5-柔性直流输电系统的几个问题
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系统建模和仿真 Modelling and Simulation
模块1 模块2
模块1 模块2
模块1 模块2
Baidu Nhomakorabea
模块N
模块N
模块N
Udc
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac
Upcc
功率器件 Device
控制保护 PCP A PCP B
模块N
模块N
换流器 converter
模块N
功率模块 Power Unit
控制保护 C&P
2
目录
1 2 3 4
柔性直流输电功率器件 Power Electronic Device 柔性直流输电系统电压与容量 Voltage and Power 连接不同电压等级的系统 Connects different AC Voltage 柔性直流输电系统的仿真 System Simulation
+500kV 直流线路 容量 3000MW
换流站A
换流站B
-500kV 直流线路
目录
3
连接不同电压等级的系统 Connects different AC Voltage
21
VSC-HVDC接入不同交流电压等级的需要
VSC-HVDC connects different voltage， especially for multi-terminal system
模块N
模块N
模块N
Udc
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac
Upcc
• • •
需要直流电压平衡控制 直流侧能够实现端对端连接
模块N
模块N
模块N
柔性直流输电主流结构
15
电压容量的选择/consideration of voltage and power level
应用需求决定容量/power
2012年底ABB StakPak IGBT 可在中国销售 Infenion等部分器件供应商开始研发压接式IGBT
13
目录
2
柔性直流输电系统电压与容量 Voltage and Power
14
模块多电平换流器 Modular Multilevel Converter
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
港城
现有交流线路 新建交流线路 直流线路
接入220kV 变电站 接入110kV 变电站
500kV系统
VSC-HVDC 600MW
220kV系统
相同直流电压，相同阀侧电压，不同的变比接入交流电网
Same DC voltage AND same valve side voltage, but different ratio of connecting transformer
������������������������������������ ′ < ������������������������������������
模块K
模块K
模块K
如此设计有什么好处/benefit from this
厂商 份额
•
三菱 29%
英飞凌 28%
日立 19%
ABB 12%
东芝 9%
丹尼克斯 3%
数据主要以IGBT销售为例，主要用户为机车、风电、造船等，电网用 户较少
株洲南车主要IGBT产品 IGBT of CSR Zhuzhou
1500A/3300V IGBT、1000A/3300V IGBT； 1200A/4500V IGBT、800A/4500V IGBT；
3
目录
1
柔性直流输电功率器件 Power Electronic Device
4
功率器件/Power Electronic Device
IGBT/IEGT
GTO
IGCT
ETO
• 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)
5
功率器件的分类和对比/Comparison of different device
1. 上/下桥臂模块数量/Number of modules:
模块1 模块2
模块1 模块2
模块1 模块2
������ = ������DC /������������
2. 输出交流阀侧电压/Output voltage of valve side:
模块N
模块N
模块N
������������������ ������������������ ������������������������������������ / ������ ∈ − , ������ ������
UDC
Uvalve
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac
Upcc1 Upcc2
3. 变压器变比/Ratio of transformer：
������pcc������ or ������pcc������ Ratio = ������ac
模块N
模块N
模块N
问题：是否可以相同直流电压，输出阀侧电压不一样？ Q: same DC voltage, but different output valve voltage, is that OK?
