柔性直流输电(VSC-HVDC)技术1
柔性直流输电
V ' Vs Rc I c js Lc I c
向无源网络供电时，无PLL，θs可由控制器决定
-33电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC 功率外环控制
• 定直流电压控制
– 基于电压源换流器的高压直流输电技术（ VSC-HVDC）
-11电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
-12-
电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
LCC-HVDC VSC-HVDC
采用晶闸管，相当于电流源，直流电流单向流 采用 IGBT （反并联二极管），相当于电压源，直 通。 流电流可双向流通。 电网换相，需要较强交流系统支撑，否则存在 自换相，可以给无源网络供电。 换相失败的危险。 控制有功时，无功也随之变化，吸收 40%-60% 可以同时相互独立的控制有功和无功，可以吸收/ 的无功，不能独立控制有功和无功。 发出无功，可四象限运行。 含有大量低次谐波，需大量滤波器及无功补偿 不需无功补偿装置，只需少量高次谐波滤波器， 装置，占地面积大。 占地面积小，约为相同容量传统直流的20%。 使用架空线路、电缆或二者结合。 目前商用化工程使用电缆（有利于降低直流线路 故障率，减小高次谐波对通信影响）。
2.2 VSC-HVDC的基本原理
• VSC的有功与无功：
P U s U c sin Xc
Q U s U s U c cos Xc
• 通过调节δ角可以控制VSC传输有功的大小和方向：
– 当δ＜0时，运行于整流状态，从交流电网吸收有功； – 当δ＞0时，运行于逆变状态，向交流电网发出有功。
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展一、本文概述随着能源结构的优化和电网技术的发展，柔性直流输电（VSC-HVDC）技术以其独特的优势，在电力系统中的应用越来越广泛。
本文旨在全面概述柔性直流输电工程的技术研究、应用现状以及未来的发展趋势。
我们将从柔性直流输电的基本原理出发，深入探讨其关键技术和设备，包括换流器、控制系统、保护策略等。
我们还将分析柔性直流输电在新能源接入、电网互联、城市电网建设等领域的应用案例，评估其在实际运行中的性能表现。
我们将展望柔性直流输电技术的发展前景，探讨其在构建清洁、高效、智能的电力系统中发挥的重要作用。
通过本文的阐述，我们希望能够为从事柔性直流输电技术研究和应用的同行提供有益的参考和启示。
二、柔性直流输电技术原理柔性直流输电技术，又称为电压源换流器直流输电（VSC-HVDC），是近年来直流输电领域的一项重大技术革新。
与传统的基于电网换相换流器（LCC）的直流输电技术不同，柔性直流输电技术采用基于可关断器件的电压源换流器（VSC），这使得它在新能源接入、城市电网增容和孤岛供电等方面具有独特的优势。
柔性直流输电技术的核心在于电压源换流器（VSC）。
VSC采用可关断的电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT），通过脉宽调制（PWM）技术实现对交流侧电压和电流的有效控制。
VSC既可以作为有功功率的源，也可以作为无功功率的源，因此它具有更好的控制灵活性和响应速度。
在柔性直流输电系统中，VSC通常与直流电容器和滤波器并联，以维持直流电压的稳定和滤除谐波。
VSC通过改变其输出电压的幅值和相位，可以独立地控制有功功率和无功功率的传输，从而实现对交流电网的灵活支撑。
柔性直流输电技术还采用了先进的控制系统，包括换流器控制、直流电压控制、功率控制等，以确保系统的稳定运行和电能质量。
这些控制系统可以根据系统的运行状态和实际需求，对VSC的输出进行实时调整，从而实现对交流电网的精准控制。
柔性直流输电技术以其独特的电压源换流器和先进的控制系统，实现了对交流电网的灵活支撑和精准控制。
(完整版)柔性直流输电技术
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）
晶闸管
相位角控制
晶闸管通过脉冲信号控 制开通，但不能控制关断 ，电网换相。当承受电压 反向时，自动关断。
开关频率50/60 Hz
IGBT或其他可关断功 率器件
脉宽调节控制
可关断器件，可以通 过控制信号关断，完全 可控，自换相。
DC
技术内容
关注点
14
功率器件的开通和关断过程
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
15
功率器件的发展
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/IEGT
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
• 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
柔性直流输电技术应用、进步与期望
