多端柔性直流输电技术

1、简介

从上个世纪

五十年代至今，

高压直流输电技

术（High V oltage

Direct

Current,HVDC)

经历了跨越式发

展，己经广泛应

用于风电场并网、大容量远距离输电、非同步大电网互联、孤岛和弱电网供电等领域HVDC技术从早期的汞弧阀换流技术发展到高压大功率晶闹管换流器技术，极大地促进了直流输电技术的发展。与高压输电技术相反的是换流技术几乎仍在原地踏步，线换相换流器（Line Commuted Converter, LCC)直流输电占据主流。由于晶闸管关断不可控，传统直流输电技术具有明显缺陷。

随着电力电子变流技术的迅猛发展，出现了以脉宽调制（Plus Width Modulation, PWM)技术为基础的变流器。并且PWM变流器技术也日漆完善。目前主要应用的主电路类型有电流型变流器（Current Source Converter, CSC)和电压源型变流器（V oltageSource Converter, VSC)。并且，全控器件电压和容量的等级的不断提升，控制技术的日趋完善，带动VSC开始应用于大容量高压输配电领域，如，灵活交流输电系统（Flexible ACTransmission System, FACTS)、基于电压源变流器的高压直流输电(VSC basedHVDC，VSC-HVDC)、定制电力系统（Custom Power，CP)等典型代表。VSC设备配合不同的控制策略可以控制系统潮流、调节网络运行参数，进而优化电力统运行状态，提高系统稳定性和运行可靠性。VSC-HVDC技术是以电压源变流器，可控关断的IGBT和脉宽调制（PWM）为基础的新型输电技术。VSC-HVDC不仅可以独立快速控制有功无功，还易于翻转潮流，实现了无源网络供电。同时，随着能源紧缺和环境污染的日益严重，我国开始大力幵发和利用风能、太阳能等可再生清洁能源，优化能源结构。但是其固有的分散性、小型化、远离负荷中心等特点直接制约了风电利用规模的不断扩大以及传统交流输电技术和CSC-HVDC 输电技术联网的经济性。此外，城市配电网的快速扩容一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量配电网转入地下。VSC-HVDC输电技术可以很好地解决上述问题，并且已经有实际运行的商业工程应用在分布式发电系统接入大电网、孤岛供电、城市直流配网改造、异步大电网互联等领域。然而，VSC-HVDC也尤其不容忽视的缺陷，一旦其两端输电系统中有一端VSC发生故障退出运行，系统将被迫处于瘫痪状态。

2.1 VSC-HVDC的结构

VSC-HVDC的结构如图1-1所示，两端是两个VSC换流站，中间连接换流变压器、换流电抗器、交流滤波器、直流电容器、直流输电线路等组成的两条线路。VSC既可以通过直流线路在互联系统间传输潮流又能够像STATCOM —样进行动态无功交换。

VSC换流器包括换流电路和直流电容器，由一个或多个换流桥并联（串联）组成的换流电路来实现交直流转换。目前多个换流桥组成的组合式换流器并未在实际工程中应用。VSC是换流站的核心元件，通过VSC桥臂的开通和关断切换控制系统潮流，其拓扑结构实际工程中主要采用三相两电平、二极管钳位三电平结构。系统开关频率限制了全控器件的选择，目前VSC-HVDC系统采用压装式IGBT连同驱动电路、散热片及其他辅助电路共同构成。

直流电容器为VSC变流器提供直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。直流电容器的容量决定了VSC-HVDC直流侧的动态特性。

换流变压器和换流电抗器是换流站和交流系统之间能量交换的纽带。换流变压器一般设计为消除零序分量的接法，此时两端中必有一侧为接地系统，如Yn/Y或者Yn/△等，并带有分接头控制，可以隔离两端零序分量的相互影响。

交流滤波器的作用是滤除VSC交流侧谐波。由于VSC-HVDC采用PWM调制技术，故VSC输出的电压和电流中包含开关频率及其整数倍附近次谐波，其谐波含量与调制方式、调制比、开关频率以及所采用的拓扑结构有关。交流滤波器与换流电抗、换流变压器以及系统阻抗相互作用，对高次谐波形成一个低阻通道，从而达到滤除谐波的目的。

2.2 VSC-HVDC的运行原理

VSC换流站主要使用正弦脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM)控制技术。由于VSC-HVDC 系统两端的VSC换流站均采用相同的结构，现对一端进行分析。图1-2是VSC交流侧基波的等效原理图。

