【CN110021912A】基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910350784.3

(22)申请日 2019.04.28

(71)申请人山东大学

地址 250061 山东省济南市历下区经十路

17923号

申请人山东迅风电子有限公司

(72)发明人邹贵彬　张烁　孙增献　杜肖功　

佀庆华　

(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限

公司 37221

代理人李琳

(51)Int.Cl.

H02H 3/06(2006.01)

H02H 7/26(2006.01)

G01R 31/08(2006.01)

(54)发明名称

基于混合式直流断路器的多端柔性直流电

网自适应重合闸方法

(57)摘要

本公开提供了一种基于混合式直流断路器

的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，通过控

制混合式直流断路器转移支路部分子模块导通

实现行波信号的注入从而识别瞬时性以及永久

性故障，不需要任何附加电路，经济性好，控制简

单，自适应重合闸方法原理简单、清楚，故障性质

识别准确，

易于工程实现。权利要求书2页说明书12页附图9页CN 110021912 A 2019.07.16

C N 110021912

权　利　要　求　书1/2页CN 110021912 A

1.一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：包括以下步骤：

在混合式直流断路器切除故障后，经过一定的线路故障点电弧去游离时间，导通故障线路两端任一混合式直流断路器转移支路部分子模块以向直流线路注入行波信号；

实时记录导通的混合式直流断路器端口处电压以及电流数据，并且根据记录的电压及电流数据计算前行波与反行波；

如果前行波或者反行波满足连续三个值大于第一设定值，则认为初始前行波或者初始反行波为正极性；如果前行波或者反行波满足连续三个值小于第二设定值，则认为初始前行波或者初始反行波为负极性；

如果初始前行波与初始反行波极性相同，则认为直流线路上不存在故障点，故障性质为瞬时性故障，反之则认为直流线路上仍然存在故障点，故障性质为永久性故障；

若识别线路故障性质为瞬时性故障，则直流线路两侧的直流断路器进行重合，若识别为永久性故障，则直流线路两侧的直流断路器不再进行重合，由直流线路两侧的隔离开关将故障线路完全隔离。

2.如权利要求1所述的一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：基于混合式直流断路器端口处的电压、电流采样值和直流线路波阻抗计算前行波与反行波。

3.如权利要求1所述的一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：所述第一设定值为导通部分转移支路子模块所注入直流线路初始前行波幅值最大值的20％。

4.如权利要求1所述的一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：所述初始前行波幅值最大值基于导通混合式直流断路器端口转移支路子模块个数、转移支路子模块总个数，混合式直流断路器转移支路子模块电阻与子模块电容、MMC桥臂电感值、半桥子模块电容值和每桥臂子模块个数计算出来。

5.如权利要求1所述的一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：所述第二设定值与第一设定值呈相反数。

6.如权利要求1所述的一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：在直流断路器动作清除故障电流后，经过一定的线路故障点电弧去游离时间，导通混合式直流断路器转移支路部分子模块，通过这一导通过程向直流线路注入行波信号，利用行波信号在直流线路上是否存在故障点时传播特性的差异实现故障性质的识别。

7.如权利要求1所述的一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：直流断路器进行重合的过程包括：将对应的混合式直流断路器转移支路剩余子模块进行分组，每隔一段时间导通一组以减少重合过程中的电压波动。

8.如权利要求1所述的一种基于混合式直流断路器的多端柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征是：待对应的混合式直流断路器转移支路子模块全部导通后，依次闭合该对应的混合式直流断路器的快速机械开关以及负荷转移开关，另一端的混合式直流断路器检测到直流线路电压恢复正常后，导通转移支路全部子模块，依次闭合快速机械开关以及负荷转移开关，此时直流线路恢复正常运行。

