厦门双极柔性直流输电工程系统设计
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”。
浅析柔性直流输电技术特点、应用及挑战
浅析柔性直流输电技术特点、应用及挑战摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。
本文分析了柔性直流输电技术的特点及发展现状，总结了柔性直流输电技术的使用范围，简要介绍了厦门柔性直流工程的技术特点，并对柔性直流发电技能发展前景及挑战进行了展望分析。
关键词：柔性直流；技术特点；应用前景引言McGill大学的Boon-TeckOoi等专家在1990年初次提出依据电压源换流器（VSC）的直流输电概念，标志着第三代直流输电技能的诞生。
其技能创新点在于选用大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的换流器，经过使用脉宽调制技能（PWM），可完成有功功率和无功功率的独立控制，有利于提高系统稳定性、增加动态无功容量、改进电能质量，在新能源并网、孤岛供电、异步电网互联、城市电网供电等方面具有广阔的使用前景。
国际权威电力学术组织将其学术名称定义为“VSC-HVDC”，即“基于电压源换流器的高压直流输电”。
我国为了简化、形象地描述此技术，将该技术简称为“柔性直流输电（HVDC Flexible）”，以区别于采用晶闸管的常规直流输电技术。
1柔性直流技术的发展历程前期由ABB公司建造投产的换流器拓扑主要为两电平VSC以及二极管钳位型三电平VSC。
两电平及三电平换流器电路构造简单、所需电子器材电容器数量少，但因为输出电平数少，须选用高频PWM调制，对开关器材的一致性和均压性要求较高，而且损耗较大，变成制约VSC-HVDC发展的首要问题。
2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquart和A.Lesnicar提出了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。
MMC经过子模块（SM）级联而成，选用阶梯波的方法逼近正弦波，使得IGBT的开关频率从lkHz以上下降至100~300Hz左右，具有损耗低、输出波形质量高、制作难度下降、故障处理能力强的特点，极大地提升了柔性直流输电工程的运转效益。
柔性直流输电系统的设计与分析
柔性直流输电系统的设计与分析近年来，随着电力需求的不断增加和清洁能源的广泛应用，柔性直流输电系统作为一种新型的能源输送技术，受到了广泛关注和应用。
本文将对柔性直流输电系统的设计原理和分析方法进行探讨，旨在为相关领域的研究人员和工程师提供参考。
第一部分：柔性直流输电系统的基本原理柔性直流输电系统是一种基于直流电的高效、可靠的能源输送技术。
它通过将交流电转换为直流电，减少输电损耗和电网压力，并能够实现灵活的电力调度和能量存储。
柔性直流输电系统主要由三部分组成：直流输电线路、换流站和电力电子设备。
在柔性直流输电系统中，直流输电线路是实现能量传输的重要部分。
根据输电距离和电流负载的不同，可以选择不同的输电线路类型。
常见的输电线路类型有海底电缆、空中输电线路和地下电缆等。
直流输电线路的设计需要考虑输电效率和成本，保证能量的有效传输和电网的可靠运行。
换流站是柔性直流输电系统中的核心设备，其作用是将交流电转换为直流电，并实现直流到交流的逆变。
换流站主要由换流器、滤波器和控制器等组件组成。
换流器由可控硅和可逆晶闸管构成，能够使直流电的极性和电压保持稳定。
滤波器能够过滤电网中的谐波和干扰信号，保证直流电的纯净度。
控制器则通过运行算法和反馈控制，实现对换流站的工作状态和电力调度的控制。
电力电子设备是柔性直流输电系统中的核心技术之一。
它采用了先进的电力电子器件和控制技术，能够实现高效、可靠的能量转换和传输。
电力电子设备主要包括变流器、逆变器和控制系统等。
变流器能够将直流电转换为交流电，并按需调整频率和电压。
逆变器则将交流电转换为直流电，供给直流设备使用。
控制系统通过实时监测和分析电力数据，实现对电力设备和输电线路的监控和故障检测。
第二部分：柔性直流输电系统的设计与优化柔性直流输电系统的设计需要综合考虑输电距离、电流负载、环境影响、成本效益等多个因素。
为了提高输电效率和降低成本，可以采用以下几种设计与优化方法。
