柔性直流输电
柔性直流输电技术的应用探究
柔性直流输电技术的应用探究柔性直流输电技术（Flexible DC Transmission, FDCT）是一种新型的输电技术，它采用直流电压进行能量传输，可以有效地解决传统交流输电技术的诸多问题，具有输电损耗小、占地面积小、环境污染小等优点。
随着科技的不断进步，柔性直流输电技术已经开始在实际工程中得到广泛应用。
本文将就柔性直流输电技术的应用进行探究，分析其在电力系统中的优势和发展前景。
一、柔性直流输电技术的原理与特点1. 原理柔性直流输电技术是一种通过控制直流电压和电流来实现能量输送和分配的技术。
其核心是采用高性能的功率电子设备对直流电压进行控制，以实现灵活的功率调节、电压调节和频率调节。
通过控制系统可以实现功率的快速响应和精确调节，使得柔性直流输电系统能够适应复杂多变的电网工况。
2. 特点（1）输电损耗小：相比于传统的交流输电技术，柔性直流输电技术在能量传输过程中损耗更小，能够有效节约能源。
（2）占地面积小：柔性直流输电技术所需的设备相对较小，可以在有限的空间内实现高效的能量传输。
（3）环境污染小：柔性直流输电技术的设备采用先进的电力电子元件，不会产生有害的电磁辐射和废气排放，对环境友好。
二、柔性直流输电技术在电力系统中的应用1. 长距离电力输送柔性直流输电技术在长距离的电力输送中具有明显的优势。
传统的交流输电技术在长距离输电过程中会出现较大的输电损耗，而柔性直流输电技术可以通过控制系统实现功率的精确调节，大大减小了输电损耗，提高了输电效率。
2. 大容量电力输送由于柔性直流输电技术具有较高的电压和电流调节能力，能够实现大容量的电力输送。
在大规模工业园区、城市用电中心等场景下，柔性直流输电技术可以有效地满足电力需求，支持电网的高容量输电。
3. 电力系统稳定性改善柔性直流输电技术在电力系统中的应用可以提高系统的稳定性。
通过柔性直流输电技术可以实现快速的电压调节和频率调节，对电网负载波动具有较强的适应能力，有助于降低电网的故障率和提高电网的可靠性。
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
V ' Vs Rc I c js Lc I c
向无源网络供电时，无PLL，θs可由控制器决定
-33电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC 功率外环控制
• 定直流电压控制
– 基于电压源换流器的高压直流输电技术（ VSC-HVDC）
-11电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
-12-
电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
LCC-HVDC VSC-HVDC
采用晶闸管，相当于电流源，直流电流单向流 采用 IGBT （反并联二极管），相当于电压源，直 通。 流电流可双向流通。 电网换相，需要较强交流系统支撑，否则存在 自换相，可以给无源网络供电。 换相失败的危险。 控制有功时，无功也随之变化，吸收 40%-60% 可以同时相互独立的控制有功和无功，可以吸收/ 的无功，不能独立控制有功和无功。 发出无功，可四象限运行。 含有大量低次谐波，需大量滤波器及无功补偿 不需无功补偿装置，只需少量高次谐波滤波器， 装置，占地面积大。 占地面积小，约为相同容量传统直流的20%。 使用架空线路、电缆或二者结合。 目前商用化工程使用电缆（有利于降低直流线路 故障率，减小高次谐波对通信影响）。
2.2 VSC-HVDC的基本原理
• VSC的有功与无功：
P U s U c sin Xc
Q U s U s U c cos Xc
• 通过调节δ角可以控制VSC传输有功的大小和方向：
– 当δ＜0时，运行于整流状态，从交流电网吸收有功； – 当δ＞0时，运行于逆变状态，向交流电网发出有功。
柔性直流供电
柔性直流输电适合应用的领域
