柔性直流输电(VSC-HVDC)技术

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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
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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。
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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
制，δ 就是PWM的调制波相角
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1 VSC-HVDC的基本原理（续）
直流侧并联大电容，起到为逆变器提供电压 支撑、缓冲桥臂关断时冲击电流、减小直流 侧谐波的作用
换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带 同时也有滤波的作用
交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波
换流器中IGBT上并联反向二极管，除了作为 主回路以外，还起到保护和续流的作用
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1 VSC-HVDC的基本原理（续）
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3 VSC-HVDC的发展与现状
随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极 晶体管（IGBT）的快速发展，具备了在 HVDC中采用以全控型器件为基础的电压 源换流器（VSC）的条件。
1990年，McGill大学的Boon−Teck Ooi教授 等人首先提出了利用PWM控制的VSC进行 直流输电的概念。
由于开通滞后角α和熄弧角γ 的存在及波形的
非正弦，传统的HVDC要吸收大量的无功功率， 其数值约为输送直流功率的40~60%，这就需 要大量的无功补偿及滤波设备，而且在甩负荷 时会出现无功过剩，可能导致过电压。
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3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
从1997年瑞典的Hellsjön工程试验成功开始，到 目 前 为 止 ， ABB 公 司 在 世 界 上 已 承 建 VSCHVDC工程共13项，其中已投运的VSC-HVDC 工程有9项，在建的有4项。 （ 1 ） 瑞 典 Hellsjön 工 程 是 世 界 上 第 1 个 VSCHVDC工业试验工程 （ 2 ） 1 9 9 9 年 6 月 ， 瑞 典 果 特 兰 岛 （ Gotland） VSC-HVDC工程投入运行。这是世界上第1个 商业化运行的VSC-HVDC工程
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工程
最大传 两侧交 直流 投运时 输功率 流电压 电压
间 /MW /kV /kV
Hellsjo n
1997.0 3
3
Gotlan 1999.0
d
6
50
10/10 ±10 80/80 ±80
直流 电流
/A
150
350
线路
长度 选择HVDC Light的主要
高压直流输电——
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梁海峰 教一楼304室 hfliang@
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柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
柔性直流输电(VSC-HVDC)系统概论
VSC-HVDC的基本原理 VSC-HVDC的技术特点 VSC-HVDC的发展与现状 VSC-HVDC的控制简介
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柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
1 VSC-HVDC的基本原理（续）
假设换流电抗器是无损耗的，忽略谐波分量时， 换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无
功功率Q分别为
P = U SU C sin δ
X
Q = US (US −UC cosδ)
X 式中，UC为换流器输出电压的基波分量；US为交流母线
VSC通常采用SPWM技术，开关频率相 对较高，经过低通滤波后就可得到所需 交流电压，可以不用变压器，所需滤波 装置的容量也大大减小。
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2 VSC-HVDC的技术特点（续）
VSC-HVDC与常规HVDC的区别
/km
原因
10
工业试验
2× 风力发电（电压支撑）、
70
地下电缆
Directli nk
Tjaere borg
Eagle Pass
1999.1 2
2000.0 8
2000.0 9
Cross Sound Cable
2002
Murra ylink
2002
3×60 7.2 36 330 200
132/ 110
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3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
（7）2002年8月投运的澳大利亚Murraylink直流 工程是目前世界上最长的地下电缆输电项目 （8）2005年2月挪威Troll A VSC-HVDC工程投运 （9）Estlink VSC-HVDC工程于2006年12月投运 （10）Valhall VSC-HVDC工程预计与2010年投运