多端柔性直流输电技术

1、简介从上个世纪五十年代至今，高压直流输电技术（High V oltage Direct Current,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 Source Converter, CSC)和电压源型变流器（V oltageSource 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。但是其固有的分散性、小型化、远离负荷中心等特点直接制约了风电利用规模的不断扩大以及传统交流输电技术和CSC-HVDC 输电技术联网的经济性。此外，城市配电网的快速扩容一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量配电网转入地下。VSC-HVDC输电技术可以很好地解决上述问题，并且已经有实际运行的商业工程应用在分布式发电系统接入大电网、孤岛供电、城市直流配网改造、异步大电网互联等领域。然而，VSC-HVDC也尤其不容忽视的缺陷，一旦其两端输电系统中有一端VSC发生故障退出运行，系统将被迫处于瘫痪状态。 2.1 VSC-HVDC的结构 VSC-HVDC的结构如图1-1所示，两端是两个VSC换流站，中间连接换流变压器、换流电抗器、交流滤波器、直流电容器、直流输电线路等组成的两条线路。VSC既可以通过直流线路在互联系统间传输潮流又能够像STATCOM —样进行动态无功交换。 VSC换流器包括换流电路和直流电容器，由一个或多个换流桥并联（串联）组成的换流电路来实现交直流转换。目前多个换流桥组成的组合式换流器并未在实际工程中应用。VSC是换流站的核心元件，通过VSC桥臂的开通和关断切换控制系统潮流，其拓扑结构实际工程中主要采用三相两电平、二极管钳位三电平结构。系统开关频率限制了全控器件的选择，目前VSC-HVDC系统采用压装式IGBT连同驱动电路、散热片及其他辅助电路共同构成。直流电容器为VSC变流器提供直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。直流电容器的容量决定了VSC-HVDC直流侧的动态特性。换流变压器和换流电抗器是换流站和交流系统之间能量交换的纽带。换流变压器一般设计为消除零序分量的接法，此时两端中必有一侧为接地系统，如Yn/Y或者Yn/△等，并带有分接头控制，可以隔离两端零序分量的相互影响。交流滤波器的作用是滤除VSC交流侧谐波。由于VSC-HVDC采用PWM调制技术，故VSC输出的电压和电流中包含开关频率及其整数倍附近次谐波，其谐波含量与调制方式、调制比、开关频率以及所采用的拓扑结构有关。交流滤波器与换流电抗、换流变压器以及系统阻抗相互作用，对高次谐波形成一个低阻通道，从而达到滤除谐波的目的。

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

柔性直流输电系统换流器技术规范()

ICS 中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG XXXXX—2015 柔性直流输电换流器技术规范 Technical specification of converters for high-voltage direct current (HVDC) transmission using voltage sourced converters (VSC) （征求意见稿） XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施中国南方电网有限责任公司发布

目次前言............................................................................... III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 3.1 额定直流电流 rated direct current (1) 3.2最大直流电流maximum direct current (2) 3.3 短时过载（过负荷）直流电流short time overload direct current (2) 3.4 额定直流电压rated direct voltage (2) 3.5 额定直流功率rated direct power (2) 4 文字符号和缩略语 (2) 4.1 文字符号 (2) 4.2 缩略语 (2) 5 使用条件 (2) 5.1 一般使用条件的规定 (3) 5.2 特殊使用条件的规定 (3) 6 技术参数和性能要求 (3) 6.1 总则 (3) 6.2 换流器电气结构 (4) 6.3 阀设计 (5) 6.4 机械性能 (6) 6.5 电气性能 (7) 6.6 冗余度 (7) 6.7 阀损耗的确定 (8) 6.8 阀冷却系统 (8) 6.9 防火防爆设计 (8) 6.10 阀控制保护设计 (8) 7 试验 (9) 7.1 试验总则 (9) 7.2 型式试验 (9) 7.3 例行试验 (11) 7.4 长期老化试验 (11) 7.5 现场试验 (12) 8 其它要求 (12) 8.1 质量及使用寿命 (12) 8.2 尺寸和重量 (12) 8.3 铭牌 (12) 8.4 包装和运输 (12)

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。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。

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”。（二）柔性直流与传统直流的优缺点对比不管是两电平、三电平或MMC换流器，由于都属于电压源换流器，其基波频率下的外特性是完全一致的。