如图1-2所示，若忽略换流变压器和换流电抗器的电阻时，交流母线电压的基频分量仏与VSC交流输出电压的基频分量Ue —起作用于换流变压器和换流电抗器的等效电抗Xe，并控制VSC换流器与交流系统间的有功功率P和无功功率Q交换。

由式（1-1）可知，移相角度?决定有功功率的传输。在?<0时，VSC运行于整流状态吸收有功功率；当?>0时，VSC运行于逆变状态发出有功功率。所以通过调节角可以控制VSC-HVDC传输有功功率的大小和方向。由式（1-2)可知，VSC交流侧输出电压的基波幅值U。决定无功功率的交换。当Us-Uccos? >0时，VSC吸收无功功率；当Us-Uccos ?<0时，VSC发出无功功率。通过调节Uc幅值可以控制VSC吸收或发出的无功功率。

综上所述，VSC-HVDC能够通过PWM控制有功和无功功率的输出。为保证VSC-HVDC正常运行，必须保持直流网络的功率平衡，即输入直流网络的有功功率必须等于直流网络输出的有功功率加上换流站和直流网络的有功损耗。任何功率的不平衡，都将会引起直流电压变化。为了实现VSC-HVDC系统功率的自动平衡，必须有一端换流站控制直流电11，作为整个直流网络功率平衡节点。

2.3 VSC-HVDC 的特点

VSC-HVDC由于釆用全控型开关器件和高频PWM调制技术，其相对于传统直流输电技术，具有以下技术特点：

1.有功无功的快速独立控制。正常运行时，VSC换流站可以独立控制有功和无功功率。为保持系统功率平衡，一端换流站必须控制直流电压稳定，自动调节有功功率输出。两端换流站可以根据交流电压波动调节其吸收和发出的无功功率。

2.易于实现潮流翻转。系统不需要改变电压极性，直接电流反向即可实现潮流翻转，并且控制系统配置保持不变，不需要换流站闭锁。该特点有利于构成较高可靠性的多端直流输电系统。

3.提高现有交流系统的输电能力。通过快速精确控制电网电压，可以减少电网输电损耗，而快速响应的无功控制可以抵消暂态过电压，从而提高现有交流电压的输电容量。

4.提高交流电压的功角稳定性。VSC-HVDC可以通过保持电压恒定，调节有功潮流或者保持有功恒定，调节无功功率，分别实现抑制系统的阻尼振荡。

5.向无源网络供电。VSC能够电流自关断，可以工作在无源逆变状态，不需要额外的换相电源，因此可以向远距离的无源网络供电。

VSC-HVDC系统除了上述技术优点以外，根据已投运的VSC-HVDC工程运行情况，其仍有一定缺陷，具体如下：

1.系统损耗较大。由于采用高频PWM调制控制，导致幵关损耗较大。幵关频率1950Hz，两电平的VSC换流站的功率损耗（不含线损）为系统额定功率的6%。虽然采用优化正弦波调制的控制策略己经能够将损耗降低到1.6%，但是相比于传统高压直流0.8%的额定功率损耗仍然较高。当然，随着电力电子技术的进步，VSC的开关损耗有继续减小的趋势。

2.不能控制直流侧故障电流。一旦直流侧故障，交流断路器必须断开，并且断开后不能短时间内重启

系统。

3.系统的稳定性和可靠性缺乏更多的工程运行数据支撑。目前，大部分VSC-HVDC工程只有四五年的运行经验，其运行安全性和可靠性还需要经受时间的考验。

3.1 VSC-MTDC系统的基本原理

VSC具有可以在系统潮流翻转时保持极性不变的特性，有利于构成运行更加灵活、可控的多端柔性直流输电系统（VSC-MuIti TerminalHVDC，VSC-MTDC)。因此VSC-MTDC在大规模新型能源中心（如风力、太阳能发电等）输送功率到远方几个负荷中心；向弱交流系统、负荷密集的大城市甚至无源网络供电；不同区域的电力市场交易等领域具有广阔的应用前景[9]。但是VSC-MTDC目前仍处于理论研究和模拟实验阶段，并没有实际的工程应用。其中研究热点主要集中在多个换流器的并联运行稳定性、换流器间的功率分配、系统的故障穿越能力等。但是VSC-MTDC拓扑结构和协调控制策略是最为关键的问题。

