柔性直流输电技术研究分析

现状与展望

柔性直流输电技术研究分析

基金项目：国家自然科学基金项目(51177073)

作者简介：朱劲松(1988- )，男，硕士，主要从事电网规划工作。

摘 要：介绍了柔性直流输电的技术原理和控制策略，指出当前控制方法研究成果中存在的问题，比较了柔性直流输电技术几种发展方向的研究现状，分析了基于模块化多电平换流器的输电方式，根据目前国内外柔性直流输电示范工程，说明了柔性直流输电技术在新能源、城市电网和智能电网中的应用前景。

关键词：柔性直流输电；电压源换流器；控制策略；模块化多电平；智能电网

中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2014)01-0001-06

朱劲松

(泰州供电公司，江苏 泰州 225300)

ZHU Jing-song

（Taizhou Power Supply Company, Taizhou 225300, China ）

Abstract: Introduction was made to technical principle and control strategy of flexible DC transmission, existing problems in pres-ent control method study result pointed out. This paper compared several development directions of present study situations of flex-ible transmission technology and analyzed the transmission method based on modular multilevel converter. According to the present flexible DC transmission model both at home and abroad, description was made to the application prospect of flexible DC transmis-sion technology in new energy, city grid and smart grid.

Key words: flexible DC transmission; voltage source converter; control strategy; modular multilevel converter; smart grid

Analysis and Study of Flexible DC Transmission Technology

0 引言

柔性直流输电技术，是采用电压源换流器(VSC)和脉宽调制技术(PWM)的直流输电技术，在我国“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”中，将此技术统一命名为“柔性直流输电”(VSC-HVDC)。柔性直流输电解决了传统方式向无交流电源的负荷点输电难的问题，控制方式灵活，有助于提高电网电能质量[1-3]。现有大城市电网存在结构薄弱、动态无功不足等问题，需要新型的灵活、经济、环保的输电方式来解决。在国家智能电网发展纲要中，提出要充分利用可再生能源，提高供电效率，因此需要合适的并网与输电方式。对于一些远距离负荷供电，如向偏远地区、孤岛和海上钻井平台供电，其输电距离和输电容量均不符合交流输电和传统高压直流输电的经济性要求[4-5]。目前，我

国对于柔性直流输电技术的研究和运行，仍处于起步发展阶段。因此，研究柔性直流输电技术，对于我国实施智能电网发展规划以及高压大电网区域互联供电，具有重要意义，本文结合现状对其研究成果和发展方向进行了分析。

1 柔性直流输电技术原理

两端VSC-HVDC输电系统的原理如图1所示，其两侧换流器VSC1和VSC2分别起整流和逆变作用，VSC 由全控换流桥、直流侧电容器、换流电抗器和交流滤波器组成[6-7]。VSC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，换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，也可发挥滤波的作用，直流侧电容则可以提供电压支撑，缓冲桥臂关断时的冲击电流，减小直流侧谐波，而交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。其

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中，VSC的交流侧输出电压是由直流电压通过换流阀的通断形成，不需要交流系统提供换相电压。

参考文献[8]和参考文献[9]对VSC-HVDC的技术特点进行了概括：

(1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，受端系统可为无源网络，能够向小容量系统和不含旋转电机的系统供电，使得远距离的孤立直流负荷输电成为可能；(2)VSC可以同时且独立地控制有功和无功功率，控制更加灵活方便，不需要交流侧提供无功功率就能够起到静止同步补偿器STATCOM的作用，提高了系统的功角和电压稳定性；(3)潮流反转时，柔性直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统的高压直流输电恰好相反，克服了常规直流输电系统并联运行时潮流控制不便的缺点；(4)VSC通常采用PWM技术，开关频率相对较高，使得所需滤波装置的容量大大减小，相关设备采用模块化设计，工程建设周期短，维护工作量大为减少，有效提高了生产效率。

经过上述分析，说明VSC-HVDC的关键技术是换流器电路、控制及保护等系统的设计。换流器的电路拓扑、电压等级、电力电子器件数量、开关调制方式等因素对于整体的性能有着重要的影响。理想的VSC主回路拓扑结构应从能够降低电力电子器件直接串联数目及器件开关频率、简化系统电路拓扑、降低开关损耗等方面出发，在确定合理控制系统的前提下，有效抑制VSC装置的过电压和过电流问题，保证系统在故障条件下不间断运行。

2 柔性直流输电控制策略

对于柔性直流输电系统的控制策略，目前多从稳定运行和故障时两种情况进行研究[10-11]。当VSC-HVDC稳定运行时，又分为间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制通过对VSC交流侧基波电压的幅值和相位进行调整，而直接控制则采用电流闭环方式，因此比较而言，间接控制结构简单易行，但无法实现对电流的直接控制，而直接电流控制具有快速的动态响应能力，易于实现有功和无功分量的解耦控制，鲁棒性能较好。参考文献[12]推导了在dq 坐标系下VSC-HVDC的连续时间域状态空间模型，针对向有源和无源系统供电设计了解耦控制器、电压控制器和功率控制器。参考文献[13]在dq 坐标系下建立了十二脉冲三电平VSC结构的系统数学模型，功率控制器采用PID调节，直流电压、交流母线电压采用PI调节，采用参数优化算法设计了不同运行方式下的控制器参数，有效改善了动态品质。参考文献[14]研究了并网VSC的不同矢量控制器的小信号性能，研究了非理想阀、开关死区和抗混叠滤波器对控制性能的影响。

在电力系统中参数不对称、系统短路等情况，会造成VSC-HVDC交流接入点三相电压不平衡，直流侧电压波动，从而影响电能质量和控制稳定性。参考文献[15]推导了电网不平衡条件下VSC功率传输直角坐标方程，消除了功率脉动时输出电压正序分量与负序分量之间的幅值及相位约束条件。参考文献[16]采用了正序、负序两套旋转坐标系下独立电流控制方案，将正、负序电流分别变换为直流量，利用PI控制器实现对电流的无静差跟踪控制。

可以看到，VSC-HVDC的控制方法多针对连续时域模型分析，控制器也基于PI设计，不符合实际工程中的离散化模型需求，同时如何增强送端站与受端站之间的通信，加强保护系统的研究，也是VSC-HVDC控制策略必须要解决的问题。

3 柔性直流输电研究现状

柔性直流输电技术涉及输配电工程、现代电力电子技术、控制理论、电力系统运行与控制、系统建模、仿真技术、数字信号处理等诸多领域，由于其发展时间不长，仍有许多关键问题值得探索，为此也涌现出了不同的发展方向。ABB、西门子等公司均将VSC-HVDC技术纳入重点研究计划中。3.1 模块化多电平换流器型直流输电MMC-HVDC

模块化多电平换流器型输电技术(MMC-HVDC)由西门子公司提出，MMC拓扑最早于2002年由德国学者R.Marquart和A.Lesnicar共同提出，并于2004年

图1 双端VSC-HVDC输电系统示意图

交流系统1交流系统2