首先，选择合适的输电线路类型和参数是柔性直流输电系统设计的基础。
含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法
含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法宋少群【摘要】提出了一种含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法,根据厦门柔性直流输电工程现场运行特点,分析了福建电网不同运行方式下柔性直流输电通道与相关交流输电通道之间的潮流耦合关系,建立了交直流通道的传输功率约束,在保障电网安全的前提下,尽可能地降低电网的有功损耗.该方法在福建省调EMS系统中得到应用,能够实现对含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制,提高电网运行安全性、经济性.【期刊名称】《能源工程》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】5页(P25-29)【关键词】柔性直流输电系统;EMS系统;潮流优化控制【作者】宋少群【作者单位】福建电力调度控制中心,福建福州350003【正文语种】中文【中图分类】TM7610 引言柔性直流输电系统(以下简称柔直系统)可独立控制有功和无功功率，具有可控性好、运行方式灵活的特点[1-3]，使其在城市电网互联[4-5]、新能源并网[6-7]、无功补偿[8]以及无源负荷供电[9]等领域有着极其广泛的应用前景，也为电网调度运行提供了灵活、高效的控制手段[10-11]。
文献[4]通过对比多端直流输电系统与传统交流输电系统，并通过仿真指出前者在城市供电中能更好地解决电能质量和接地故障的问题，而文献[5]也进一步说明多端柔直系统能够给予城市电网互联中的敏感负荷以更大的稳定保证。
面对新能源并网问题，文献[6]和文献[7]分别以两个实际工程案例，展示了柔直系统在海上风电输送与利用方面的作用。
2015年建成投运的福建厦门柔直系统采用模块化多电平电压源换流器，直流额定电压±320 kV，输送容量1000 MVA，是世界上首个采用真双极接线的柔性直流工程，电压等级和输送容量均达到国际前列。
厦门柔直系统与现有厦门地区220 kV交流电网形成环网运行。
在电网实际运行控制中为充分发挥柔直工程优点，需要解决的问题有：(1)由于环网中不同输电通道潮流具有非同向性特点，调节柔直系统有功功率在减轻某些通道负载的同时，势必会加重其他通道负载，需要从均衡全网负载的角度对柔直系统有功功率进行优化控制；(2)柔直系统无功控制能力有利于电网电压控制和降低网损，但柔直系统无功调节能力受有功功率、换流变档位、调制比等因素制约。
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”。
柔性直流输电启动充电过电流分析及改进
187环境技术/Environmental TechnologyＡｂｓｔｒａｃｔ：This paper firstly researches on the overcurrent problem of charging resistance in the start-up process of Ludao Staion of Xiamen MMC-HVDC project. The research results indicates that the overcurrent problem during start-up process is due to the gradual saturation of transformer caused by its remanence. In order to reproduce the overcurrent phenomena, a detailed Xiamen flexible DC model is built in the electromagnetic transient simulation program PSCAD/EMTDC. Since the original transformer model in the simulation software cannot simulate the