柔性直流输电技术应用、进步与期望一、概述随着全球能源结构的转型和电力电子技术的飞速发展，柔性直流输电技术（VSCHVDC）作为一种新型的输电方式，正逐渐受到广泛关注和应用。
柔性直流输电技术以其独特的优势，如可独立控制有功和无功功率、无需交流系统提供换相电压支撑、易于构成多端直流系统等，在新能源接入、城市电网供电、海岛供电、分布式发电并网等领域展现出广阔的应用前景。
自20世纪90年代以来，柔性直流输电技术经历了从理论研究到工程实践的发展历程。
随着电力电子器件的不断进步和控制策略的优化，柔性直流输电系统的容量和电压等级不断提升，系统效率和可靠性也得到了显著提高。
目前，柔性直流输电技术已成为解决新能源大规模并网、提高电网智能化水平、推动能源互联网发展的重要技术手段。
尽管柔性直流输电技术取得了显著的进步，但仍面临一些挑战和期望。
一方面，随着应用领域的不断拓展，对柔性直流输电系统的性能要求也越来越高，如更高的容量、更低的损耗、更快的响应速度等。
另一方面，随着可再生能源的大规模开发和利用，电网的复杂性和不确定性也在增加，这对柔性直流输电技术的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
1. 简述柔性直流输电技术的背景和重要性随着全球能源需求的日益增长，传统直流输电技术在面对能源紧缺、环境压力以及现代科技发展的挑战时，已显得力不从心。
在这样的背景下，柔性直流输电技术应运而生，成为了一种顺应社会发展的新型输电技术。
从能源角度来看，随着城市化进程的加快和工业化水平的提高，能源需求呈现出爆炸式增长。
传统的直流输电技术，虽然在一定程度上能够满足能源传输的需求，但在面对大规模、远距离的电能输送时，其局限性逐渐显现。
同时，随着可再生能源的快速发展，如风能、太阳能等，这些能源具有分散性、远离负荷中心以及小型化的特点，传统的直流输电技术难以满足这些新能源的接入和调度需求。
柔性直流输电技术的出现，正好弥补了这一技术短板，使得大规模、远距离的电能输送以及新能源的接入和调度成为可能。
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。
下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。
本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。
关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。
MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。
并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。
多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。
单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展一、本文概述1、简述柔性直流输电技术的背景和发展历程随着能源结构的优化和电网互联的需求增长，直流输电技术以其长距离、大容量、低损耗的优势，在电力系统中占据了举足轻重的地位。
然而，传统的直流输电技术，如基于晶闸管的直流输电（LCC-HVDC），存在换流站需消耗大量无功、无法独立控制有功和无功功率、对交流系统故障敏感等问题。
因此，柔性直流输电技术（VSC-HVDC）应运而生，它采用电压源型换流器（VSC）和脉宽调制（PWM）技术，实现了对有功和无功功率的独立控制，并具有快速响应、灵活调节、易于构成多端直流系统等优点。
柔性直流输电技术的发展历程可以追溯到20世纪90年代初，当时基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的VSC技术开始应用于风电场并网和孤岛供电等领域。
随着电力电子技术的快速发展，VSC的容量和电压等级不断提升，使得柔性直流输电技术在电网互联、新能源接入、城市配电网等领域得到了广泛应用。
进入21世纪后，随着全球能源互联网的提出和新能源的大规模开发，柔性直流输电技术迎来了快速发展的黄金时期。
目前，柔性直流输电技术已经成为直流输电领域的研究热点和发展方向，其在全球范围内的大规模应用也为电力系统的智能化、绿色化、高效化发展提供了有力支撑。
2、阐述柔性直流输电技术在现代电力系统中的重要性在现代电力系统中，柔性直流输电技术已经日益显示出其无法替代的重要性。
它作为一种先进的输电技术，不仅克服了传统直流输电技术的局限性，还以其独特的优势在现代电网建设中占据了举足轻重的地位。
柔性直流输电技术的灵活性和可控性使得它在大规模可再生能源接入电网中发挥了关键作用。
随着可再生能源如风能、太阳能等的大规模开发和利用，电网面临着越来越大的挑战。
这些可再生能源具有随机性、波动性和间歇性等特点，对电网的稳定性造成了威胁。
而柔性直流输电技术通过其独特的控制策略，可以实现对有功功率和无功功率的独立控制，从而有效地解决可再生能源接入电网所带来的问题，提高电网的稳定性和可靠性。
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制.
