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1、柔性直流输电系统简介及损耗分析2012-8-29摘要随着可关断器件性能的改进以及容量的提升，基于电压源换流器(VSC Voltage Source Converter)和脉宽调制(PWM Pulse Width Modular)技术的新一代高压直流输电(VSC-HVDC)已经成为现实。VSC-HVDC是一种新的直流输电技术，它具备有功无功快速独立控制、可向远距离小功率无源网络供电、向系统发出无功功率、易于构成多端网络等特点，因此成为解决大容量可再生能源接入、弱交流系统互联、城市直流输配电网、偏远地区供电及提高配网电能质量等问题的重要手段。目前国外VSC-HVDC已经在海上风电场并网、非同步电网
2、互联交易等领域得到了成功应用，而在国内对VSC-HVDC系统数学模型和控制策略等方面也进行了大量的研究，并开始着手实际示范工程的建设。本报告先简要分析了VSC-HVDC的系统结构和基本工作原理，针对VSC-HVDC系统的技术特点，阐述了其主要的应用领域。然后重点进行了VSC-HVDC系统的损耗分析，包括系统损耗的主要构成及换流器的损耗计算方法，同时分析了PWM调制方式下的换流器损耗特性。1 VSC-HVDC简介1.1系统结构和基本原理图1.1 双端VSC-HVDC系统结构图双端VSC-HVDC输电系统的主电路结构如图1.1所示，两端换流器通过直流输电线路连接，一端运行于整流状态，另一端运行于逆
3、变状态，共同实现两端交流系统间有功功率的交换。其中的主要部件包括：交流侧换流变压器、交流滤波器、换流电抗器、全控换流器以及直流侧电容器。其中全控换流器的拓扑结构在目前实际应用中主要有两种：一种是传统的三相两电平或三电平的主电路结构，由于单个可关断器件的耐压较低，因此每一桥臂均由多个IGBT或GTO等全控器件串联组成，目前ABB公司采用此种方案；另外一种是基于模块化多电平的主电路拓补结构，其基本的电路单元也称为子模块由两个全控器件及相应的电容器组成，各相桥臂均是通过一定数量的具有相同结构的子模块和阀电抗器构成，通过变化子模块的数量即可改变换流器的输出功率电压及功率等级，目前西门子公司采用此种方案
4、。直流侧电容器为换流器提供电压支撑、并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流侧换流变压器将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，以减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。换流电抗器是VSC-HVDC功率传输的纽带，决定了输送功率的大小及功率控制的性能，兼抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压，同时能够抑制短路电流上升速度。交流侧滤波器的作用则是滤除交流侧谐波，由于VSC-HVDC采用了PWM技术，换流站输出电压中的低次谐波很少，主要为开关频率的整数倍附近的高次谐波，因此滤波器的体积和
5、容量均大大减小，一般情况下只需配置高通滤波器即可。VSC-HVDC系统根据主电路拓补结构及其全控器件的类型可以采用脉宽调制技术(PWM)或者脉冲幅值调制技术(PAM)。PWM技术多应用于基于IGBT阀的VSC-HVDC换流器控制，而PAM主要应用于GTO阀的换流器控制。由于目前VSC-HVDC换流阀主要采用IGBT作为开关器件，因此通常采用PWM技术。以正弦脉宽调制(Sine Pulse Width Modulation, SPWM)为例，其控制原理如图1.2所示。图中一相SPWM的调制参考波与三角载波进行数值比较，当参考波数值大于三角载波时触发导通该相的上桥臂并关断该相的下桥臂，反之，当参考