initial remanence, an improved method is proposed, with which the overcurrent phenomena is correctly reproduced by comparing with the on-site recorded waveforms. Furthermore, several measures are put forward to improve the start-up process of MMC-HVDC and avoid the overcurrent problem.Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：flexible HVDC; charging resistance; charging overcurrent; excitation saturation; remanence simulation摘要：本文首先对厦门柔性直流工程鹭岛站出现的充电电阻过流问题进行了深入研究，研究结果表明充电电阻过流是由于变压器剩磁导致充电过程中变压器渐进饱和引起的。
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
2011/11/23
hfliang@
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。
2011/11/23
hfliang@
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
世界首个柔性直流输电科技工程在厦门投运
世界首个柔性直流输电科技工程在厦门投运佚名【摘要】2015年12月17日,世界上首个采用真双极接线、额定电压和输送容量双双达到国际之最的福建厦门±320 k V柔性直流输电科技示范工程正式投运,标志着我国全面掌握高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套能力,实现了柔性直流输电技术领域的国际引领。
厦门柔直工程调试副总指挥、博士邓超平表示：“柔性直流输电是以电压源换流器（VSC）为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件（IGBT），可在传输能量的同时，灵活调节与之相连的交流电网电压，具有可控性好、运行方式灵活、适用场合多等显著优势”。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2015(000)024【总页数】2页(P105-106)【关键词】直流输电;科技工程;柔性;厦门;投运;世界;电压源型换流器;科技示范工程【正文语种】中文【中图分类】TM721.12015年12月17日，世界上首个采用真双极接线、额定电压和输送容量双双达到国际之最的福建厦门±320 kV柔性直流输电科技示范工程正式投运，标志着我国全面掌握高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套能力，实现了柔性直流输电技术领域的国际引领。
厦门柔直工程调试副总指挥、博士邓超平表示：“柔性直流输电是以电压源换流器(VSC)为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件(IGBT)，可在传输能量的同时，灵活调节与之相连的交流电网电压，具有可控性好、运行方式灵活、适用场合多等显著优势”。
据介绍，厦门柔性直流工程于2013年12月完成项目核准，2014年7月21日开工建设。
工程额定电压±320 kV，输送容量1 000 MW，工程新建岛外浦园、鹭岛两座±320 kV换流站工程及±320 kV彭厝～湖边柔性直流线路工程，直流线路总长10．7 km，全部为陆缆，采用1 800 mm2大截面绝缘直流电缆敷设，通过厦门翔安海底遂道与两座换流站连接。
厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介
厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。
换流阀是柔性直流换流站中的核心设备。
