柔性直流输电
柔性直流输电技术的应用探究
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。
3. 电力系统稳定性改善柔性直流输电技术在电力系统中的应用可以提高系统的稳定性。
通过柔性直流输电技术可以实现快速的电压调节和频率调节，对电网负载波动具有较强的适应能力，有助于降低电网的故障率和提高电网的可靠性。
柔性直流输电基本控制原理
暂态稳定性分析是评估柔性直流输电系统在故障或其他大的扰动情况下的性能的重要手段。通过模拟 系统在各种故障情况下的响应，可以了解系统的暂态行为和稳定性，为控制策略的制定提供依据。
运行稳定性分析
总结词
运行稳定性分析是研究系统在正常运行 条件下的动态性能，通过仿真和实验等 方法，分析系统的运行稳定性和控制性 能。
促进可再生能源的接入
柔性直流输电能够更好地接入可再生能源，有助于实现能源 的可持续发展。
02
柔性直流输电系统概述
柔性直流输电系统的基本结构
换流阀
换流阀是柔性直流输电系统的核心部件，负责 实现直流电的转换和传输从一端传 输到另一端。
滤波器
滤波器用于滤除谐波和噪声，保证传输电能的 纯净。
柔性直流输电基本控制原理
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目 录
• 引言 • 柔性直流输电系统概述 • 柔性直流输电系统的控制策略 • 柔性直流输电系统的稳定性分析 • 柔性直流输电系统的保护与控制
一体化 • 柔性直流输电系统的应用与发展
趋势
01 引言
背景介绍
传统直流输电的局限性
传统直流输电在电压源换流器（VSC） 控制策略上存在局限，难以满足现代 电力系统的需求。
3
保护和控制设备之间的通信应具有高可靠性和实 时性，以确保快速响应和准确控制。
保护与控制一体化的优点与挑战
优点
保护和控制一体化可以提高系统的快速响应 能力和稳定性，减少故障对系统的影响，降 低维护成本和停机时间。
挑战
保护和控制一体化需要解决多种技术难题， 如传感器精度、数据处理速度、通信可靠性 和实时性等，同时也需要加强相关标准和规 范的建设和完善。
柔性直流输电系统的未来展望
(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
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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
• 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
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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
2024年柔性直流输电市场发展现状
2024年柔性直流输电市场发展现状引言柔性直流输电（Flexible Direct Current Transmission，简称FDCT）作为一种新型的输电技术，具有多种优势，如高效、低损耗和灵活性等。
随着电力需求的不断增长和可再生能源的迅速发展，柔性直流输电市场正逐渐展现出巨大的潜力。
本文将对柔性直流输电市场的发展现状进行分析和探讨。
主要内容1. 柔性直流输电技术简介柔性直流输电技术是一种将输电线路由传统的交流形式转变为直流形式的技术。
该技术利用高压直流输电（High Voltage Direct Current，简称HVDC）系统，通过转换站将交流电转换为直流电进行输送。
相较于传统的交流输电方式，柔性直流输电可以实现更高效率和更远距离的电能传输。
2. 柔性直流输电市场发展趋势柔性直流输电市场正逐渐蓬勃发展，并且呈现出以下几个主要的发展趋势：•可再生能源促进发展：随着可再生能源的快速发展，如风能和太阳能等，柔性直流输电正成为将这些能源从产地输送到用电地点的理想选择。
柔性直流输电系统可以实现大规模清洁能源的长距离传输。
•输电效率提高：与高压交流输电相比，柔性直流输电系统的输电效率更高。
因为直流电在输送过程中的能量损失较小，可以大幅度降低电力传输过程中的能量损耗，提高输电效率。
•电网稳定性提升：柔性直流输电系统具备快速响应和调节电网负荷等特点，可以提高电网的稳定性。
在能源供需波动较大的情况下，柔性直流输电系统可以有效地平衡能源供给和需求，提高电网的可靠性和稳定性。
3. 柔性直流输电市场的挑战柔性直流输电市场的发展也面临着一些挑战，主要包括以下几个方面：•技术难题：柔性直流输电技术相对较新，还存在一些技术难题，如电能转换效率、电气设备可靠性和环境适应能力等问题，需要进一步解决和改进。
