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 oltageDirectCurrent,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Ɵ决定有功功率的传输。

在Ɵ<0时，VSC运行于整流状态吸收有功功率；当Ɵ>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-UccosƟ >0时，VSC吸收无功功率；当Us-Uccos Ɵ<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。