一般直流输电多为双端系统，仅能实现点对点的直流功率输送，但是当多个交流系统间需要直流互联时则考虑使用多端直流输电（Multi-TerminalHVDC, MTDO）。多端直流输电系统是由三个或三个以上换流站及直流输电线路构成，根据换流站的不同主要分为三种形式：基于电流源型换流器的多端直流输电系统（Current Source Converter Based Multi-Terminal HVDC,CSC-HVDC)、基于电压源换流器的多端直流输电系统（V oltage Source ConverterBased Multi-Terminal HVDC, VSC-HVDC )和混合型多端直流输电系统(Hybrid-MTDC)。由于电压源变流器在潮流翻转时，直流电压极性不变仅反转电流方向。因此，VSC-MTDC 比传统CSC-HVDC能够更加灵活地控制有功功率，可靠性更高。而Hybrid-MTDC系统兼有以上两种技术的优势，同样成为一个新近的研究热点。

图1-8为VSC-MTDC输电系统示意图，图中所有换流站均为VSC变流器，直流侧并联构成直流网络。多个换流站中有一个作为功率平衡节点控制直流电压稳定，其余换流站可以运行在整流或者逆变状态实现功率的分配。灵活可控的VSC-MTDC输电技术为以下领域的应用提供了新的解决思路：（1)从新能源中心输送功率到远方的多个负荷中心；（2)几个孤立的交流系统通过直流线路实现非同步联网；（3)大城市直流供电的多落点受电。

上文介绍了两端系统VSC-HVDC 的控制，然而轻型直流输电系统一端VSC故障退出，VSC-HVDC 将处于瘫痪状态。基于VSC 的多端直流输电系统（VSC-MTDC）在运行灵活性，可靠性等方面比两端系统（VSC-HVDC）更具有技术优势[25-36]，更能保证送端的可靠输出以及受端的可靠供电。多端系统是指3 个及以上换流器并联运行的系统。例如，一个换流器作为整流器，与有源交流系统联接，而其它所有的换流器为逆变器，为无源网络供电。这种单电源多端系统运行原理相对比较简单，其控制方法与上一章讨论的为无源网络供电的两端系统基本相似，因此本文将重点研究至少有两个换流器与有源网络联接的多端系统。对于VSC 多端系统而言，有很多问题需要仔细研究，如模块化设计、系统的自治性(扩展性、可靠性、冗余度)、多换流器并联运行的稳定性、换流器间功率分配、并联运行模式等。

目前，VSC-MTDC 仍处于理论研究和模拟实验阶段，适用于VSC-MTDC 的控制方法主要有两种运行模式:(1)电压下降方式，即所有与有源交流系统联接的换流器，其直流侧都工作于电压源方式，其输出电压随输出电流的增加而降低，也称为带电压下降特性的控制方式，从而保证多端系统稳定运行；(2)主从式控制方式，即多端系统所有与有源交流系统联接的换流器中，有且仅有一个换流器控制直流电压，而其它换流器都运行于直流电流或直流功率控制方式。然而前者直流电压控制质量差，对于单个换流器无法实现定有功控制，而后者虽然直流电压调节和功率控制等性能都具有很好的刚性，但它需具备上层控制模块和高速的通信

条件，且系统的运行可靠性并不高，不适用于长距离输电的风电并网系统。文献[11][12]提出的基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制方式，其实质是若直流电压偏差过大，备用VSC 由定功率控制转为定直流电压控制，以维持VSC-MTDC 系统的稳定性，该控制方法不需通信，但采用基于直流偏差控制的功率控制器要同时进行高低直流电压的调节，控制器稍显冗余和复杂。通过以上分析，为提高VSC-MTDC 系统运行的可靠性，本章提出了基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制方式，它是一种不需要通讯的控制方式，能保证定直流电压控制的换流站故障退出后，VSC-MTDC 系统能继续维持有功的平衡和直流电压的稳定，确保其他VSC 的正常工作。最后，利用PSCAD/EMTDC 对该控制方式进行了仿真分析，结果验证了该控制方法的有效性。