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。
下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。
本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。
关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。
MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。
并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。
多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。
单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。
柔性直流输电技术和上海示范工程简介
柔性直流输电技术和上海示范工程简介摘要：柔性直流输电技术是一种适用于小功率传输的新型直流输电技术。
本文阐述了柔性直流的工作原理和应用优势，并简要介绍了上海南汇风电厂柔性直流输电示范工程。
关键词：柔性直流传统直流上海示范工程1、引言柔性直流输电（VSC-HVDC）技术是一种以电压源换流器（VSC）、可控关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。
与传统直流输电相比，具有控制灵活方便、提高系统稳定性，增加系统动态无功储备，改善电能质量、节约建设用地等技术优势，适用于可再生能源并网、孤岛供电、非同步互联、城市电网供电等多方面。
2、柔性直流输电技术原理与特点2.1 柔性直流输电原理轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管（GTO）及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC，换流器的单相电路如图1所示。
1——直流电容器；2——IGBT；3——续流二极管；4——换流电抗器；5——换流电容器图1 换流器单相图其工作原理是：把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。
通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。
工频正弦波控制信号经与三角波载波信号比较产生触发信号，见图2。
VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。
有功功率计算公式：无功功率计算公式：式中、分别为VSC输出电压和母线电压基频分量的有效值，为与的相位差，X为换流电抗器的电抗。
2.2 柔性直流输电特点与传统直流输电相比，柔性直流输电主要有以下技术特点：(1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用直流输电为远距离的孤立负荷送电成为可能。
(2)正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。
柔性直流输电技术探析
柔性直流输电技术探析1 柔性直流输电技术的特点及其研究现状柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，CIGRE和IEEE将之定义为VSC-HVDC，其中VSC为电压源换流器，它在工业驱动装置上的应用十分广泛，HVDC 为高压直流输电，它是ABB公司在50多年前研发的一项技术，主要作用是提高远距离输电效率。
1.1 VSC-HVDC的系统结构及其工作原理从图1中可以清楚地看到，该系统主要是由VSC、滤波器（交流）、电抗器、直流输电线路、电容等元件构成。
其中VSC为核心部件，它是由换流桥和直流电容器构成的。
1.1.2 系统运行原理。
在VSC-HVDC系统当中，按照其主电路的拓扑结构及开关器件的类型，可采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，通过该技术在调制参考波与三角载波进行比较，若是前者的数值比后者大，则会触发上桥臂到导通并关断下桥臂，如果前者的数值小于后者，则会触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。
因参考波的幅值及相位可利用脉宽调制技术实现自动调节，故此VSC的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节。
1.2 VSC-HVDC的特点分析大体上可将VSC-HVDC的特点归纳为以下六个方面：1.2.1 VSC-HVDC系统中的换流站独立对有功及无功功率进行控制，由此不但实现了有功与无功功率的四象限运行，而且控制非常方便和灵活。
1.2.2 换流站之间无需通讯，各个站能够独立控制运行。
1.2.3 不需要在线路间增设无功补偿装置。
1.2.4 开关频率高、滤波装置的容量较小，无需设置专门的换流变压器。
1.2.5 新型直流电缆的应用使其能够适应多种恶劣的环境。
1.2.6 采用先进的模块化设计，使其本身的体积较小，有效节省了占地面积，且便于安装。
