(完整版)柔性直流输电技术
柔性电力技术-第4章-直流输电技术
i4 i6 i2
V4 V6 V2
Id
n
eW
t
4.2.1 6脉动整流器工作原理
eU
N eV
eW
eU
U
Lr
V
Lr
W
Lr
eV
m
Ld
Id
V1 V3 V5 i1 i3 i5
i4 i6 i2
V4 V6 V2
Id
n
eW
t
4.2.1 6脉动整流器工作原理
m
Ld
Id
V1 V3 V5
eU
U
Lr
i1 i3 i5
N eV
4.2.1 6脉动整流器工作原理
结论：
➢直流电压瞬时值在一个周期内由六段相同的曲线所组成， 取其中一段就可求出直流平均电压Udo。
➢6脉动整流器的理想空载直流电压：
A
6
2EL cos(t)d(t)
2EL sin(t) |6
2EL
6
6
Ud0
A
3
2EL
1.35EL
交流线电压有效值
3
Udo为 0 , 0 时直流电压平均值，称为理想空载直流电压
12脉动换流单元在交流侧和直流侧分别产生12k±1次和12k次的特征谐波。
12脉动换流单元
平波电抗器
换流变压器
换流变压器 交流滤波器
直流滤波器 控制保护装置
2.1 6脉动整流器工作原理
晶闸管换流阀的特点:
单向导电性。
导通条件(两个)：
➢ 阳极对阴极为正电压； ➢ 控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲。
➢20世纪90年代以后，电压源换流器得到应用。 • 由于新的大功率自换相器件（如GTO和IGBT）的出现； • 由于数字信号处理（DSP）强大的计算处理能力使得在技 术上能够满足控制要求，在经济上具备竞争力。
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展一、本文概述随着能源结构的优化和电网技术的发展，柔性直流输电（VSC-HVDC）技术以其独特的优势，在电力系统中的应用越来越广泛。
本文旨在全面概述柔性直流输电工程的技术研究、应用现状以及未来的发展趋势。
我们将从柔性直流输电的基本原理出发，深入探讨其关键技术和设备，包括换流器、控制系统、保护策略等。
我们还将分析柔性直流输电在新能源接入、电网互联、城市电网建设等领域的应用案例，评估其在实际运行中的性能表现。
我们将展望柔性直流输电技术的发展前景，探讨其在构建清洁、高效、智能的电力系统中发挥的重要作用。
通过本文的阐述，我们希望能够为从事柔性直流输电技术研究和应用的同行提供有益的参考和启示。
二、柔性直流输电技术原理柔性直流输电技术，又称为电压源换流器直流输电（VSC-HVDC），是近年来直流输电领域的一项重大技术革新。
与传统的基于电网换相换流器（LCC）的直流输电技术不同，柔性直流输电技术采用基于可关断器件的电压源换流器（VSC），这使得它在新能源接入、城市电网增容和孤岛供电等方面具有独特的优势。
柔性直流输电技术的核心在于电压源换流器（VSC）。
VSC采用可关断的电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT），通过脉宽调制（PWM）技术实现对交流侧电压和电流的有效控制。
VSC既可以作为有功功率的源，也可以作为无功功率的源，因此它具有更好的控制灵活性和响应速度。
在柔性直流输电系统中，VSC通常与直流电容器和滤波器并联，以维持直流电压的稳定和滤除谐波。
VSC通过改变其输出电压的幅值和相位，可以独立地控制有功功率和无功功率的传输，从而实现对交流电网的灵活支撑。
柔性直流输电技术还采用了先进的控制系统，包括换流器控制、直流电压控制、功率控制等，以确保系统的稳定运行和电能质量。
这些控制系统可以根据系统的运行状态和实际需求，对VSC的输出进行实时调整，从而实现对交流电网的精准控制。
柔性直流输电技术以其独特的电压源换流器和先进的控制系统，实现了对交流电网的灵活支撑和精准控制。
柔性直流输电技术简述
柔性直流输电技术介绍摘要：柔性直流输电技术是一种以电压源变流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术。
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。
比较了几种新型的高压大容量电压源变流器的特点；分析了大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术的现状和难点；指出了柔性直流输电技术在多端直流输电领域应用的特点和难点。
介绍了欧洲、美国以及我国在柔性直流输电技术领域的应用规划。
分析表明发达国家对于柔性直流输电在可再生能源利用和智能电网发展中所起作用的极为重视，多条柔性直流输电线路在建或规划建设。
关键词：柔性直流，模块化多电平，变流器，风电场并网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。
柔性输电技术
柔性输电之直流输电内容简介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。
由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。
1引言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。
19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。