3.2 VSC-MTDC系统的特点与应用

世界上己经投入商业运行的多端直流输电系统均为传统直流输电系统。（1)1985年建成的加拿大纳尔逊河双极、双回直流四端系统，直流电压±50()kV,输送功率200MW，输电距离940km。（2) 1989年投入运行的美国太平洋联络线直流输电工程，双极四端系统，直流电压±500kV，输送功率3100MW，输电距离1369km。此外，意大利本土-法国科西嘉岛-意大利萨丁岛三端直流输电系统和加拿大魁北克至美国新英格兰双极无端直流输电系统也具有多端直流输电的运行功能。

在VSC-HVDC系统基础上扩展而来的VSC-MTDC输电系统不仅具有VSC换流站的技术优势，而且具有多端系统特有的经济性、灵活性。虽然目前多端柔性直流输电工程并没有实际应用，但在下列领域具有发展潜力：

(1)大型风电基地功率外送。大型风电基地一般位于远离负荷中心的末端电网，并且本地电网的消纳能力有限。风电场需要根据地理位置和容量适当联合与分组，形成相对独立的多个送电通道。但若每个风电场均通过一套完整的VSC-HVDC系统接入电网，造价较高。并且风电作为间歇性、多变化的电源，在大容量分散接入电网时，受端电网对多馈入系统的支撑能力不足，不利于系统安全稳定运行。因此，通过VSC-MTDC系统汇集风电功率，按一定“风火打捆”比例联合本地火电功率重新分配潮流，跨区域电网外送远方负荷中心消纳成为最佳方案

(2)高压直流配电系统（HVDC Distribution)。由多个VSC换流站并联构成多端直流供电网络，提高供电可靠性和灵活性，是现代电力柔性化供电技术的发展方向。

(3)新能源直流微网。以可再生能源为主的分布式发电（Distributed Generation, DG)是一种灵活、可靠、环保的新型电力技术，其集中发电、远距离输电的特点是对传统电力系统的有益补充[27]。而且小型分布式电源与负荷构建的微型电网（Microgrid),在满足本地用户对电能质量和供电安全要求的同时，能够减弱大量分布式电源的渗入对电力系统的影响。

3.3 研究现状

VSC-MTDC系统虽然在运行灵活性、可靠性等方面比双端系统更具有技术优势，但是其控制策略也相对复杂。VSC-MTDC系统中直流电压的稳定性直接决定着系统的运行特性和可靠性。文献[33-36]提出了带直流电正下垂特性的控制策略，虽然它的优点是系统扩展性好、不需要通讯，但是直流电压存在较大偏差，并且直流电流和有功功率不能准确控制。文献[37-39]提出的VSC-MTDC多点直流电压控制策略在一定程度上提高了多端系统的供电可靠性，但是同样不能准确控制直流电流和有功功率。文献[40]研究了多端系统的主从式控制策略实现功率分配。但该控制方法需要配合上层通讯控制模块，缺乏实际应用价值。文献[41]提出了一种直流电压的多级控制策略，可以减小由于VSC-MTDC的一端VSC故障退出运行而造成的直流过压。但是在此控制策略下直流电压波动范围过大。文献[42]研究了大规模分散的风电场群通过VSC-MTDC输电系统并网技术，仿真验证了VSC的变频控制功能实现了风电机组的最大功率追踪。上述研究均未涉及VSC-MTDC系统故障情况下的协调控制，以及VSC-MTDC应用于大型风电基地并网时，风电功率对提高系统稳定性的贡献。。

3.4 VSC-MTDC系统拓扑结构的可行性分析

我国大型风电基地一般分期建设，普遍有多种型号参数的风电机组并存的现象，而不同电气参数的风电机组共同接入电网直接影响了电网稳定性。而如图3-1所示的VSC-MTDC系统可以解决大规模风电场并网的问题。从图3-1中可以看出，风电场可以分别釆用定速横频异步电机（FSIG)、双馈式变速横频电机（DFIG)、直驱永磁式电机（PMSG)等多种风力发电机，然后通过VSC换流站和多个交流系统连接到同一个直流网络形成VSC-MTDC系统。直流网络将风电场和交流系统隔离，消除了频率和功率的親合关系，

避免故障的传递。

风电场并网工程需要综合考虑经济性和技术性因素的共同影响，以选择合适的VSC-MTDC系统拓扑结构。对于多端直流网络，直流断路器和隔离开关的数量和容量配置，直流线路的长度和容量等主要影响工程造价；系统控制的灵活性和可靠性，故障保护时直流断路器和隔离幵关的协调动作，拓扑结构的沉余性和有效性设计等，均不同程度地增加了技术实现难度。