一、岛屿供电和海上平台供电。以往此类供电通常 采用昂贵的本地发电系统，比如柴油机。但使用 柔性直流输电系统可以直接从大陆上直接输电， 不仅更加便利、便宜，而且没有环境污染。同时 一些偏远地区的发电系统也可以回馈电网。
二、电力系统的互连。当两个独立的电力系统互连， 柔性直流输电的好处能够得到最大的体现，特别 是对于异步的电力系统。这是由于柔性直流输电 系统可以同时控制互连的两个电力系统的无功功 率和电压。
(2)基于晶闸管的直流输电受端网络必须有足够的容 量，即必须有足够的短路比(SCR—Short Circuit Radio)，受端网络较弱时容易发生换相失败，这 时会造成几个周期内没有电力传送的状况：对于 向无源网络(或孤立负荷)供电，基于晶闸管的 HVDC技术因无法换相更是无法完成。
针对这些缺陷，同时伴随大功率可自关断器件的 发展，一种全新的高压直流输电方式一一柔性直 流输电开始高速发展开始高速发展。
直流输电特点有何特点
直流线路电流和功率调节迅速、方便，短路电流 较小；在导线几何尺寸和电压有效值相等的条件 下，电晕无线电干扰较小；线路在稳态运行时没 有电容电流，沿线电压分布平稳；每个极可以作 为一个独立回路运行，健全极仍可传送一部分功 率。基于这些优势，高压直流输电(HVDC-High Voltage Direct Current)技术得以大力发展。
交流输电局限性
由于集肤效应、电晕效应以及各自本身结构，当 输电距离超过一定距离(400’700KM)，交流输电 成本高于直流输电；交流线路输送功率决定于线 路两端电压相量的相位差，这个相位差随输送距 离增大而增大；交流线路电压控制复杂为了克服 线路电容充电和系统稳定性方面的问题，交流输 电需要进行补偿，直流输电不需要；交流输电无 法实现非同步联网；交流输电中的零序电流在稳 态下是不能容许的，因为大地阻抗很高，不但能 影响电能输送的效率，还会产生电话干扰。
柔性直流输电基本控制原理
暂态稳定性分析是评估柔性直流输电系统在故障或其他大的扰动情况下的性能的重要手段。通过模拟 系统在各种故障情况下的响应，可以了解系统的暂态行为和稳定性，为控制策略的制定提供依据。
运行稳定性分析
总结词
运行稳定性分析是研究系统在正常运行 条件下的动态性能，通过仿真和实验等 方法，分析系统的运行稳定性和控制性 能。
促进可再生能源的接入
柔性直流输电能够更好地接入可再生能源，有助于实现能源 的可持续发展。
02
柔性直流输电系统概述
柔性直流输电系统的基本结构
换流阀
换流阀是柔性直流输电系统的核心部件，负责 实现直流电的转换和传输从一端传 输到另一端。
滤波器
滤波器用于滤除谐波和噪声，保证传输电能的 纯净。
柔性直流输电基本控制原理
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目 录
• 引言 • 柔性直流输电系统概述 • 柔性直流输电系统的控制策略 • 柔性直流输电系统的稳定性分析 • 柔性直流输电系统的保护与控制
一体化 • 柔性直流输电系统的应用与发展
趋势
01 引言
背景介绍
传统直流输电的局限性
传统直流输电在电压源换流器（VSC） 控制策略上存在局限，难以满足现代 电力系统的需求。
3
保护和控制设备之间的通信应具有高可靠性和实 时性，以确保快速响应和准确控制。
保护与控制一体化的优点与挑战
优点
保护和控制一体化可以提高系统的快速响应 能力和稳定性，减少故障对系统的影响，降 低维护成本和停机时间。
挑战
保护和控制一体化需要解决多种技术难题， 如传感器精度、数据处理速度、通信可靠性 和实时性等，同时也需要加强相关标准和规 范的建设和完善。
柔性直流输电系统的未来展望
2024年柔性直流输电市场发展现状
2024年柔性直流输电市场发展现状引言柔性直流输电（Flexible Direct Current Transmission，简称FDCT）作为一种新型的输电技术，具有多种优势，如高效、低损耗和灵活性等。
随着电力需求的不断增长和可再生能源的迅速发展，柔性直流输电市场正逐渐展现出巨大的潜力。
本文将对柔性直流输电市场的发展现状进行分析和探讨。
主要内容1. 柔性直流输电技术简介柔性直流输电技术是一种将输电线路由传统的交流形式转变为直流形式的技术。