目前常用的拓扑结构为模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。
其中构成换流阀的基本原件即子模块。
本文针对厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能做一个简要介绍。
引言厦门柔直是世界首个采用对称双极接线方案的柔性直流工程，电压等级为±320kV，直流电流1600A，输送容量达1000MW。
换流阀是其核心设备，常用的电压源换流器主要有两电平、三电平和模块化多电平三种。
厦门柔直采用的是模块化多电平换流器，其制造难度和损耗较低，波形质量高。
什么是模块化多电平换流器呢？就是将IGBT换流阀子模块一个一个串联起来，每一个子模块可以等效为一个电容，其额定运行电压为1.6kV，厦门柔直每个桥臂有200个子模块处于工作状态，通过控制投入和退出子模块的数量来实现阶梯正弦波。
下面简单介绍构成厦门柔直工程换流阀的基本元件子模块的结构。
1、换流阀换流阀是柔性直流输电工程中的核心设备，输电过程中的整流和逆变过程均通过换流阀完成。
厦门工程换流阀采用模块化、积木式设计。
每极换流阀A、B、C三相分上下桥臂共6桥臂18个阀塔构成，每个阀塔由12个阀模块构成，每个阀模块包含6个子模块。
2、子模块组成及结构IGBT子模块是换流阀的最小电气单元，采用半桥结构，见下图2-1。
由以下8个部分组成：旁路开关K、晶闸管T、直流电容器C、均压电阻R、直流取能电源、子模块控制器（CLC+GDU）、散热器和IGBT模块（IGBT-二极管反并联对：S1、S2）。
图2-1子模块电器结构示意图3、旁路开关3.1旁路开关结构：旁路开关主要由本体、操动机构、控制板三个部分组成。
3.2主要作用：由图2-1可以看到旁路开关与下管IGBT（S2）并联运行，其主要作用为隔离故障子模块，使其从主电路中完全隔离出来，而使故障子模块不影响整个系统的正常运行。
对称双极柔性直流输电系统功率转带控制策略
对称双极柔性直流输电系统功率转带控制策略摘要：利用对称双极接线的柔性直流输电系统具有灵活的运行方式，极I、极II可整体运行，也可单独运行。
正常工况下，系统采用双极带金属回线单端接地运行方式，两极不平衡电流通过金属回线返回。
单极发生故障时，将故障极换流阀闭锁、停运，同时将故障极全部或部分功率转移至正常极。
正常极和金属回线转为单极带金属回线运行方式，工作电流通过金属回线返回。
此时，工程最多仍能输送50%的额定容带，降低了甩负荷对交流电网的冲击程度，提高了供电可靠性。
为此，在接下来的文章中，将围绕对称双极柔性直流输电系统功率转带控制策略方面展开分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
关键词：对称双极；柔性直流；输电系统；功率转带引言：随着柔性直流输电系统输送容量的扩大和电网对其可靠性要求的不断提升，柔性直流输电系统逐渐由单极或伪双极结构发展到了双极甚至多极的运行结构。
为了控制好柔性直流输电系统功率转带工作，文章将围绕策略方面展开详细的分析。
一、对称双极MMC运行方式以国内首个采用对称双极接线方式的柔性直流输电工程为例，系统主接线如图1所示。
整个系统包括两座换流站（S1、S2），每座换流站由极Ⅰ、极Ⅱ两个换流阀构成，每极由三相上下共6个桥臂构成，桥臂采用桥臂电抗器（L0）和子模块（包括冗余子模块，共N个）串联的方式。
换流阀直流端经平波电抗器（L1）后通过直流电缆与对端的平波电抗器、换流阀连接。
极Ⅰ、极Ⅱ经过各自中性母线开关（NBS）后，其公共端通过金属回线与对端换流站的公共端连接。
Udc为直流电压。
对称双极MMC具有灵活的运行方式，除了换流站单站可作为STATCOM运行外，换流站双站运行的主要方式包括：双极带金属回线单端接地运行（图1中①）、双极不带金属回线双端接地运行（图1中②）、单极带金属回线单端接地运行（图1中③、④）。
图中虚线表示各运行方式下的电流回路。
图1，对称双极双端柔性直流输电系统主接线：以上运行方式中，只有双极带金属回线单端接地运行时具备功率转带的条件：即双极换流阀均处于运行状态且金属回线可提供电流通路。
柔性直流换流站阀厅消防系统分析
柔性直流换流站阀厅消防系统分析文章以厦门±320kV柔性直流工程为例，对柔性直流换流站阀厅消防的配置、联动关系、跳闸逻辑进行了详细的介绍和分析，总结了阀厅消防系统日常运行维护注意事项。
