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1、柔性直流输电技术基本特征,2,目 录,柔性直流输电换流器的控制,柔性直流输电技术的发展,3,柔性直流输电的定义,目 录,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（HVDC-Light）”西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDC-PLUS）”
2、中国：柔性直流输电,常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC),高压直流输电（LCC-HVDC）,柔性直流输电（VSC-HVDC）,柔性直流输电与常规直流比较,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。 强迫换相频率上百赫兹。,高压直流输电（LCC-HVDC）,柔性直流输电（VSC-HVDC）,运行性能比较,换流器产生谐波量大，噪音较大，需要配备交流滤波器 需
3、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1020%的高通滤波器 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。,高压直流输电（LCC-HVDC）,柔性直流输电（VSC-HVDC）,工程应用比较,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
4、、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。 可实现黑启动,工程应用比较,工程应用比较,柔性直流换流站,11,柔性直流输电功率器件,目 录,12,电力电子开关,机械开关高压大电流Power,+,=,Electronics高速电子控制低损耗长寿命,Power Electronics,V/mA,kV/kA,kV/kA,V/mA,电力电子开关（功率器件）是装置的基础,13,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
5、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,14,交流和直流变换,通过换流器（Converter）实现变换,15,功率器件的开通和关断过程,门极控制电压,集电极和发射极电压,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,实际关断和导通波形,16,功率器件的发展,Thyristor,GTO,IGCT,IG
6、BT/IEGT,由半控型到全控型,开关速度由低到高（50/60Hz 到几kHz),电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA),半控器件开通可控关断不可控,ETO,全控器件开通可控关断可控,17,大功率开关器件的分类,电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT),18,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,19,GTO和IGCT,集成门极,
7、缓冲层透明阳极逆导技术,GTO,IGCT,上海50MVAr STATCOM采用IGCT目前只有ABB公司供应,最早的全控器件开关频率低，已很少使用,20,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,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,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,21,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压接式封装（Press-Pack)器件故障后不会爆炸故障后处于
8、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主要有以下几类1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT2）日本东芝IEGT3）英国西玛码PP IGBT4）美国ETO,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,22,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,23,功率器件
9、的电压电流水平,主流型号IGBT 4500V/1200AIGBT 4500V/1500AIEGT 4500V/1500AIEGT 4500V/2100AStakPak IGBT 4500V/2000AStakPak IGBT 2500V/2000AIGCT 4500V/4000AETO 4500V/4000A,备注：IGCT和ETO的标称电流为峰值，约与IGBT的2000A相等,24,柔性直流输电功率器小结,柔性直流输电采用的功率器件一般容量较大,电压等级在3300V以上，有3300V，4500V通流能力在1000A以上，有1200A，1500A,良好的开通、关断特性，导通特性,开通关断过程尖