综上，与传统的直流输电系统相比，VSC-HVDC的可控性更高，对线路中潮流的控制更加方便，对扰动的响应速度更快，更适合用于中小功率和远距离输电。
1.3 VSC-HVDC技术的研究现状VSC-HVDC技术自问世以来便受到了业界的广泛关注，一些专家学者也加大了对其的研究力度。
(精品)柔性直流输电技术
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
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• 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
换流站占地面积大， 辅助设备较多
同等容量下，设计较 为复杂、建设工期长、 运行维护投入较大
电压已达±800kV以上， 传输功率6400MW，适 合大系统间大规模功率站面积约小40%
同等容量下，设计相对 简单、主要设备在工厂 生产、现场安装和维护 较为简单
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
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• 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
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
20171014关于柔性直流输电工程技术的探究
柔性直流输电技术探究柔性直流输电技术（VSC-HVDC）是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术，广泛应用于可再生能源的接入、孤岛供电、城市供电、电网互联等领域。
一、换流技术分类已有的柔性直流输电工程采用的VSC主要有三种：两电平换流器、三电平换流器以及模块化多电平换流器。
1.两电平换流器两电平拓扑结构：有六个桥臂，每个桥臂由IGBT和反向并联的二极管组成，其单个桥臂结构及输出波形如图1所示，波形输出值有正负U/2两种。
图1：两电平SVC单相波形2.钳位型三电平换流器三电平换流器可以输出+U/2、-U/2、0三种，拓扑结构以及单相输出波形如图2、3。
图2：钳位型三电平拓扑结构图3：三电平VSC单相波形前两种都是采用PWM来逼近正弦波形，但存在着谐波含量高，开关损耗大等缺陷。
3.模块化多电平换流器模块化多电平换流器（MMC）桥臂是由子模块（SM）级联的方式组成，每个桥臂由N个子模块和一个串联电抗器组成如图4所示。
图4：MMC结构图其中子模块一般采用半个H桥结构，如图5所示，其有三种工作状态，六种工作模式。
图5：H桥结构其中Uc为子模块的电容电压，usm、ism为子模块输出的电压电流。
模块化多电平换流器采用的是阶梯波的方式来逼近正弦波，当桥臂中的子模块超过一定数量时，换流器输出波形为近似正弦的阶梯波，如图6所示，无需安装过滤装置。
图6：模块化多电平输出单相波形与两电平、三电平换流器相比，模块化多电平换流器有着如下的优点：1.模块化设计，便于电压等级以及容量提升2.器件开关频率显著降低，减少了开关损耗3.输出的电压谐波含量大大减少，交流侧无需安装滤波装置二、柔性直流输电系统的主接线方式典型的直流输电系统有如下三种：对称单极系统、不对称单极系统、对称双极系统，单极对称系统正常运行时不会有工作电流流经接地点，不需要设置专门的接地极，当直流线路发生故障时，整个系统将不能运行；通过大地或者金属线还可以构成不对称结构，其换流阀所受电压为单极对称的两倍；将两个单极对称系统串联构成双极对称系统。
大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望
结论与展望
本次演示通过对海上风电并网控制策略的研究，提出了一种基于柔性直流输 电系统的控制策略。该策略具有提高并网效率、增强适应性等优势，为海上风电 并网提供了新的解决方案。通过仿真和实验验证，策略在有功功率控制、无功功 率控制和稳定性控制等方面均表现出良好的性能。然而，该策略仍存在一定的局 限性，未来研究可针对以下几个方面进行深入探讨和完善：
2、海上风电并网技术
海上风电并网技术主要包括同步发电机组和电力电子变换器两种方案。同步 发电机组通过齿轮箱将风力发电机组的动力转化为电能，再通过变压器升压后接 入电网。电力电子变换器则直接将风力发电机组的电能转化为直流电，然后通过 逆变器转化为交流电并入电网。
三、存在的主要问题和不足
1、海上风电输电技术
一、研究背景与意义
海上风电作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大的发展潜力。然而，海上 风电的输电与并网技术相较于陆上风电更加复杂。如何实现大规模海上风电的高 效、安全输电与并网，对于推动海上风电产业的发展具有重要意义。
二、大规模海上风电输电与并网 关键技术研究现状
1、海上风电输电技术
目前，海上风电输电技术主要涉及电缆输电和柔性直流输电两种方式。电缆 输电具有传输容量大、损耗小等优点，但电压等级受到限制，适用于近海风电场。 柔性直流输电则具有灵活性高、可靠性好等优点，适用于远距离、大规模海上风 电输电。
1、有功功率控制方面：通过对风电机组的有功功率进行精确控制，策略可 以有效提高风电场的输出功率和稳定性；
2、无功功率控制方面：策略通过调节机组的无功功率，可以有效提高电网 的稳定性，降低运行成本；