标签：柔性直流换流站；阀厅；消防系统厦门±320kV柔性直流工程是世界上第一个采用真双极接线、电压和容量双创国际之最的柔性直流输电工程，是国家电网的重点科技示范工程，被列为重点防火单位。
而阀厅内的IGBT换流阀是本工程的核心设备，对柔性直流研究和发展起着不可替代的作用。
为有效控制阀厅火灾，保护换流阀，厦门柔直工程配置了阀厅火灾消防系统，用于阀厅火灾时报警、切非联动和跳闸。
阀厅消防系统设备配置：极早期烟雾探测器（VESDA）又称吸气式感烟火灾探测器、紫外火焰探测器、手报、声光报警器、消防广播、消防管道及消防栓。
极早期烟雾探测系统对烟雾敏感，紫外火焰探测器对明火及电弧敏感。
故阀厅采用极早期烟雾探测器和紫外火焰探测器作为火灾检测设备。
手报也可作为火灾报警的一个探测点，但因为正常运行时，阀厅不允许人员进入，所以正常运行时，此探测点无法动作。
阀厅内极早期烟雾探测系统的管路布置探测范围覆盖阀厅全部面积，同一处的烟雾满足至少有2个探测器检测得到。
每个阀厅设置四个极早期烟雾探测器（也称空气采样装置），其中有一个烟雾探头安装于阀厅进风的新风口，用于防止阀厅外部周围环境有火灾而产生的烟雾引起阀厅极早期烟雾探测系统误动。
另外三个的烟雾探头分别置于阀厅上方不同位置。
极早期烟雾探测系统一般分为4级报警，分别是警告、行动、火警1和火警2，采用火警2（最高级别报警）作为跳闸信号。
阀厅紫外火焰探测器的探头布置完全覆盖阀厅面积，每个阀厅8个紫外火焰探测器。
阀层中有火焰产生时，发出的明火或弧光能够满足至少被2个探测器检测到。
极I阀厅、极II阀厅分别属一个区域，本区域内火警只联动切非或跳闸本区域内设备，不会相互影响。
1 切非联动关系及动作后果阀厅内紫外火焰探测器、空气采样主机或手报单点预警启动声光报警，两点报警则确认火警，联动启动消防广播，切非动作：切除该极的照明和通风总电源空开；延时20秒切除该极阀厅的空调组合机电源空开（站用电室380V低压配电屏内），延时切除空调组合机电源以保证阀厅空调系统关闭送风阀、回风阀及其新风管防火阀有足够的时间。
厦门柔性直流换流站启动过程分析
厦门柔性直流换流站启动过程分析柔性直流输电与传统的高压直流输电技术相比，最主要的特点是采用了基于全控型大功率器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）的电压源换流器（VSC）。
由于IGBT是具有自关断能力的全控型器件，因而柔性直流输电系统无需交流系统提供换相电压，可以向有源或无源网络供电。
厦门±320kV柔性直流输电科技示范工程是世界上第一个采用真双极接线方案，电压等级最高，容量最大的柔性直流输电系统，直流输送容量1000MW，直流电流1600A，其典型系统结构如图1所示。
图1 厦门柔直工程系统结构图1、换流阀结构厦门柔直换流器拓扑采用模块化多电平换流器（Modular MultilevelConverter，简称MMC）结构，如图2所示。
MMC拓扑与传统的两电平和三电平结构相比，换流器交流侧输出电压变化小，电平阶梯数量多，跨度小，更趋近于正弦波。
图2 MMC拓扑结构图换流器有A、B、C三相上、下共6个桥臂，每个桥臂由216个子模块（其中16个作为冗余配置）级联而成。
在换流器运行过程中，子模块可能出现如图3所示的四种运行状态，图中带箭头的虚线表示各种运行状态下，通过子模块的电流路径及方向。
换流器闭锁状态：即所有桥臂的子模块均处于图3（c）所示的闭锁状态，交流侧电压分别对上、下桥臂子模块进行周期性的循环充电，此时直流侧电压为交流侧线电压的包络线。
换流器运行状态：每一时刻各相上、下桥臂处于运行状态的子模块总数量均保持200个不变，其余子模块则处于冗余或旁路状态。
例如，当某相桥臂电抗器交流侧交流电压为0时，该相上下桥臂各有100个子模块处于运行状态，输出高电平；其余子模块处于冗余或旁路状态，输出电压为0。
考虑极限情况，则需要上桥臂或下桥臂有200个子模块随时能处于运行状态，因而三相上、下桥臂各配置了16个子模块作为冗余量，以提高换流器的可靠性。
当旁路子模块数量达到16个时，换流器则失去冗余能力，可靠性降低。
柔性直流输电系统运行机理分析及主回路相关参数设计
第 31 卷 第 21 期
电
网
技
术
17