6、波数值小于三角载波时则触发关断该相的上桥臂并导通该相的下桥臂。在上下桥臂开关的交替导通和关断下，电压源换流器交流出口电压是幅值为正负的脉冲序列，为直流侧电压。该脉冲系列的基波分量与调制参考波相位一致，幅值为（，调制度，为正弦调制波幅值与三角载波幅值的比值）。因此，从调制参考波与电压源换流器交流出口电压基波分量的关系看，电压源换流器可以看成无相位偏移、增益为的线性放大器。由于调制参考波的幅值和相位可以通过PWM的调制度及移相角度来实现调节，因此电压源换流器交流输出电压的幅值和相位也可通过这两个变量进行调节。(a)VSC单相SPWM控制原理图(b)VSC交流侧基波等效原理图图1.2 正弦脉宽调制原
7、理示意图如图1.2(b)所示，当忽略换流变压器和换流电抗器的电阻时，VSC-HVDC交流系统母线电压基波分量与电压源换流器交流出口电压基波分量共同作用于换流变和电抗器的等效电抗，类似于发电机电动势与出口电压之间的关系，可以推导出电压源换流器与交流系统之间交换的有功功率和无功功率分别式(1-1)和式(1-2)。 (1-1) (1-2)由式(1-1)可知，VSC-HVDC有功功率的传送主要取决于相对于的相位角度。当小于零时，换流站吸收有功功率，电压源换流器工作在整流状态；当大于零时，换流站发出有功功率，电压源换流器工作在逆变状态。因此，只需调节的大小即可控制VSC-HVDC系统传输有功功率的大小和
8、方向。由式(1-2)可知，VSC-HVDC无功功率的传送主要取决于换流器交流侧输出电压的基波分量幅值。当时，换流站吸收无功功率；当时，换流站发出无功功率。因此，只需控制幅值的大小即可控制VSC-HVDC系统传输无功功率的大小和方向。综上所述，由于采用PWM控制的电压源换流器，可对其出口电压基波分量的幅值与相位进行调节，因此VSC-HVDC输电系统中各VSC在对其输送有功功率进行控制的同时，还可控制其与交流系统间交换的无功功率，从系统的角度看，换流站就像一台无转动惯量的发电机，可以瞬时调节其出口的电压和频率。此外，VSC-HVDC正常稳态运行时直流网络的有功功率必须保持平衡，即输入直流网络的有功
9、功率必须等于直流网络输出的有功功率加上换流站和直流网络的有功功率损耗。如果出现任何功率的偏差，都将会引起直流电压的升高或降低。为了实现有功功率的自动平衡，在VSC-HVDC系统中必须选择一端换流站控制其直流侧电压，充当整个直流网络的有功功率平衡换流器，其它换流站则可在其自身容量允许的范围内任意设定有功功率。1.2 技术特点和应用领域1.2.1 技术特点VSC-HVDC的技术特点主要基于其采用了全控型开关器件及高频PWM技术。截止到目前，实际的VSC-HVDC工程中开关器件均采用了绝缘栅双极性晶体关(IGBT)，而采用的脉宽调制技术主要有正弦脉宽调制(SPWM)和优化脉宽调制技术(OPWM)，即
10、使是最新的模块化多电平技术，其实质也是一种基于脉波的调制技术。由于VSC-HVDC是从常规直流输电的基础上发展起来的，因此具有传统直流输电的一些基本优点，如：相比交流线路来说少用一根导线，使其线路造价较低、线路损耗较小，占用的输电走廊也比较窄；不存在交流输电的系统稳定性问题；可以实现非同步系统的互联。除此以外，VSC-HVDC系统还有一些自身的技术特点，主要体现在以下几个方面：1、 有功功率和无功功率的快速独立控制。VSC-HVDC可以在其运行范围内对有功和无功功率进行完全独立的控制。两端换流站可以完全吸收和发出额定的无功功率，通过直接接收无功功率指令或根据交流电网的电压水平调节其发出或吸收的
11、无功功率，并在这个范围内连续调节有功输出。2、 功率反转方便快捷。VSC-HVDC输出功率反转无需改变电压极性，只需改变直流电流即可。控制系统配置和主电路结构均保持原样，即不用改变控制模式、滤波开关，也不需要换流器闭锁，整个反向过程可以在几个毫秒内完成。无功功率控制器同时动作，保证无功功率不受潮流反向过程的影响。此特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统。3、 提高交流电网的稳定性。VSC不仅不需要交流系统提供无功功率，而且能够起到静止无功发生器(STATCOM)的作用，动态地向交流网络补偿无功功率，稳定交流母线电压。若VSC容量允许，当交流电网发生故障，VSC-HVD