大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。
直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，自从20世纪50年代联接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电（HVDC）线路建成以来，HVDC在很多工程实践中得到了广泛的应用，如远距离大功率输电、海底电缆输电、两个交流系统之间的非同步联络等等。
目前，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网：未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。
智能电网特色技术之一：柔性直流输电
智能电网特色技术之一：柔性直流输电柔性直流输电(以下简称“柔直”)技术于上个世纪90年代提出，但一直是关注者多，而追随者少。
许多跨国企业早早着手该项研究，但大多“流产”。
究其根源，还是因为涉及的专业领域太多，技术难度太大。
中国的柔直技术研究同样艰难。
2006年，当国家电网公司几乎与西门子同步启动柔直研究时，全球只有ABB一家有实际工程应用经验，且其采用的是传统的类似于高压变频器的技术路线，可供借鉴的经验不多，加之我国在该领域技术基础薄弱，技术难度巨大。
随后6年时间里，普瑞工程公司科研团队不言放弃，系统研究了基础理论与前期技术，较终全面掌握了核心技术。
2006年~2008年，主要是打深、打实“地基”阶段，科研团队在国内首次建立了柔直研究的基础理论体系。
2008年~2010年，科研人员着眼于适应高压大容量的新技术路线，全面掌握了较先进的MMC—HVDC(模块化多电平柔性直流)系统的机理、设计和控制方法，并通过样机研制，验证了理论的正确性与技术路线的可行性。
汤广福回忆说，样机研制阶段不但工作繁重，还充满难以想象的危险。
样机研制的关键——IGBT是一种高频率器件，在实际科研中，IGBT发生爆炸的情形很普遍。
IGBT爆炸时，如果碎片射到人体，与中枪无异。
2008年冬天的一个周末，在IGBT驱动短路测试中，突然“轰”的一声巨响，IGBT发生爆炸。
科研人员就在被测设备周围，所幸没有人员受伤。
快速处理后，来不及后怕的科研人员迅速更换了零部件，继续工作。
经历爆炸的极度危险，通过几十次、几百次试验的不断优化、检验，IGBT数字驱动器百炼成金，研制取得成功。
在全面突破关键技术瓶颈并成功研制出样机的基础上，他们经过6版设计，3代样机研制，40余次专家技术评审会，较终成功研制出柔直换流阀、MMC阀基控制器等成套设备，并在上海南汇风电场柔性直流输电示范工程中得到成功应用。
“我们深知其中的艰难。
但是，过去6年一步一个脚印，一步一个跨越，让我们始终充满信心。
柔性直流输电技术PPT课件
17
大功率开关器件的分类
大功率开关器件
晶闸管类
晶体管类
发射极关断晶闸管
GTO
ETO IGCT
可关断晶闸管 集成门极换相晶闸管
模块式IGBT
绝缘栅双极晶体管
压接式IGBT (IEGT)
电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT1)8
晶闸管(Thyristor)
晶体管类(Transistor)
电压
集电极和发射 极电压
实际关断和导通波形
16
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
Thyristor
GTO
IGCT
ETO
• 由半控型到全控型
• 电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA)
• 开关速度由低到高（50/60Hz 到几kHz)
电压已达±800kV以上， 传输功率6400MW，适 合大系统间大规模功率 传输，适合能源的优化 配置
结构紧凑、功率密度高， 换流站面积约小40%
同等容量下，设计相对 简单、主要设备在工厂 生产、现场安装和维护 较为简单
能为弱系统、无源网络 供电，如岛屿供电、海 上油气平台供电、风电 联网等。
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
可实现黑启动
9
VSC-HVDC
工程应用比较
节 约
空 间
LCC-HVDC
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。
电力系统中的柔性直流输电技术研究与应用
电力系统中的柔性直流输电技术研究与应用随着能源需求的增长和可再生能源的快速发展，电力系统的可靠性和效率成为了迫切的问题。
在过去，交流输电是占主导地位的，但是随着电力系统的复杂性和功率需求的不断增加，柔性直流输电技术逐渐崭露头角并得到广泛关注。
柔性直流输电技术是一种能够有效提高电力系统稳定性和可靠性的新型电力传输方式。
相较于传统的交流输电方式，柔性直流输电技术具有以下优势：1. 技术先进性：柔性直流输电技术采用了高压高功率电力电子器件，能够实现高效能的电力传输。
通过电力电子设备对电压和频率进行控制，可以快速调整电力流向和功率分配，提高系统的稳定性和可控性。
2. 低损耗和高效率：相较于交流输电方式，柔性直流输电技术在长距离传输时损耗更低。