•经济可行性：虽然柔性直流输电具有诸多优势，但是其建设和运营的成本相对较高，需要对投资回报作出准确评估，以确保项目的经济可行性。
柔性直流输电技术
柔性直流输电一、柔性直流输电技术1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。
柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。
2. 柔性直流输电技术的优点。
柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。
此外，柔性输电还具有一些自身的优点。
1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。
保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。
2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。
功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。
3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。
4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。
3. 柔性直流输电技术的缺点。
系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。
在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。
可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。
二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比1. 换流器阀所用器件的对比。
1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。
2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。
2. 换流阀的对比。
1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。
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2008年12月，“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。
该工程联接上海南汇风电场与书院变电站，用于上海南汇风电网并网，是中国首条柔性直流输电示范工程。
该工程由中国电力科学研究院开发，负责接入系统设计、设备供货及工程实施等工作。
2柔性直流输电技术的研究现状2.1高压大容量电压源变流器技术2.2.1模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter,MMC）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2所示。
柔性直流输电
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“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于电压源换流器技术的直流输电第三代直流输电技术统一命名为“柔性直流输电”;二柔性直流与传统直流的优缺点对比不管是两电平、三电平或MMC换流器,由于都属于电压源换流器,其基波频率下的外特性是完全一致的;柔性直流系统外特性公式如下VSC与LCC相比,具有的根本性优势是多了一个控制自由度;LCC因为所用的器件是晶闸管,晶闸管只能控制导通而不能控制关断,因此LCC的控制自由度只有1个,就是触发角α,这样LCC实际上只能控制直流电压的大小;而VSC因为所用的器件是双向可控的,既可以控制导通,也可以控制关断,因而VSC有2个控制自由度,反映在输出电压的基波相量Uvsc上,就表现为Uvsc的幅值和相位都是可控的;因此从交流系统的角度看,VSC可以等效成一个无转动惯量的电动机或发电机,几乎可以瞬时地在PQ平面的4个象限内实现有功功率和无功功率的独立控制,这就是电压源换流器的基本特性;而柔性直流输电系统的卓越性能在很大程度上就依赖于电压源换流器的基本特性;1、可以归纳出柔性直流输电相对于传统直流输电的技术优势如下：1没有无功补偿问题：传统直流输电由于存在换流器的触发延时角α一般为10-15度和关断角γ一般为15度或更大以及波形的非正弦,需要吸收大量的无功功率,其数值约为换流站所通过的直流功率的40%-