项输电技术称为柔性直流输电，制造厂商ABB 公司与西门子公司分别将该项输电技术命名为HVDC Light和HVDC Plus。

与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，柔性直流输电技术在高压直流输电领域受到越来越广泛的关注及应用。

传统的低电平VSC具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器等缺点，而且存在串联器件的动态均压问题；多电平变流器提供了一种新的VSC实现方案。它通过电平叠加输出高电压，逼近理想正弦波，输出电压谐波含量少，无需滤波设备。

自1997年赫尔斯扬试验工程投入运行以来，柔性直流输电技术迅速发展，目前已有13项工程投入商业运行，最高电压等级已达±200kV，最大工程容量达到400MW，最长输电距离为970km。通过各个领域专家的不断创新和工程建设运行经验的不断积累，柔性直流输电技术作为一种先进的输电技术已具备大规模应用的条件。

图1两端VSC-HVDC系统典型结构图

(完整版)柔性直流输电技术

压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
GTO和IGCT
GTO
IGCT
集成门极
缓冲层透明阳极逆导技术
• 最早的全控器件 • 开关频率低，已很少使用
• 上海50MVAr STATCOM
采用IGCT
19
• 目前只有ABB公司供应
IGBT IGBT和PP IGBT(IEGTP)P IGBT(IEGT)
电子注入增强低导通电压降宽安全工作区
能为弱系统、无源网络供电，如岛屿供电、海上油气平台供电、风电联网等。
可实现黑启动
VSC-HVDC
工程应用比较
节约
空间
LCC-HVDC
工程应用比较
常规直流换流站柔性直流换流站
目录
2
柔性直流输电功率器件
11
电力电子开关
电力电子开关（功率器件）是装置的基础
kV/kA
机械开关
• 高压 • 大电流
• 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
Westcode
20
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

柔性直流输电

一、概述

（一）柔性直流输电的定义

高压直流（HVDC输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，

其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。

第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥, 其主要应用年代是1970年代以前

通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式

换流器称为“电网换相换流器”，英文是“ LineCommutatedConverter ”，缩写是“ LCC 。

这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC与电网换相换流器（LCC混淆起来，

这是不对的。LCC属于CSC但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。

1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi

等提出。在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon 和Grangesberg之间进行了首次工业性试验（3MW/± 10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“ VSGHVDC，即“电压源换流器型直流输电”。2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家

(精品)柔性直流输电技术

压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
• 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
Westcode
20
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
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（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)
晶体管类(Transistor)
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
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
18
能为弱系统、无源网络供电，如岛屿供电、海上油气平台供电、风电联网等。

柔性直流输电技术

• 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
Westcode
20
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
I
Uc
C
δ
UL
Us P>0, 整流模式
UC UL
I
US
UC < US 时，Q为感性
Uc
δ
UL
I
Us
P<0, 逆变模式
29
实现高压大容量换流器的途径
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
变压器多重化多电平换流器
• 通过变压器将多组低压VSC耦合连接，实现高压大电流
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（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)

电力系统中的柔性交直流输电技术研究

随着经济的快速发展以及人们对能源需求的增长，电力系统的稳定供应成为一

个重要的议题。而在电力传输方面，柔性交直流输电技术作为一种新兴的技术方案，正逐渐受到人们的关注和研究。本文将重点探讨电力系统中柔性交直流输电技术的研究进展以及其在电力系统中的应用前景。

首先，我们需要了解柔性交直流输电技术。柔性交直流输电技术是一种将直流

电和交流电相结合的输电方式。它通过将交流电转换为直流电，然后在输电线路上进行传输，并在接收端将直流电转换为交流电，以实现能量的高效传输。相比传统的交流输电方式，柔性交直流输电技术具有更高的传输效率、更低的输电损耗以及更好的距离输送能力。

在柔性交直流输电技术的研究中，最关键的问题之一是直流变压器的设计与制造。直流变压器是柔性交直流输电技术中的核心组件，其性能和质量直接影响到输电系统的稳定性和效率。目前，研究人员正在努力改进直流变压器的效率和可靠性，并寻求新的材料和技术来提高其性能。

除了直流变压器的研究外，柔性交直流输电技术还需要解决其他一些技术难题。例如，如何有效地控制直流电流的稳定性，如何降低输电线路的损耗以及如何实现与现有交流输电系统的无缝衔接等。这些问题的解决需要多学科的协同合作，包括电力工程、材料科学、电气工程等领域的专家和研究人员的共同努力。

柔性交直流输电技术在电力系统中具有广阔的应用前景。首先，柔性交直流输

电技术可以解决长距离高功率传输的问题，提高电力系统的传输能力。其次，柔性交直流输电技术可以实现不同地区之间的互联互通，促进能源的共享和交换，提高电力系统的灵活性和鲁棒性。此外，柔性交直流输电技术还可以降低输电线路的损耗和能源浪费，提高电力系统的能效。

