电压源型换流器直流输电的技术发展前景

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中国电力教育
双5 刃 年研究综述与技术论坛专刊
电压源型换流器直流输电的技术发展前景
郭 丽“ 郭贺宏2 李广凯‘
(. 1华北电力大学电气工程学院, 河北 保定 01 32山西运城盐湖供电支公司, 运城 仆 众 ) 7 ( ;. ) X 山西 训刃
摘 要: 介绍了基于电压源型换流器直流输电的基本原理, 分析了电压源型换流器的技术特点 , 列举了国外的工程应用 情况, 展望了国内的发展前景。
关键词: 高压直流输电; 电压源型换流器; 轻型直流输电
随 着大功率电力电子器件的发展和电力电子技术【在 ’ 〕 电力系统中的应用, 电压源型换流器(S) VC在高压直流输电 (vC中的 用[ Hl 〕 ) 应 2 j 成为可能, 例如AB B 的轻型直流输电 技 术(VCh ) 是采用电 HD g 即 t h 压源型 换流器, 在世界多国 进行 了 工程实践。 实践证明, 这种电压源型直流输电在中小功率 规模( M 几 W到几百 M 下要比传统的直流输电和交流输 W)
电更经济, 随着大功率电力电子技术进一步发展, 有望在大 功率传输中获得应用。
1VC H D V C的基本知识 .S 一
电 压源型换流器由换流桥、 换流变压器( 换流电抗器) 、 直流电 容和交流滤波器等组成。其基本原理如图 1 所示, 换
流器 采用两电 平六脉动型, 个桥臂都由 每 多个I ] 全控 c 等 盯2
型器件串联而成。直流侧电容器的作用是为逆变器提供电 压支撑, 缓冲桥臂关断时的冲击电流、 减小直流侧谐波; 换流 电抗器是V 与交流侧能量交换的纽带, 丈 同时也起到抑制直 流过电流的上升速度和滤除换流器所产生的特征谐波的作 用; 交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波分量; IB 旁 每个 GT 有一个反并联的二极管不仅是负载向直流侧反馈能量的通 道, 同时也起着使负载电流连续的作用。
( vC HD 的 v C 基本原理[7 ) l 一 S 3〕 一
图 1 电压源型换流器
设交流母线电压基波分量为 U, s 换流器的输出电压基 波分量为U, 滞后于U 的角度为 5换流电抗器的电抗 cU c s , 为x如图1 , 所示。 则忽略谐波分量时换流器所吸收的功率
为:
输主要取决于合当a 0 S 吸收有功功率, , > 时V C 相当于传统 HD V C中的整流器运行; < 时V 当a 0 咒发出有功功率, 相当 于传统 H D V C中的逆变器运行, 因

此通过对 5 角的控制就可 以控制直流电流的方向及输送功率的大小, 稳定系统频率。
P us =s i 贵 u“ c Q责 (一C, =u u s c s u ‘
了 ‘ 、 了 r ‘ 、





由 2可见, 无功功率的传输主要取决于U 一 c 式( ) s U 赫, c
』、
, 山
了 月
当U 一 ( > 时,S 吸收无功功率; s 一 C < s 认c必 0 V x C 当U U 动 0 c 时,S 发出 V C 无功功率。 所以, 通过控制U 的大小就可以 c 控
其中x s 是常数不变, 和U 由式( 可见, ) 1 有功功率的传
制v 发出 吸 无功 及 小[。 见澎跳不 C S 或 收的 功率 其大 a 可 ] 仅
, 作者简介: 郭丽( 8 , 山西临持人, 1 一)女, 7 9 华北电力大学电力工程系电力系统及自 动化专业供级硕士研究生, 山西运城盐湖供电支公司
助理工程师。
电压源型换流器直流输电的技术发展前景
能提高功率因数, 而且还能起到 SAt M的作用, rl刀 动态补偿 交流母线的无功功率, 稳定交流母线电压。 ( 正弦脉宽调制( 叨M ) 2 牙 )
在v 一 V C V D 中,S 通常采用正弦脉宽调制( W ) C S H C S M p 技术, W S M的基本原理是: P 把给定的正弦波( 期望的输出电 压波形) 与三角载波比较来决定每个桥臂的开通关断时刻。
当直流侧电压恒定时, 刃 S M的调制度( P 正弦给定信号与三角 载波幅值之比, 0 的范围内) 在 一1 决定 V 输出电压的幅 C S 值, 而正弦给定信号的 频率与相位决定V 输出电 C S 压的频率 与相位。 因为VC S 吸收的有功功率和无功功率取决于VC S 输出 电压的相位和幅值, 所以通过控制 5 】 给定正弦信号的相 不咐 位和调制度就可以控制有功功率和无功功率的大小及传输 方向, 从而可以实现对有功功率、 无功功率同时且相互独立
的调节。
( vc ) 3s 不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到 SA℃ M的作用, rIO 即动态补偿交流母线的无功功率, 稳定交 流母线电压。 这意味着故障时, SC 如V 容量允许, 那么v C S 一 VC H D 系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援又可
提供无功功率的紧急支援, 从而提高交流系统电压和功角的
稳定性。
4 ( 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H I 恰好相反。这个特点有利于构成既能方 V〕 C 便地