多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制

多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：

摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器

一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电压偏差控制策略。主从控制策略是一种需要换流站间通信的控制策略，这种控制方式利用换流站间的通信系统实现了直流电压的稳定，具有控制特性好、直流电压质量高等优点，但系统可靠性依赖于换流器控制器与系统控制器之间的高速通讯，这严重制约了多端直流输电尤其是长距离输电系统可靠性的提高。直流电压偏差控制策略是一种无需站问通信的控制策略，这种控制策略的实质是在定直流电压站故障退出运行后，后备定直流电压站能够检测到直流电压的较大偏移并转入定直流电压运行模式，保证了直流电压的稳定性；同时其设计简单、可靠性强。下垂控制策略为多点控制，控制器通过测量本地直流母线电压对功率分配进行调节，因而不依赖于换流站间的高速通讯，系统可靠性较高。二、多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略 2.1柔性直流输电系统概述总体上来看，目前的多端直流输电系统接线方式主要有串联型、并联型和混联型 3 种类型。由于并联型多端系统具有调节范围宽、扩建灵活、易于控制和可靠性高等突出优点，成为研究的热点和应用的重点。本文设计的直流电压混合控制策略主要是针对并联型多端系统。多端柔性直流输电系统控制是一个庞大复杂且相互耦合的多输入、多输出系统，为满足系统控制的快速性和高可靠性，一

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，

柔性直流输电与高压直流输电的优缺点

柔性直流输电一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。二、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。三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比

柔性直流输电

南京工程学院远距离输电技术概论班级：输电112 学号： 206110618 姓名：钱中华 2014年12月10日

目录 0.引言 (3) 1.研究与应用现状 (3) 2.原理 (4) 3.特点 (5) 4.关键技术 (6) 5.发展趋势 (7) 6.小结 (9)

柔性直流输电技术 0.引言随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程，详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。 1.研究与应用现状自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。其先研究主要发展有一下几项基本技术： 1.高压大容量电压源变流器技术模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。

柔性直流输电对比

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。三、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。（2）柔性直流输电系统中的换流阀采用了IGBT器件，可实现很高的开关速度，在触发控制上采用PWM技术，开关频率相对较高，换流站的输出电压谐波量较小，主要包含高次谐波。故相对于常规直流输电，柔性直流输电换流站安装的滤波装置的容量大大减小。（3）常规直流输电通过换流变压器连接交流电网，而柔性直流输电是串联电抗器加变压器，常规直流输电以平波电抗器和直流滤波器来平稳电流，而柔性直流输电则采用直流电容器。 3. 换流站控制方式的对比。（1）常规直流输电系统的换流站之间必须进行通信，以传递系统参数并进行适当的控制，而柔性直流输电系统中各换流站之间的通信不是必需的。

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。交直流混合输电是现代电网的主要发展趋势。经过多年来的研究和工程实践工作，HVDC技术有了较大的提高，在降低损耗、控制和保护技术等方面取得了长足的进步。但是HVDC在应用中，仍然存在着一些固有的缺陷：受端网络必须是一个有源系统，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；换流器本身为一谐波源，需要配置专门的滤波装置，增加了设备投资和占地而使费用相对较高；同时，运行过程中吸收较多的无功功率等。尽管人们对传统HVDC输电技术进行了不断的改进，但