风电并网新技术——柔性直流输电详解

“通俗地讲，在现有的电网中使用了柔性直流输电系统，相当于

在电网中接入了一个阀门和电源，它不仅可以有效地掌握其上面通

过的电能，隔离电网故障的集中，而且还能依据电网需求，自身快速、敏捷、可调地发出或者汲取一部分能量。”中国电科院贺之渊

博士介绍道，“这对优化电网的潮流分布，增加电网稳定性，提升

电网的智能化和可控性，都具有肯定的作用。”

从技术上来说，柔性直流输电是以电压源换流器为核心的新一代

直流输电技术，其采纳最先进的电压源型换流器和全控器件，是常

规直流输电技术的换代升级。相比于沟通输电和常规直流输电，在

传输能量的同时，还能敏捷地调整与之相连的沟通系统电压。具有

可控性较好、运行方式敏捷、适用场合多等显著优点。

沟通并网的技术瓶颈

目前，使用沟通并网是绝大多数风电场并网的选择。但是风电场

通过沟通并网目前普遍存在一些技术瓶颈：

首先，使用沟通并网需要风电场和所连接的沟通系统必需严格保

持频率同步，而风机对并网处沟通母线电压波动较为敏感。现有运

行阅历表明，沟通系统电压波动是风机退网的主要缘由之一。

其次，在沟通系统发生故障的状况下，风电场的稳定运行往往需

要在母线出线端加装无功补偿装置，从而提高风场的故障穿越力量。但这样一来加大了风电场投资，另外补偿装置对风机的最大风能捕

获及风机掌握器本身，都有可能造成不利影响。

最终，对于海上风电场来说，假如使用沟通电缆连接，当电缆长

度超过肯定数值后，需要很大的感性无功补偿装置，尤其是对于距

离岸边较远的风电场来说，在线路中间进行无功补偿几乎没有可能。

柔性直流输电

一、概述

（一）柔性直流输电的定义

高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。

第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。

柔性直流输电

一、概述

（一）柔性直流输电的定义

高压直流（HVDC ）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。

第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是

6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。

通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英

文是“ LineCommutatedConverter ”，缩写是“ LCC”。这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混淆

起来，这是不对的。LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。

1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi 等提出。在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg 之间进行了首次工业性试验（3MW ，± 10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲

宽度调制（PWM ）技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“ VSC-HVDC ”，即“电压源换流器型直流输电”。2006 年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，会上，与会专家一致建议国内将基

柔性直流输电技术定义及基本特征

kV/kA
V/mA
Power Electronics
12
电力电子技术的三要素
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
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（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCCHVDC)
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
电力和能源
电力电子技术
系统和控制
电子和设备
13
交流和直流变换
通过换流器（Converter）实现变换
AC
DC
技术内容
关注点
器件
• 半控器件，全控器件 • 低电压、小电流，高电压、大电流
全控器件
• 开通可控 • 关断可控

柔性直流的概念

柔性直流（Flexible DC）是一种新兴的电力传输和配电技术，它结合了直流和柔性输电技术，能够提供可持续和高效的电能传输和分配方案。与传统的交流输电系统相比，柔性直流系统具有更高的效率、更小的传输损耗和更好的电力质量。本文将从柔性直流的概念、优点、应用领域和前景等方面进行详细阐述。

首先，柔性直流是指通过直流电流进行电力传输和分配的技术。传统的电力系统主要采用交流输电，但随着新能源的大规模接入和电力负荷的变动，交流输电系统存在一些不足之处。柔性直流系统引入了大功率电电子设备（如换流器和变频器）来控制直流电流的传输和分配，从而实现了直流电流的高效、快速和可控。这种电力传输方式具有很好的适应性，可以适应不同的电力系统结构和电能传输需求。

其次，柔性直流系统具有多方面的优点。首先，柔性直流系统的电力传输效率更高。由于直流电流不会产生电磁感应现象，因此柔性直流系统的传输损耗更小。此外，柔性直流系统可以实现电流的可控分配，可以根据实际需求对电力进行精确调节，进一步提高电力传输的效率。其次，柔性直流系统的电力质量更好。直流电流不会因为电压波动而产生谐波和电压暂变，因此柔性直流系统的电力质量更稳定，更适合供电敏感的设备和系统。此外，柔性直流系统还可以提供灵活的电能调度和电能储存功能，并可以与多种新能源设备（如太阳能和风能）进行有效地整合，从而提高电力系统的可靠性和可持续性。