3、稳定性控制方面：通过对整个风电场进行建模和控制，策略可以显著提 高电网的稳定性，增强其对复杂环境的适应性。
柔性直流输电系统控制研究综述
柔性直流输电系统控制研究综述一、本文概述随着能源转型和可再生能源的大规模开发，电力系统的稳定性和可靠性面临着前所未有的挑战。
柔性直流输电系统（VSC-HVDC）作为一种新型的输电技术，以其独特的优势在解决这些问题中发挥着重要作用。
本文旨在对柔性直流输电系统的控制研究进行全面的综述，以期为未来该领域的研究提供有价值的参考。
本文将简要介绍柔性直流输电系统的基本原理和主要特点，阐述其在现代电力系统中的应用场景和优势。
接着，将重点回顾和梳理柔性直流输电系统在控制策略方面的研究历程和主要成果，包括基本控制策略、保护控制策略、优化控制策略等。
还将对柔性直流输电系统控制中的关键技术问题，如换流器控制、系统稳定性分析、故障穿越能力等，进行深入的分析和讨论。
通过本文的综述，读者可以对柔性直流输电系统的控制研究有一个全面而深入的了解，掌握该领域的研究现状和发展趋势，为相关研究和工程实践提供有益的参考和借鉴。
本文也期望能够激发更多学者和工程师对柔性直流输电系统控制技术的深入研究和探索，共同推动该领域的技术进步和应用发展。
二、柔性直流输电系统控制技术概述柔性直流输电系统（VSC-HVDC）作为新一代直流输电技术，以其独特的优势在电网建设中逐渐占据重要地位。
其核心在于采用了电压源型换流器（VSC），这种换流器能够通过快速控制其开关状态来实现对直流电流和电压的灵活调节，因此得名“柔性”。
柔性直流输电系统的控制技术是确保其高效、稳定运行的关键。
柔性直流输电系统的控制技术主要包括换流器控制、系统控制和保护控制三个方面。
换流器控制直接决定了VSC的运行特性，其核心任务是实现有功功率和无功功率的独立控制。
这通常通过控制VSC的触发角和调制比来实现，从而确保直流电压和电流的稳定。
系统控制则关注于整个直流输电系统的稳定性和经济性。
这包括直流电压控制、有功功率分配、无功功率补偿等。
系统控制需要综合考虑交流侧和直流侧的动态行为，确保在各种运行工况下系统都能够保持稳定。
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2011/11/23
hfliang@
20
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
（3）2000年4月，澳大利亚建成投运Directlink VSC-HVDC工程 （4）2000年8月，丹麦修建的第1个用于风力发 电的VSC-HVDC示范工程－Tjæreborg 工程正式 投运 （5）2000年9月，美国的Eagle Pass建设了世界 上第1个采用VSC-HVDC技术实现电网背靠背异 步互联的工程 （6）2002年7月美国Cross Sound VSC-HVDC工 程投运
1 VSC-HVDC的基本原理（续）
VSC
直流输电线
VSC
U&S 电抗器
U&C
滤 波 器
电抗器
滤 波 器
图1 两端接有源网络的VSC-HVDC系统原理图
P = U SU C sin δ
X1
Q = U S (U S − U C cosδ )
X1
2011/11/23
hfliang@
正常运行时VSC可以同时且独立控制有 功和无功，控制更加灵活方便。
2011/11/23
hfliang@
12
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够 起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线无 功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果VSC 容量允许，故障时VSC-HVDC系统既可向故障区 域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功 率的紧急支援，从而提高系统的电压和功角稳定 性。
技术
UC由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控
浅谈柔性直流输电技术
浅谈柔性直流输电技术摘要：柔性直流输电技术是应用开通和关断均可控制的新型电力电子器件(如IGBT),具有两个控制自由度，不需要无功补偿,不依赖交流系统进行换相，确保电能质量和电网安全稳定性要求的一种直流输电技术。
关键词：输电技术柔性直流思考国际大电网会议和美国电气与电子工程师协会于2004年将可关断器件(IGBT)和脉宽调制（PWM）技术为基础的直流输电技术，正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。
2006年5月，中国电力权威专家将基于电压源换流器技术的直流输电统一命名为“柔性直流输电”。
1．柔性直流输电技术在国内的发展早期的柔性直流输电是采用两电平或三电平换流器技术，存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷。
随着电压等级和容量的不断提升，缺陷越来越突显，难以逾越两电平或三电平技术的瓶颈。
因此，两电平或三电平技术主要用于较小功率传输或一些特殊场合的应用。
随着电力电子技术的发展，柔性直流输电技术作为新型的输电技术，使目前交直流输电技术的诸多问题得以解决，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案。