60%;因而需要大量的无功功率补偿及滤波设备,而且在甩负荷时会出现无功功率过剩,容易导致过电压;而柔性直流输电的VSC不仅不需要交流侧提供无功功率,而且本身能够起到静止同步补偿器的作用,可以动态补偿交流系统无功功率,稳定交流母线电压;这意味着交流系统故障时,如果VSC容量允许,那么柔性直流输电系统既可向交流系统提供有功功率的紧急支援,还可向交流系统提供无功功率的紧急支援,从而既能提高所连接系统的功角稳定性,还能提高所连接的电压稳定性;2没有换相失败问题：传统直流输电受端换流器逆变器在受端交流系统发生故障时,很容易发生换相失败,导致输送功率中断;通常只要逆变站交流母线电压因交流系统故障导致瞬间跌落10%以上幅度,就会引起逆变器换相失败,而在换相失败恢复前,传统直流系统无法输送功率;而柔性直流输电的VSC采用的是可关断器件,不存在换相失败问题,即使受端交流系统发生严重故障,只要换流站交流母线仍然有电压,就能输送一定的功率,其大小取决于VSC的电流容量;3可以为无源系统供电：传统直流输电需要交流电网提供换相电流,这个电流实际上是相间短路电流,因此要保证换相的可靠性,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SCR,当受端交流电网比较弱时便容易发生换相失败;而柔性直流输电的VSC能够自换相,可以工作在无源逆变方式,不需要外加的换相电压,受端系统可以是无源网络,克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷,使利用直流输电为孤立负荷送电成为可能;4可同时独立调节有功和无功功率：传统直流输电的换流器只有1个控制自由度,不能同时独立调节有功功率和无功功率;而柔性直流输电的VSC具有2个控制自由度,可以同时独立调节有功功率和无功功率;5谐波水平低：传统直流输电的换流器会产生特征谐波和非特征谐波,必须配置相当容量的交流侧滤波器和直流侧滤波器才能满足将谐波限定在换流站内的要求;柔性直流输电的两电平或三电平VSC,采用PWM技术,开关频率相对较高,谐波落在较高的频段,可以采用较小容量的滤波器解决谐波问题；对于采用MMC的柔性直流输电系统,通常电平数较高,不需要采用滤波器已能满足谐波要求;6适合构成多端直流系统：传统直流输电电流只能单向流动,潮流反转时,电压极性反转而电流方向不动；因此在构成并联型多端直流系统时,单端潮流难以反转,控制很不灵活;而柔性直流输电的VSC电流可以双向流动,直流电压极性不能改变；因此构成并联型多端直流系统时,在保持多端直流系统电压恒定的前提下,通过改变单端电流的方向,单端潮流可以在正、反两个方向上调节,更能体现出多端直流系统的优势;7占地面积小：柔性直流输电换流站没有大量的无功补偿和滤波装置,交流场设备很少,因此比传统直流输电占地面积少得多;2、当然,柔性直流输电相对于传统直流输电也存在不足,主要表现在如下几个方面：1损耗较大：传统直流输电的单站损耗已低于0.8%,两电平和三电平VSC的单站损耗在2%左右,MMC的单站损耗可以低于1.5%;柔性直流输电损耗下降的前景包括两个方面：①现有技术的进一步提高；②采用新的可关断器件;柔性直流输电单站损耗降低到1%以下是可以预期的;2设备成本较高：就目前的技术水平,柔性直流输电单位容量的设备投资成本高于传统直流输电;同样,柔性直流输电的设备投资成本降低到与传统直流输电相当也是可以预期的;3容量相对较小：由于目前可关断器件的电压、电流额定值都比晶闸管低,如不采用多个可关断器件并联,VSC的电流额定值就比LCC的低,因此VSC基本单元单个两电平或三电平换流器或单个MMC的容量比LLC基本单元单个6脉动换流器的容量低;;目前已投运或正在建设的柔性直流输电工程的最大容量在1000MW左右,与传统直流输电的6000MW以上还存在一定的距离;但是,如果采用VSC基本单元的串、并联组合技术,柔性直流输电达到传统直流输电的容量水平是没有问题的,技术上并不存在根本性的困难;可以预见,在不远的将来,柔性直流输电也会采用特高压电压等级,其输送容量会与传统特高压直流输电相当;4不太适合长距离架空线路输电：目前柔性直流输电采用的两电平和三电平VSC或多电平MMC,在直流侧发生短路时,即使IGBT全部关断,换流站通过与IGBT反并联的二极管,仍然会向故障点馈入电流,从而无法像传统直流输电那样通过换流器自身的控制来清除直流侧的故障;所以,目前的柔性直流输电技术在直流侧发生故障时,清除故障的手段是跳换流站交流侧开关;这样,故障清除和直流系统再恢复的时间就比较长;当直流线路采用电缆时,由于电缆故障率低,且如果发生故障,通常是永久性故障,本来就应该停电,因此跳交流侧开关并不影响整个系统的可用率;针对此缺陷,目前柔性直流输电技术的一个重要研究方向就是开发具有直流侧故障自清除能力的VSC;三柔性直流输电应用领域及目前工程列表