该技术利用高压直流输电（High Voltage Direct Current，简称HVDC）系统，通过转换站将交流电转换为直流电进行输送。
相较于传统的交流输电方式，柔性直流输电可以实现更高效率和更远距离的电能传输。
2. 柔性直流输电市场发展趋势柔性直流输电市场正逐渐蓬勃发展，并且呈现出以下几个主要的发展趋势：•可再生能源促进发展：随着可再生能源的快速发展，如风能和太阳能等，柔性直流输电正成为将这些能源从产地输送到用电地点的理想选择。
柔性直流输电系统可以实现大规模清洁能源的长距离传输。
•输电效率提高：与高压交流输电相比，柔性直流输电系统的输电效率更高。
因为直流电在输送过程中的能量损失较小，可以大幅度降低电力传输过程中的能量损耗，提高输电效率。
•电网稳定性提升：柔性直流输电系统具备快速响应和调节电网负荷等特点，可以提高电网的稳定性。
在能源供需波动较大的情况下，柔性直流输电系统可以有效地平衡能源供给和需求，提高电网的可靠性和稳定性。
3. 柔性直流输电市场的挑战柔性直流输电市场的发展也面临着一些挑战，主要包括以下几个方面：•技术难题：柔性直流输电技术相对较新，还存在一些技术难题，如电能转换效率、电气设备可靠性和环境适应能力等问题，需要进一步解决和改进。
•经济可行性：虽然柔性直流输电具有诸多优势，但是其建设和运营的成本相对较高，需要对投资回报作出准确评估，以确保项目的经济可行性。
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。
柔性直流输电技术简述
柔性直流输电技术介绍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。
自1997年赫尔斯扬试验工程投入运行以来，柔性直流输电技术迅速发展，目前已有13项工程投入商业运行，最高电压等级已达±200kV，最大工程容量达到400MW，最长输电距离为970km。
通过各个领域专家的不断创新和工程建设运行经验的不断积累，柔性直流输电技术作为一种先进的输电技术已具备大规模应用的条件。
图1两端VSC-HVDC系统典型结构图2008年12月，“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。
该工程联接上海南汇风电场与书院变电站，用于上海南汇风电网并网，是中国首条柔性直流输电示范工程。
该工程由中国电力科学研究院开发，负责接入系统设计、设备供货及工程实施等工作。
2柔性直流输电技术的研究现状2.1高压大容量电压源变流器技术2.2.1模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter,MMC）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2所示。
(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
世界柔性直流输电工程建设与应用案例
世界柔性直流输电工程建设与应用案例柔性直流输电技术是一种新型的电力传输方式，采用直流电输送电能，具有输电损耗小、效率高、稳定性好等优点，在世界范围内得到了广泛应用。
下面是世界柔性直流输电工程建设与应用的一些案例。
1.德国柏林-德累斯顿柔性直流输电工程德国柏林-德累斯顿柔性直流输电工程是世界首个采用柔性直流输电技术的输电工程。
该工程由德国ABB公司承建，输电距离约为354公里。
该工程的建成使得德国能够从北部风电丰富的地区将电能输送到南部需求量大的地区，有效解决了德国能源供需不平衡的问题。
2.中国青海-河南柔性直流输电工程中国青海-河南柔性直流输电工程是世界上最长的柔性直流输电工程之一，由中国国家电力公司承建。
该工程全长约2700公里，输电容量达到12GW。
该工程通过柔性直流输电技术，将青海丰富的风电和太阳能资源输送到中原地区，解决了中原地区电力供应不足的问题，同时实现了可再生能源的高效利用。
