基于电压源换流器的高压直流输电技术研究综述_徐忻

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ

．ｉｓｓｎ．１００７－２９０Ｘ．２０１２．０５．００２收稿日期：２０１２－０２－

１４基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１４７００６

）基于电压源换流器的高压直流输电技术研究综述

徐忻１，胡靖２，石辉３，张勇军４

（１．云南电网公司红河供电局，云南红河６６１１００；２．湖北电网公司武汉供电局，湖北武汉４３００１３；３．湖南省电力公司调度通信局，湖南长沙４１０００７；４．华南理工大学电力学院，广东广州５１０６４０

）摘要：为了促进基于电压源换流器的高压直流输电（ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓ－ｓｉｏｎ，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）这种新型直流输电技术在电力系统中的应用和发展，介绍了ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的系统结构和基本原理，总结了其基本控制方式和技术特点，指出了该技术的应用研究现状、当前存在的问题以及今后的研究方向。ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的特点证明，该技术在风电、输配电领域具有广阔的发展前景。关键词：电压源换流器；高压直流输电；控制方式

中图分类号：ＴＭ７２１．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－２９０Ｘ（２０１２）０５－０００６－

０５Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｂａｓｅｄ　ｏｎＶｏｌｔａｇ

ｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　ＣｏｎｖｅｒｔｅｒＸＵ　Ｘｉｎ１，ＨＵ　Ｊｉｎｇ２，ＳＨＩ　Ｈｕｉ　３，ＺＨＡＮＧ　Ｙｏｎｇｊ

ｕｎ４

（１．Ｈｏｎｇｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　

Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｙｕｎｎａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈｏｎｇｈｅ，Ｙｕｎｎａｎ６６１１００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｗｕｈａｎ　ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００１３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆＨｕｎａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ４１０００７，Ｃｈｉｎａ；４．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　

５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　ａｎｄ　ｓｕｍ－ｍａｒｉｚｅｓ　ｉｔｓ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｑｕｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｏｒｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．Ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ，ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ 输电技术的发展经历了一个直流、交流、直流

加交流的过程。交流输电曾在很长一段时间内主导了输电方式，但由于其稳定性和输电容量的限制，人们开始寻找新的更大容量、更高效率的输电方式。在这种情况下，基于电流源换流器的高压直流输电（ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇ

ｅ　ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＣＳＣ－ＨＶＤＣ）开始进入实用［１－２

］，并在大容量输电、抑制低频振荡和系统互联中起着

重要作用。但在应用中，ＣＳＣ－ＨＶ

ＤＣ也逐渐暴露出其固有缺陷，如：不能向无源系统供电；在向短路

容量不足的系统供电时易发生换相失败；换流器本身为谐波源，需要配置专门的滤波装置，增加了设备投资和占地面积；在运行过程中吸收较多的无功功率。在克服这些缺点并利用ＣＳＣ－ＨＶ

ＤＣ的优点的过程中，出现了基于电压源换流器的高压直流输电（ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇ

ｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＶＳＣ－ＨＶ

ＤＣ）这种新型直流输电方式。１　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统的结构和基本原理

ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统单线原理如图１所示。

　第２５卷第５期广东电力

Ｖｏｌ．２５　

Ｎｏ．５ ２０１２年５月ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　Ｍａｙ　

２０１２　

图１　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统单线原理图

从图１可知，两端换流站均为电压源换流器

（ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＶＳＣ）结构，它由换流

器、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流

滤波器等组成［３］。

与ＣＳＣ－ＨＶＤＣ不同，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ是一种以

可控关断器件和脉宽调制（ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａ－

ｔｉｏｎ，ＰＷＭ）技术为基础的新型直流输电技术。这

种输电技术能够瞬时实现有功功率和无功功率的独

立解耦控制，能向无源网络供电，换流站间无需通

信，且易构成多端直流系统。另外，该输电技术能

同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，

在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

ＶＳＣ单相示意图如图２所示，ＶＳＣ正弦脉宽调制原理及输出波形如图３所示。

Ｕｄ—直流电压；Ｕｃ—换流器输出电压；Ｕｓ—交流母线电压。

图２　ＶＳＣ单相示意图

由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲使ＶＳＣ上、下桥臂高频开通和关断，Ｕｃ在＋Ｕｄ和－Ｕｄ之间快速切换，Ｕｃ再经过电抗器滤波后成为Ｕｓ。进一步分析可知，假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，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：

Ｐ＝（ＵｓＵｃ／Ｘ１）ｓｉｎδ；（１）Ｑ＝Ｕｓ（Ｕｓ－Ｕｃｃｏｓδ）／Ｘ１．（２）式中：δ为Ｕｃ和Ｕｓ之间的相位差；Ｘ１为换流电抗器的电抗。

由式（１）、（２）可得换流器稳态运行基波相量图（如图４所示）。从图４可知，有功功率的传输主要

图３　ＶＳＣ正弦脉宽调制原理及输出波形

取决于δ，无功功率的传输主要取决于Ｕｃ。因此，通过控制δ就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Ｕｃ就可以控制ＶＳＣ发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，ＶＳＣ可视为一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。

图４　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ换流器稳态运行基波相量图

２　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的基本控制方式和特点

２．１　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的基本控制方式

ＶＳＣ－ＨＶＤＣ基本控制方式可分为３类：第１种方式是定直流电压控制，控制直流母线电压和输

７

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