VSC-HVDC工程应用的几个问题 Several points about VSC-HVDC Application
南方电网科学研究院863课题组 Electric Power Research Institute China Southern Power Grid 2013年5月28日
柔性直流输电技术 Technology of VSC-HVDC
大功率开关器件
晶闸管类 GTO
可关断晶闸管
晶体管类 ETO
发射极关断晶闸管
集成门极换相晶闸管
IGCT
模块式IGBT
绝缘栅双极晶体管
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 IGBT) 6
功率器件封装模式
模块式封装(PMI)
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 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
600A/6500V IGBT、750A/6500V IGBT（开发中）；
1200V/1700V PrimePack IGBT模块；
株洲南车正在研发压接IGBT Press pack IGBT of CSR
失效短路模式； 双面散热； 更低杂散电感； 更高可靠性； 900A/4500V 、1600A/2500V
Sp
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
������DC ’=������DC
2. 输出交流阀侧电压/Output voltage of valve side:
UDC’
模块K
模块K
模块K
Uvalve’
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac’
Upcc1 Upcc2
������������������������������������ ′/ ������ [������ − (������ − ������)] × ������������ [������ − (������ − ������)] × ������������ Sn ∈ − , ������ ������
备注：IGCT和ETO的标称电流可关断电流，约与IGBT的2000A相等
9
以IGBT和晶闸管为主
大功率器件生产企业 Device supplier
国外主要企业
国内企业
三菱，英飞凌，日立，ABB，东芝，占90%以上市场份额
株洲南车时代电气，收购英国Dynex（丹尼克斯），以下简称
“株洲南车” 西安电力电子研究所，仍主要生产晶闸管，未有成熟的可关断器 件类产品 表 2009年IGBT世界销售份额
application
level determined by
功率器件等参数，决定了直流电压和容量存在匹配关
系/relation of DC voltage and power level level under certain voltage
一定电压下，VSC-HVDC能够输送的功率水平/Power
保留现交流500kV、600MW通道，新增一回VSC-HVDC ，单极接线，容量600MW，直流电压±200kV，直流电 流1500A
直流电压等级±200kV 额定容量（MW） 600 无功输出能力（Mvar） 一 连接变压器 525/220 桥臂电感值（mH） 60 功率器件 4500V/1500A 功率模块数 160 功率模块电容（uF） 8000 桥臂电流有效值（A） 979
PCB 发射极
预计2013年10月出样品
栅极端子
陶瓷管壳 集电极 IGBT/FRD 独立子模组单元
柔性直流输电功率器小结 summary
功率器件均向高电压、大电流发展/higher voltage and current 常规高压直流输电大量使用晶闸管，压接式，故障短路模 式，通常不爆裂/Thyristor 可关断器件以IGBT为主，以往在电网中使用较少，近年随 着VSC-HVDC和STATCOM的发展，逐渐增多/high power IGBT develops with VSC in power grid 电网对器件安全性和可靠性的高标准逐渐反馈到器件研发 和市场当中/high reliability of IGBT in power grid
7
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方面的有公开资料， 东芝IEGT也有相关试验数 据 * From ABB and Toshiba
8
功率器件的电压电流水平/Voltage and Current Level
主流型号
• • • •
•
• • •
IGBT 4500V/1200A IGBT 4500V/1500A IEGT 4500V/1500A IEGT 4500V/2100A StakPak IGBT 4500V/2000A StakPak IGBT 2500V/2000A IGCT 4500V/4000A ETO 4500V/4000A
上下桥臂模块投切原理/principle of module switch
1. 直流侧电压/DC voltage：
������DC ′ = ������������ + ������������ × ������������ If ������������ +������������ = ������
16
容量计算考虑因素/Converter Power
• • 功率器件通流能力 接入交流系统电压匹配关系
单极系统容量
单极 1200A 220kV 420kV 200MW 380MW 1500A 250MW 470MW 2000A 330MW 630MW
* 380MW可以提升到400MW，470MW可以提升到500MW
双极系统容量
双极 1200A ±110kV ±210kV ±500kV 200MW 380MW 900MW 1500A 250MW 470MW 1125MW 2000A 330MW 630MW 1500MW
* 500kV等级采用双极结构，输送极限1500MW