10、峰电压和电流开通、关断过程快速，限制开关损耗导通压降低，限制通态损耗,器件类型和封装,已经使用：压接式IGBT，模块式IGBT其他器件：IGCT，ETO压接式封装散热较好，损坏带来的影响较小，是发展趋势,备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如STATCOM等,25,柔性直流换流器技术,目 录,26,基于全控器件的换流器,自换相换流器 Self-Commutated Converter,VSC (Voltage Source Converter),CSC (Current Source Converter),STATCOM, SSSCVSC-HVDC,直流侧为电容，视作电压源,直流侧
11、为电抗，视作电流源,主流方式,较少采用,全控器件,全控器件,27,电压源换流器原理,0,Vdc,脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM),28,正弦载波PWM ( Sine PWM, SPWM),载波频率fs：三角载波频率,三角载波,参考波,参考波频率f1,载波比：fs/f1,换流器输出电压（基波）波形与参考波一致,29,换流器四象限运行（有功和无功独立控制）,Uc,Us,UL,UC US时, Q 为容性,I,UL,I,US,UC,US,UC,UL,UC US 时，Q为感性,I,Uc,Us,UL,P0, 整流模式,I,Uc,Us,UL,P0, 逆变模式,I,30,
12、实现高压大容量换流器的途径,开关器件的直接串联实现高压对功率器件要求高，技术难度大,变压器多重化,多电平换流器,通过变压器将多组低压VSC耦合连接，实现高压大电流变压器损耗大，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,在功率器件单体容量限制下，如何实现VSC高压大容量？,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,32,器件串联,换流器输出电平数低，正弦度不高，谐波和损耗大实现中存在多方面困难串联器件静、动态均压技术杂散参数
13、控制、安装、运行维护,ABB的StakPakTMIGBT模块,33,两电平换流器的PWM控制,34,器件直接串联的关键技术问题,开关过程中的动态均压尽量选择参数一致的器件强化结构设计，减小杂散参数强制均压电路控制开通和关断过程,串联IGBT的动态均压,串联IGCT的动态均压,多电平换流器,多电平换流器的起始 NPC换流器中性点钳位NPC- Neutral Point Clamp实现三电平，电平数仍较低,35,NPC换流器（三电平换流器）,S1S2S3S4,1100,0110,0011,VO=Vdc,VO=0,VO=-Vdc,Vdc,0,-Vdc,36,37,三电平NPC换流器 两电平换流器,相
14、电压,线电压,频谱,谐波性能得到改进开关频率仍较高,37,多电平换流器,38,多电平换流器,二极管钳位换流器（5电平）,悬浮电容钳位换流器（5电平）,模块串联换流器（数十到百电平）,39,定义N为电平数目每个器件仅需承受Vdc/(N-1),所需主开关器件数目 2(N-1) 所需钳位二极管数目 (N-1)(N-2),所需二极管数量平方次增长N3时的直流电容电压平衡控制十分困难在电力系统中少采用,+Vdc/2,+Vdc/4,0,-Vdc/4,-Vdc/2,二极管钳位多电平换流器,40,模块串联换流器全H桥结构,所需主开关器件数目 2(N-1) 所需钳位电容数目 (N-1）/2,需要直流电压平衡控制
15、直流侧无法实现端对端连接已是大容量STATCOM主要采用的结构,上海50MVA，东莞200MVA STATCOM均是这种结构,41,Modular Multilevel Converter, MMC (模块化多电平换流器）,模块串联换流器半H桥结构,需要直流电压平衡控制直流侧能够实现端对端连接柔性直流输电主流结构,42,MMC换流器工作原理,S1=On, S2=Off : Vx=Vc,S1=Off, S2=On: Vx=0,直流电压控制 Vd=nVC,交流电压控制 VAC=V1+V2+Vn,43,MMC换流器工作原理等效为可控电压源,直流电压约束,交流电压约束,44,MMC换流器桥臂等效电路桥
16、臂电流存在交流和直流分量,45,MMC换流器的调制策略两种主要调制策略,最近电平逼近调制(NLM),载波移相调制（CPSM）,46,多电平换流器谐波特性好,多电平换流器的优点,不需要装设滤波器,47,多电平换流开关频率大大降低,两电平换流器,多电平换流器,等效开关频率,器件开关次数,器件开关频率大大降低,器件开关频率很高,器件开关频率从几千Hz降低到250Hz到300Hz,48,提高器件性能,降低开关频率,降低开关频率等于降低损耗,49,例子：换流器技术对损耗的影响,注：引自ABB参考资料,Gen.1 是两电平换流器，损耗3.3%Gen.2和Gen.3 是三电平换流器，损耗2.0%左右Gen.