1、应用领域柔性直流输电目前主要的应用领域有异步电网互联、小型发电厂/新能源/分布式能源并网、偏远山区/海上供输电、城市输配电、电能质量改善等方面2、柔直工程列表二、柔性直流输电的分类与结构组成（一）柔性直流输电的分类及优缺点对比已有柔性直流输电工程采用的VSC主要有三种,即两电平换流器、二极管箝位型三电平换流器和模块化多电平换流器MMC,模块化多电平换流器在各种特性上都比较优越,所以模块化多电平为现在普遍应用的技术;两电平换流器的拓扑结构最简单,如图2.1所示;他有六个桥臂,每个桥臂由绝缘栅双极晶体管IGBT和与之反并联的二极管组成;在高压大功率的情况下,为提高换流器容量和系统的电压等级,每个桥臂由多个IGBT及其相并联的二极管相互串联来获得,其串联的个数由换流器的额定功率、电压等级和电力电子开关器件的通流能力与耐压强度决定;相对于接地点,两电平换流器每相可输出两个电平,显然两电平换流器需通过PWM逼近正弦波;二极管箝位性三电平换流器如图2.3所示;三相换流器通常公用直流电容器;三电平换流器每相可以输出三个电平,也是通过PWM逼近正弦波的;模块化多电平换流器MMC的桥臂不是由多个开关器件直接串联构成的,而是采用了子模块Sub-Module,SM级联的方式;MMC的每个桥臂由N个子模块和一个串联电抗器Lo组成,同相的上下两个桥臂构成一个相单元,如图2.5所示;MMC的子模块一般采用半个H桥结构,如图2.6所示;其中,uc为子模块电容电压,usm和ism分别为单个子模块的输出电压和电流;MMC的单相输出电压波形如图2.7所示;可见,MMC 的工作原理与两电平和三电平换流器不同,它不是采用PWM来逼近正弦波,而是采用阶梯波的方式来逼近正弦波;1、相对于两电平和三电平换流器拓扑结构,MMC拓扑结构具有以下几个明显优势：（1）制造难度下降：不需要采用基于IGBT直接串联而构成的阀,这种阀在制造上有相当的难度,只有离散性非常小的IGBT才能满足静态和动态均压的要求,一般市售的IGBT是难以满足要求的;因而MMC拓扑结构大大降低了制造商进入柔性直流输电领域的技术门槛;（2）损耗成倍下降：MMC拓扑结构大大降低了IGBT的开关频率,从而使换流器的损耗成倍下降;因为MMC拓扑结构采用阶梯波逼近正弦波的调制方式,理想情况下,一个工频周期内开关器件只要开关2次,考虑了电容电压平衡控制和其他控制因素后,开关器件的开关频率通常不超过150Hz,这与两电平和三电平换流器拓扑结构开关器件的开关频率在1kHz以上形成了鲜明的对比;（3）阶跃电压降低：由于MMC所产生的电压阶梯波的每个阶梯都不大,MMC桥臂上的阶跃电压和阶跃电流都比较小,从而使得开关器件承受的应力大为降低,同时也使产生的高频辐射大为降低,容易满足电磁兼容指标的要求;（4）波形质量高：由于MMC通常电平数很多,所输出的电压阶梯波已非常接近于正弦波,波形质量高,各次谐波含有率和总谐波畸变率已能满足相关标准的要求,不需要安装交流滤波器;（5）故障处理能力强：由于MMC的子模块冗余特性,使得故障的子模块可由冗余的子模块替换,并且替换过程不需要停电,提高了换流器的可靠性；另外,MMC的直流侧没有高压电容器组,并且桥臂上的Lo与分布式的储能电容器相串联,从而可以直接限制内部故障或外部故障下的故障电流上升率,使故障的清除更加容易;2、当然,MMC拓扑结构与两电平或三电平换流器拓扑结构相比,也有不足的地方：1所有器件数量多：对于同样的直流电压,MMC采用的开关器件数量较大,约为两电平换流器拓扑结构的2倍;2MMC虽然避免了两电平和三电平换流器拓扑结构必须采用IGBT直接串联阀的困难,但却将技术难度转移到了控制方面,主要包括子模块电容电压的均衡控制以及各桥臂之间的环流控制;（二）MMC的工作原理MMC子模块具有如下三种工作模式表中对于表2.1进行分析可得表2.2,表中对于T1、T2、D1和D2,开关状态1对应导通,0对应关断;从表2.2可以看出,对应每一个模式,T1、T2、D1和D2中有且仅有1个管子处于导通状态;因此可以认为,SM进入稳态模式后,有且仅有1个管子处于导通状态,其余3个管子都处于关断状态;另一方面,若将T1与D1、T2与D2分别集中起来作为开关S1和S2看待,那么对应投入状态,S1是导通的,电流可以双向流动,而S2是断开的；对应切除状态,S2是导通的,电流可以双向流动,而S1是断开的；而对应闭锁状态,S1和S2中哪个导通、哪个断开是不确定的;根据上述分析可以得出结论,只要对每个SM上下两个IGBT的开关状态进行控制,就可以实现投入或者切除该SM;（三）柔性直流换流器系统的构成1、柔性直流系统结构柔性直流按照接线方式可分为真双极系统和伪双极系统;舟山五端柔直工程采用伪双极主接线结构,该主接线结构包括换流器区和极区,无双极区;厦门柔直工程为世界上第一个真双极MMC柔性直流工程,直流主接线结构包括换流器区、极区和双极区;2