第五章 电压源换流器型高压直流输电技术

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§1.1 VSC-HVDC概述（续）
– 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，当 受端电网比较弱时便容易发生换相失败。 – 由于开通滞后角和熄弧角δ 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。
1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00
c1 _
c2 _
aa _
udc2 iL2
1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 _ 0.31500.32000.32500.33000.33500.34000.34500.3500
_
三电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形
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VSC-HVDC与常规HVDC的区别（续）
• 换流电路： VSC-HVDC换流站通过VSC实现换流，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
传统HVDC 晶闸管
VSC-HVDC IGBT
串联电感（+变压器）
换流变压器
滤波器和并联电容器
§1.3 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VSCHVDC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。
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不同的称谓
ABB公司称之为轻型直流输电（HVDC Light）并作 为商标注册； Siemens公司将其注册为HVDCPLUS； 国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其 正式称为VSC-HVDC，即“电压源换流器型高压直 流输电”。
我国很多专家称为柔性直流输电（HVDC-Flexible）
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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；而VSC-HVDC输送的功率可以从几MW到几百 MW，直流电压可达300kV。 • 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。
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VSC-HVDC系统简介
换流桥 换流变压器 换流电抗器 交流滤波器 直流电容器 直流电缆 控制与保护系统
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VSC-HVDC系统简介
330 MW的VSC-HVDC换流站俯视图
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VSC-HVDC系统简介--换流桥
换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。对于大容量换流 器，每臂可能有上百个IGBT级联而成。IGBT旁边都反并联一 个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也 起续流的作用。
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柔性直流输电的应用场合
非同步联网 连接分布电源 向城市中心送电 促进电力市场发展 提高配电网电能质量 向远方孤立负荷点送电 多端VSC-HVDC网络
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方便地调节有功和无功，改善 系统的运行性能 风电场、小型水电厂、太阳能 电站及其它新能源发电系统 用电量急增， 线路走廊困难 构建地区电力供应商交换电力的可行性 平台，增加运行灵活性和可靠性 快速控制有功无功，使电压、电流满足 电能质量标准要求 如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻 地区负荷等
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§1.2 VSC-HVDC的基本原理（续） • 有功功率的传输主要取决于，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 ， 就是PWM的调制波相角
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§1.2 VSC-HVDC的基本原理（续） • 有功功率的传输主要取决于，通过对 的 控制就可以控制直流电流的方向及输送功 率的大小。 • 无功功率的传输主要取决于m，通过控制m 就可以控制VSC发出或吸收无功功率及其大 小。 • 尤其当＝0时VSC只发出无功功率，当= arcos(US/UC)时VSC以单位功率因数运行。
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§1.1 VSC-HVDC概述（续）
• 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，在HVDC中采 用以全控型器件为基础的电压源换流器（ VSC）的条件已经具备。 • 1990年，McGill大学的BoonTeck Ooi等首 先提出了利用PWM控制的VSC进行直流输 电的概念。
作用：
C L C1 L1 C1 R L2
滤去交流侧电压谐波分量； R 对系统提供部分无功补偿的作用。
(a)二阶高通滤波器
(b)四阶高通滤波器
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§1.3 VSC-HVDC的技术特点
• VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变 方式，不需要外加的换相电压，从而克服 了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺 陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电 成为可能。
多电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形
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§1.2 VSC-HVDC的基本原理
直流输电线
VSC
VSC
U S
电抗器
U C
电抗器 滤 波 器
滤 波 器
两端接有源网络的VSC-HVDC系统原理图
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§1.2 VSC-HVDC的基本原理（续）
• 直流侧电容，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
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VSC-HVDC系统简介--换流变压器
不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的换流变 压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规的单 相或三相变压器大体类似。
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VSC-HVDC系统简介--换流电抗器
换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，决定有 功功率与无功功率的控制性能 作用
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§1.1 VSC-HVDC概述（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。
直流输电与FACTS技术
杨用春 电力工程系电力教研室 E-mail：yongchunyangjx@126.com
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第五章 VSC-HVDC技术
1. VSC-HVDC的概述 2. VSC-HVDC的基本原理 3. VSC-HVDC的技术特点 4. VSC-HVDC的应用情况及研究现状 5. VSC-HVDC的控制方式
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世界上已投运或在建的柔性直流输电工程
投运 输送功 直流电 两侧交 直流电 线路长 年 率/MW 压/kV 流电压 流/A 度/km 1997 3 10 ±10 10/10 150 1999 2000 2000 2000 54 180 7.2 36 330 ±80 80/80 350 用途 工业试验
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§1.1 VSC-HVDC概述
• 基于电压源换流器的高压直流输电 (HVDC based on Voltage Source Converter, VSCHVDC) • 常规HVDC采用线换相电流源换流器（Line Commutated CSC），其本身存在一些固有 的缺陷，主要表现在以下几个方面
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§1.4 VSC-HVDC的应用情况及研究现状 • HVDC Light研究现状
从1997年瑞典的Hellsjön工程试验成功开始，到 目前为止，世界上已运行和在建的 VSC-HVDC 工 程已有多项。 （ 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
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电压源换流器常见拓扑结构
+ SM 1 SM 2 SM 1 SM 2 SM 1 SM 2 T1 SM
SM n
SM n
SM n
D1 C
Ud 2
ua
T2 Ud
D2
UC
0 θ1θ 2 θ3 θ 4
θ5 90
θ()
Submodule(SM) SM 1 SM 2 SM 1 SM 2 SM 1 SM 2 + SM n SM n SM n Phase Module
• 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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§1.3 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VSCHVDC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。 26/83
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§1.2 VSC-HVDC的基本原理
电压源换流器常见拓扑结构
+
u
u1 ur
0
t
-
uc Ud
uc
ucf
0
-U d
t
两电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形
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电压源换流器常见拓扑结构
ip p VTa1 Ps Qs Us ‫ﮮ‬δ A Xf is VTa3 VTa4 VTb3 VTb4 B VTc3 VTc4 in n C Uc‫ﮮ‬0 VTa2 VTb1 VTb2 VTc1 VTc2 io O udc1 udc iL1
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§1.2 VSC-HVDC的基本原理（续）
• 假设换流电抗器是无损耗的，忽略谐波分量时， 换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功 率Q分别为
U C S
P
Q
U SU C sin X1 U S (U S U C cos )
X1
式中，UC为换流器输出电压的基波分量；US为交流母线 电压基波分量；为UC和US之间的相角差；X1为换流电 抗器的电抗。
滤波和无功补偿 直流平波 站间通信
只用小型滤波器 直流电容器 可以不需要
平波电抗+直流滤波器 需 要
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VSC-HVDC与常规HVDC的区别（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：VSC-HVDC则可以在很短的 时间内形成任意的相角或幅值，这就可以 独立控制有功和无功功率。
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§1.1 VSC-HVDC概述（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。
滤除换流器所产生的特征谐波，以 获得期望的基波电流和基波电压； 抑制直流过电流的上升速度。
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VSC-HVDC系统简介--直流电容器
作用： 为逆变器提供电压支撑； 缓冲桥臂关断时的冲击电流； 减小直流侧谐波。
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VSC-HVDC系统简介—交流滤波器
换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含 有的低次谐波很少。 换流电抗器的滤波作用使得电流的谐波较容易符合标准。然 但是，交流滤波 而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含 器的设计需要与 有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关 换流电抗器配合。 的谐波标准。故装设小容量滤波器。