直流侧电容参数的设计方法，并通过电磁暂态仿真 软件 PSCAD/EMTDC 按所设计的参数对系统进行 仿真，初步证明了其可行性。
1
1.1
VSC 相关分析
交流侧分析 整流侧 VSC 的基本结构如图 1 所示。图中： Us 为交流母线电压基波分量有效值， Uc 为换流器输 出电压基波分量有效值； L、 R 分别为换流电抗器与 VSC 功率损耗的等效电感和电阻； VSC 被简化为比 例放大器；id1 为 VSC 注入到直流系统的直流电流； udc 为直流母线电压；δ 为换流器端电压滞后其交流 为交流侧电流相量。 系统电压的角度； I
YIN Zi-li，LI Geng-yin，LI Guang-kai，LIANG Hai-feng，ZHAO Cheng-yong （Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control(North China Electric Power
1.2.2 直流电压 为保证 VSC 的正常工作，并输出合适的交流 电压，必须对直流电压有一定的要求。对直流电压 的要求可根据不同的 PWM 方式而定。一般为 U cm ≤ λ udc (5)
式中：Ucm 为 VSC 输出交流侧相电压峰值。采用常 规 PWM 方式(一般采用双极运行)时，λ=1/2；采用
(1)
式中：usd, usq 和 id, iq 分别为交流母线基波电压和基 波电流的 d 轴分量和 q 轴分量；ucd, ucq 分别为 VSC 输出的基波电压的 d 轴分量和 q 轴分量；ω 为系统 角频率。 柔性直流输电系统中需要关注的变量是送入 交流系统的无功功率和注入直流系统的有功功率。 忽略等效电阻 R，并假设交流系统母线电压基波相 量 us 与同步旋转坐标系的 q 轴重合，则 usd=0, usq= Usm，Usm 为交流系统母线电压基波幅值。因此，整 流站从交流系统吸收的功率为 3 ⎧ P= U i ⎪ ⎪ 1 2 sm q (2) ⎨ ⎪Q = − 3 U i 1 sm d ⎪ ⎩ 2 由式(2)可以看出， 由于交流系统母线电压基波 幅值 Usm 视为定值，对有功功率和无功功率的控制
柔性直流工程施工
柔性直流输电系统是一种新型的电力传输技术，它采用可自动关断的全控型电力电子器件，不需要交流系统支撑换相，具有动态无功支撑能力，可以有效抑制交流电压波动，减少功率波动对受端电网的影响。
同时，柔性直流输电系统还具有输送距离远、传输容量大的优势，可以支持新能源大规模开发。
基于柔性直流输电技术构建的直流电网，可实现多电源供电、多落点受电和新能源孤岛接入，具有更好的经济性与灵活性，能够将风电、光伏、抽水蓄能与负荷中心直接连接，构成多种形态能源灵活互补的能源互联网，可有效平抑新能源波动性。
柔性直流输电系统主要由换流站、直流输电线路和换流变压器等组成。
其中，换流站是柔性直流输电系统的核心部分，它通过电力电子器件实现交流电与直流电的转换。
直流输电线路则是将直流电传输到目的地，而换流变压器则用于改变直流电的电压，以适应不同的电力传输需求。
在柔性直流输电系统的施工过程中，首先要进行的是换流站的施工。
换流站的施工包括站房建设、设备安装和调试等多个环节。
其中，站房建设是基础，需要根据设计图纸进行施工，确保站房的稳定性和安全性。
设备安装则是将各种设备安装到站房内，包括换流变压器、电力电子器件等。
调试则是确保设备正常运行，包括对设备进行检测、调试和验收等。
接下来是直流输电线路的施工。
直流输电线路的施工包括线路杆塔的建设、电缆的铺设和连接等。
其中，线路杆塔的建设是基础，需要根据设计图纸进行施工，确保杆塔的稳定性和安全性。
电缆的铺设和连接则是将直流电传输到目的地，需要确保电缆的质量和连接的可靠性。
最后是换流变压器的施工。
换流变压器的施工包括变压器的安装、接线和调试等。
其中，变压器的安装是关键，需要根据设计图纸进行施工，确保变压器的稳定性和安全性。
接线和调试则是确保变压器正常运行，包括对变压器进行接线、调试和验收等。
柔性直流输电系统的施工是一项复杂的工程，需要专业的技术和设备，同时也需要严格的施工管理和质量控制。
只有这样，才能确保柔性直流输电系统的稳定性和安全性，实现高效、可靠的电力传输。
一种柔性直流输电双极系统换流器过负荷保护方法[发明专利]