控制潮流又能可靠地并联多端直流[系统, ] 9 克服了 传统 多端 H D V C系统并联连接时潮流控制不便, 串联连接时又影 响可靠性的缺点。 ( 由于VC S 交流侧电流可以控制, ) 5 所以不会增加系统 的短路容量, 这意味着增加新的V 二 1 D 线路后, ( V S 一1 C 交流系
统的保护整定基本不需改变。
(控 方 ‘ r 3 制 式] )
在基于 V 的直流输电系统中, C S 其换流站主要有 5 种基
本控制方式: ①定直流电压控制, 这种控制方式利用直流电 压的变化量去调节 V 交流输出端电压与所联交流系统电 C S 压之间的相位差, 以使被控的直流电压达到其设定值; ②定 直流电流控制, 这种控制方式控制利用直流电流的变化量去 调节 V 交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位 C S 差, 以使被控的直流电流达到其设定值; ③定交流电压控制, 这种控制方式利用 VC S 所联交流母线电压幅值的变化量去 调节v 交流输出端电压的幅值, C S 以使被控交流母线电压的 幅值达到其设定值, 只控制交流母线电压一个量。④定有功 功率控制, 这种控制方式控制利用 VC S r 传送的有功功率的变 化量去调节 V 交流输出端电压与所联交流系统电压之间 C S 的相位差, 以使被控 v 所传送的有功功率达到其设定值; C S ⑤定无功功率控制, 这种控制方式利用V 吸收或发送的无 C S
( VC ) 6 S 通常采用SW p M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 滤波装置容量也大大减小。 ( VC ) 7 S 系统控制灵活和运行方式简单, 减少了换流站 之间的数字通信。 ( VC ) 8 S 设备采用标族模块化设计, 占地面积小, 前适 目 宜于小功率传输, 将来有望在大功率传输应用。 3V 的直流输电技术在国外的应用及发展情况 .S C 随着电力电子的发展, B、 I I TGD等全控型半导体器件 G 单管容量的迅速提高使基于 VC S 直流输电成为现实。从 17 9 年赫尔斯扬项 目的试验成功, 到现在已经有 7 V 条 S C 一 vC H D 线路投入了商业运行, 还将有2拓年爱沙尼亚的凡- X ( 山 和2刃年挪威的 V山 投人运行, k n 以 司a l 以下为 1 项工程的 0
简 1。 介〔 其具体的 参数如 示。 ) 0 技术 表1 ( 赫尔斯扬(e n Hlo 项目 ) 1 j s )
17 9 年在瑞典投运, 连接着赫尔斯扬与瑞典

中部的格兰 斯堡的电网, 它是世界上第一个以V 为基础的H D 输电 C S VC 系统。当时是利用一条暂时没有使用的长 1 交流电压 0 腼、 0 1 的 V k 输电线路进行试验的。从运行的情况来看, 它可以向 无源网络输送电能并且能独立的控制电压和频率。 ( 哥特兰岛( 司) 伪山 工程 ) 2 1 年在 投 连接着 叨 瑞典 运, 哥特兰岛的南部和维斯比 城市 的电网, 它是世界上第一个商业化运行的V 二 H 兀系统。 3一 砚 该 工程解决了 风力发电所带来的电能质量问题( 电压和无功支 撑) , 而且以 地下电 缆传输电能, 对环境的 影响相对较小。
功功率的变化量去调节VC S 交流输出端电压的幅值, 使被 以 控 V 吸收或发送的无功功率达到其设定值。 C S 以上这五种基本控制方式, ②和④是通过调节 V ①、 C S 交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差来实现 的; ③和⑤是通过调节v 交流输出端电压的幅值来实现 C S 的, 且这两种调节是同时进行和相互独立的。因此,S - V C H刃 勺 〔两端V 的控制方案选择的原则是: V 都具有 C S 每端 S C 两种基本控制方式, 首先一端必须采用①, 另一端则从②和 ④中任选一种, 其次每端 V 再从③和⑤中任选一种。 C S 2电压源型换流器直流输电的技术特点 . ( V 电流能够自 )C lS 关断, 可以工作在无源逆变方式, 不
( 伊格帕 & e 、 ) ) 3 斯( 心 l 工程 1 5
2X年在美国投运, X ( ] 连接着美国电网与墨西哥电网, 它 是世界上采用V H D 技术实现电网第一个背靠背互联 鱿一 V C
需要外加的 电 从而克服了 换向 压, 传统H D〔受端必须是 vC〕 ’ 有源网 根本缺陷, 络的 使利用 v 一 v C C S H D 为远距离的孤立
负荷送电成为可能。
的工程。该工程增加了向D kp 的 笔 a 输电能力, S 解决了&- e 5 l 、 电网的电压不稳定性, g 】5 同时也解决了美国电网与墨
西哥电网之间电能交换容量的限制间题。它最大可传输功
2 ( 正常运行时v 在四 ) C S 个象限 运行, ] s [ 可以同时且独
立控制有功和无功, 控制更加灵活方便; 而传统的H D 在 VC
两个象限运行, 不可以单独控制无功功率。
率为 3 W, 6 M 或以 田A℃ 方式运行, . o lM 为两端电网提供 6vr 3Ma的无功补偿容量。
电压源型换流器直流输电的技术发展前景
( D政d 击工程