3.挪威-英国柔性直流输电工程挪威-英国柔性直流输电工程是一项具有国际意义的跨国合作项目，由挪威Statnett公司和英国National Grid公司合作建设。
该工程将挪威丰富的水电资源输送到英国，满足英国的电力需求。
该工程输电距离约730公里，输电能力达到1.4GW。
该工程的建成不仅实现了两国电力之间的互补，还推动了北海风电资源的开发利用。
4.日本北海道柔性直流输电工程日本北海道柔性直流输电工程是日本首个采用柔性直流输电技术的输电工程。
该工程由日本电力公司承建，用于将北海道的风能资源输送到本州地区。
该工程全长约530公里，输电能力达到1GW。
该工程的建成在日本推动了可再生能源的开发和利用，同时优化了全国的电力供应结构。
5.澳大利亚海底-内陆柔性直流输电工程澳大利亚海底-内陆柔性直流输电工程是世界上第一条长距离海底输电线路，由澳大利亚传统能源公司和国家电网公司合作建设。
该工程全长约1800公里，将澳大利亚南部的风能资源输送到北部地区。
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
柔性直流输电技术的应用探究
柔性直流输电技术的应用探究一、柔性直流输电技术的基本原理柔性直流输电技术是一种将交流电转换为直流电进行输送的技术，在输电过程中可以通过调节输电系统的电压和频率来适应电网负载的变化。
其基本原理是利用电力电子器件和高压换流器将交流电转换为直流电，然后通过高压直流输电线路进行输送。
在接收端利用相同的技术将直流电转换为交流电。
相比传统的交流输电技术，柔性直流输电技术具有更低的损耗和更高的输电效率，可以更好地应对电网的负载变化。
1. 柔性直流输电技术在远距离输电中的应用由于柔性直流输电技术的低损耗和高效率，它在远距离输电方面具有明显的优势。
传统的交流输电技术在长距离输电时会有较大的电力损耗，而柔性直流输电技术可以有效解决这一问题，使得电力输送更加经济高效。
在长距离输电的项目中，柔性直流输电技术得到了广泛的应用。
随着海上风电、海上太阳能等海洋能利用项目的发展，海底输电技术也越来越受到关注。
传统的交流输电技术在海底输电中存在电力损耗大、成本高等问题，而柔性直流输电技术可以很好地解决这些问题，使得海底输电更加可行。
目前，柔性直流输电技术已经在一些海上风电项目中得到了应用，并取得了良好的效果。
随着电力系统的不断升级和改造，柔性直流输电技术也得到了广泛的应用。
在电网升级中，柔性直流输电技术可以有效地提高电网的稳定性和安全性，同时还可以实现电网的智能化管理。
柔性直流输电技术在电网升级改造项目中具有很大的潜力。
1. 技术的不断创新随着技术的不断进步，柔性直流输电技术也在不断创新。
未来，随着新型的电力电子器件和高压换流器的不断发展，柔性直流输电技术将会变得更加高效和可靠。
柔性直流输电技术在控制和管理方面也将得到进一步的改进，以满足电力系统对于稳定性和灵活性的需求。
2. 应用范围的进一步扩大随着技术的不断成熟，柔性直流输电技术的应用范围也会进一步扩大。
除了在远距离输电、海底输电和电网升级中的应用外，柔性直流输电技术还可以在微电网、电力市场等领域发挥重要作用。
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
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“ LineCommutatedConverter ”，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-TeckOoi 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（3MW ，± 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”。
柔性直流的概念
柔性直流的概念柔性直流（Flexible DC）是一种新兴的电力传输和配电技术，它结合了直流和柔性输电技术，能够提供可持续和高效的电能传输和分配方案。