1.经济性因素

VSC-MTDC的发展很大程度上受到高压直流断路器的限制。传统交流断路器需要在电流过零点通过电流灭弧实现切断短路电流，但是直流电流没有过零点，因此给直流断路器的实现带来了困难。直流网络中必须在故障线路的电流降为零后才能将其切除。不同于传统直流输电系统可以通过紧急闭锁换流站的方式，等直流线路中的电流降为零后再将故障线路切除，在VSC-MTDC系统中，即使故障情况下闭锁换流站，交流系统和其他正常运行的VSC换流站仍然会经VSC的反并联二极管形成通路，向故障点释放系统剩余功率，造成线路和换流站过流。VSC-MTDC故障时的功率流动如图3-2所示。

如果在故障时，大容量VSC-MTDC系统不能迅速切除故障线路等，而是等系统电压降到零后再保护动作则会损失过多功率。直流断路器能够在几个毫秒内迅速切除故障线路，阻止由于系统阻抗较低导致故障电流快速达到过流值从而避免整个系统电压崩溃。

综上所述，直流断路器对于VSC-MTDC系统的故障保护不可或缺。但由于其价格昂贵，所以应选择合适的拓扑结构，以尽量减少直流断路器的使用数量降低建设成本。同时，VSC-MTDC系统的不同拓扑结构在直流线路长度以及故障时直流线路容量的安全裕度等方面均不同程度地影响着工程造价。

2.技术性因素

当VSC-MTDC系统用于大型风电场并网时需要达到以下要求：（1)在正常运行及故障情况下保持控制直流电压稳定；（2)当本地电网发生故

障时，VSC-MTDC必须具备故障穿越能力；（3)当换流站发生故障时，VSC-MTDC系统对主网的功率输送保持稳定，其功率波动范围不超过最大功率损失值（此限值与实际主网运行参数有关）。

VSC-MTDC的不同拓扑结构直接影响系统运行灵活性和可靠性。根据拓扑结构选择直流断路器和隔离JT关合适的配置方式，以减小故障时系统的功率损失，保证主网必要的功率支撑；另外，由于切除直流故障线路时需要直流断路器和隔离幵关配合控制，增加了控制策略的复杂性从而降低了系统运行可靠性；一旦切除故障线路将会使风电场运行在孤岛状态，使其由于缺少功率输送通道而损失大量风电功率，降低了系统潮流分配的灵活性。

4.1结论与展望

基于电压源型变流器的高压直流输电系统是新一代的输电技术，其未来的发展方向是VSC-MTDC系统。本论文系统阐述了VSC-HVDC和VSC-MTDC运行原理、技术特点及应用领域，详细分析了国内外

对该技术的研究现状及工程应用现状。研究了VSC换流站在dq同步旋转坐标系下稳态模型及基本的矢量化双闭环控制策略。提出了VSC-HVDC用于风电场并网的电压源矢量控制策略。研究了VSC-MTDC系统的拓扑结构，提出了应用于大型风电基地功率外送时VSC-MTDC的协调控制策略。

VSC-MTDC系统的控制策略研究目前仍处于起步阶段，缺乏全面的工程应用经验，因此距离真正地应用还需要经历一个漫长的研究和积累的过程，亟待解决许多问题。结合本论文的工作，作者认为以下几个方面的问题是下一步研究工作中需要认真研究和解决的问题：

(1)风电渗透功率较高的电力系统在低负荷和小容量的情况下，电力系统的低频振荡对系统的安全稳定运行有重要影响。因此需要进一步讨论VSC-MTDC系统对本地电网提供频率和无功支撑，增加对系统功率振荡的抑制能力，改善系统的阻尼特性等问题。

(2)讨论VSC-MTDC系统直流故障情况下的保护问题。VSC-MTDC系统的直流侧故障保护是难点。对于风电场内部故障和直流线路故障需要不同的保护策略，而如何快速可靠地识别故障、系统的故障后恢复重启的控制策略也需要进一步研究。

(3)本文仅对所提的VSC-MTDC系统协调控制策略进行了仿真分析，缺乏实验验证。因此，建立样机实验平台进一步验证本文所提及理论和控制策略是一项复杂、实践性强的工作，但却是更具有工程实际意义的。

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