柔性直流输电基本控制原理 PPT课件
柔性直流输电基本控制原理参考资料35页PPT
柔性直流输电基本控制原理参考资料
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
41、学问是异常珍贵的东西，Fra bibliotek任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
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
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。
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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
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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
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VSC-HVDC
工程应用比较
节 约
空 间
LCC-HVDC
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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 约为50%输送容量
换流站滤波器小组投 切过程较慢，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。
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
• 变压器损耗大，占地大，逐渐淘汰
• 通过功率模块串联，实现多电平换 流器结构
• 成为电网应用的主流 31
➢ 器件串联
ABB公司的两电平换流器的串联IGBT阀，HVDC Light/SVC Light
基于ABB公司StakPakTM IGBT器件，器件不单独 出售
...
引自ABB参考资料
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➢ 器件串联
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。
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工程应用比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
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
4）美国ETO
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SCFM-短路失效模式
SCFM（Short-Circuit Failure Mode)
器件发生失效后器件处于短路 模式，并能够继续安全流过工 作电流，直至装置检修时更换
ABB StakPakTM IGBT在 SCFM方面的技术资料公开 比较充分，东芝IEGT也有 相关试验数据
故障后处于短路状态
结构上易于串联
散热性能好
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”;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;柔性直流系统外特性公式如下VSC与LCC相比,具有的根本性优势是多了一个控制自由度;LCC因为所用的器件是晶闸管,晶闸管只能控制导通而不能控制关断,因此LCC的控制自由度只有1个,就是触发角α,这样LCC实际上只能控制直流电压的大小;而VSC因为所用的器件是双向可控的,既可以控制导通,也可以控制关断,因而VSC有2个控制自由度,反映在输出电压的基波相量Uvsc上,就表现为Uvsc的幅值和相位都是可控的;因此从交流系统的角度看,VSC可以等效成一个无转动惯量的电动机或发电机,几乎可以瞬时地在PQ平面的4个象限内实现有功功率和无功功率的独立控制,这就是电压源换流器的基本特性;而柔性直流输电系统的卓越性能在很大程度上就依赖于电压源换流器的基本特性;1、可以归纳出柔性直流输电相对于传统直流输电的技术优