柔性直流输电技术在我国直流工程得到快速发展。
柔性直流技术的生命力是可控性，它可以通过模块的重组实现多种功能。
柔性直流技术不是中国首创。
但在发展中，中国实现了柔性直流技术在多端、特高压、柔直电网等工程中的应用。
2020年7月昆柳龙直流工程在世界上首次采用特高压多端直流系统，创造17项世界第一，第一个±800千伏特高压柔性直流输电工程、第一个单站容量最大的柔性直流输电工程、第一个具备架空线路故障自清除及再启动能力的柔性直流输电工程等。
通过在主电网应用、掌握特高压多端柔性直流技术，推动了柔性直流技术的进步，终将为未来电网技术发展起到核心作用，是中国电力对世界电力技术发展做出的贡献。
作为世界上首个多端柔性直流工程，它将柔性直流技术带入了一个新时代。
标志着我国直流输电工程技术再上一个新台阶。
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制.
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。
下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。
本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。
关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。
MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。
并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。
多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。
单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。
下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。
本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。
关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。
MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。
并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。
多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。
单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。
柔性直流输电技术与标准
四、柔性直流输电技术标准
1）IEC 62501:2009 HVDC系统用VSC阀-电气试验 ▪ 适用范围
本标准适用于柔性高压直流输电三相桥式电压源，或背靠背系统 的自换相换流阀。试验内容仅限于电气型式和生产试验。
三、柔直技术研发与关键问题
❖ 2. 柔性直流输电控制保护系统设计关键技术
系统的故障类型与保护分类； 系统的起、停策略研究； 多端柔直系统协调控制研究； 控保系统对测量装置与故障录波的要求。
三、柔直技术研发与关键问题
❖ 3. 柔性直流输电换流阀关键元器件国产化
▪ 柔性直流输电换流阀是柔直工程最为关键的设备，但目前换流阀中的 关键元器件主要来自进口，如：IGBT/IGET、直流电容器、驱动板 、晶闸管等，这对我国柔直工程造价、工程建设周期、售后服务等都 造成一定影响。
2
而变化
化
3
损耗较小（1%）
损耗较大（2%）
4
容量大（数千MW）
容量相对小（数百MW）
5
故障承受能力和可靠性较高
故障承受能力和可靠性较低
二、柔性直流输电的特点及应用
❖ LCC-HVDC与VSC-HVDC的比较
序号
1 2
3 4 5
电流源换流器LCC-HVDC
电压源换流器VSC-HVDC
交流侧提供换相电流，受端为有源网络，且 电流自关断，可向无源网络供电。
该标准列出的试验是基于空气绝缘的换流阀。对于其他绝缘型式 的换流阀，其测试要求和接受标准需要经过进一步协商确定。
四、柔性直流输电技术标准
1）IEC 62501:2009 HVDC系统用VSC阀-电气试验
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。
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柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够 起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线无 功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果VSC 容量允许，故障时VSC-HVDC系统既可向故障区 域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功 率的紧急支援，从而提高系统的电压和功角稳定 性。 潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性 不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利 于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的 并联多端直流系统。