17、4 是多电平换流器，损耗1.0%常规直流,50,不同拓扑换流器比较,注：1、多电平换流器指几十电平以上的换流器 2、多电平换流器控制难题能够解决,51,柔性直流输电换流器小结,主要采用模块化多电平换流器拓扑,基本单元为功率模块，功率模块串联实现高电压,模块化多电平换流器特点,一般电平数达到100以上无需安装滤波器通过模块实现换流器冗余器件开关频率几百赫兹，换流器损耗较低能够采用的功率器件种类多，选择广,备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如STATCOM等,52,53,柔性直流输电换流器的控制,目 录,定P、Q控制,定直流电压控制,定交流电压控制,VSC-HVDC的主要控制方式类别
18、,实现系统级控制目标产生补偿参考电流iref（谐波、无功等）,iref,vref,使换流器输出电流得到控制产生vref指令,生成PWM控制脉冲,基于VSC系统的控制层次,VSC-HVDC中换流器的控制,不考虑拓扑结构，只考虑外部变量特性,dq坐标系下的VSC数学模型,线性化后的控制环,引入新的变量 v1、v2,dq坐标系下的VSC反馈线性化解耦控制,VSC-HVDC的dq解耦控制器,优点一种较为经典的控制方法控制量、反馈量均为直流量，比较容易稳定对控制速度的要求较低可以与各种PWM方法配合工作，对开关频率要求较低缺点暂态过程中，dq轴上的量存在波动，给控制带来困难尤其在系统不对称故障时，对控制
19、效果的影响较大,dq解耦控制的优缺点,MMC换流器的直流电压均衡控制,62,柔性直流输电系统,目 录,63,柔性直流输电系统构成,换流站系统,柔直系统,控制保护系统,柔性直流输电换流站系统,换流站主要一次功能设备包括：换流阀联接变压器桥臂电抗器启动电阻接地电阻阀冷系统,换流站交流侧接线,匹配交流系统和换流器之间电压在交流侧设置接地系统（也可在直流侧设置接地系统）根据换流站P/Q输出范围和系统暂态特性，选取设备参数无交流滤波器和无功补偿设备,柔性直流输电换流站系统,直流侧接线,直流电压电流测量装置直流侧电抗器限制雷电无直流滤波器,柔性直流输电换流站系统,柔性直流输电换流站系统,柔性直流输电换流站
20、系统,联接变压器主要作用：（1）在交流系统和柔直换流站间提供电抗连接（2）对交流电网与直流输电系统的直流电压等级进行匹配（3）提供中性接地点,连接变压器,启动电阻,阀电抗,柔性直流输电换流站系统,启动电阻主要作用：限制阀侧电网对于功率模块直流储能电容的充电电流，使换流器相关设备免受冲击电流与冲击电压影响，保证设备安全运行；限制充电速度，避免充电过程中功率模块电容器电压不平衡,桥臂电抗主要作用：柔性直流换流站与交流系统之间功率传输的纽带限制桥臂环流限制故障电流上升率,阀冷系统分为内冷水系统和外部空气/喷淋水冷却器两部分。内冷系统主要是迅速吸收换流阀散发热量，外冷系统主要降低循环水温。内冷水系统的
21、主要设备由主循环回路、去离子回路、定压系统、补水回路、自动排气阀构成。外部空气冷却器由换热翅片管束和变频调速风机构成。,内冷水系统,外部空气冷却器,冷却水系统回路图,柔性直流输电换流站系统,柔性直流输电换流站系统,XLPE 绝缘柔性直流输电电缆绝缘材料为交联聚乙烯， 其通过超净高纯度工艺或在交联交流电缆绝缘中添加纳米材料解决了交联直流电缆的空间电荷问题。软化点高、热变形小,在高温下的机械强度高、 抗热老化性能好,与传统直流电缆相比, 柔性直流输电中不要求直流电缆承受电压极性翻转,海缆,陆缆,柔性直流输电换流站系统,优点：阀交直流侧电压水平较低双极/单极运行缺点：设备较多，占地面积大阀侧设备耐受
22、直流电压,优点：设备少，占地面积小阀侧设备不需要耐受直流缺点：阀交直流侧电压水平高单极运行,对称双极接线,对称单极接线,串并联方式灵活配置多个落点技术挑战受端并联、串联多端的控制模式多样化,串联,并联,受端多落点混合多端直流,柔性直流输电控制保护系统,换流站控制保护系统总体分层结构为远方调度中心通信层、集控中心层、换流站监控层、控制保护层、现场I/O 层。,75,柔性直流输电控制保护系统,76,目 录,柔性直流输电技术的发展,77,应用背景,柔性直流输电系统是构建智能化电网的重要部分，具有绿色环保，控制灵活，适用场合广的突出优点。,新能源接入,城市配电网供电,电网互联/电力市场交易,孤岛/钻井