由于直流电流不会产生电感和电容的功耗，输电损耗更小，能够有效降低能源浪费和环境污染。
3. 技术应用广泛性：柔性直流输电技术可以灵活适应不同的传输需求和能源分布情况。
在大规模可再生能源开发和分布式能源系统中，柔性直流输电技术可以提供更加稳定可靠的电力传输，实现能源的高效利用。
在实际应用中，柔性直流输电技术已经取得了一系列的成果。
首先，在长距离高容量输电方面，柔性直流输电技术可以实现大容量电力的长距离传输，有效解决了传统交流输电的限制。
通过减少输电损耗，提高输电效率，柔性直流输电技术能够为电力系统提供更稳定可靠的电力供应。
其次，在可再生能源领域的应用方面，柔性直流输电技术在风能和太阳能等可再生能源开发中具有广阔的应用前景。
由于可再生能源的不稳定性和间歇性，柔性直流输电技术可以实现对电力流量的精确控制，将多余的电力注入电网，并实现电力的平衡调度。
这不仅提高了可再生能源的利用率，还增强了电网的稳定性和可靠性。
同时，柔性直流输电技术在城市供电和电力互联网的建设中也发挥着重要作用。
通过柔性直流输电技术，电力系统可以实现更好的电力管理和智能化控制。
通过对电力流向和负荷需求的精确监测和控制，可以实现电力需求的动态分配和优化，提高供电的质量和可靠性。
柔性直流输电技术探析
柔性直流输电技术探析1 柔性直流输电技术的特点及其研究现状柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，CIGRE和IEEE将之定义为VSC-HVDC，其中VSC为电压源换流器，它在工业驱动装置上的应用十分广泛，HVDC 为高压直流输电，它是ABB公司在50多年前研发的一项技术，主要作用是提高远距离输电效率。
1.1 VSC-HVDC的系统结构及其工作原理从图1中可以清楚地看到，该系统主要是由VSC、滤波器（交流）、电抗器、直流输电线路、电容等元件构成。
其中VSC为核心部件，它是由换流桥和直流电容器构成的。
1.1.2 系统运行原理。
在VSC-HVDC系统当中，按照其主电路的拓扑结构及开关器件的类型，可采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，通过该技术在调制参考波与三角载波进行比较，若是前者的数值比后者大，则会触发上桥臂到导通并关断下桥臂，如果前者的数值小于后者，则会触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。
因参考波的幅值及相位可利用脉宽调制技术实现自动调节，故此VSC的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节。
1.2 VSC-HVDC的特点分析大体上可将VSC-HVDC的特点归纳为以下六个方面：1.2.1 VSC-HVDC系统中的换流站独立对有功及无功功率进行控制，由此不但实现了有功与无功功率的四象限运行，而且控制非常方便和灵活。
1.2.2 换流站之间无需通讯，各个站能够独立控制运行。
1.2.3 不需要在线路间增设无功补偿装置。
1.2.4 开关频率高、滤波装置的容量较小，无需设置专门的换流变压器。
1.2.5 新型直流电缆的应用使其能够适应多种恶劣的环境。
1.2.6 采用先进的模块化设计，使其本身的体积较小，有效节省了占地面积，且便于安装。
综上，与传统的直流输电系统相比，VSC-HVDC的可控性更高，对线路中潮流的控制更加方便，对扰动的响应速度更快，更适合用于中小功率和远距离输电。
1.3 VSC-HVDC技术的研究现状VSC-HVDC技术自问世以来便受到了业界的广泛关注，一些专家学者也加大了对其的研究力度。
(精品)柔性直流输电技术
晶体管类(Transistor)
门极电流控制开通关断 关断时所需门极负脉冲电流较大 可承受开关频率较低 导通压降较低 所能实现的电压、电流等级较高
门极电压控制开通关断 门极驱动功率小，开关速度快， 可承受开关频率高 导通压降大 所能实现的电压、电流相对不高
18
• 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
20
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
换流站占地面积大， 辅助设备较多
同等容量下，设计较 为复杂、建设工期长、 运行维护投入较大
电压已达±800kV以上， 传输功率6400MW，适 合大系统间大规模功率站面积约小40%
同等容量下，设计相对 简单、主要设备在工厂 生产、现场安装和维护 较为简单
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
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
19
• 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
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
多端柔性直流输电技术资料
1、简介从上个世纪五十年代至今，高压直流输电技术( High Voltage DirectCurrent,HVDC) 经历了跨越式发展，己经广泛应用于风电场并网、大容量远距离输电、非同步大电网互联、孤岛和弱电网供电等领域HVDC 技术从早期的汞弧阀换流技术发展到高压大功率晶闹管换流器技术，极大地促进了直流输电技术的发展。