、柔性直流系统主要设备如图2.13,可以看到柔性直流系统主要设备有换流阀、阀电抗器、联接变压器、启动电阻、交流接地装置、直流电缆、避雷器、控制保护系统、辅助系统水冷、空调等1联结变压器：在交流系统和电压源换流站间提供换流电抗的作用；进行交流电压变换,使电压源换流站获得理想的工作电压范围；阻止零序电流在交流系统和换流站间流动；2启动电阻系统启动之前,MMC各功率模块电压为零,换流阀中电子元器件处于关断状态;限制功率模块电容的充电电流,减少柔性直流系统上电时对交流系统造成的扰动和防止换流器阀上二极管的过流;串联安装于联接变压器阀侧或交流系统侧；启动电阻仅在系统启动时工作,启动结束后由旁路开关将启动电阻旁路；启动电阻应满足不同的启动要求,包括一端交流电源对本端换流器功率模块电容充电和一端交流电源对两端换流器功率模块电容同时充电；电阻应具有足够的短时电流耐受能力；电阻应具有足够的能量耐受能力；满足开始充电至换流器解锁的时间要求包括交流侧充电和直流侧充电;3阀电抗器桥臂电抗器是电压源换流阀与交流系统之间传输功率的纽带主要功能：抑制换流阀输出电流、电压中的谐波分量；系统发生扰动或短路时,抑制电流上升率和限制短路电流峰值;抑制桥臂环流；阀电抗器可采用空心电抗器,每个换流器配置6个;4避雷器柔性直流输电系统采用无间隙金属氧化物避雷器MOA作为过电压保护的关键设备,它对过电压进行限制,对设备提供保护；综合考虑系统最大持续运行电压、荷电率、保护水平和能量要求等因素,选择避雷器参数;5测量设备电子式电压互感器和电子式电流互感器柔直测量设备难点：速度要求高,延时要求高;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,要求采集桥臂电流的互感器信号传输延时小于100um.准确测量故障时电流上升过程,高采样速度、宽量程;6换流阀换流阀是柔性直流输电换流站中的核心设备,用于实现交\直和直\交变换;如图2.14所示半桥式MMC子模块的基本构成为：T1：上管IGBT;T2:下管IGBT；T3：晶闸管；R1：均压电阻；C1支撑电容;S1：旁路开关;半桥式MMC子模块核心元件及作用：IGBT作用：核心控制器件,通过控制其开通与关断,从而控制子模块输出电压电容作用：支撑和稳定子模块电压,提供电压源的核心元件均压电阻作用：1均衡子模块电压2停运检修时的泄放回路水冷板散热器作用：IGBT的水冷却高压取能电源作用：从电容取电,为子模块控制器提供控制电源;子模块控制器作用：接收阀控设备的控制信号,对子模块进行投入和切除操作、晶闸管触发操作、旁路开关合闸操作,同时向阀控反馈子模块运行状态、故障状态信息旁路开关作用：对故障子模块进行旁路操作,实现子模块的冗余控制晶闸管作用：对故障子模块进行旁路操作进行过流保护三、运行方式（一）舟山工程1、运行模式舟山工程为伪双极五端柔性直流输电工程,所以有五种运行方式,分别为二三四五端运行模式和STATCOM运行模式;2、启动步骤步骤1：换流器解锁前,合上交流进线开关,通过IGBT模块的反并联二极管对直流电容充电,初步建立直流电压;步骤2：工作在直流电压控制模式下的换流站先解锁,将直流电压上升至额定电压;步骤3：功率控制模式和交流电压模式下的换流站解锁,逐步建立功率;3、注意：1当工作在直流电压模式下的换流站闭锁时,需将原工作在功率控制模式换流站调整为直流电压模式,做为直流电网的平衡节点;2当工作在功率控制模式或交流电压模式下的换流站闭锁时,其余换流站可维持原控制模式不变;（二）厦门工程厦门柔性输电工程为真双极两端柔性输电工程,有如下四种运行方式;四、控制保护系统（一）控制系统柔性直流输电的控制系统分成三个层：系统监视与控制层、控制保护层、现场IO层;根据完成的功能与控制的目标,换流站控制保护可以分为系统级控制、换流站级控制、换流阀级控制、子模块级控制;系统级控制：确定柔性直流工程各个换流站的控制目标与相互配合关系;换流站级控制：确定站内的控制策略;换流阀级控制：产生换流阀基本模块的触发脉冲;换流器子模块级控制：该级控制的任务是接收换流器阀级控制产生的触发脉冲信号,根据触发脉冲信号,对子模块IGBT进行开通和关断控制;外环控制：外环控制包括交流电压控制、无功功率控制、直流电压控制、有功功率控制、频率控制内环控制：内环控制包括内环电流控制、PLL控制阀控功能：实现换流阀的控制、保护、监测；与上层控制保护系统以及换流阀的通信；实现子模块电容电压平衡功能以及环流控制等功能;控制功能统计表如下：1、运行方式控制2、控制模式转换3、启停控制4、多端协调5、交流场控制6、无功功率控制7、交流电压控制8、内环电流控制9、锁相同步控制10、桥臂环流控制11、直流场控制12、指令整定13、有功功率控制14、直流电压控制15、频率控制16、换流器限流控制17、换流器监视（二）保护系统如图4.2所示,保护分区主要分为：1交流线路保护、2交流母线保护、3换流变压器保护、4桥臂电抗器保护、5换流站保护、6直流母线保护、7直流线路保护、8子模块保护;保护功能统计如下：1、联结变保护2、阀保护1阀臂过流暂时性闭锁保护2阀臂过流永久性闭锁保护3子模块过压保护3、换流器保护1交流过流保护2桥臂过流保护3桥臂电抗差动保护4阀侧零序分量保护5阀差动保护6桥臂环流保护4、直流场保护1直流电压不平衡保护2直流欠压过流保护3直流低电压保护4直流过电压保护5直流母线差动保护6直流线路纵差保护5、交流保护1内母线保护2交流系统保护3接地装置保护。