柔性直流系统在多个领域具有广泛的应用前景。首先，在新能源领域，柔性直流系统可以实现新能源的高效接入和平稳供电。由于新能源具有波动性和不稳定性，传统的交流输电系统无法满足其接入需求。而柔性直流系统可以实现对新能源的精确控制和管理，从而实现可持续的电能利用。其次，在电力配电和微电网领域，柔性直流系统可以实现可靠的分布式发电和电能分配。由于柔性直流系统可以实现高效的电能调度和电能储存，因此可以实现个体用电设备之间的灵活供能和能量交换。此外，在海洋能源开发和智能电网建设等领域，柔性直流系统也具有重要的应用前景。

柔性直流输电

一、概述

（一）柔性直流输电的定义

高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。

第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。

图1.1：汞弧阀图1.2：6脉动Graetz桥

. . . .

1.：光触发晶闸1.：电触发晶闸

桥式换流器的第一代和第二代直流通常我们将基于Graetz

其运行原理是电网换相换流理输电技术称为传统直流输电

技术，桥式换流器称论。因此我们也将传统直流输电所采用

的Graetz，Converter”电网换相换流器”，英文是“Line

Commutated 为“。这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器”缩写是“LCC）混淆起来，这是不对的。LCC（CSC）与电网换相换流器（IGBT的范围要比CSCLCC宽广得多，基于LCC属于CSC，但构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大1990公司Ooi等提出。在此基础上，ABBMcGill大学的Boon-Teck

之间进Grangesberg和于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon），标志着第三代直流输10kV行了首次工业性试验（3 MW，±）技电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM国际权威学术组织国际大电网术为基础的第三代直流输电技术，），将其）和美国电气和电子工程师协会（IEEECIGRE会议（2006电压源换流器型直流输电”。“，VSC-HVDC正式命名为“”

柔性直流输电技术与标准

▪ 目录
1 范围 2 VSC直流输电技术的应用 3 VSC直流输电技术的基本运行原理 4 VSC直流输电系统拓扑 5 VSC直流输电换流阀 6 VSC直流输电其他主设备 7 VSC直流输电控制技术 8 故障特性与保护需求 9 谐波特性 10 环境影响 11 应用研究 12 测试与调试 13 工程投资成本 14 LCC与VSC的比较 15 VSC直流输电技术 16 结论
二、柔性直流输电的特点及应用
模块化多电平（MMC）技术，在本质上也是一种针对脉波的调制技术。
电压源换流器交流输出电压基频分量的幅值与相位可进行调节，从而获得所需要的电压波形，以便控制所传输的有功功率和无功功率。
二、柔性直流输电的特点及应用
❖ 3. LCC-HVDC与VSC-HVDC
二、柔性直流输电的特点及应用
四、柔性直流输电技术标准
四、柔性直流输电技术标准
❖ 1. 概述
近十多年来，柔直技术得到迅速发展，但目前国内还没针对柔直直流输电制定相关技术标准，IEC SC22F 已经着手制定了相关柔直标准。
❖ 2. 正式发布的标准
1）IEC 62501:2009 HVDC系统用VSC阀-电气试验工作组：SC22F/MT22，召集人：Mr Baoliang Sheng（SE）修订工作草案22F/271/CD于2012年1月征求意见，2012年5月返回
三、柔直技术研发与关键问题

柔性输电技术

柔性直流输电技术概述

1、直流输电技术的发展

随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。

虽然历史上第一个实用的电力系统采用直流输电，但由于在电力工业发展初期，直流输电与交流输电相比存在很多劣势，如灵活变压能力差、电压低、损耗大、联网能力差、供电范围小、输电和用电设备复杂、维护量大和成本高等，导致直流输电的发展较慢。在很长一段时间内，直流输电都处于劣势，而交流输电发展迅速，占据了电力工业的主导地位。但是随着电力系统的不断发展壮大，电网联系日趋复杂，交流系统也暴露了一些其固有的特点，特别是交流远距离输电受到同步运行稳定性的限制，直流输电技术重新为人们重新重视，从而推动直流输电技术的快速发展。由于电力系统的发输配电各个环节绝大部分均为交流电，要采用直流输电，就必须要解决换流问题，因此，直流输电技术的发展主要体现在换流器件的发展变化上。

2、柔性直流输电的基本原理

轻型直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流。这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为轻型直流输电，其系统原理如图2-1所示。

图2.1 柔性直流输电系统原理示意图

其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。

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南京工程学院

远距离输电技术概论

班级：输电112

学号： 206110618

姓名：钱中华

2014年12月10日

0.引言 (3)

1.研究与应用现状 (3)

2.原理 (4)

3.特点 (5)

4.关键技术 (6)

5.发展趋势 (7)

6.小结 (9)