12、C既可以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，从而能够提高交流系统的功角稳定性和电压稳定性。4、 可以向无源网络供电。电压源换流器电流能够自关断，可以工作无源逆变方式，无换相失败问题，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络。5、 具有快速恢复供电和黑启动的能力。正常情况下，VSC-HVDC以交流系统电压为参考电压，其幅值和频率由交流电网的电压确定。当发生电压崩溃或者停电时，VSC-HVDC能够瞬间启动自身的参考电压并脱离交流系统的参考量。此时VSC-HVDC相当于无转动惯量的备用发电机，随时准备向瘫痪的电网内重要负荷供电。6、 由于VSC交流侧电流可以被控制
13、，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的VSC-HVDC输电线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。7、 VSC通常采用PWM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，从而简化了换流站的结构，并使所需滤波装置的容量也大大减小。1.2.3 应用领域由于VSC-HVDC系统克服了常规直流输电的固有缺陷，可以快速独立控制有功无功、潮流反转方便、可自换相等，具有提高交流系统电压及功角稳定性、黑启动、便于电力交易等功能，因此可在以下应用领域可发挥其积极的作用：1、 代替本地发电装置，向偏远地区、岛屿等小容量负荷供电。偏远的小城镇、村庄以及远离大陆电网的海上岛屿、石
14、油钻井平台等负荷，其负荷容量通常为几个兆瓦到数百兆瓦，且日负荷波动大。由于输电能力以及经济等因素，限制了向这些地区架设交流输电线路。由于负荷容量达不到传统HVDC的经济输电范围且负荷网络为无源网络，因此也限制了传统HVDC输电线路的架设。对这些偏远地区负荷供电，往往要在当地建立小型发电机组。这些小型机组不但运行费用高、可靠性难以保证，而且通常会破坏当地的环境。采用VSC-HVDC输电技术，可向无源网络供电且不受输电距离的限制，几个兆瓦到数百兆瓦也符合VSC-HVDC的经济输电范围。因此从技术和经济性角度，采用VSC-HVDC技术向这些负荷供电是一种理想的选择。2、 城市配电网的增容改造。随着大
15、中型城市用电负荷的迅猛增长，原有架空配电网络的输电容量已经不能满足用电负荷需求。然而，由于空间的限制，增加新的架空输电走廊代价很高，甚至根本不可能。另一方面，交流长距离输电线路对地有电容充电电流，需要添加相应的补偿装置，如并联电抗器。VSC-HVDC可采用地埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，而且适合长距离电力传输。采用VSC-HVDC向城市中心供电有可能成为未来城市增容的唯一可选方案。3、 提高配电网电能质量。非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电压间断、电压凹陷/突起以及波形闪变等，使一些敏感设备如工业过程控制装置、现代化办公设备、电子安全系统等失灵，造