新增海南联网VSC-HVDC VSC HVDC scheme for Hainan
压接式封装（Press-Pack)
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
• 压接式封装可靠性更高 • 主要有以下几类 1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT 2）日本东芝IEGT 3）英国西玛码PP IGBT 4）美国ETO
港城
现有交流线路 新建交流线路 直流线路
徐闻 南岭
交流、VSC-HVDC 混合联网1200MW
林诗岛 福山
方案
新建±500kV/3000MW Scheme for ±500kV/3000MW
双极接线 每站每极两个换流器 具备双极、单极运行模式 单换流器运行模式降容量
双换流器并联 Two converters
模块1 模块2
模块1 模块2
模块1 模块2
Baidu Nhomakorabea
模块N
模块N
模块N
Udc
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac
Upcc
功率器件 Device
控制保护 PCP A PCP B
模块N
模块N
换流器 converter
模块N
功率模块 Power Unit
控制保护 C&P
2
目录
1 2 3 4
柔性直流输电功率器件 Power Electronic Device 柔性直流输电系统电压与容量 Voltage and Power 连接不同电压等级的系统 Connects different AC Voltage 柔性直流输电系统的仿真 System Simulation
+500kV 直流线路 容量 3000MW
换流站A
换流站B
-500kV 直流线路
目录
3
连接不同电压等级的系统 Connects different AC Voltage
21
VSC-HVDC接入不同交流电压等级的需要
VSC-HVDC connects different voltage， especially for multi-terminal system
模块N
模块N
模块N
Udc
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac
Upcc
• • •
需要直流电压平衡控制 直流侧能够实现端对端连接
模块N
模块N
模块N
柔性直流输电主流结构
15
电压容量的选择/consideration of voltage and power level
应用需求决定容量/power
2012年底ABB StakPak IGBT 可在中国销售 Infenion等部分器件供应商开始研发压接式IGBT
13
目录
2
柔性直流输电系统电压与容量 Voltage and Power
14
模块多电平换流器 Modular Multilevel Converter
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
港城
现有交流线路 新建交流线路 直流线路
接入220kV 变电站 接入110kV 变电站
500kV系统
VSC-HVDC 600MW
220kV系统
相同直流电压，相同阀侧电压，不同的变比接入交流电网
Same DC voltage AND same valve side voltage, but different ratio of connecting transformer
������������������������������������ ′ < ������������������������������������
模块K
模块K
模块K
如此设计有什么好处/benefit from this
厂商 份额
•
三菱 29%
英飞凌 28%
日立 19%
ABB 12%
东芝 9%
丹尼克斯 3%
数据主要以IGBT销售为例，主要用户为机车、风电、造船等，电网用 户较少
株洲南车主要IGBT产品 IGBT of CSR Zhuzhou
1500A/3300V IGBT、1000A/3300V IGBT； 1200A/4500V IGBT、800A/4500V IGBT；
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目录
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柔性直流输电功率器件 Power Electronic Device
4
功率器件/Power Electronic Device
IGBT/IEGT
GTO
IGCT
ETO
• 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)
5
功率器件的分类和对比/Comparison of different device
1. 上/下桥臂模块数量/Number of modules:
模块1 模块2
模块1 模块2
模块1 模块2
������ = ������DC /������������
2. 输出交流阀侧电压/Output voltage of valve side:
模块N
模块N
模块N
������������������ ������������������ ������������������������������������ / ������ ∈ − , ������ ������
UDC
Uvalve
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac
Upcc1 Upcc2
3. 变压器变比/Ratio of transformer：
������pcc������ or ������pcc������ Ratio = ������ac
模块N
模块N
模块N
问题：是否可以相同直流电压，输出阀侧电压不一样？ Q: same DC voltage, but different output valve voltage, is that OK?