柔性直流输电技术

0.引言

随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。

柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程，

详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。

1.研究与应用现状

自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。

其先研究主要发展有一下几项基本技术：

1.高压大容量电压源变流器技术

模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。

图1 模块化多电平变流器拓扑示意图

2.混合多电平技术（Hybrid Multilevel Technology, HMT）

另一种可被应用于柔性直流输电系统的变流器叫混合多电平变流器。该技术将开关器件和半桥或全桥构成的多电平单元组合构成一种新的变流器拓扑；由多电平单元产生电压波形，再由串联的开关器件将电压波形接入交流或直流网络。混合多电平变流器的一种典型的电路拓扑如图 2 所示，每一相由 IGBT 与多电平单元串联构成桥臂。该拓扑可以实现串联 IGBT 的零电压动作，同时多电平单元可以降低串联 IGBT 的电压应力，从而减少 IGBT 的串联个数。

图2 混合多电平变流器拓扑示意图

3.两电平级联型变流器（Cascaded Two-Level Converter, CSL）

两电平级联型变流器的原理和模块化多电平变流器类似，使用另一个名称是为了强调换流阀中使用了串联压接式 IGBT。两电平级联型变流器利用 IGBT 压接技术将两电平电压源型变流器扩展到级联型多电平变流器。典型的拓扑如图 3 所示，每相拓扑分为两个桥臂，分别与直流母线的正负极相连。每个桥臂由多个两电平单元构成，每个单元可独立控制以产生需要的交流基波电压，实现对有功功率和无功功率的输出控制。

图3两电平级联型变流器

4．大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术

实时数字仿真系统已广泛应用于传统超高压系统的在线仿真研究，这类数字仿真系统硬件通常采用基于共享存储器的多 CPU 并行计算机，核心程序包含丰富的电力系统及控制系统元器件模型。以 RTDS 为例，

其仿真步长为20-70微秒，包含的数据转换软件能将PSS/E和EMTDC格式的数据和模型转化为RSCAD格式，可实时仿真大型交直流混合系统的电磁和机电暂态现象。

但对基于 MMC 的柔性直流输电系统来说，由于其变流器由数百甚至数千个独立控制的电压源子模块组成，在运行过程中，每个子模块的投切都是随机的，难以对其出口特性进行等值，且求解等值网络变量的导纳矩阵规模过大,精度难以保证。此外，变流器每个子模块与阀基控制设备之间通过独立的光纤进行通信，信道多、数据量大，难以通过现有的仿真接口进行转换，因此需要开发新的仿真系统。

在此背景下，中国电力科学研究院开发了双站多电平 MMC-HVDC 系统的动模仿真平台的研究。该系统可用于精确验证具有较多电平数(40 以上)换流阀的 MMC-HVDC 系统及控制保护平台设计，从而检验工程的主电路参数设计、控制器性能和交直流系统的动态特性。动模仿真平台主要由换流站交直流场(包括换流变压器、交直流开关场)、多电平电压源变流器、交直流线路数模转换接口、阀基控制器 VBC 等组成。动模仿真平台的创新有：以弱功率电子器件实现了对大功率 MMC 子模块的模拟，具有优良的外特性和控制性能；首次实现了 49 电平调制的模块化多电平变流器；实现了对 VBC和 PCP的实时闭环在线验证；实现了对电压电流平衡控制算法的验证；实现了对启停控制流程、运行方式切换的试验；实现了对直流和交流故障控制保护算法的验证。

基于通过对双端柔性直流输电工程的故障态仿真，得出了相应的试验结果，并与电磁暂态仿真软件PSCAD 的仿真结果进行了对比，证明了该系统为 MMC-HVDC 的动态特性和控制保护平台提供实时在线验证的有效性。

5.多端柔性直流输电技术

多端直流输电系统(Multi-Terminal Direct Current，MTDC)是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统，其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活、快捷的输电方式。

传统的 MTDC 输电系统采用基于晶闸管的电流源型变流器，其只能依靠电网电压的过零变化换流，只能工作在有源逆变状态，且需要电提供大量的换相所需无功功率，这些固有缺陷大大影响了整个 MTDC 系统的运行性能，降低整个 MTDC 系统的适用范围。

图4 三端柔性直流输电系统示意

目前国际上关于多端柔性直流输电系统的研究中，不同应用场合下的变流器设计是一个研究热点,包括：建立多端柔性直流系统的动态模型；多种基于坐标变换的控制器设计和仿真验证；在各种应用场合多端柔性直流的仿真精度的提高和仿真时间缩短等方面。

柔性直流输电技术由电压源型变流器构成，其对交流侧故障的鲁棒性较强；当发生交流侧永久故障时，多端柔性直流输电系统在设计时一般已满足 N-1 法则，可以通过故障换流站退运，以达到新的稳定运