) 4 I i r
尔兰德( v a ) 凡 ex 和维多利亚州( cr) ld rl io v t a的圣路易斯( n i S- u
2X年在澳大利亚投运, 仪 ) 连接着位于新南威尔士(e Nw
阮 山 日s u w e和昆士兰州 q份 d的电网, ) l耐叨 ) 并在两个电网
之间进行电能交易。传输的电能根据 N M C (如 目 E MO N 佣
ns) 以a 电网。 l 它是世界上最长的地下电缆, 投运后使澳大利 亚南部电网和维多利亚州的电网在解除管制的电力市场中
具有更强的竞争实力。 ( Tl ) o A工程 8 rl 么5 刃 年在挪威投运, 连接着位于 K e 和T UA的电 峨s 璐n 闭
Dc iM玉 M 昭mnC 卿y 面e 市场的价格决 e t ae a ee 0 c i r ty J t n t m U t) d
定, 因此在传输线上的功率有时每5 就要改变一次。 而n
()毗 助 工程 g 5 rr j Te 2幻 【 年在丹麦投运, X 连接着位于丹麦西部的电网, 它是
第一个 V 一 V C C S H D 示范工程, V 一 V C 也是 S H D 用于风力发 C 电的又一成功范例, 克服了无功功率和电压的问题。
( C 阮山do l工程 l 山e ) 6 、
网, 它是世界上第一个在海上传输电能的工程。整流侧在地 面站的凡 e, 幽n 逆变侧在T lA海上平台。它具有重量轻, s o rl 占地面积小等特点。
( Et 工程 ) n 9Sh k 2 巧年将在爱沙尼亚投运 , X ( 连接着芬兰湾畔、 塔林和赫
2)年在美国投运, 仪2 连接着位于纽黑文(eH e) N讨 a n与圣 v
尔辛基电网, 此项工程通过高性能的挤塑海底电缆进行连
汉姆(l h l S ra) l n 的电网。它通过高性能的挤塑海底电缆进行 o e 连接, 提高了康涅狄格和新英格兰电网的稳定性, 也对长岛 电网提供紧急功率支援, 同时, 也增加纽约和新英格兰电力 市场的竞争力。 ( M 欣l 工程 ) 7 山汀n i k
么2 刃 年在澳大利亚投运 , 连接着位于澳大利亚南部的瑞
接, 山 k 凡 n工程的主要目 的是提高了 北欧电力市场和波罗的
海诸国的电力传输能力。
(0V h 1程 1 1)a 目 l
2为年将在挪威投运, X ( 连接着位于挪威海岸的 h 和 a t s V 山 的电网, 司a l 它是挪威的第二条 V 一 V C C S H D 线路。此项 工程将取代海上发电的污染, 起到绿化环保作用


表 I V 一 VC工程主要技术指标 C S H刀
工程
国家 瑞典
投人运 行时间
1 70 9 . 3
最大传 输功率
/ MW
两侧交流 电压/ V k
直流电
压/ v k
士1 0
直流电 流/ A
,. 孟
线路长 度/l kl l
l 0
主要原 因
50
傀 j
工业试验
励t d l n a
瑞典
1 . 9 肠 9
士峨】
50
2X7 0
风力发电( 压支撑) 电 ,
地下电缆
D e、5 刁l ‘
R cn eh rt k
美国
澳大利亚
丹麦
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2X . 2 咬刃 1
士1 9 5.