势如下：1没有无功补偿问题：传统直流输电由于存在换流器的触发延时角α一般为10-15度和关断角γ一般为15度或更大以及波形的非正弦,需要吸收大量的无功功率,其数值约为换流站所通过的直流功率的40%-60%;因而需要大量的无功功率补偿及滤波设备,而且在甩负荷时会出现无功功率过剩,容易导致过电压;而柔性直流输电的VSC不仅不需要交流侧提供无功功率,而且本身能够起到静止同步补偿器的作用,可以动态补偿交流系统无功功率,稳定交流母线电压;这意味着交流系统故障时,如果VSC容量允许,那么柔性直流输电系统既可向交流系统提供有功功率的紧急支援,还可向交流系统提供无功功率的紧急支援,从而既能提高所连接系统的功角稳定性,还能提高所连接的电压稳定性;2没有换相失败问题：传统直流输电受端换流器逆变器在受端交流系统发生故障时,很容易发生换相失败,导致输送功率中断;通常只要逆变站交流母线电压因交流系统故障导致瞬间跌落10%以上幅度,就会引起逆变器换相失败,而在换相失败恢复前,传统直流系统无法输送功率;而柔性直流输电的VSC采用的是可关断器件,不存在换相失败问题,即使受端交流系统发生严重故障,只要换流站交流母线仍然有电压,就能输送一定的功率,其大小取决于VSC的电流容量;3可以为无源系统供电：传统直流输电需要交流电网提供换相电流,这个电流实际上是相间短路电流,因此要保证换相的可靠性,受端交流系统必须具有足够的容量,即必须有足够的短路比SCR,当受端交流电网比较弱时便容易发生换相失败;而柔性直流输电的VSC能够自换相,可以工作在无源逆变方式,不需要外加的换相电压,受端系统可以是无源网络,克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷,使利用直流输电为孤立负荷送电成为可能;4可同时独立调节有功和无功功率：传统直流输电的换流器只有1个控制自由度,不能同时独立调节有功功率和无功功率;而柔性直流输电的VSC具有2个控制自由度,可以同时独立调节有功功率和无功功率;5谐波水平低：传统直流输电的换流器会产生特征谐波和非特征谐波,必须配置相当容量的交流侧滤波器和直流侧滤波器才能满足将谐波限定在换流站内的要求;柔性直流输电的两电平或三电平VSC,采用PWM技术,开关频率相对较高,谐波落在较高的频段,可以采用较小容量的滤波器解决谐波问题；对于采用MMC的柔性直流输电系统,通常电平数较高,不需要采用滤波器已能满足谐波要求;6适合构成多端直流系统：传统直流输电电流只能单向流动,潮流反转时,电压极性反转而电流方向不动；因此在构成并联型多端直流系统时,单端潮流难以反转,控制很不灵活;而柔性直流输电的VSC电流可以双向流动,直流电压极性不能改变；因此构成并联型多端直流系统时,在保持多端直流系统电压恒定的前提下,通过改变单端电流的方向,单端潮流可以在正、反两个方向上调节,更能体现出多端直流系统的优势;7占地面积小：柔性直流输电换流站没有大量的无功补偿和滤波装置,交流场设备很少,因此比传统直流输电占地面积少得多;2、当然,柔性直流输电相对于传统直流输电也存在不足,主要表现在如下几个方面：1损耗较大：传统直流输电的单站损耗已低于0.8%,两电平和三电平VSC的单站损耗在2%左右,MMC的单站损耗可以低于1.5%;柔性直流输电损耗下降的前景包括两个方面：①现有技术的进一步提高；②采用新的可关断器件;柔性直流输电单站损耗降低到1%以下是可以预期的;2设备成本较高：就目前的技术水平,柔性直流输电单位容量的设备投资成本高于传统直流输电;同样,柔性直流输电的设备投资成本降低到与传统直流输电相当也是可以预期的;3容量相对较小：由于目前可关断器件的电压、电流额定值都比晶闸管低,如不采用多个可关断器件并联,VSC的电流额定值就比LCC的低,因此VSC基本单元单个两电平或三电平换流器或单个MMC的容量比LLC基本单元单个6脉动换流器的容量低;;目前已投运或正在建设的柔性直流输电工程的最大容量在1000MW左右,与传统直流输电的6000MW以上还存在一定的距离;但是,如果采用VSC基本单元的串、并联组合技术,柔性直流输电达到传统直流输电的容量水平是没有问题的,技术上并不存在根本性的困难;可以预见,在不远的将来,柔性直流输电也会采用特高压电压等级,其输送容量会与传统特高压直流输电相当;4不太适合长距离架空线路输电：目前柔性直流输电采用的两电平和三电平VSC或多电平MMC,在直流侧发生短路时,即使IGBT全部关断,换流站通过与IGBT反并联的二极管,仍然会向故障点馈入电流,从而无法像传统直流输电那样通过换流器自身的控制来清除直流侧的故障;所以,目前的柔性直流输电技术在直流侧发生故障时,