16、成很大的经济损失。VSC-HVDC可快速控制有功功率和无功功率，并能够保持电压基本不变，使电压、电流满足电能质量的要求，VSC-HVDC是未来改善配电网电能质量的有效措施。4、 异步电网的互联。模块化结构及电缆线路使VSC-HVDC输电对场地及环境的要求大为降低，换流站的投资下降，因此可以根据设计要求选择最理想的系统互联位置。2 VSC-HVDC系统损耗分析传统直流输电工程中换流站损耗占系统额定功率的0.5%1%左右。而VSC-HVDC系统中由于电压源换流器，其损耗远远大于传统直流输电，这也是其应用于大容量功率传输的主要障碍。2.1 系统损耗构成VSC-HVDC系统的损耗包括换流器损耗、滤波器
17、损耗和换流变压器损耗，直流输电线路损耗及接地极系统损耗几部分。由于VSC-HVDC系统中的电压源换流阀在正常工作时每个工频周期下开关达上千次，因而造成的损耗较大，整个换流站损耗占额定容量的1.5%6%，大大高于传统直流输电换流站的0.51%。因此换流器的损耗计算在VSC-HVDC系统损耗分析中最为重要。换流器损耗的决定因素包括开关器件的特性、VSC的拓扑结构、VSC的容量、VSC的调制方式、直流侧电压等级等，而这些因素又与VSC-HVDC的其他性能指标密切相关，如电能质量等。2.2 换流器损耗分析VSC-HVDC的换流器使用的可关断器件目前均为IGBT，因此换流器损耗主要是由其所使用的IGBT
18、器件产生的，损耗分析的关键是对IGBT进行损耗建模。IGBT的模型可以分为物理模型和功能模型两种。目前对IGBT的建模主要集中于物理模型，该类模型可以给出精确的器件瞬态电压、电流波形，但是也存在严重缺陷：需要大量难以获得的器件制造参数，如掺杂浓度、载流子寿命等半导体物理参数；仿真计算量大，为了模拟开关过程，仿真步长非常短（一般需要小于10ns）；还存在收敛问题，其适用范围受到限制。IGBT功能模型的建立通常需要大量的实验数据，需对IGBT进行特性参数辨识，应用过程复杂，不具有通用性，而且实验过程中可能损坏器件。目前计算IGBT损耗的实用方法是根据输出特性计算IGBT及其反并联二极管的稳态损耗；
19、根据集电极电压-电流特性计算暂态损耗，两者之和即为器件总损耗。以下首先推导IGBT损耗与各种相关参数的关系，然后得到总的换流器损耗的表达式。2.2.1 IGBT功率损耗分析IGBT器件运行状态下的功率损耗主要有以下三个部分：稳态损耗，包括通态损耗和截止损耗；暂态损耗，包括开通损耗和关断损耗；驱动损耗。IGBT的正向截止损耗和驱动回路损耗在总的损耗中占的比例很小，一般忽略不计。换流器中的IGBT一般带有反向并联二极管，二极管的损耗主要包括通态损耗、开通损耗、反向恢复损耗和截止损耗。由于二极管截止时漏电流很小，正向开通速度很快，因此其截止损耗和开通损耗可以忽略不计。需要注意的是，下面讨论的二极管并
20、不是当前所说IGBT的反并联二极管，而是同一个桥臂的另外一个IGBT的反并联二极管，由于结构的对称性，这样分析对总损耗计算不会产生影响。那么假定下面所讨论的IGBT是指A相上桥臂的IGBT，则反并联二极管指的是A相下桥臂的IGBT对应的反并联二极管。综上所述，IGBT损耗、二极管损耗和换流器总损耗分别可以表示为：（2-1）（2-2）（2-3）式（2-3）中，为换流器总的IGBT的个数。2.2.1.1 IGBT通态损耗IGBT集射集电压和电流的典型曲线图如图2.1所示，该曲线可以用下面的函数来近似。图2.1 IGBT正向导通压降（2-4）其中：和分别为IGBT正向导通电阻和擎住电压，两者都受温度
21、的影响，可以通过拟合曲线得到。分别由结温T1（125）和T2（25）的IGBT集射级电压和电流的典型曲线得到两组参数，（、）和（、）。通过插值，近似得到和关于结温的函数如下：（2-5）（2-6）如果有多条IGBT特性曲线，可以对和进行温度的分段求取，从而得到更精确的结果。为表述简单，下面的推导继续以（、）表示（、）。上桥臂IGBT通态损耗的功率计算如下：（2-7）同理，下桥臂反向并联二极管的通态损耗计算如下：（2-8）其中和分别为通过二极管的电压、电流；和为二极管特性参数，与结温有关。由式（2-7）和（2-8）可知，对于特定型号的IGBT和二极管，如果内阻的温度特性确定，那么器件的通态损耗主要