与传统的交流输电系统相比，柔性直流系统具有更高的效率、更小的传输损耗和更好的电力质量。
本文将从柔性直流的概念、优点、应用领域和前景等方面进行详细阐述。
首先，柔性直流是指通过直流电流进行电力传输和分配的技术。
传统的电力系统主要采用交流输电，但随着新能源的大规模接入和电力负荷的变动，交流输电系统存在一些不足之处。
柔性直流系统引入了大功率电电子设备（如换流器和变频器）来控制直流电流的传输和分配，从而实现了直流电流的高效、快速和可控。
这种电力传输方式具有很好的适应性，可以适应不同的电力系统结构和电能传输需求。
其次，柔性直流系统具有多方面的优点。
首先，柔性直流系统的电力传输效率更高。
由于直流电流不会产生电磁感应现象，因此柔性直流系统的传输损耗更小。
此外，柔性直流系统可以实现电流的可控分配，可以根据实际需求对电力进行精确调节，进一步提高电力传输的效率。
其次，柔性直流系统的电力质量更好。
直流电流不会因为电压波动而产生谐波和电压暂变，因此柔性直流系统的电力质量更稳定，更适合供电敏感的设备和系统。
此外，柔性直流系统还可以提供灵活的电能调度和电能储存功能，并可以与多种新能源设备（如太阳能和风能）进行有效地整合，从而提高电力系统的可靠性和可持续性。
柔性直流系统在多个领域具有广泛的应用前景。
首先，在新能源领域，柔性直流系统可以实现新能源的高效接入和平稳供电。
由于新能源具有波动性和不稳定性，传统的交流输电系统无法满足其接入需求。
而柔性直流系统可以实现对新能源的精确控制和管理，从而实现可持续的电能利用。
其次，在电力配电和微电网领域，柔性直流系统可以实现可靠的分布式发电和电能分配。
由于柔性直流系统可以实现高效的电能调度和电能储存，因此可以实现个体用电设备之间的灵活供能和能量交换。
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
柔性输电技术
柔性直流输电技术概述1、直流输电技术的发展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。
虽然历史上第一个实用的电力系统采用直流输电，但由于在电力工业发展初期，直流输电与交流输电相比存在很多劣势，如灵活变压能力差、电压低、损耗大、联网能力差、供电范围小、输电和用电设备复杂、维护量大和成本高等，导致直流输电的发展较慢。
在很长一段时间内，直流输电都处于劣势，而交流输电发展迅速，占据了电力工业的主导地位。
但是随着电力系统的不断发展壮大，电网联系日趋复杂，交流系统也暴露了一些其固有的特点，特别是交流远距离输电受到同步运行稳定性的限制，直流输电技术重新为人们重新重视，从而推动直流输电技术的快速发展。
由于电力系统的发输配电各个环节绝大部分均为交流电，要采用直流输电，就必须要解决换流问题，因此，直流输电技术的发展主要体现在换流器件的发展变化上。
2、柔性直流输电的基本原理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。
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内环电流控制器、外环 控制：无功功率、有功 功率、直流电压、交流 电压等。
基本控制策略
•内环解耦控制
ud(t)
+
Rid
(t)
−
ωLiq
(t)
+
L
d dt
id
(t)
uq
(t)
缺点：开关器件承受电压较高、 输出波形较差；
NPC多电平工作原理
在相同直流电压下，其开关器件
所承受的电压减小一半，并减少
valve
了换流器输出的谐波量，换流器 L
所用器件的个数增加，电路结构 ua
和开关调制算法也随之更为复杂。ub uc
二电平变流器输出线电压供有
±Ud、0三个电平；三电平变流
器供有±Ud、 ± Ud/2、 0五
Caprivi Link 2009 300MW,970km,350kV,
电力交易
Murrylink 2002 200MW/+140~-150MVar, 180km,±150kV,电力交易
关于命名