清除故障的手段是跳换流站交流侧开关;这样,故障清除和直流系统再恢复的时间就比较长;当直流线路采用电缆时,由于电缆故障率低,且如果发生故障,通常是永久性故障,本来就应该停电,因此跳交流侧开关并不影响整个系统的可用率;针对此缺陷,目前柔性直流输电技术的一个重要研究方向就是开发具有直流侧故障自清除能力的VSC;三柔性直流输电应用领域及目前工程列表1、应用领域柔性直流输电目前主要的应用领域有异步电网互联、小型发电厂/新能源/分布式能源并网、偏远山区/海上供输电、城市输配电、电能质量改善等方面2、柔直工程列表二、柔性直流输电的分类与结构组成（一）柔性直流输电的分类及优缺点对比已有柔性直流输电工程采用的VSC主要有三种,即两电平换流器、二极管箝位型三电平换流器和模块化多电平换流器MMC,模块化多电平换流器在各种特性上都比较优越,所以模块化多电平为现在普遍应用的技术;两电平换流器的拓扑结构最简单,如图2.1所示;他有六个桥臂,每个桥臂由绝缘栅双极晶体管IGBT和与之反并联的二极管组成;在高压大功率的情况下,为提高换流器容量和系统的电压等级,每个桥臂由多个IGBT及其相并联的二极管相互串联来获得,其串联的个数由换流器的额定功率、电压等级和电力电子开关器件的通流能力与耐压强度决定;相对于接地点,两电平换流器每相可输出两个电平,显然两电平换流器需通过PWM逼近正弦波;二极管箝位性三电平换流器如图2.3所示;三相换流器通常公用直流电容器;三电平换流器每相可以输出三个电平,也是通过PWM逼近正弦波的;模块化多电平换流器MMC的桥臂不是由多个开关器件直接串联构成的,而是采用了子模块Sub-Module,SM级联的方式;MMC的每个桥臂由N个子模块和一个串联电抗器Lo组成,同相的上下两个桥臂构成一个相单元,如图2.5所示;MMC的子模块一般采用半个H桥结构,如图2.6所示;其中,uc为子模块电容电压,usm和ism分别为单个子模块的输出电压和电流;MMC的单相输出电压波形如图2.7所示;可见,MMC 的工作原理与两电平和三电平换流器不同,它不是采用PWM来逼近正弦波,而是采用阶梯波的方式来逼近正弦波;1、相对于两电平和三电平换流器拓扑结构,MMC拓扑结构具有以下几个明显优势：（1）制造难度下降：不需要采用基于IGBT直接串联而构成的阀,这种阀在制造上有相当的难度,只有离散性非常小的IGBT才能满足静态和动态均压的要求,一般市售的IGBT是难以满足要求的;因而MMC拓扑结构大大降低了制造商进入柔性直流输电领域的技术门槛;（2）损耗成倍下降：MMC拓扑结构大大降低了IGBT的开关频率,从而使换流器的损耗成倍下降;因为MMC拓扑结构采用阶梯波逼近正弦波的调制方式,理想情况下,一个工频周期内开关器件只要开关2次,考虑了电容电压平衡控制和其他控制因素后,开关器件的开关频率通常不超过150Hz,这与两电平和三电平换流器拓扑结构开关器件的开关频率在1kHz以上形成了鲜明的对比;（3）阶跃电压降低：由于MMC所产生的电压阶梯波的每个阶梯都不大,MMC桥臂上的阶跃电压和阶跃电流都比较小,从而使得开关器件承受的应力大为降低,同时也使产生的高频辐射大为降低,容易满足电磁兼容指标的要求;（4）波形质量高：由于MMC通常电平数很多,所输出的电压阶梯波已非常接近于正弦波,波形质量高,各次谐波含有率和总谐波畸变率已能满足相关标准的要求,不需要安装交流滤波器;（5）故障处理能力强：由于MMC的子模块冗余特性,使得故障的子模块可由冗余的子模块替换,并且替换过程不需要停电,提高了换流器的可靠性；另外,MMC的直流侧没有高压电容器组,并且桥臂上的Lo与分布式的储能电容器相串联,从而可以直接限制内部故障或外部故障下的故障电流上升率,使故障的清除更加容易;2、当然,MMC拓扑结构与两电平或三电平换流器拓扑结构相比,也有不足的地方：1所有器件数量多：对于同样的直流电压,MMC采用的开关器件数量较大,约为两电平换流器拓扑结构的2倍;2MMC虽然避免了两电平和三电平换流器拓扑结构必须采用IGBT直接串联阀的困难,但却将技术难度转移到了控制方面,主要包括子模块电容电压的均衡控制以及各桥臂之间的环流控制;（二）MMC的工作原理MMC子模块具有如下三种工作模式表中对于表2.1进行分析可得表2.2,表中对于T1、T2、D1和D2,开关状态1对应导通,0对应关断;从表2.2可以看出,对应每一个模式,T1、T2、D1和D2中有且仅有1个管子处于导通状态;因此可以认为,SM进入稳态模式后,有且仅有1个管子处于导通状态,其余3个管子都处于关断状态;另一方面,若将T1与D1、T2与D2分别集中起来作为开关S1和S2看待,那么对应投入状态,S1是导通的,