多端柔性直流电网保护关键技术

多端柔性直流电网保护关键技术 1 研究背景基于传统电网换相换流器(Line Commuted Converter，LCC)的直流输电技术存在换相失败、需要吸收大量无功功率、无法向无源网络供电等缺点。随着全控型开关器件的出现与成熟，以电压源型换流器(V oltage Source Converter，VSC)为核心部件的柔性直流技术成为直流输配电领域重要的发展方向：从负荷需求和电源分布考虑，实现多电源供电及多落点受电的柔性直流电网是电网发展的必然趋势；从建设成本和经济性考虑，多端柔性直流输电系统显然比并行多条点对点式直流输电线路更加有利于节约线路走廊、降低投资和减小运行费用；从电网供电可靠性和运行灵活性考虑，多端直流电网可以提供更好的供电可靠性和系统冗余性，以及适应性更强的供电模式、灵活和安全的潮流控制等；从新能源自身间歇性和分散性的特点考虑，多端柔性直流电网可以有效改善新能源对电网安全稳定运行的影响。因此，基于柔性直流技术的直流电网被认为是未来电力系统发展的一次重要革命。直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统，可以实现新能源的平滑接入、全局功率的调节互济、长距离大范围的电能传输。在大规模分布式可再生能源接入、海洋群岛供电、海上风电场群集中送出、新型城市电网构建等方面，直流电网被认为是最理想的组网方案，也是未来智能电网发展的重要方向之一。柔性直流电网的发展尚面临若干关键技术问题亟待解决。其中，有别于传统交流电网和常规高压直流输电系统，多端柔性直流电网特殊的故障暂态特征、复杂快速的换流器故障控制以及直流断路器等一次设备的性能制约对其继电保护赋予了新的挑战和任务。 2柔性直流系统故障暂态特征柔性直流系统直流故障暂态特征是直流保护研究的理论基础。而基于不同类型换流器的柔性直流系统故障特性存在明显的差异，相应地对保护的要求也有所不同。下面针对目前最为典型的两种换流器拓扑结构，分别总结关键故障特征，并分析各自对保护的要求。如图1所示，以最为严重的两极短路故障为例，两电平VSC型直流系统发生短路故障以后，直流侧将承受电容放电产生的快速过流。而且由于直流电容直接并联于换流器直流出口，电容放电、故障电流上升均不受换流器控制，必须由保护快速动作于直流断路器切除故障。而从保护交流侧设备和换流器角度出发，由于一旦直流电压过零，交流侧和换流器桥臂就会快速过流，因此希望保护能够在直流电压过零以前实现故障检测、故障识别（故障区段定位）以及故障隔离全套动作，动作速度要求一般在几个毫秒。此外，从全网运行可靠性以及故障后的系统快速恢复考虑，电压跌落到零意味着系统的完全崩溃，且故障消失后需要长时间的恢复过程，事实上柔性直流电网对保护的动作速度要求将进一步提高；而且两电平VSC故障电流上升速度快且不受控的问题在柔性直流电网中将会由于多站叠加而加剧，因此在多端柔性直流电网中的应用存在一定的局限性。

柔性直流输电

柔性直流输电技术目录简介 (1) 原理 (2) 战略意义 (3) 应用前景展望 (4) 常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5) 一、常规直流输电技术 (5) 二、柔性直流输电技术 (6) 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7) 四.运行方式 (8)

简介柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展

的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。因此，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原理与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，

柔性直流输电与高压直流输电的优缺点

柔性直流输电与高压直流输电的优缺点 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

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。三、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。

柔性直流输电在配电网中的应用

2016 Year Spring Term Course examination （Reading Report、Research Report） : 直流输电技术考核科目 Examination Subjects 学生所在院（系） :电气工程及其自动化学院 School/Department :电力系统及其自动化学生所在学科 Discipline : 金昱学生姓名 Student’s Name :15S006048 学生学号 Student No. : 考核结果 Examination Result 阅卷人Examiner

直流输电技术课程报告—— 柔性直流输电在城市配电网中的应用（哈尔滨工业大学金昱 15S006048） 1 城市配电网输电技术研究现状随着我国电力系统整体配置的不断发展，国家对城乡配电网建设日益重视，如何科学地设置城市配电网的规划显得尤为重要。在传统的电力建设中，我国总是将发电摆在第一位，输送配电摆在第二位，认为只要有充足的电能资源就可以做好电力系统的建设。但是，输送配电也在无形中影响着城市供电的能力和供电的可靠性。因此，合理适当的城市配电网规划在逐渐彰显着自己独特的优势，为电网建设的改造提供了合理性、科学性的指导经验。 1.1 我国配电网技术背景及现状如今，我国有意识地改变原先的“重发电、轻输送配电”的现状，并取得了一定的成果，使得整体上配电网的设置都趋向了正规、合理。但是由于我国在配电网规划上发展较晚，依旧存在一些不合理的因素： (1)基础差、底子薄。基础差、底子薄是我国配电网建设的真实写照。在过去的电网建设中，由于缺乏早期的勘测、考察和规划，导致我国配电网的设置分布不合理，供电线路较长，损坏较严重。一些城市出现了市中心电源丰富，周边村落电源稀少的现状，这种情况致使一些周边农村长期处于没有电用的状态。 (2)电路结构不合理，转换复杂、不灵活。我国在电网建设中呈现出电路复杂、互相交错、难以移动等现象。近电远送、电网接线复杂、迂回供电、专用线路占有主线路过多等不合理的安排也为之后重新建设新电路结构带来了极大的不便，也增大了电路维修的困难。 1.1 直流输电供电与交流输电的优劣势交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能（水流能、风能……）、化学能（石油、天然气……）等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便．这是交流电与直流电相比所具有的独特优势。