2010/5/27 hfliang@ 17
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
3 VSC-HVDC的发展与现状
随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极 晶体管（IGBT）的快速发展，具备了在 HVDC中采用以全控型器件为基础的电压 源换流器（VSC）的条件。 1990年，McGill大学的Boon−Teck Ooi教授 等人首先提出了利用PWM控制的VSC进行 直流输电的概念。
传统HVDC 晶闸管 换流变压器
50%在滤波器和并联电容器
VSC-HVDC IGBT
串联电感（+变压器）
滤波和无功补偿 直流平波 站间通信
2010/5/27
只用小型滤波器 直流电容器 不需要
16
平波电抗+直流滤波器 需 要
hfliang@
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2010/5/27 hfliang@ 7
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
1 VSC-HVDC的基本原理（续）
直流侧并联大电容，起到为逆变器提供电压 支撑、缓冲桥臂关断时冲击电流、减小直流 侧谐波的作用 换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带 同时也有滤波的作用 交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波 换流器中IGBT上并联反向二极管，除了作为 主回路以外，还起到保护和续流的作用
2010/5/27 hfliang@ 13
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
由于VSC交流侧电流可以控制，所以不 会增加系统的短路容量。这意味着增加 新的VSC-HVDC线路后，交流系统的保 护整定无须改变。 VSC通常采用SPWM技术，开关频率相 对较高，经过低通滤波后就可得到所需 交流电压，可以不用变压器，所需滤波 装置的容量也大大减小。
2010/5/27 hfliang@ 15
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
换流电路： VSC-HVDC换流站通过VSC控制IGBT的通 断，因此，电路结构与传统HVDC有着很大的不同，其 主要指标的比较如下表所示。
换流站指标 换流阀
与交流系统连接的器件
hfliang@
9
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点
传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，该 电流实际上是相间短路电流，因此要保证换相 的可靠，受端交流系统必须具有足够的容量， 即必须有足够的短路比（Short Circuit Ratio）， 当受端电网比较弱时便容易发生换相失败。 由于开通滞后角α和熄弧角γ 的存在及波形的 非正弦，传统的HVDC要吸收大量的无功功率， 其数值约为输送直流功率的40~60%，这就需 要大量的无功补偿及滤波设备，而且在甩负荷 时会出现无功过剩，可能导致过电压。
2010/5/27 hfliang@ 14
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
VSC-HVDC与常规HVDC的区别 功率范围：传统的HVDC主要运行于较大的 功率范围，约在250MW以上；而VSC-HVDC 输送的功率可以从几MW到几百MW，直流 电压可达±150kV。 模型组件：VSC-HVDC是以一套有若干标准 规格的换流站模块为基础，大多数设备在制 造厂家就被封装起来；而传统的HVDC往往 是根据系统运行的需要以及某些特殊的用途 而设计和装配的。
最大传 输功率 /MW 3 50 3×60
两侧交 流电压 /kV 10/10 80/80 132/ 110 10.5/10 .5 132/ 132 345/13 8 132/22 0
直流 电压 /kV ±10 ±80 ±80 ±9 ± 15.9 ± 150 50 342 358 1100
2010/5/27
hfliang@
3
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
& US
电抗器 滤 波 器
& UC
柔性直流输电 电压源换流器
& U S 换流变压器
& UC
传统直流输电 电流源换流器
滤 波 器
2010/5/27 hfliang@ 4
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2010/5/27 hfliang@ 19
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