与高压输电技术相反的是换流技术几乎仍在原地踏步，线换相换流器( Line Commuted Converter, LCC) 直流输电占据主流。
由于晶闸管关断不可控，传统直流输电技术具有明显缺陷。
随着电力电子变流技术的迅猛发展，出现了以脉宽调制( Plus Width Modulation, PWM) 技术为基础的变流器。
并且PWM 变流器技术也日漆完善。
目前主要应用的主电路类型有电流型变流器( Current SourceConverter, CSC)和电压源型变流器( VoltageSource Converter, VSC) 。
并且，全控器件电压和容量的等级的不断提升，控制技术的日趋完善，带动VSC 开始应用于大容量高压输配电领域，如，灵活交流输电系统 ( Flexible ACTransmission System, FACTS) 、基于电压源变流器的高压直流输电(VSC basedHVDC ，VSC-HVDC) 、定制电力系统( Custom Power，CP)等典型代表。
VSC 设备配合不同的控制策略可以控制系统潮流、调节网络运行参数，进而优化电力统运行状态，提高系统稳定性和运行可靠性。
VSC-HVDC 技术是以电压源变流器，可控关断的IGBT 和脉宽调制( PWM )为基础的新型输电技术。
VSC-HVDC 不仅可以独立快速控制有功无功，还易于翻转潮流，实现了无源网络供电。
同时，随着能源紧缺和环境污染的日益严重，我国开始大力幵发和利用风能、太阳能等可再生清洁能源，优化能源结构。
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(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
柔性输电
柔性输电技术简介一、柔性交流输电1.1 交流柔性输电的概念交流柔性输电（Flexible Alternative Current Transmission Systems），是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。
它是应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原来基本不可控的电网变得可以全面控制，从而大大提高电力系统的灵活性和稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。
自己理解：交流柔性输电，之所以称之为柔性（灵活）输电，是因为相对于早期的输电网来说，它更多的应用可控的电力电子元件来控制电网的运行，改善电能质量。
因为电力电子元件的可控性而且开关速度快，就使得控制更加灵活，同时在解决电网问题时更具有实时性和易操作性。
1.2 交流柔性输电的优势①能在较大范围有效地控制潮流；②线路的输送能力可增大至接近导线的热极限。
③备用发电机组容量可从典型的18%减少到15%，甚至更少；④电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；⑤易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。
自己理解：①得益于电力电子器件的灵活控制性，以及微处理微电子技术的发展应用，使得在控制电网功率流动方面更加灵活，可以实时有效的进行控制。
②由可控的电力电子器件组成的补偿装置，可以更加有效的对电路中有功，无功以及谐波进行补偿，使得在线路中的无功损耗减小，减小了线路的热损耗。
③因为可控的调节，使得线路电能的功率因数接近于1，所以发电机组全部用于发送有功功率，就可以在同等有功要求的条件下，减小发电机组的容量。
④由于开关器件的快速动作性和实时可控性，就能够有效及时的控制线路故障的扩散。
⑤因为电力电子设备组成的补偿装置，可以连续的调节电网阻抗，从而减小电力系统的震荡。
1.3 交流柔性输电的主要设备及原理用于输电系统的FACTS装置包括： SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静态同步补偿器）、 TCSC（晶闸管可控串补）、 TSSC（晶闸管开关串联电容器）、UPFC（统一潮流控制器）、TCPST（可控移相器）等。
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
特高压直流背靠背方式和柔性直流原理介绍
（五）柔性直流输电技术原理
三、柔性直流输电技术原理
从由交流系统流入柔性直流系统的潮流可表示为：
P UsUr sin X
Q U（s Us Ur cos ) X
（1） （2）
四、柔性直流输电技术特点
四、柔性直流输电技术特点
（一）柔性直流换流器工作模式
（1）功率控制模式是指当柔性直流系统连接有源网络时，通过调整换 流器 输出正弦电压的幅值和与网侧电源相角差（根据公式（1）和（2））, 实现 控制有功和无功功率的目的。 （2）直流电压控制模式指在功率控制的基础上，通过动态的调节注入 直流 电容的有功功率，达到控制直流电压的主要目的。当注入有功大于负 载功率 时，直流电容处于充电状态，直流电压上升；反之则直流电压下降。 工作在 该模式下的换流站在直流系统中相当于一个平衡节点，起到有功功 率平衡和 直流电压维持的作用。 （3）交流电压控制模式是指当柔性直流系统连接无源网络时，换流器 输出 一个幅值、频率、角度恒定的正弦电压，为无源网络提供电压源支撑。