柔性直流输电
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“ 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在北京召幵“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于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”。
柔性直流输电技术
23
柔性直流输电柔采性用的直功流率输器电件功一率般容器量小较结大
电压等级在3300V以上，有3300V，4500V 通流能力在1000A以上，有1200A，1500A
良好的开通、关断特性，导通特性
开通关断过程尖峰电压和电流 开通、关断过程快速，限制开关损耗 导通压降低，限制通态损耗
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
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
13
交流和直流变换
AC
通过换流器（Converter）实现变换
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
故障后处于短路状态
结构上易于串联
散热性能好
封装难度大
供应商少
• 压接式封装可靠性更高
两种封装模式均有柔直应用 • ABB工程全部采用 StatkPak • 西门子 Transbay工程用PMI
IGBT
• 主要有以下几类
1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT
器件串联
换流器输出电平数低，正弦度不高，谐波和损耗大 实现中存在多方面困难
串联器件静、动态均压技术 杂散参数控制、安装、运行维护
ABB的StakPakTMIGBT模块
32
两电平换流器的PWM控制
1
SPWM
0
1
脉冲
0
Vdc (Vdc ) 2
输出电压
(0) Vdc 2
柔性直流输电技术的应用探究
柔性直流输电技术的应用探究一、柔性直流输电技术的基本原理柔性直流输电技术是一种将交流电转换为直流电进行输送的技术，在输电过程中可以通过调节输电系统的电压和频率来适应电网负载的变化。
其基本原理是利用电力电子器件和高压换流器将交流电转换为直流电，然后通过高压直流输电线路进行输送。
在接收端利用相同的技术将直流电转换为交流电。
相比传统的交流输电技术，柔性直流输电技术具有更低的损耗和更高的输电效率，可以更好地应对电网的负载变化。
1. 柔性直流输电技术在远距离输电中的应用由于柔性直流输电技术的低损耗和高效率，它在远距离输电方面具有明显的优势。
传统的交流输电技术在长距离输电时会有较大的电力损耗，而柔性直流输电技术可以有效解决这一问题，使得电力输送更加经济高效。
在长距离输电的项目中，柔性直流输电技术得到了广泛的应用。
随着海上风电、海上太阳能等海洋能利用项目的发展，海底输电技术也越来越受到关注。
传统的交流输电技术在海底输电中存在电力损耗大、成本高等问题，而柔性直流输电技术可以很好地解决这些问题，使得海底输电更加可行。
目前，柔性直流输电技术已经在一些海上风电项目中得到了应用，并取得了良好的效果。
随着电力系统的不断升级和改造，柔性直流输电技术也得到了广泛的应用。
在电网升级中，柔性直流输电技术可以有效地提高电网的稳定性和安全性，同时还可以实现电网的智能化管理。
柔性直流输电技术在电网升级改造项目中具有很大的潜力。
1. 技术的不断创新随着技术的不断进步，柔性直流输电技术也在不断创新。
未来，随着新型的电力电子器件和高压换流器的不断发展，柔性直流输电技术将会变得更加高效和可靠。
柔性直流输电技术在控制和管理方面也将得到进一步的改进，以满足电力系统对于稳定性和灵活性的需求。
2. 应用范围的进一步扩大随着技术的不断成熟，柔性直流输电技术的应用范围也会进一步扩大。
除了在远距离输电、海底输电和电网升级中的应用外，柔性直流输电技术还可以在微电网、电力市场等领域发挥重要作用。
柔性直流输电