![一种柔性直流输电双极系统换流器过负荷保护方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/66d0ff2f5fbfc77da369b123.png)
专利名称：一种柔性直流输电双极系统换流器过负荷保护方法专利类型：发明专利
发明人：随顺科,胡兆庆,卢宇,董云龙,李钢,汪楠楠,王柯
申请号：CN201710886555.4
申请日：20170927
公开号：CN109560565A
公开日：
20190402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出了一种柔性直流输电双极系统换流器过负荷保护方法，针对连接于新能源接入等孤岛无源系统，双极换流器交流侧分别接入各自交流母线，在交流母线之间增加母联开关设备连接，换流器双极运行，判断当双极功率大于一极换流器最大功率时，控制母联开关为分位，当双极功率小于一极最大功率时，控制母联开关为合位，从而能够避免双极系统一极故障，引起另外一极过负荷，发生停运问题。
抑制换流器过负荷方法简单实用、可靠性高，实现一极故障时最大限度的通过另一极送出功率，避免引起非故障极过负荷停运，最优化的保障了新能源的有效送出。
申请人：南京南瑞继保电气有限公司,南京南瑞继保工程技术有限公司
地址：211106 江苏省南京市江宁区苏源大道69号
国籍：CN
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研究背景
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。
目前，世界X围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛;国内已有5项MMC工程投运，同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中，并可能成为我国未来大区域电网互联的重要手段。
与交流输变电工程不同，柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。
（来源：电力系统自动化ID：AEPS-1977）
±320kV/1000MWXX柔性直流输电工程(以下简称XX工程)是世界X围内第一个采用双极接线的柔性直流工程，也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程，两端换流站鸟瞰示意图如图1所示。
与以往对称单极柔性直流工程相比，首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。
本文对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，研究结论在XX工程得到成功应用，验证了设计方案和技术参数的正确性。
(a) 彭厝换流站
(b) 湖边换流站
图1 XX工程换流站鸟瞰示意图
1 主接线及运行方式
当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线，存在如下问题：
1)与同容量双极柔性系统相比，可靠性较低。
2)换流单元采用三台单相双绕组变压器，导致变压器容量大，运输困难。
3)换流站设备的绝缘水平要求较高。
考虑到上述因素，XX工程采用双极带金属回线的主接线，主接线设计如图2所示。
图2 双极柔性直流换流站接线示意图
根据主接线设计特点和转换开关配置方案，XX工程存在以下3种运行方式：
方式1：双极带金属回线单端接地运行(见图3(a))。
其中，接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。
双极不平衡电流通过金属回线返回。
方式2：单极带金属回线单端接地运行(见图3(b))。
接地点的作用同方式1，且单极极线电流通过金属回线返回。
方式3：双极不带金属回线双端接地运行(见图3(c))。
双极不平衡电流通过大地回路返回。
该方式为运行方式转换过程中出现的临时方式，且必须保证直流系统处于双极对称状态。
图3 XX工程三种典型运行方式
2 主回路参数计算
2.1 主设备参数计算
与小容量柔性直流工程相比，高压大容量柔性直流工程中可供选择的可关断器件有限。
这样，可关断器件的过压、过流裕度极小。