电流可以双向流动,而S2是断开的；对应切除状态,S2是导通的,电流可以双向流动,而S1是断开的；而对应闭锁状态,S1和S2中哪个导通、哪个断开是不确定的;根据上述分析可以得出结论,只要对每个SM上下两个IGBT的开关状态进行控制,就可以实现投入或者切除该SM;（三）柔性直流换流器系统的构成1、柔性直流系统结构柔性直流按照接线方式可分为真双极系统和伪双极系统;舟山五端柔直工程采用伪双极主接线结构,该主接线结构包括换流器区和极区,无双极区;厦门柔直工程为世界上第一个真双极MMC柔性直流工程,直流主接线结构包括换流器区、极区和双极区;2、柔性直流系统主要设备如图2.13,可以看到柔性直流系统主要设备有换流阀、阀电抗器、联接变压器、启动电阻、交流接地装置、直流电缆、避雷器、控制保护系统、辅助系统水冷、空调等1联结变压器：在交流系统和电压源换流站间提供换流电抗的作用；进行交流电压变换,使电压源换流站获得理想的工作电压范围；阻止零序电流在交流系统和换流站间流动；2启动电阻系统启动之前,MMC各功率模块电压为零,换流阀中电子元器件处于关断状态;限制功率模块电容的充电电流,减少柔性直流系统上电时对交流系统造成的扰动和防止换流器阀上二极管的过流;串联安装于联接变压器阀侧或交流系统侧；启动电阻仅在系统启动时工作,启动结束后由旁路开关将启动电阻旁路；启动电阻应满足不同的启动要求,包括一端交流电源对本端换流器功率模块电容充电和一端交流电源对两端换流器功率模块电容同时充电；电阻应具有足够的短时电流耐受能力；电阻应具有足够的能量耐受能力；满足开始充电至换流器解锁的时间要求包括交流侧充电和直流侧充电;3阀电抗器桥臂电抗器是电压源换流阀与交流系统之间传输功率的纽带主要功能：抑制换流阀输出电流、电压中的谐波分量；系统发生扰动或短路时,抑制电流上升率和限制短路电流峰值;抑制桥臂环流；阀电抗器可采用空心电抗器,每个换流器配置6个;4避雷器柔性直流输电系统采用无间隙金属氧化物避雷器MOA作为过电压保护的关键设备,它对过电压进行限制,对设备提供保护；综合考虑系统最大持续运行电压、荷电率、保护水平和能量要求等因素,选择避雷器参数;5测量设备电子式电压互感器和电子式电流互感器柔直测量设备难点：速度要求高,延时要求高;为了避免短路故障电流造成IGBT器件损坏,对于阀控系统的过流保护动作的快速性有着苛刻的要求,要求采集桥臂电流的互感器信号传输延时小于100um.准确测量故障时电流上升过程,高采样速度、宽量程;6换流阀换流阀是柔性直流输电换流站中的核心设备,用于实现交\直和直\交变换;如图2.14所示半桥式MMC子模块的基本构成为：T1：上管IGBT;T2:下管IGBT；T3：晶闸管；R1：均压电阻；C1支撑电容;S1：旁路开关;半桥式MMC子模块核心元件及作用：IGBT作用：核心控制器件,通过控制其开通与关断,从而控制子模块输出电压电容作用：支撑和稳定子模块电压,提供电压源的核心元件均压电阻作用：1均衡子模块电压2停运检修时的泄放回路水冷板散热器作用：IGBT的水冷却高压取能电源作用：从电容取电,为子模块控制器提供控制电源;子模块控制器作用：接收阀控设备的控制信号,对子模块进行投入和切除操作、晶闸管触发操作、旁路开关合闸操作,同时向阀控反馈子模块运行状态、故障状态信息旁路开关作用：对故障子模块进行旁路操作,实现子模块的冗余控制晶闸管作用：对故障子模块进行旁路操作进行过流保护三、运行方式（一）舟山工程1、运行模式舟山工程为伪双极五端柔性直流输电工程,所以有五种运行方式,分别为二三四五端运行模式和STATCOM运行模式;2、启动步骤步骤1：换流器解锁前,合上交流进线开关,通过IGBT模块的反并联二极管对直流电容充电,初步建立直流电压;步骤2：工作在直流电压控制模式下的换流站先解锁,将直流电压上升至额定电压;步骤3：功率控制模式和交流电压模式下的换流站解锁,逐步建立功率;3、注意：1当工作在直流电压模式下的换流站闭锁时,需将原工作在功率控制模式换流站调整为直流电压模式,做为直流电网的平衡节点;2当工作在功率控制模式或交流电压模式下的换流站闭锁时,其余换流站可维持原控制模式不变;（二）厦门工程厦门柔性输电工程为真双极两端柔性输电工程,有如下四种运行方式;四、控制保护系统（一）控制系统柔性直流输电的控制系统分成三个层：系统监视与控制层、控制保护层、现场IO层;根据完成的功能与控制的目标,换流站控制保护可以分为系统级控制、换流站级控制、换流阀级控制、子模块级控制;系统级控制：确定柔性直流工程各个换流站的控制目标与相互配合关系;换流站级控制：确定站内的控制策略;换流阀级控制：产生换流阀基本模块的触发脉冲;换流器子模块级控