CIGRE和IEEE，将其正式称为“VSC-HVDC”，即“电 压源变流器直流输电”； ABB称为轻型直流输电（HVDC Light），并作为商 标注册；最大输送容量1200MW、电压±320kV； 西门子公司则称之为HVDC Plus； 随着可关断器件和控制技术的发展，在不远的将来， VSC-HVDC技术与传统的CSC（LCC）-HVDC技术 之间必将形成相抗衡的局面，甚至取代CSC （LCC）-HVDC的可能； 2006年5月，国家电网公司科技部和中国电力科学研 究院组织国内权威专家在北京召开“‘柔性（轻型）直 流输电系统关键技术研究框架’研讨会”。在会上，与 会专家一致建议国内将该技术暂时统一命名为“柔性 直流输电”，对应英文为HVDC Flexible。
直流电容：储能元件。缓冲开断冲击 电流，减少直流电压谐波，为受端提 供电压支撑。缓解电压闪变，影响控 制系统动态相应。极接有直流滤波器 处理电压纹波。 另有0序电抗器，和滤波器一起减缓 对直流电缆附近的金属电话线的干扰
。
换流器和电网之间传输有功功率P和无功功率Q：
P = U sV sin δ
X
Q = U s (U s − V cosδ )
HVDC和HVDC Light比较
单变换器容量 半导体技术 相对体积 电缆类型 有功控制 无功控制 电压控制 故障穿越 “黑启动”功能 交流端短路能力要求 无中断潮流反转 负荷侧电源 最低直流潮流 变换器一般损耗 操作经验 海上操作经验
150-1500MW
50-550MW
电网电压换相
自换相
4-6
1
换流变压器：将交流 电压变换到与直流侧 电压匹配的二次侧电 压，确保调制度不至 于过小，以减小输出 电压和电流的谐波量 ，进而减小交流滤波 的容量和换流器损耗
换流站结构
换流电抗器： 对换流器输出的PWM电 压进行低通滤波，确保 输出基频电压信号，同 时为变换器输出和变压
器之间提供阻抗。
VSC：桥臂由IGBT 和DIODE组成。通 常用元件串并联﹑ 多电平 ﹑单元串并
柔性直流输电
传统直流输电
传统HVDC以晶闸管 为换流元件，采用 相控换流技术，以 交流母线线电压过 零点为基准，通过 顺序发出的触发脉 冲，形成一定顺序 的硅阀的通与断， 从而实现交流电与 直流电的相互转换。
轻型直流输电
最早加拿大学者于1990年提出。ABB命名HVDC Light。 谐波大为减弱 ；无功补偿容量减少；不会出现换相失败故障；
式可得N次方程组，解方
程可得α1～αN。
保护系统
• 优先级别:器件级、装置级和系统级; • 内部故障和外部故障。外部故障发生在直流输电线
上，若是电缆，故障将会是永久性的，系统应该闭锁。 如果是架空线，故障应该是暂时的。为了防止故障通 过VSC站的反并联二极管馈入，必须使所有末端交流 电路断路器或者直流断路器跳闸。如果是内部故障， VSC必须隔离任何故障元件并且迅速地把VSCHVDC系统从运行中闭锁。内部故障可能是短路或者 是非正常运行，将导致设备的损坏或者干扰交流系统 的有效运行。 • 外部暂态故障清除后, VSC-HVDC能够手动或自动重 启。对于非永久性故障，VSC-HVDC 系统不应该跳 闸，这是针对风力发电保护的基本要求。 • VSC中，对门极单元的保护可以在几纳秒内动作，根 据电容和电抗器电流整定的备用保护可以在3微秒内 动作。
(k) − udc (k))
=
Eq (k )iqref (k ) udc (k )
− il (k)
iqref
=
iqref (k ) = kdcpf
udc (k ) C Eq (k) Ts
(u dcref
(k)
−
u dc
(k ))
+
udc (k) Eq (k)
il
(k)
p ref Eq
idref
= Qref Eq
容量改善措施
换流站由多个两电平换 流器并联组成，提高了 输出电流的大小，桥臂 器件所承受的电压都是 一样的。当采用载波移 相开关调制策略时，提 高了等效开关频率，大 大减小换流器的输出谐 波，连接变压器只起电 气藕合的作用。
换流器单元串联提升整 个容量，减小了开关器 件的电压应力。
控制策略
间接电流控制：通过控 制VSC交流侧电压幅值 和相位，进而控制交流 电流。
阀