23、平台供电,柔性直流输电是采用全控电力电子器件组成的电压源换流器构成的直流输电系统。,国内外柔性直流发展概况,78,美国已投运3项柔性直流输电工程，在建1项，2025年前规划40余项。,欧洲已投运7项柔性直流输电工程，在建7项，2025年前规划50余项。,中国于2011年投运了南汇风电和中海油文昌两个柔直工程，2013年投运南澳工程，2014年投运舟山工程，正在建设厦门工程、云南电网异步联网工程。,南汇柔性直流输电工程换流站,南澳柔性多端直流示范工程示意图,舟山多端柔性直流输电工程,世界上已投运和在建工程,79,已投运和在建工程特点,80,1997年-2013年已投运工程20个，总容量5336M
24、W2014年-2015年在建工程12个，总容量9109MW在建工程美国1个，中国2个，欧洲9个在建工程换流器拓扑均为模块化多电平结构在建工程主要为风电接入和系统联网在建工程有2个是多端系统,换流阀所需大功率电力电子器件选择多样化换流器输出谐波含量少，无需交直流滤波器开关频率大大降低，运行损耗减少，运行成本降低结构更加紧凑，更适合不利环境下建设、运行,技术发展趋势,81,82,10kV3MW,1997,2010,200kV400MW,2015,700kV1500MW,技术发展趋势,未来可能用于替换常规直流输电，解决受端换向失败，增强电网控制能力,83,欧洲超级电网,技术发展趋势,基于柔性直流系统
25、的城市供配电网,84,典型工程,Trans Bay Cable工程位于美国旧金山，2010年建成，世界上首个采用模块化多电平换流器技术的柔性直流输电工程。直流电压200kV，功率400MW。,* From Siemens,85,Skagerrak 4挪威-丹麦联网,Sk 1 常规直流/Classic,Sk 2 常规直流/Classic,Sk 3 常规直流/Classic,Sk 4 柔性直流/VSC-HVDC,与常规直流构成双极电压等级达到500kV解决多直流馈入问题提供黑启动功能2014年投产,* From ABB,典型工程,86,INELFE法国-西班牙联网,容量达到2*1000MW换流站为
26、系统提供无功支持提供黑启动功能计划2015年投产,* From SIEMENS,典型工程,87,应用设想欧洲北海风电接入电网,欧洲新能源并网，总共6200MW风电，大部分（9回直流线路，3回交流线路）通过VSC-HVDC接入欧洲电网。VSC-HVDC电压在200kV到320kV之间，容量在400MW到900MW之间。,*来自TenneT 主页,88,应用设想德国北电南送,德国规划三回通道，将北部风电向南输送分别2GW，2GW，4GW，计划第一回采用VSC-HVDC* from SIEMENS,规划两回1400MW的联网工程，一回是挪威南部Tonstad到德国北部Wilster，使用长度超过50
27、0公里海底电缆；另一回是挪威南部到英国东部，长度达到800公里左右，将会是世界上最长的海底电缆。预计电压500kV，两回直流计划2018年投产。,* From SIEMENS,应用设想挪威到英国和德国联网工程,89,将三个60Hz异步电网美国东部电网，西部电网和德克萨斯州电网连接起来。规划采用三个750MW电压源换流器技术，首回750MW柔性直流将于2014年投产。*来自CIGRE会议论文,应用设想美国Tres Amigas超级变电站,90,91,91,应用设想广东受端电网背靠背柔直,背靠背柔性直流（比如750MW，300kV）；柔直占地小、无直流线路，布置灵活；多回直流换相失败问题大大减轻，
28、没有6回以上同时失败,BtB VSC HVDC,BtB VSC HVDC,Example：,92,应用设想高电压大容量远距离柔直,20152030年广东电网还将新增4回大容量直流输电柔性直流实现大容量、高电压、远距离输电，不加剧运行困难，而且对电网稳定性有极大改善；根本上解决多回直流集中馈入问题,Example：,新的大容量常规直流New large HVDC,柔性直流VSC HVDC,单落点,93,应用设想未来电网中的多端柔直,以柔性直流实现多端、直流网络可以降低大规模同步电网的运行风险，不降低电网运行灵活性需研发直流断路器、直流变压器等关键设备目前我国正在进行多端柔性直流研究和试点,MTDC，DC grid(Multi-terminal VSC HVDC),AC grid,94,直流配电的提出和应用,城市交流配电遇到瓶颈，输送通道不足，无法提供定制电力新能源入网需求，直流用电负荷增加，采用直接接入可以大大减少DC/AC变换环节,采用直流系统的大型船只（来源 ABB）,应用设想柔性直流配电网,