制：该级控制的任务是接收换流器阀级控制产生的触发脉冲信号,根据触发脉冲信号,对子模块IGBT进行开通和关断控制;外环控制：外环控制包括交流电压控制、无功功率控制、直流电压控制、有功功率控制、频率控制内环控制：内环控制包括内环电流控制、PLL控制阀控功能：实现换流阀的控制、保护、监测；与上层控制保护系统以及换流阀的通信；实现子模块电容电压平衡功能以及环流控制等功能;控制功能统计表如下：1、运行方式控制2、控制模式转换3、启停控制4、多端协调5、交流场控制6、无功功率控制7、交流电压控制8、内环电流控制9、锁相同步控制10、桥臂环流控制11、直流场控制12、指令整定13、有功功率控制14、直流电压控制15、频率控制16、换流器限流控制17、换流器监视（二）保护系统如图4.2所示,保护分区主要分为：1交流线路保护、2交流母线保护、3换流变压器保护、4桥臂电抗器保护、5换流站保护、6直流母线保护、7直流线路保护、8子模块保护;保护功能统计如下：1、联结变保护2、阀保护1阀臂过流暂时性闭锁保护2阀臂过流永久性闭锁保护3子模块过压保护3、换流器保护1交流过流保护2桥臂过流保护3桥臂电抗差动保护4阀侧零序分量保护5阀差动保护6桥臂环流保护4、直流场保护1直流电压不平衡保护2直流欠压过流保护3直流低电压保护4直流过电压保护5直流母线差动保护6直流线路纵差保护5、交流保护1内母线保护2交流系统保护3接地装置保护。
柔性直流输电基本控制原理[优质ppt]
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柔性直流输电系统的基
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学习时长：60分钟
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超高压输电公司
课程内容目录
1 abc坐标系下MMC的数学模型 2 坐标系的变换 3 dq坐标系下的数学模型
4
瞬时无功理论
三相abc坐标下数学模型
L
c
d ia dt
R ia
u conv_a
usa
L
c
d ib dt
R ib
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usb
L
c
d ic dt
R ic
u conv_c
usc
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
dia
dt
SM 1
Ud
2
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SM 2
……
SM N
- ian
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超高压输电公司
MMC换流器控制策略
Ud (napnan)E
Usa-LcddaitpnaE p U2d Usa-Lcddait n-naE n -U2d
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超高压输电公司
MMC换流器控制策略
Id
iap
SM 1
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SM 2
Usa-LcddaitpnaE p U2d
Id
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ibp
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SM 1
SM 1
SM 1
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SM 2
SM 2
多端柔性直流综述汇报PPT课件
3
VSC3 VSC4
（a）放射式
（b）环网式
并联型VSC-MTDC输电系统常用与新能源并网、孤岛供电、 系统互联等方面，是目前使用最多的VSC-MTDC拓扑结构。
1 VSC-MTDC输电技术概述
4
串联VSC-MTDC输电系统拓扑结构：
VSC1
VSC2
VSC3
串联型VSCMTDC输电系统适用 于低压系统组合成高 压直流系统的场合， 如风电场并网等，目 前使用较少。
北美Tres Amigas超导体输电工程示意 图
2 VSC-MTDC发展现状
13