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
因为传统的HVDC需要交流电网提供换相电流， 这就要求受端系统必须是有源网络。因此，传统 的HVDC不能向无源网络（如孤立负荷）输送电 能。
造成传统HVDC上述缺点的主要原因是由于线换 相换流器采用的是半控型器件，只有用全控型器 件代替半控型器件，使换流器能工作在无源逆变 方式，并能够同时独立地控制有功功率和无功功 率，才能彻底克服上述缺点。
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2 VSC-HVDC的技术特点（续）
换流电路： VSC-HVDC换流站通过VSC控制IGBT的通 断，因此，电路结构与传统HVDC有着很大的不同，其
主要指标的比较如下表所示。
换流站指标 换流阀
与交流系统连接的器件
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3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
ABB公司把VSC与IGBT相结合，提出了轻型高压 直流输电（HVDC Light®）的概念。
1997年3月在瑞典中部的赫尔斯扬和格兰斯堡之 间进行了首次HVDC Light的工业试验。这次试 验的输送功率为3MW，输电电压为±10kV，所使 用的线路是一条暂时不用的10km交流线路。试 验过程十分顺利，无论是在稳态条件下还是在暂 态条件下，电力输送都十分稳定，达到了预期的 性能。
±80
10.5/10 ±9 .5
132/ ± 132 15.9
滤波和无功补偿 直流平波 站间通信
传统HVDC
VSC-HVDC
晶闸管
IGBT
换流变压器
串联电感（+变压器）
50%在滤波器和并联电容器 只用小型滤波器
平波电抗+直流滤波器 直流电容器
需要
不需要
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2 VSC-HVDC的技术特点（续）
潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性 不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利 于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的 并联多端直流系统。
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2 VSC-HVDC的技术特点（续）
由于VSC交流侧电流可以控制，所以不 会增加系统的短路容量。这意味着增加 新的VSC-HVDC线路后，交流系统的保 护整定无须改变。
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1 VSC-HVDC的基本原理
柔性直流输电——基于电压源换流器的高 压直流输电 (HVDC based on Voltage Source Converter, VSC-HVDC)
常规HVDC采用线换相电流源换流器 （Line Commutated CSC）
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2 VSC-HVDC的技术特点（续）
VSC电流能够自关断，可以工作在无源 逆变方式，不需要外加的换向电压，从 而克服了传统HVDC受端必须是有源网 络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离 的孤立负荷送电成为可能。
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柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
U& S 电抗器
U& C
滤 波 器
柔性直流输电 电压源换流器
U& S 换流变压器
U& C
滤 波 器
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传统直流输电 电流源换流器
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运行的独立性：VSC-HVDC不依赖于交流系统去维持电 压和频率的稳定；与传统的HVDC相比，短路容量并不 重要。VSC-HVDC可以给无源网络直接供电；而传统的 HVDC在受端电网中必须有旋转电机。
对功率的控制：传统的HVDC终端可以通过滤波器和串 联电抗的通断以及在某种程度上对触发角的控制来达 到对功率的控制，但是这种控制需要额外的设备和额 外的损耗；VSC-HVDC则可以在很短的时间内形成任意 的相角或幅值，这为独立地控制有功和无功提供了可 能性。
功率范围：传统的HVDC主要运行于较大的 功率范围，约在250MW以上；而VSC-HVDC 输送的功率可以从几MW到几百MW，直流 电压可达±150kV。
模型组件：VSC-HVDC是以一套有若干标准 规格的换流站模块为基础，大多数设备在制 造厂家就被封装起来；而传统的HVDC往往 是根据系统运行的需要以及某些特殊的用途 而设计和装配的。
VSC-HVDC的传输电缆
VSC-HVDC传输电缆的 表面是由压缩型聚合物 做成的绝缘材料，由三 芯绞线的屏蔽物和绝缘 屏蔽物压缩在一起构成 ——挤塑电缆
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2 VSC-HVDC的技术特点
传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，该 电流实际上是相间短路电流，因此要保证换相 的可靠，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（Short Circuit Ratio）， 当受端电网比较弱时便容易发生换相失败。
电压基波分量；δ为UC和US之间的相角差；X为换流电抗
器的电抗。
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1 VSC-HVDC的基本原理（续）
有功功率的传输主要取决于δ，无功功率
的传输主要取决于UC 换流器通常采用脉宽调制（PWM）控制