柔性直流输电系统拓扑结构

·12· NO.14 2019 ( Cumulativety NO.50 ) 中国高新科技 China High-tech 2019年第14期（总第50期） 0　引言随着电子技术的发展和绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出现，电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）技术应运而生，为柔性直流输电奠定了技术基础。柔性直流输电不需要传统交流输电系统的换相容量，并且对无源载荷提供电力，并广泛适用于城市供电、偏远地区供电、新能源发电并网等供电新领域。此外，柔性直流输电系统还具有较高的可控性，较低的成本，较小的电力损耗，可实现动态无功补偿等，因此成为当前输电领域研究的热点之一。柔性直流输电技术中，输电系统的拓扑结构是关键环节之一。合理的拓扑结构能够有效提高直流输电系统的输电效率和可靠性，因此是目前柔性直流输电系统研究的重点。本文将分析柔性直流输电系统的技术原理，并对柔性直流输电系统的拓扑结构进行研究，从而为我国柔性直流输电系统的设计与建设提供理论参考。 1　柔性直流输电系统的技术原理目前工程领域常用的柔性直流输电系统主要采用３种方式：两电平电压源换流器、多电平电压源换流器和模块化多电平电压源换流器（MMC）。1.1　两电平电压源换流器的技术原理两电平电压源换流器的每一相都有２个桥臂，因此共有6个桥臂构成，每个桥臂都是由二极管和 IGBT通过并联方式组成，如图1所示。在工程应用中，为了提高柔性直流输电系统的供电电压和供电容量，一般可将多个二极管和IGBT并联再串联。并联的二极管与IGBT所串联的个数直接决定VSC的额定功率和耐压强度。在两电平电压源换流器的设计中，每一相的２个桥臂上的IGBT均可以单独导通，并单独输出２个电平，最后通过PWM对输出电平进行调制，最终得到柔性直流输电波形。图1　两电平电压源换流器示意图两电平电压源换流器通过增加串联的二极管和GBIT提高供电电压和电流，因此在大容量直流输电方面存在较大技术缺陷。随着串联的二极管和GBIT 个数的增加，将增加动态电压的不稳定性，而且串联的二极管和GBIT也会增加输电系统输电波形的谐波含量，进而降低柔性直流输电系统的功率和效率。1.2　多电平电压源换流器的技术原理多电平电压源换流器技术在两电平电压源换流柔性直流输电系统拓扑结构叶　林（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东广州 510000）摘要：柔性直流输电系统具有线路损耗低、可控性强等优势，成为当前电力网大力发展的输电方案。柔性直流输电系统的拓扑结构则是输电工程中的关键技术之一，决定输电网络的性能。文章分析了柔性直流输电系统的技术原理，重点对柔性直流输电系统的拓扑结构进行了研究，为柔性直流输电系统的拓扑结构方案设计与应用提供理论参考。关键词：柔性直流；输电系统；拓扑结构；输电方案文献标识码：A 中图分类号：TＭ131文章编号：2096-4137（2019）14-012-03 DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2019.14.04 收稿日期：2019-04-30 作者简介：叶林（1987-），男，河南信阳人，供职于中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，研究方向：超（特）高压输电运维柔性直流输电系统拓扑结构。