22、与导通电流和结温这两个物理量有关。2.2.1.2 IGBT开通损耗IGBT典型的开关波形如图2.2所示。开通电流的过冲主要与二极管的恢复电流有关，计算换流器中的IGBT开通损耗必须考虑二极管的存在。下面分段计算IGBT的开通损耗。图2.2 典型IGBT开关特性曲线1-2段，下桥臂二极管保持导通，上桥臂IGBT近似为保持关断时的电压。理论分析和实验结果均表明，IGBT开通电流的变化率在开通过程中接近一个常数，该常数与最终电流成近似的线性关系，因而导通时间可以表示为：（2-9）其中，为拟合参数，与结温有关。该段损耗计算如下：（2-10）2-3段，下桥臂二极管开始反向恢复，此时二极管上的压降很小，此
23、段二极管损耗可以忽略不计。IGBT近似为保持关断时的电压，IGBT电流叠加了二极管的反向恢复电流。设二极管恢复电流峰值为，则IGBT电流可以表示如下：（2-11）二极管的反向恢复电流峰值、时间与导通电流呈近似的线性关系，表示如下：（2-12）（2-13）其中、为与结温有关的拟合参数。计算2-3的IGBT损耗：（2-14）根据有关论文1可知（2-15）所以（2-16）3-4段，下桥臂二极管开始承受反向电压，恢复电流从峰值开始下降。到4点，二极管反向电压达到最终值，恢复电流降到零，完成关断。相应地，IGBT集射级电压下降到通态电压，电流达到最终值，完成导通。这个过程的损耗由IGBT和二极管共同产生
24、。IGBT电压、电流，二极管电压、电流可以分别近似表示为：（2-17） （2-18）（2-19）（2-20）此段IGBT损耗计算如下所示：（2-21）二极管反向恢复损耗计算如下式：（2-22）IGBT开通损耗为三段损耗之和：（2-23）2.2.1.3 IGBT关断损耗关断过程如图2.2所示。从厂商数据和实验结果可以得出，IGBT关断时电流下降时间受电流变化的影响不大，可表示为：（2-24）计算IGBT关断损耗：（2-25）由式（2-23）和（2-25）可得IGBT开关损耗：（2-26）同理，二极管的恢复损耗也可以表示为：（2-27）其中，可以用常数来表示，都是与温度有关的参数；为IGBT额定电
25、压；、分别为额定直流电压下的开关损耗好反向恢复损耗，因而可以利用厂商的、的特性曲线来拟合得到参数，。参数都受结温的影响，满足一定得温度范围时，可以利用插值得到损耗的结温系数，IGBT开关损耗和二极管损耗的结温系数表示如下：（2-28）（2-29）其中，为IGBT额定电压、额定电流下，结温T1（125）和T2（25）时的开关损耗；，为相同条件下的二极管反向恢复损耗。为了表述简单，下面的推导继续以（、）表示（、）。IGBT开关损耗和二极管反向恢复损耗的表达式为：（2-30）通过上面的推导可知，总结式（2-5）、（2-6）和（2-28）可得：（2-31）由式（2-31）可以计算任意电流、电压、结温下
26、的损耗，可用于分析不同工况下的IGBT损耗。该表达式中的各种参数均可方便地获得，计算方便。2.2.1.4 换流器通态损耗计算下面将分析SPWM调制方法下的换流器损耗特性，由于换流器结构的对称性，各相IGBT与二极管电流电压曲线的形状是相同的，仅仅存在相位差。因而只需要对一个IGBT和二极管进行功耗分析，将分析结果乘上相应的IGBT数目即可得到总损耗。为了方便表述，先假设所有桥臂为单管。如图2.3所示，只有当的时候T1，D2才导通，所以计算T1损耗，只需要计算的半个周期。在一个工频周期内，IGBT的结温波动量很小，所以计算平均损耗的时候可以假定结温恒定。下面对各部分损耗进行计算：图2.3 换流器