该超级电力中转站的设计输电容量预计达5GW，直流电 压等级为345kV，共占地约58km2。3个AC/DC换流站均 采用VSC，在每个换流站内还安装有大型电能存储设备，除 作备用外，还可以用来平衡相连交流系统中的间歇性能源发 电及向系统提供辅助服务。该项目预计2016年投运，建成 后将进一步促进北美的电网互联及现有3个互联电网内的交 流高压网络建设。
2 VSC-MTDC发展现状
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瑞典-挪威的South-West Scheme三端柔性直流输电 工程
瑞典国家电网公司在瑞典南部启动了“南西柔性直流工程”， 该工程主要用于大容量输电。在Oslo、Barkeryd、Hurva这3地 各建2个换流站，为保证运行可靠，该工程采用两条独立的线路， 每条直流线路传输容量为720MW，直流电压等级为±300kV，该 柔性直流工程计划的输电总量为1440MW，预计在2016年投入运 行。其结构如图所示。
VSC1 VSC2
VSC3
VSC4 VSC5
VSC1
VSC3
VSC2
VSC4
VSC5
（a）串并联式
柔性输电的基本原理ppt课件
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１）/2 这种运行模式相当于将电抗
器直接并联在系统中
２）当触发角α从π／２增大到π时， 阀的导通区间宽度将由π下降到零。这 时在任何时刻两个阀都处在截止状态。 这种运行模式即相当于将电抗器退出运 行。
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３）当小于π／２时，已经处在导通状态的阀， 其电流回到零点的时刻将大于尚未导通的阀的 触发时刻。
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23
STATCOM的工作原理
STATCOM也称为静止无功发生器 （ASVG , Advanced Static Var Generator) ，其功能与SVC 基本相同， 但是运行范围更宽、调节速度更快。
SVC 的控制元件为晶闸管。晶闸管是半 控型器件，只能在阀电流过零时关断。 STATCOM 是用全控型器件实现的。
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移相器由并联变压器（ET）、串联变压 器（BT）和切换开关构成。并联变压器
和串联变压器也分别称为激励变压器和
加压变压器。图8-10中并联变压器的二 次侧和串联变压器的一次侧只画出了c相， 其他两相具有相同的结钩。开关S 由一
对反向并联的晶闸管组成，与前面介绍
的TCSC 中的开关具有完全相同的工作原 理。
在这种情况下，当未导通的阀的触发脉冲发出 时，由于已导通的阀尚未关断，故未导通阀的 阀电压为零，因而不能被触发而导通。这样， 两个阀中总有一个阀在任何时刻都是截止状态。 这种状态将导致电感电流中的主要分量为直流 分量。
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因而正常情况下，TCR 的触发角运行范 围为 [/2,]
由式（8-3）或波形图可见，由于阀的控 制作用，电抗器中流过的电流发生畸变 而不再是正弦量。调整触发角的大小将 改变电流的峰值和导通区间的宽度。
高压直流输电与柔性交流输电课件
应用场景比较
高压直流输电和柔性交流输电在不同应用场景中各有优势。
高压直流输电适用于远距离大容量电力输送、电网互联、城市供电等场景，能够 提高电网的稳定性和可靠性。而柔性交流输电适用于分布式电源接入、可再生能 源并网、城市配电网改造等场景，能够提高电网的灵活性和可调度性。
优缺点比较
高压直流输电和柔性交流输电各有优缺点，适用场景不同。
05
实际案例分析
高压直流输电典型案例
案例一
苏格兰到英格兰的HVDC 输电项目
案例二
魁北克到纽约的HVDC输 电项目
案例三
巴西的伊泰普水电站 HVDC输电项目
柔性交流输电典型案例
案例一
上海南汇风电场的柔性交流输电系统
案例二
丹麦的哥本哈根电网的FACTS应用
案例三
美国加州的San Gorgonio风电场的柔性交流输电 系统
案例对比分析
1 2
技术经济性分析
投资成本、运行维护费用、可靠性等方面的比较
环境和社会影响比较
对环境的影响、对当地经济的影响等方面的比较
3
未来发展趋势和前景展望
高压直流输电与柔性交流输电在未来电网发展中 的地位和作用
THANK YOU
高压直流输电与柔性交流输电课 件
• 高压直流输电技术介绍 • 柔性交流输电技术介绍 • 高压直流输电与柔性交流输电的比