柔性直流电网架空线路快速保护方案

htt p ://www.ae p s 柔性直流电网架空线路快速保护方案王艳婷,张保会,范新凯 (电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) ,陕西省西安市710049)摘要:基于柔性直流输电的直流电网技术,是大规模清洁能源接入电网的有效手段,直流电网快速线路保护是其面临的重要技术挑战之一三以国内计划建设的张北直流电网工程为背景,提出了一套适用于全网配置直流断路器二采用架空线输电的对称双极直流电网线路快速保护方案三保护仅利用单端信息进行故障判别,且保护数据窗短,满足速动性的要求;保护采用电压梯度快速检测故障,利用限流电抗器对故障电压信号的平滑作用实现故障区间的判别,并根据零模与一模电压传播特性的差异判定故障极,实现保护的选择性与高可靠性三结合直流电网的PSCAD 模型,验证了所提出方案在不同故障情况下的保护性能,并分析了保护对运行方式改变的适应性三关键词:柔性直流电网;线路保护;架空线路;电压变化率;故障极判别收稿日期:2016-06-12;修回日期:2016-09-13三上网日期:2016-09-23三国家自然科学基金资助项目(51577148);国家重点研发计划资助项目(2016YFB0900603) 三0一引言近些年来,全球清洁能源发电得到了飞速的发展,但是,由于风能二太阳能等清洁能源具有间歇性二随机性特点,电力系统自身消纳能力受限,导致出现大量弃风二弃光等现象[1-3] 三柔性直流输电是基于电压源换流器(volta g e source converter ,VSC )的高压直流输电,可提高清洁能源发电的并网效率,缓解电压波动对电网造成的冲击,基于柔性直流输电的直流电网技术,是大规模清洁能源基地接入电网的重要技术手段[4-5] 三为配合绿色奥运的理念,国家电网公司计划在北京二河北建设张北柔性直流电网[ 4,6] 三该直流电网工程综合了大规模风二光二储等清洁能源发电和直流电力传输,是目前世界上电压等级最高二输电容量最大的直流电网工程三该工程计划选用对称双极主接线方式,采用架空线输电形式,为实现快速故障清除,选取半桥子模块和直流断路器相结合的配置方案三直流电网的线路继电保护技术是其面临的重要的技术挑战之一三由于直流电网是一个低惯量系统,若发生直流故障将瞬间影响到整个直流电网,保护系统需具备极高的响应速度,要求故障检测时间小于2ms [1,6] 三为实现最小范围隔离故障,直流电网线路保护需具有选择性,准确甄别故障线路,仅隔离故障线路,保证非故障区域正常运行[ 7]三目前基于VSC 的双端柔性直流输电工程,线路故障大多通过断开两端换流站的交流断路器进行清除[8-9] 三文献[10-11]提出的基于两电平VSC 的多端柔性直流系统故障线路识别与隔离方法,故障后同样需要闭锁所有换流站并断开交流断路器实现故障清除,随后再根据握手原则识别故障线路,通过解锁换流站和重合交流断路器,使未故障部分继续运行三故障发生后,整个直流系统需要经历短暂的停运,对系统的可靠性影响较大三该类保护方案不适用于全网配备直流断路器的直流电网三文献[12] 提出了一种基于行波原理的直流电网故障识别方案,依据故障行波到达各换流站的时间差进行故障判别,需要站间的快速通信与信息同步三文献[13]基于电流差动原理,利用线路两端电流信息实现直流电网故障判别,同样需要站间的通信,难以满足直流电网保护的快速性要求[14] 三文献[15]提出了一种无需通信的快速直流电网故障甄别算法,该算法利用小波变化进行故障判别,并采用三模冗余技术提高保护的可靠性三文献[16] 提出了一种基于单端电压变化率和电压幅值的直流电网线路故障甄别方法,保护基于时域信息,计算量大大减小三由于目前运行的直流电网工程多采用对称单极结构及电缆输电方式,以上直流电网线路保护研究均针对此类直流电网进行三张北直流电网工程采用直流架空线传输,线路故障概率高,多为瞬时故障,并且架空线路输电系统 3 1Vol.40No.21Nov.10,2016 DOI :10.7500/AEPS20160612007 万方数据