此时，需要精确核算可关断器件的电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值等。
由于与传统高压直流的原理不同，换流变压器和桥臂电抗器的主要参数设计考虑的因素不同，需要对此进行重新梳理和分析。
本文给出了可关断器件电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值、换流变变压器和桥臂电抗器等主设备关键参数的计算方法和设计原则，如图4所示。
其中换流阀的实物图如5所示。
图4 主设备参数计算原则和流程
图5 换流阀实物图
2.2 PQ运行区间计算
PQ运行区间表征了换流器有功功率和无功功率输出能力，是系统设计的关键内容之一。
PQ运行区间的计算需要考虑换流变压器容量的约束、调制比的稳态X围约束、直流电缆的通流限制、桥臂热稳定电流约束、交流母线电压的稳态运行X围以及直流端口电压的稳态运行X围。
图6为XX 工程中换流变压器配置分接头(On-Load Tap Changer，OLTC)前后换流站的PQ运行区间，本文通过优化分接头X围拓展了PQ运行区间。
(a)未配置OLTC
(b)配置OLTC
图6 配置OLTC前后换流站PQ运行区间
3 暂态电流和过电压计算
由于采用双极接线的柔性直流工程直流侧有零电位参考点，与对称单极接线相比各故障下的暂态电流和过电压的表现特征不同。
如表1所示，根据位置和类型不同本文将换流站内考虑的典型故障分为9大类23种故障，分析不同故障机理和特征，对比分析了采用对称单极接线和双极接线柔性直流工程的暂态电流特性和暂态过电压特性，分别如表2和表3所示。
从分析结果看，①双极接线的工程比单极接线的工程暂态电流严苛;②双极接线的工程比单极接线的工程暂态过电压较低，有利于降低绝缘水平。
表1 双极接线柔性直流工程换流站内的典型故障
表2 两种接线方式下各故障下的暂态电流比较
表3 两种接线方式下各故障下的暂态过电压比较
双极接线下直流侧单极接地故障类似于单极接线下的双极短路故障，故障发生后，工程中仅阀控过流保护来得及动作，是决定设备暂态电流应力的关键故障，本文对此故障机理和过程进行了重点分析，提出暂态电流精确解析计算方法。
从实际桥臂电流达到保护启动值，中间经过电流测量装置的阶跃延时和测量延时、阀控过流保护的判断时间、阀控到子模块的链路延时，直到子模块成功关断的总延时(以下简称换流阀闭锁总延时)约为百微秒级。
在这段时间内，子模块电容迅速放电，IGBT在极短时间内闭锁。
故障发生后，桥臂暂态电流主要由三部分组成：①子模块电容的放电电流。
由于短路故障发生时直流极母线为低电压，若IGBT管触发则子模块电容迅速放电;②由于故障发生到换流器闭锁的时间较短，子模块电容电压跌落很小且控制系统来不及响应，从而使得换流变压器阀侧电流和桥臂电流的基波分量依然按照正弦规律变化;③桥臂电流的初值。
由于桥臂电抗器的作用，故障发生时刻桥臂电流不能突变。
最苛刻故障的筛选需要考虑2个因素：①故障发生前换流器满功率整流运行且无功功率最大，使得稳态时IGBT管具有的最大电流初值;②由于子模块电容电压基本不变，故障发生最苛刻的时刻为阀控过流保护启动后，交流电流的分量剧烈变化的时刻。
在实际工程中，需要计算故障发生后，在阀控过流保护的电流启动定值和总延时时间下，桥臂实际暂态电流不能超过IGBT可关断的最大电流。
以送端站出口发生接地故障为例，阀控过流保护的动作定值取Iset=2.1kA，换流阀闭锁时的桥臂电流随换流阀闭锁总延时的变化如图7所示。
可见，解析计算结果和电磁暂态仿真结果几乎完全吻合。
图7 单极接地故障不同保护动作延时下换流阀闭锁电流
4 结论
本文以XX工程为背景对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，在如下方面取得了进展：
1)通过主接线优化设计使得采用双极接线的柔性直流工程具备3种运行方式，提高了系统的可靠性。
2)高压大容量柔性直流工程中设备裕度通常较小，通过对主回路参数开展精确计算从而实现小容量可关断器件支撑工程大功率传输。
3)柔性直流工程采用双极接线时，暂态电流更苛刻。
通过提出暂态电流精确解析计算方法以及优化布置等方法，确保工程可关断器件的安全性。
4)柔性直流工程通过采用双极接线有效地降低了工程的绝缘水平。
本文所做工作对X北柔性直流电网工程及后续高压大容量柔性直流工程的系统设计具有较好的指导意义。