较 • 高压直流输电与柔性交流输电的未
来发展 • 实际案例分析
01
高压直流输电技术介绍
高压直流输电的定义与特点
总结词
高压直流输电是一种利用直流电进行大容量、远距离电力传输的技术，具有输送容量大、损耗小、稳定性高等特 点。
高压直流输电具有输送功率大、控制性能好、受干扰影响小等优点，但设备成本高、损耗较大。而柔性交流输电具有响应速 度快、调节范围广、可实现快速控制等优点，但设备成本较高、对电能质量有一定影响。在实际应用中，应根据具体需求和 场景选择合适的输电方式。
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超高压输电公司
鲁西站单元控制
有功功率闭环控制：属于外环控制，将装置出口 的功率进行闭环PI调节修正电流内环的目标电流值。 与直流电压环类似，均属于有功控制外环。对于每个 站稳态运行而言，两个有功控制外环只能是二者选其 一，根据不同的控制方式来选择不同的有功控制外环。
MMC换流器控制策略
【定义1】三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别 为矢量i在矢量e及其法线上的投影。
【定义2】三相电路瞬时有功功率p为电压矢量e的模e和三相电 路瞬时有功电流ip的乘积，三相电路瞬时无功功率q为电压矢量 e的模e和三相电路瞬时无功电流iq的乘积
瞬时无功理论
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鲁西站单元控制
L
did dt
Rid
Liq
uconv_d
usd
L
diq dt
Riq Lid
uconv_q usq
反馈线性化
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
V1 V2
L
d dt
id iq
R
0
0 R
id iq
v1 v2
v1 v2
Lciq uconv_d usd Lcid uconv_q usq
Ud
2
uan
SM 2
……
SM N
- ian
.
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MMC换流器控制策略
Ud (nap nan )E
Usa
-
Lc
diap dt
napE
Ud 2
Usa
- Lc
dian dt
- nanE
- Ud 2
.
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MMC换流器控制策略
Id
iap
SM 1
uap
SM 2
Usa
-
Lc
diap dt
及d轴与a轴之间相位的关系。
如果利用d-q变换后得到的瞬时电流id、iq来分别控 制有功和无功，则意味着0与0之间相差90º。
因此，通过锁相环PLL获得0时刻a相电压相角0， 从而决定d轴与a轴的夹角0 ，从而达到有功无功独
立控制的目的。
整体控制框架
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鲁西站单元控制
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napE
Ud 2
+
……
Ud
-
SM N
2
usa
ia Lc
Usa
- Lc
dian dt
- nanE
- Ud 2
n
0
Lc
SM 1
Ud
Lc 2
d（ian dt
iap）
-
1（n 2
an
-
nap）E
Usa
2
uan
SM 2
……
ia iap ian
SM N
- ian
Lc dia 2 dt
- 12（nan - nap）E Usa
MMC换流器控制策略
MMC 在三相abc 坐标系下，通过控制换流器的 三相输出电压，即可以实现换流器三相输出电流 的控制，从而实现有功/无功功率控制。
在三相a,b,c 坐标系下的各个电气量均为时变 交流量，并且不利于直观的得到有功分量或者无 功分量。需要进行坐标系的转换。
abc/αβ0坐标变换
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MMC换流器控制策略
id* +
-
iq* + -
v1
PI
1
id
R sL
v2 PI
1
iq
R sL
uconv_d uconv_q
v1
v2
L
2
L
2
iq id
usd usq
瞬时无功理论
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MMC换流器控制策略
p q
u u
u i
u
i
.