从1997年瑞典的Hellsjön工程试验成功开始，到 目 前 为 止 ， ABB 公 司 在 世 界 上 已 承 建 VSCHVDC工程共13项，其中已投运的VSC-HVDC 工程有9项，在建的有4项。 （ 1 ） 瑞 典 Hellsjön 工 程 是 世 界 上 第 1 个 VSCHVDC工业试验工程 （2）1999年6月，瑞典果特兰岛（Gotland） VSC-HVDC工程投入运行。这是世界上第1个 商业化运行的VSC-HVDC工程
线路 长度 /km 10 2× 70 6× 59 2× 4.3 背靠 背 2× 40 2× 180
2010/5/27 hfliang@ 2
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
1 VSC-HVDC的基本原理
柔性直流输电——基于电压源换流器的高 压直流输电 (HVDC based on Voltage Source Converter, VSC-HVDC) 常规HVDC采用线换相电流源换流器 （Line Commutated CSC）
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
运行的独立性：VSC-HVDC不依赖于交流系统去维持电 压和频率的稳定；与传统的HVDC相比，短路容量并不 重要。VSC-HVDC可以给无源网络直接供电；而传统的 HVDC在受端电网中必须有旋转电机。 对功率的控制：传统的HVDC终端可以通过滤波器和串 联电抗的通断以及在某种程度上对触发角的控制来达 到对功率的控制，但是这种控制需要额外的设备和额 外的损耗；VSC-HVDC则可以在很短的时间内形成任意 的相角或幅值，这为独立地控制有功和无功提供了可 能性。
2010/5/27
hfliang@
22
工程 Hellsjo n Gotlan d Directli nk Tjaere borg Eagle Pass Cross Sound Cable Murra ylink
投运时 间 1997.0 3 1999.0 6 1999.1 2 2000.0 8 2000.0 9 2002
2010/5/27 hfliang@ 8
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
1 VSC-HVDC的基本原理（续）
VSC-HVDC的传输电缆
VSC-HVDC传输电缆的 表面是由压缩型聚合物 做成的绝缘材料，由三 芯绞线的屏蔽物和绝缘 屏蔽物压缩在一起构成 ——挤塑电缆
2010/5/27
2010/5/27 hfliang@ 21
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
（7）2002年8月投运的澳大利亚Murraylink直流 工程是目前世界上最长的地下电缆输电项目 （8）2005年2月挪威Troll A VSC-HVDC工程投运 （9）Estlink VSC-HVDC工程于2006年12月投运 （10）Valhall VSC-HVDC工程预计与2010年投运
2010/5/27 hfliang@ 18
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
ABB公司把VSC与IGBT相结合，提出了轻型高压 直流输电（HVDC Light®）的概念。 1997年3月在瑞典中部的赫尔斯扬和格兰斯堡之 间进行了首次HVDC Light的工业试验。这次试 验的输送功率为3MW，输电电压为±10kV，所使 用的线路是一条暂时不用的10km交流线路。试 验过程十分顺利，无论是在稳态条件下还是在暂 态条件下，电力输送都十分稳定，达到了预期的 性能。
2010/5/27 hfliang@ 6
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
1 VSC-HVDC的基本原理（续）
有功功率的传输主要取决于δ，无功功率 的传输主要取决于UC 换流器通常采用脉宽调制（PWM）控制 技术 UC由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控 制，δ 就是PWM的调制波相角
2010/5/27 hfliang@ 10
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
因为传统的HVDC需要交流电网提供换相电流， 这就要求受端系统必须是有源网络。因此，传统 的HVDC不能向无源网络（如孤立负荷）输送电 能。 造成传统HVDC上述缺点的主要原因是由于线换 相换流器采用的是半控型器件，只有用全控型器 件代替半控型器件，使换流器能工作在无源逆变 方式，并能够同时独立地控制有功功率和无功功 率，才能彻底克服上述缺点。
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
梁海峰 教一楼304室 hfliang@
2010/5/27
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
柔性直流输电(VSC-HVDC)系统概论
VSC-HVDC的基本原理 VSC-HVDC的技术特点 VSC-HVDC的发展与现状 VSC-HVDC的控制简介
2010/5/27 hfliang@ 20