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背靠背
6x5 9
1 0 8

80 9
342 358 175

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电力交易, 系统互联, 电压控制
电力交易, 系统互联,
地下电缆 风力发电, 示范工程
2 X. X 8 (] 0
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电力交易, 系统互联, 海底电缆
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电力交易, 系统互联,
地下电缆 绿色环保, 海底电缆
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电力交易, 系统互联, 地下电缆 绿色环保, 海底电缆
3 11 ) X ( 1
士1 0 5
2 哭
4vC H C D 在我国的应用前景 .S 一 v 由于我国国内v 一 VC技术研究比 C S H刀 较晚, 前还属 目 于起步阶段。华北电力大学、 浙江大学、 中国电力科学院等
研究单位在利用软件进行轻 型直流输 电控制策略仿真
等[ ’ 取 一定进展, l7 一〕 方面 得了 建立一些实验模型 进行试 验
并进一步校验其仿真结果, 但工程项目 在国内尚 属空白。 随着大功率电力电子器件的进一步发展, 有望在大功率
传输中获得应用; 随着电压源型高压直流输电在技术上不断
电压源型换流器直流输电的技术发展前景
改进, 在采用三电平带钳位二极管结构, 三电平带浮电容结 构以 及多电 平带钳位二极管或者浮电容〔 结构的换流站上 ‘ 幻

应用, 以进一步减少损耗;S - V C V H D 还可以提高交流系统 C 的电压和频率的稳定性问题以其自 身的特点在应用方面显 示出了 很大的优越性, 它必将具有更广阔的应用范围和更好
的发展前景。 参考文献: 〔〕 冷增祥. 力电 1 徐以荣, 电 子技术基础. 东南大学出版社, 南京:
19 . 9
1 5
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〔 〕曲 哪, 哪 X, 缸I 鸣 . n l回哪 f U- n & 访劝 乃 u C田W O t s m r on
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〔 〕 认乃 9 乃 l u D i n i 二 I l s 即 , e X . 刊ve s 函 M ef vC 2 1 伪山 l g 司 t耐 妇 o r B 目H D . c t 册 vC A 印司场正 E 的I a 正 i a1 sbi Clr c E Z T , so n 肠 t uool - x n n ( rt i n f e
ne J E i ec ad x s o. l P t O i n
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〔 俪b hn Z u 田 即饰 . 刚y、 i Nt政 Za , e x汗五日 川 i n gh g n u s l v e州 5 比 e 〕
初 S 一 V C 1o 1 o1E I55 伽en Ig(1V 山VC H D .场 曰1 f EE 伍 切 rl J Z ) a - c 哪 e l X ,n l o
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〔) 振军. 轻型H D 和V 介〔 . 5马 vC 跳简 J 高压电 刀 3 6: 6 ] 器 现,( 5

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2 犯, ()1 一 . X ( 2 1: 2 7
〔〕 4 1 文俊, 张一工, 韩民晓, 湘宁. 肖 轻型直流输电-- 一种一代 1 D 技术【 . 1C V J 电网技术, 刃 () 〕 以 3 1. 〔 张桂斌. 新型直流输电及相关技术研究 〔 巧〕 博士论文〕 杭 州: : 浙江大学.(1 2) X. 〔〕 山 姗9 刀皿 6 缸 1 C 认刁 , 】 唱知.  ̄ h h Ul a D 以 l R ot l n e l e e dCp r a 司 0 肠 回 卿 f VC ” VC扮 t .c p 阅 日5 r o S R 目H D sm A e司场现 E 加1乞招 e l EZ 1 - 1 叮
而。 朋 D t u阅 山汕脱n 田 助呷i , ol 1 一 . d i 山t s i r c l e d t Vl : i n o 4 1 9
〔〕 7武娟, 任震, 黄雯营, 轻型直流输电的运行机理和特性分 等.
析〔 . J 华南理工大学学报( 然科学版) 田1 ( : 一 . 」 自 , , 84 4 2 2)1 9 〔 Y M U俪11 u伽明 颐 U 堪H fg 乃 , 8 ) i n i 昭 母, 刀 沙 , 也 a n, 田浦 i e 咫.
M e ovC H D n l At Pwr o饰1 h . c p 记 l fS 一 V Ca t cv oeCn 阮 砂 Ac t 吨 d s i e e闭场
〔 )‘ib 9 劝e n S 一 Z四 , 幻 X . t y s e 司 l vCB 1 7 1 Gb n g 服I t M ef S  ̄ a r o
H D n t 仪 切lr 图即. 喇 恤 f IE P W t men V Ca s 比 l D 1 巧祀 乎o E dl e 璐 ie etg nr i
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