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于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”。
风电并网新技术——柔性直流输电详解
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。
而使用柔性直流输电电缆理论上没有距离限制，所以当超过肯定的等价距离后，一般大于50~100千米，使用直流并网是最合理的选择。
常规直流输电存问题常规直流需要所连沟通系统供应换相电压，比较简单发生换相失败的故障，这对于风电场来说大大降低了其平安稳定运行的力量。
常规直流在传输同样容量的功率时，比沟通和柔性直流输电方案的占地面积要大得多(两倍以上)，因此不适合风电场使用。
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
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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。
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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
柔性直流输电
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“ 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于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”。
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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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。
• VSC-HVDC的拓扑结构
– 两电平：通过器件串联的阀构成桥臂，动态均压困难，高
次谐波含量大。 – 三电平：二极管钳位三电平电路，NPC结构不易扩展，难
以形成更多电平。
– MMC：模块化多电平变流器，避免了大量器件的直接串联 ，减小了开关频率和开关损耗，但控制系统复杂。
-20-
电力工程系
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构
s
3 P Vd I d 2
Vd AC voltage or reactive power control
* Ic_d
* Ic_q
-34-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC用于风电场并网控制策略
Ps Pm DFIG
Pg C Uc Ig Lc Ug
Us I s Pr
机侧变流器 网侧变流器
潮流反转时，改变电压极性，电流方向不变， 潮流反转时，电压极性不变，改变电流方向，换 不易于形成直流电网。 流站间无需通信，易于多端系统的潮流控制，适 合构建直流电网。 损耗较小 损耗大 直流线路故障时，电抗器可以有效限制故障电 直流线路故障时，直流电容会产生很大故障电流， 流，并且通过晶闸管的快速控制可以清除故障 并且故障电流通过反并联的二极管流向故障点， 电流。 需要断路器来清除。
-15-
电力工程系
1.3 VSC-HVDC技术的应用
• 典型工程
– 1997年ABB在瑞典赫尔斯杨进行第一个VSC-HVDC的工业试验，1999年哥 特兰工程投入商业运行； – 2002年ABB在美国长岛的克劳斯-桑德互联工程42km 、±150kV、330MW ，第一个三电平换流器拓扑结构； – 2005年挪威泰瑞尔工程，45MW、±60kV、70km海底电缆第一个从大陆向 海上平台供电系统； – 2007年西门子在美国跨湾工程采用MMC变流器， ±200kV、400MW； – 2007年中国上海启动示范工程：南汇风电接入，35kV，2011年投入运行； – 2010年国家863课题，汕头南澳风电多端直流网络，200MW、 ±160kV ； – 2013年舟山多端直流开工，采用五端柔性直流贯通舟山本岛岱山、嵊泗等 多个岛屿； – 大连跨海VSC-HVDC（世界最大跨海柔性直流±320kV/1000MVA）、深圳 柔性直流配电网。
dq
s
PLL
Us_abc 交流电网
abc
Ic_abc
电网侧换流站控制结构
-36-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC用于风电场并网控制策略