瞬时无功理论
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MMC换流器控制策略
等式左边的id、iq为d-q轴瞬时电流
等式右边的ip、iq为瞬时有功电流、瞬时无功电流 0为t=0时刻A相电压的初相角 0为t=0时刻d轴与a轴的夹角。
瞬时无功理论
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超高压输电公司
MMC换流器控制策略
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瞬时无功理论
MMC换流器控制策略
d-q瞬时电流id、iq与瞬时有功电流、瞬时无功电 流ip、iq的相对关系，取决于当前时刻电网电压相角以
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dq坐标系下的数学模型
MMC换流器控制策略
R sLc R sLc
id Liq uconv_d usd iq Lid uconv_q usq
vsd
uconv_d
1
R sL
id
L
d轴和q轴电流是相互耦合的
L
uconv_q
1
R sL
iq
vsq
dq坐标系下的数学模型
.
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鲁西站单元控制
无功功率控制外环：主要是用于控制装置的输出 无功。即在装置容量范围内，将装置输出的无功控制 在期望值附近。该功能与站控的交流电压控制功能同 属于无功控制外环，设定上也是只能二选一，保证无 功控制目标只有一个。
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鲁西站单元控制
电流内环控制是实现输出电流无差跟踪目标电流的环 节。
超高压输电公司
柔性直流输电系统的基 本控制原理
学习时长：60分钟 制作时间：2015年3月04日
对应培训规范课程单元：请输入对应课程单元名称 对应培训规范课程编码：请输入课程单元对应编码
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课程内容目录
1 abc坐标系下MMC的数学模型 2 坐标系的变换 3 dq坐标系下的数学模型
4
瞬时无功理论
鲁西站单元控制
内环电流控制：实现输出电流跟踪参考电流
外环控制：根据有功功率、无功功率、直流电压等参考值， 计算内环电流控制的参考值。
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鲁西站单元控制
有功功率、无功功率、直流电压 外环控制
内环控制参考值 内环控制
正、负序调制波 dq到abc转换，相加
阀桥臂控制电压
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鲁西站单元控制
MMC换流器控制策略
αβ0坐标系是一个两相坐标系，其中α轴与a相绕 组轴线重合，β轴超前α轴90°电角，0序则是一个 孤立的系统。
abc/αβ0坐标变换
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MMC换流器控制策略
N 2is
N3iA
N3iB
cos 2
3
N3iC
cos 4
3
N 2is
0
N3iB
sin
2
3
N3iC
sin
4
3
i0
5 鲁西站单元控制
下臂电流
上
桥
uap
臂
- 交流侧电流
usa
ia
n
iap SM 1
SM 2 ……
SM N Lc
Lc
桥臂电
SM 1
下 抗器
桥
uan
SM 2
臂
……
SM N
- 上桥臂电流
ian
.
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MMC换流器控制策略
Id
直流侧电流
直流侧电压Ud
Ud 2
Ud (nap nan )E
0
直流侧虚拟中点
SM N ibn
SM N icn
.
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MMC换流器控制策略
Lc
2
dia dt
Sa E usa
Lc 2
dib dt
Sb E usb
Lc 2
dic dt
Sc E usc
Sa
1 2
(nan
nap )
Sb1 2(nbnnbp )Sc
1 2
(ncn
ncp )
.
超高压输电公司
ib
L ic
1 Lc
uuccoonnvv__ab uconv_c
usa usb
usc
abc坐标系变dq坐标系
L
did dt
Rid
Liq uconv_d
usd
L
diq dt
Riq
Lid
uconv_q
usq
拉普拉斯变换
R sLid s Liq s uconv_d s usd s R sLiq s Lid s uconv_q s usq s
Id
iap
ibp
icp
SM 1
SM 1
SM 1
ubrg_ap
SM 2
SM 2
SM 2
usa usb n usc
…… …… ……
Ud
2
SM N
SM N
SM N
ia
ib
Lc
Lc
Lc
0
ic
Lc
Lc
Lc
ubrg_an
SM 1 SM 2
SM 1 SM 2
SM 1 Ud 2
SM 2
… … … … ……
SM N ian
状态量id、iq和输入量u1、u2之
间变成了线性解耦的关系。
dq坐标系下的数学模型
L
d dt
id iq
R
0