VSC-HVDC工程应用的几个问题 Several points about VSC-HVDC Application
南方电网科学研究院863课题组 Electric Power Research Institute China Southern Power Grid 2013年5月28日
柔性直流输电技术 Technology of VSC-HVDC
大功率开关器件
晶闸管类 GTO
可关断晶闸管
晶体管类 ETO
发射极关断晶闸管
集成门极换相晶闸管
IGCT
模块式IGBT
绝缘栅双极晶体管
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 IGBT) 6
功率器件封装模式
模块式封装(PMI)
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 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
600A/6500V IGBT、750A/6500V IGBT（开发中）；
1200V/1700V PrimePack IGBT模块；
株洲南车正在研发压接IGBT Press pack IGBT of CSR
失效短路模式； 双面散热； 更低杂散电感； 更高可靠性； 900A/4500V 、1600A/2500V
Sp
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
������DC ’=������DC
2. 输出交流阀侧电压/Output voltage of valve side:
UDC’
模块K
模块K
模块K
Uvalve’
模块1 模块2 模块1 模块2 模块1 模块2
Uac’
Upcc1 Upcc2
������������������������������������ ′/ ������ [������ − (������ − ������)] × ������������ [������ − (������ − ������)] × ������������ Sn ∈ − , ������ ������
备注：IGCT和ETO的标称电流可关断电流，约与IGBT的2000A相等
9
以IGBT和晶闸管为主
大功率器件生产企业 Device supplier
国外主要企业
国内企业
三菱，英飞凌，日立，ABB，东芝，占90%以上市场份额
株洲南车时代电气，收购英国Dynex（丹尼克斯），以下简称
“株洲南车” 西安电力电子研究所，仍主要生产晶闸管，未有成熟的可关断器 件类产品 表 2009年IGBT世界销售份额
application
level determined by
功率器件等参数，决定了直流电压和容量存在匹配关
系/relation of DC voltage and power level level under certain voltage
一定电压下，VSC-HVDC能够输送的功率水平/Power
保留现交流500kV、600MW通道，新增一回VSC-HVDC ，单极接线，容量600MW，直流电压±200kV，直流电 流1500A
直流电压等级±200kV 额定容量（MW） 600 无功输出能力（Mvar） 一 连接变压器 525/220 桥臂电感值（mH） 60 功率器件 4500V/1500A 功率模块数 160 功率模块电容（uF） 8000 桥臂电流有效值（A） 979
PCB 发射极
预计2013年10月出样品
栅极端子
陶瓷管壳 集电极 IGBT/FRD 独立子模组单元
柔性直流输电功率器小结 summary
功率器件均向高电压、大电流发展/higher voltage and current 常规高压直流输电大量使用晶闸管，压接式，故障短路模 式，通常不爆裂/Thyristor 可关断器件以IGBT为主，以往在电网中使用较少，近年随 着VSC-HVDC和STATCOM的发展，逐渐增多/high power IGBT develops with VSC in power grid 电网对器件安全性和可靠性的高标准逐渐反馈到器件研发 和市场当中/high reliability of IGBT in power grid
7
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方面的有公开资料， 东芝IEGT也有相关试验数 据 * From ABB and Toshiba
8
功率器件的电压电流水平/Voltage and Current Level
主流型号
• • • •
•
• • •
IGBT 4500V/1200A IGBT 4500V/1500A IEGT 4500V/1500A IEGT 4500V/2100A StakPak IGBT 4500V/2000A StakPak IGBT 2500V/2000A IGCT 4500V/4000A ETO 4500V/4000A
上下桥臂模块投切原理/principle of module switch
1. 直流侧电压/DC voltage：
������DC ′ = ������������ + ������������ × ������������ If ������������ +������������ = ������
16
容量计算考虑因素/Converter Power
• • 功率器件通流能力 接入交流系统电压匹配关系
单极系统容量
单极 1200A 220kV 420kV 200MW 380MW 1500A 250MW 470MW 2000A 330MW 630MW
* 380MW可以提升到400MW，470MW可以提升到500MW
双极系统容量
双极 1200A ±110kV ±210kV ±500kV 200MW 380MW 900MW 1500A 250MW 470MW 1125MW 2000A 330MW 630MW 1500MW
* 500kV等级采用双极结构，输送极限1500MW
新增海南联网VSC-HVDC VSC HVDC scheme for Hainan
压接式封装（Press-Pack)
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
• 压接式封装可靠性更高 • 主要有以下几类 1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT 2）日本东芝IEGT 3）英国西玛码PP IGBT 4）美国ETO
港城
现有交流线路 新建交流线路 直流线路
徐闻 南岭
交流、VSC-HVDC 混合联网1200MW
林诗岛 福山
方案
新建±500kV/3000MW Scheme for ±500kV/3000MW
双极接线 每站每极两个换流器 具备双极、单极运行模式 单换流器运行模式降容量
双换流器并联 Two converters