柔性直流输电技术定义及基本特征
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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
电力和 能源
电力电 子技术
系统和 控制
电子和 设备
13
交流和直流变换
通过换流器（Converter）实现变换
AC
DC
技术内容
关注点
器件
• 半控器件，全控器件 • 低电压、小电流，高电压、大电流
柔性直流输电技术定义及基本特征
目录
目录
1
柔性直流输电的定义
2
柔性直流输电功率器件
3
柔性直流换流器技术
4
柔性直流输电换流器的控制
5
柔性直流输电系统
6
柔性直流输电技术的发展
2
目录
1
柔性直流输电的定义
3
柔性直流输电技术
VSC-HVDC
• 基于可关断器件和电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的高压直流输电技术（VSC-HVDC）， 换流器自换向，能够独立调节有功功率和无功功率，可控性 和灵活性强，被誉为新一代的直流输电技术
命名情况：
• IEEE/CIGRE等国际组织：基于电压源型换流器的高压 直流输电技术（VSC-HVDC）
• ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCCHVDC)
kV/kA
V/mA
Power Electronics
12
电力电子技术的三要素
电力电子技术是应用于电力领域的电子技 术，使用电力电子器件（电力半导体器件） 对电能进行变换和控制的技术，变换的电 力从W级到百MW，甚至GW
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
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)17
强迫换相频率上百赫 兹。
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
拓扑
• 低电平，多（高）电平 • 高损耗，低损耗
控制
• 脉宽调制 • 先进功率理论
14
功率器件的开通和关断过程
门极控制电压 导通电流
• 导通和关断由门极信号 控制
• 导通和关断过程快速， 但非理想
• 导通和关断存在尖峰电 流和电压
集电极和发射 极电压
实际关断和导通波形
15
功率器件的发展
半控器件
• 开通可控 • 关断不可控
柔性直流输电与常规直流比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
晶闸管
相位角控制
晶闸管通过脉冲信号控 制开通，但不能控制关断 ，电网换相。当承受电压 反向时，自动关断。
开关频率50/60 Hz
IGBT或其他可关断功 率器件
脉宽调节控制
可关断器件，可以通 过控制信号关断，完全 可控，自换相。
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)
16
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。
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
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。
晶闸管(Thyristor)
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
GTO和IGCT
GTO 集成门极
IGCT
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
• 目前只有ABB公司供应 19
IGBT和PP IGBT(IEGT)
IGBT
PP IGBT(IEGT)
电子注入增强 低导通电压降 宽安全工作区
可实现黑启动
VSC-HVDC
工程应用比较
节 约
空 间
LCC-HVDC
工程应用比较
常规直流换流站 柔性直流换流站
目录
2
柔性直流输电功率器件
11
电力电子开关
电力电子开关（功率器件）是装置的基础
kV/kA
机械开关
• 高压 • 大电流
Power
+= V/mA
Electronics
• 高速 • 电子控制 • 低损耗 • 长寿命
• 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
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
电力和 能源
电力电 子技术
系统和 控制
电子和 设备
13
交流和直流变换
通过换流器（Converter）实现变换
AC
DC
技术内容
关注点
器件
• 半控器件，全控器件 • 低电压、小电流，高电压、大电流
柔性直流输电技术定义及基本特征
目录
目录
1
柔性直流输电的定义
2
柔性直流输电功率器件
3
柔性直流换流器技术
4
柔性直流输电换流器的控制
5
柔性直流输电系统
6
柔性直流输电技术的发展
2
目录
1
柔性直流输电的定义
3
柔性直流输电技术
VSC-HVDC
• 基于可关断器件和电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的高压直流输电技术（VSC-HVDC）， 换流器自换向，能够独立调节有功功率和无功功率，可控性 和灵活性强，被誉为新一代的直流输电技术
命名情况：
• IEEE/CIGRE等国际组织：基于电压源型换流器的高压 直流输电技术（VSC-HVDC）
• ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCCHVDC)
kV/kA
V/mA
Power Electronics
12
电力电子技术的三要素
电力电子技术是应用于电力领域的电子技 术，使用电力电子器件（电力半导体器件） 对电能进行变换和控制的技术，变换的电 力从W级到百MW，甚至GW
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
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)17
强迫换相频率上百赫 兹。
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
拓扑
• 低电平，多（高）电平 • 高损耗，低损耗
控制
• 脉宽调制 • 先进功率理论
14
功率器件的开通和关断过程
门极控制电压 导通电流
• 导通和关断由门极信号 控制
• 导通和关断过程快速， 但非理想
• 导通和关断存在尖峰电 流和电压
集电极和发射 极电压
实际关断和导通波形
15
功率器件的发展
半控器件
• 开通可控 • 关断不可控
柔性直流输电与常规直流比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
晶闸管
相位角控制
晶闸管通过脉冲信号控 制开通，但不能控制关断 ，电网换相。当承受电压 反向时，自动关断。
开关频率50/60 Hz
IGBT或其他可关断功 率器件
脉宽调节控制
可关断器件，可以通 过控制信号关断，完全 可控，自换相。
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)
16
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。
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
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。
晶闸管(Thyristor)
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
GTO和IGCT
GTO 集成门极
IGCT
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
• 目前只有ABB公司供应 19
IGBT和PP IGBT(IEGT)
IGBT
PP IGBT(IEGT)
电子注入增强 低导通电压降 宽安全工作区
可实现黑启动
VSC-HVDC
工程应用比较
节 约
空 间
LCC-HVDC
工程应用比较
常规直流换流站 柔性直流换流站
目录
2
柔性直流输电功率器件
11
电力电子开关
电力电子开关（功率器件）是装置的基础
kV/kA
机械开关
• 高压 • 大电流
Power
+= V/mA
Electronics
• 高速 • 电子控制 • 低损耗 • 长寿命
• 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
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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