Us_d Us_d
*
Icd
PI
直流网络
* Mdq
+
Icdref + Icqref
+
* Ic_dq
Us_q=0
+ -
*
电流内 环控制
dq abc
柔性直流输电（VSC-HVDC）
1 概述
2 VSC-HVDC的拓扑结构及原理 3 VSC-HVDC建模及控制策略 4 VSC-MTDC的系统结构及控制策略 5 仿真分析
-1-
电力工程系
1 概 述
1.1 VSC-HVDC的概念及构成
1.2 不同输电方式的对比 1.3 VSC-HVDC技术的应用
-2-
– 直流侧电容：为换流器提供电压支撑、缓冲无功电流、缓 冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。 – 换流电抗器：VSC与交流侧交换能量的纽带，同时起到滤波 作用。 – 交流滤波器：用于滤除交流侧高次谐波。
-5-
电力工程系
1.1 VSC-HVDC的概念及构成
IGBT模块
IGBT阀
-6-
换流电抗器
电力工程系
dIc Vc Vs Rc Ic js Lc Ic Lc dt dVs I c I s js Cf Vs Cf
dt
VSC-HVDC换流站模型
Ps+jQs + Vs Is jωsCfVs Cf Ic Rc jωsLcIc + Vc Lc + Pdc Idc Rdc Cdc + Vdc
4.1
VSC-MTDC的系统结构
• 点对点式拓扑结构
交流电网5
风电场2 交流电网6
风电场1
交流电网7
* Ic_q +
-
PI
-
* Vc_d
DC link
* Vc_dq
+ Vd’ * Vc_q
dq abc
PWM
Ic_q
PI
Vq ’
+ Vs_dq
s
dq abc
PLL
Vs_abc Grid Ic_abc
Decoupling Ic_dq
电流解耦控制系统结构
dI Vc Vs Rc Ic js Lc Ic Lc c dt
• MMC拓扑结构及输出电压
-25-
电力工程系
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构
• 400MW MMC HVDC, 每个桥臂216模块串联
-26电力工程系
2.2 VSC-HVDC的基本原理
• 等效电路：
– 无论采用何种拓扑，VSC交流侧可等效为受控电压源，直流
侧可等效为电流源。。
-27-
电力工程系
PWM
PI
-
s
Us_q
Icq Uws_dq Icd
， Icq
恒值ωWF
dq abc
Uws_abc 风电场 Ic_abc
Ic_dq
风电场侧换流站控制结构
-37-
电力工程系
4
VSC-MTDC的系统结构及控制策略
4.1 VSC-MTDC的系统结构 4.2 VSC-HVDC的协调控制策略
-38-
电力工程系
′ us ′* us
L Udc
直流输电线路
内环电 流控制
* Udc
交流电 压控制
* is_dq
直流电 压控制
外环控制
* isd
* isq
无功或功率 因数控制
Q*
电压源 控制
有功或频率 控制
P*
-32-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC 电流内环控制
* Ic_d +
Ic_d
-13-
电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
• LCC-HVDC与VSC-HVDC的电压和功率等级的对比
-14-
电力工程系
1.3 VSC-HVDC技术的应用
• 应用于输、配电领域，实际工程从几MW到几百MW。
– 风电等新能源的联网 – 孤岛（海岛）和弱电网（偏远地区）的联网 – 中等容量电网互联 – 构筑城市直流输配电网 – 提高供电质量，向重要负荷供电
-16-
电力工程系
世界范围内代表性VSC-HVDC工程
-17-
电力工程系
1.3 VSC-HVDC技术的应用
• 汕头南澳风电多端直流工程
-18-
电力工程系
2 VSC-HVDC的拓扑结构及原理
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构
2.2 VSC-HVDC的基本原理
-19-
电力工程系
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构
IL
dVdc Cdc I dc I L dt 3 ˆ Ps jQs Vs I s 2 Pdc Ps I c Rc Vdc I dc
VSC在dq同步旋转坐标系下的等效电路图
-31-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC 的总体控制策略
R 交流系统 is us ic PWM
Vdc
*
定交流电压控制
Vs_d=1
*
+ Vdc -
PI
* Ic_d
+ Vs_d +
PI