27、的一相假设换流器工作于线性调制模式，即调制度m取值范围0,1。交流电压和电流基波分量之间的相位差用相位角表示。如图2.4所示，考虑死区时间，一个开关周期内，IGBT和二极管导通时间，表示如下：图2.4 理想开关状态和考虑死区时间的开关状态（2-32）IGBT开关一次的通态损耗：（2-33）忽略电流谐波，相电流表示为：（2-34）（2-35）在一个采样周期内：（2-36）（2-37）其中为调制波周期。IGBT通态损耗表示如下：（2-38）由式（2-38）计算可得IGBT通态损耗表示如下：（2-39）同理可得二极管通态损耗，表示如下：（2-40）由式（2-39）和（2-40）中，、均与结温有关。2
28、.2.1.5 换流器开关损耗计算IGBT开关损耗如下所示：（2-41）可得IGBT开关损耗（2-42）同理计算可得二极管反向恢复损耗（2-43）其中，结温系数、均与结温有关；为开关频率。总结式（2-39）（2-40）（2-41）（2-42）可得，SPWM方式下的VSC的损耗如下：（2-44）由式（2-44）可方便地计算SPWM调制下VSC的各部分损耗。其中、和均与结温有关，各项参数均可以方便由厂商提供的数据表格和曲线中获得。由于VSC中每个阀并联了大量的IGBT开关器件，所以采用由厂商提供的典型参数具有代表意义，使得计算结果不失精确性。2.2.2 其他损耗分析2.2.2.1 换流变压器损耗换流
29、变压器的损耗比同容量的交流变压器的损耗大，因为经换流变压器绕组的电流含有谐波分量。根据IEC61378-2，首先假定绕组中的涡流损耗与频率的平方成正比，金属构件中的杂散损耗与频率的0.8次方成正比，然后通过在两个频率（工频和倍频）下的负载损耗试验，根据式（2-45）和（2-46）联立求出工频下绕组中的涡流损耗和金属构件中的杂散损耗。（2-45）（2-46）式中倍频下的负载损耗；工频下绕组中的涡流损耗；工频下构件中的杂散损耗；工频负载试验时的试验电流；倍频负载试验时的试验电流；工频（50或60Hz）；倍频（150250Hz或180300Hz）。最后，再根据上述假定，由变压器换流运行时的电流频谱计
30、算出各次谐波电流产生的损耗及负载损耗：（2-47）（2-48）（2-49）（2-50）式中 谐波次数；次谐波电流下绕组中的涡流损耗；次谐波电流下构件中的杂散损耗。2.2.2.2 直流线路损耗直流线路损耗与线路长度成正比。它包括与电压相关的损耗和与电流相关的损耗两部分。与电压相关的损耗主要指线路电晕损耗和线路绝缘子串泄漏损耗。由于后者数量很小，一般可以忽略不计。直流线路电晕损耗比交流线路电晕损耗小，且受气候条件的影响也小。我国国家电力公司电力科学研究院曾对500kV直流线路进行过实测，测得线路电晕损耗正极为3.1瓦/米，负极为3.6瓦/米。与电流相关的损耗主要是流过线路的直流电流在直流线路电阻上
31、产生的损耗。与输送同样有功功率的交流线路相比，直流线路的损耗通常较小。直流线路损耗还与直流系统运行方式有关。按损耗大小从小到大排序为：双极线并联运行、大地回线运行、金属回线运行。2.2.2.3 接地损耗接地极引线及接地电极损耗，接地极引线电压很低，只需考虑与电流相关的损耗。接地极的电阻很小，一般在0.1欧姆以下，且其损耗与直流系统运行方式有关。当直流系统按单极大地回路方式或双极线并联大地回路方式运行时，流过接地极系统的直流电流是负载电流，这种情况下应计算其损耗；当直流系统按双极对称运行时，流经接地极系统的电流仅为两极不平衡电流(正常情况下仅为直流系统额定电流的1左右)，由此产生的损耗可以忽略不计。以我国葛洲坝上海 500kV直流输电系统(1045 km，1200 MW)为例，双极额定负载运行时，两换流站损耗为额定负载的1.31%，直流线路损耗为额定负载的6.73%，接地极引线(两端引线的长度均约30 km)和接地极的损耗可以忽略。参考文献：1N.Mohan,T.Undeland,and W. Robhins. Power Electronics:Converters,Applications and DesignM.New York,John Wiley & Sons,1989.