为了提高换流器容量和桥臂的耐压水平，通 常采用桥臂开关器件的串并联来实现。由于 采用IGBT等全控型开关器件，要求在同一桥 臂上各个开关器件的开通和关断必须保持同 步，所以对触发脉冲的同步和各器件间的均 压电路等都提出极高的要求。为了保证可靠 性，串联电路采用冗余控制，故障的IGBT通 常短路，不会影响其它IGBT工作。
两电平电路工作原理
VSC单相结构上下桥臂的开关器
件由正弦调制波与三角载波比较
valve
L
C
产生的触发脉冲来驱动。上下桥 ua
臂的开关管在脉冲驱动下，实现 ub
高频开通和关断，桥臂中点电压 uc
uc则在两个固定电压+ud和-ud
C
之间快速切换，经过电抗器滤波
后则为网侧的交流电压us。
优点：电路简单、直流电容较小、 占地面积小、器件开关频率一 致；
开关模式
开关模式：SPWM、 SVPWM、OPWM。 OPWM通过导通角的控制 来减少输出波形中的谐波
含量。从理论上说，选择 前1/4周期的N个触发 角，就能1～N次波形幅值。
Vk
=
4E
kπ
1
令V1=
N
+ 2∑ (−1)i i =1
Vref(
cos(kαi )
参考值
)
，
Vk=0(k=2～N)，代入上
阀控制最主要是IGBT的均压，如果仅使用RC 缓冲器，则RC缓冲器的电容和开关元件的损 耗会加大，还必须加入定时调节电路来调节 不同IGBT和门极驱动信号初始的时间差。
通常，脉冲的传输由光纤完成，定时调节电 路由FPGA芯片形成，按40ns的倍数调节光纤 传输的时间延迟，目的是减少因IGBT本身特 性引起的时间延迟，定时调节电路在测试 IGBT开关时进行调试。
联
直流电缆：新型的三层聚合 材料挤压的单极性电缆。高 强度﹑环保﹑方便掩埋﹑适 于深海传输。重量轻﹑功率
密度大
交流滤波器：由于开关频率较高，从换流电抗器输出含有很少的 低次谐波。但其总的谐波畸变率不能达到相关的谐波标准。对此 ，通常是在换流母线处安装交流滤波器加以抑制，容量和参数选 择与换流器拓扑结构、开关频率及其调制方式等因素有关。
X
V：换流器输出基波；Us:交流基波； δ：V和Us的相角差；X：换流电抗器电抗。
当P和Q的合成值在圆环以内时，换流器 在四个相限内能发出理想的P和Q 。
P在两端之间传递： pc1 − pc2 = ploss
两端的Q的调节是完全独立的。 操作范围受到电流和电压的限制， 因为功率器件耐压能力的限制， 变换器输出电压达不到理想值，功 率的操作范围就会如虚线所示。
大型纸浸渍电缆、3
聚合物电缆、2
能
能
不能
能连续控制
范围小
范围大
不能
能
没有
有
>2倍额定功率
不需要
不能
能
需要
不需要
5-10%额定功率（20%） 无最小要求、影响效率
0.8% >20年
1.6% <10年
没有
有
应用工程
Valhall 2010 78MW,292km,150kV,
海上平台供电
Tjareborg 2000 7.2MW/-3~+4MVar,4.3km, ±9kV,风力发电示范工程
项目名称
时间
Gotland
1999
Tjaereborg 2000
Directlink 2000
Cross Sound 2002 Murrylink
拓扑
两电平 三电平
模式 SPWM
3PWM SPWM
频率 (Hz) 1950
1260 1350
Estlink
2006 两电平 OPWM 1150
接线方式
方式（1）能方便隔离零序分量的 通路，可利用调节变压器分接头来 改变直流输电系统的功率输送能力。 变压器连接系统侧采用星形接法， 靠近换流器侧则采用三角形接法。 主要优势是：一，减少系统谐波分 量和直流分量；二，为减少开关损 耗和提高换流器的功率输送能力， 换流站的开关调制需要采用不同的 零序分量注入方法。如变压器二次 侧采用三角形接法后，可以避免零 序分量对交流系统的影响。 方式（2）由于换流站经电抗器与 交流系统连接，直流侧电容不能接 地，否则会构成零序量回路。 方式（3）两侧VSC都通过电抗器 与交流系统相连，其直流侧也不能 接地，为消除交流系统中的零序分 量影响换流站侧的交流系统，在换 流站侧交流系统加装零序量滤波器。