三、柔性直流输电技术原理
三、柔性直流输电技术原理
（一）柔性直流输电技术
柔性直流输电指的是基于全控型器件的高压直流输电。 柔性直流输电的主要工作原理是通过控制IGBT换流阀开通或关断，在交流侧调 制出一个正弦电压，通过控制电压的幅值和相角实现与交流系统的功率交换。 柔性直流输电的核心技术是采用可关断的电力电子器件和脉宽调制技术的电压源 型换流器。
逆变和整流的区别： 1）0＜α＜π/2时，换流器工作在整流 状态。 2）π/2＜α＜π时，换流器工作在逆变 状态。
三相桥式整流回路 三相桥式有源逆变
一、直流输电基本原理
（六）三相桥式有源逆变状态时的电压波形
一、直流输电基本原理
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
19
• 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
20
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
强迫换相频率上百赫 兹。
运行性能比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
换流器产生谐波量大， 噪音较大，需要配备交 流滤波器
需要无功补偿，最大 ，且引起电 压波动
电网换相，需要交流 系统提供足够的短路容 量。
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
Thyristor
GTO
IGCT
ETO
• 由半控型到全控型
• 电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA)
• 开关速度由低到高（50/60Hz 到几kHz)
16
大功率开关器件的分类
大功率开关器件
晶闸管类
晶体管类
发射极关断晶闸管
GTO
ETO IGCT
可关断晶闸管 集成门极换相晶闸管
模块式IGBT
绝缘栅双极晶体管
能为弱系统、无源网络 供电，如岛屿供电、海 上油气平台供电、风电 联网等。
可实现黑启动
VSC-HVDC
工程应用比较
节 约
空 间
LCC-HVDC
工程应用比较
常规直流换流站 柔性直流换流站
目录
2
柔性直流输电功率器件
11
电力电子开关
电力电子开关（功率器件）是装置的基础
kV/kA
机械开关
• 高压 • 大电流
命名情况：
• IEEE/CIGRE等国际组织：基于电压源型换流器的高压 直流输电技术（VSC-HVDC）
• ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)
脉宽调制使换流器谐波 大大降低，只需要容量 约为10～20%的高通滤 波器
换流站无需无功补偿， 且可为交流系统提供紧 急无功支援
无功调节平滑、快速
换流器完成自换相，无 需电网提供换相帮助， 对短路容量没有要求。
工程应用比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
Power
+ V/mA
Electronics
• 高速 • 电子控制 • 低损耗 • 长寿命
=
kV/kA
V/mA
Power Electronics
12
电力电子技术的三要素
电力电子技术是应用于电力领域的电子技 术，使用电力电子器件（电力半导体器件） 对电能进行变换和控制的技术，变换的电 力从W级到百MW，甚至GW
压接式IGBT (IEGT)
门极驱动 导通压降 允许开关频率 电压/电流能力
晶闸管类器件
（GTO,IGCT） 电流控制，所需功率较大
低 低 较大
晶体管类器件
(IGBT,IEGT) 电压控制，所需功率较小
高 高 相对低
电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT1)7
晶闸管(Thyristor)
换流站占地面积大， 辅助设备较多
同等容量下，设计较 为复杂、建设工期长、 运行维护投入较大
电压已达±800kV以上， 传输功率6400MW，适 合大系统间大规模功率 传输，适合能源的优化 配置
结构紧凑、功率密度高， 换流站面积约小40%
同等容量下，设计相对 简单、主要设备在工厂 生产、现场安装和维护 较为简单
晶体管类(Transistor)
门极电流控制开通关断 关断时所需门极负脉冲电流较大 可承受开关频率较低 导通压降较低 所能实现的电压、电流等级较高
门极电压控制开通关断 门极驱动功率小，开关速度快， 可承受开关频率高 导通压降大 所能实现的电压、电流相对不高
18
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
柔性直流输电技术基本特征
目录
1
柔性直流输电的定义
2
柔性直流输电功率器件
3
柔性直流换流器技术
4
柔性直流输电换流器的控制
5
柔性直流输电系统
6
柔性直流输电技术的发展
2
目录
1
柔性直流输电的定义
3
柔性直流输电技术
VSC-HVDC
• 基于可关断器件和电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的高压直流输电技术（VSC-HVDC），换流器自换向，能够 独立调节有功功率和无功功率，可控性和灵活性强，被誉为新一代 的直流输电技术