柔性直流输电阀短路故障分析及其保护策略探讨
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柔性输配电
·138·价值工程柔性直流输电阀短路故障分析及其保护策略探讨Valve Fault Analysis of HVDC Flexible and Its Protection Strategies吴翠朋 Wu Cuipeng；周永旺 Zhou Yongwang；陈少华 Chen Shaohua（广东工业大学，广州 510006 ）（Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China ）摘要：柔性直流输电技术（HVDC Flexible 采用电压源型换流器）（VSC 以及 PWM 技术，）其中全控型 IGBT 换流阀是 VSC 换流站的核心器件。本文主要根据柔性直流输电换流桥阀的工作过程，分析了 VSC 换流站整流侧发生阀短路故障时系统交直流侧的故障特征。总结故障特征并与传统HVDC 系统发生类似故障时的故障特征进行比较，分析传统 HVDC 的保护策略
应用于柔性直流输电的可行性。 Abstract ： HVDC Flexible transmission technology uses the Voltage Source Converter(VSC) and PWM technology. The whole controlled valve IGBTs are the key devices of the VSC converter. This paper analyses the characteristics mainly based on
the working process of valves when the valve fault happens.Summed all the characteristics, compared with the traditional HVDC when the same fault happens, the paper analyses whether the protection strategies
of traditional HVDC can be applied to the HVDC Flexible or not. 关键词：柔性直流输电；传统 HVDC；阀短路；桥臂直通；保护策略 Key
words ： HVDC Flexible； traditional HVDC； valve fault； bridge straight-leg； protection strategy中图分类号：TM0 文献标识码：A 文章
编号：1006-4311 （2010 10-0138-02 ）0 引言柔性直流输电是基于电压源型换流器（Voltage Source Converter，） VSC 和全控型器件绝缘栅双极晶体管 IGBT，以及脉宽调制技术（PWM 的一种新型的高压直流
输电技术。它克服了传统） HVDC 应用的缺点[1]，继承了它的优点，依据
其自身的特点[2-4,13]，具有 [1,3] 广泛的应用前景。目前，全球虽已有多项 HVDC Light 工程建成投但对于柔性直流输电的研究主要集中在其技术本身以及控产[1-2,4]，制器的研究方面。而对于它的保护配置问题，涉足尚少。文献[5]中提到，工程的控制保护系统与传统直流输电系统基本相同。本文 CSC 从原理上分析柔性直流输电系统换流桥短路时与传统 HVDC 故障特征
的区别，由此讨论传统 HVDC 的保护策略应用于柔性直流输电的可行性。 1
VSC 换流站的工作过程 VSC 换流站采用全控型高频 IGBT 器件以及 PWM 技术。其工作过程为：将正弦调制信号与三角载波比较而输出的信号，作为 IGBT 的开关信号以控制其导通和关断。整流侧将交流转变为直流，逆变侧将直流转
变为交流，实现两端电网之间的功率传送。 VSC 工作过程中，任何瞬间有三
个开关管导通（全为 IGBT 器，件，或为 IGBT 和二极管续流）所以理论上三相 VSC 有 23=8 种开关模式。“零模式[13]” 即三个上桥臂全导通或
三个下桥臂全导通时，的开关模式时，交流侧经开关器件形成三相短路，
若柔性直流输电系统向无源网络供电， VSC 直流电压和直流电流为零，则
若连接两端有源网络，则整流侧运行与零模式时，逆变侧的功率倒送，潮
流反转。实际运行时，只采用 6 中开关模式，每个瞬间导通的三个开关管一个下桥臂或两个下桥臂、一个上桥臂。阀的导通顺为两个上桥臂、序如
图 2 所示。———————————————————————
作者简介：吴翠朋（1982- ，河北晋州人，）女，硕士研究生，主要研
究方向为电力系统安全运行与控制；周永旺（1966- ，浙江诸暨人，）男，讲师，主要研究方向为电网分析及高压直流输电；陈少华（1952- ，）女，广东广州人，教授，硕士生导师，主要从事电力系统智能保护与自动装置的教学和研究工作。对外经济贸易大学出版社， 2004： 241-250. [2]李雅萍.采购物流[M].北京： [3]鲁耀斌.项目管理———过程、方法与实务[M].大连：东北财经大学出版社， 2008： 319-376. [4]J.Rodney Turner, 戚安邦，耿岚岚，于玲译.项目中的合同管理[M]，天2 柔性直流输电换流阀短
路故障分析高频开关器件 IGBT 是 VSC 换流站最核心、也是最容易发生故
开关器件（IGBT 或反并联二极管被短接、）内外部绝缘损障的元件。坏或管子阴阳极间击穿等原因都会造成阀短路故障。当某开关器件因阴极和阳
极间击穿而形成永久短路时，与其同一相上的另一个器件只要一导通便会构
成桥臂直通故障[9]。 2.1 系统模型在图 1 中做如下假设：交流系统三相对称、且为纯正弦基波电动势；滤波器及换流电抗器均为线性，不考虑其饱和；
1、 1 等效整流 R L 侧换流电抗器的损耗和电抗值；功率开关器件等效成理
想开关与电阻 Rg 串联， g 表示功率开 R 关器件的损耗；直流输电电缆用 R 和 L 等效；据以上假设，可推得系统交直流侧各电气量之间的联系，如下：交流系统三相平衡，仅考虑 a 相，可列方程： dia1 -usa +R1 ia1 +L +uca =0， dt di 整理得： a1 =usa -R1 ia1 +uca L dt 因此交流侧三相暂态数学
模型可表示为： c c c c i c u c i c u c c al c c sa c c al c c ca c d
ci c= 1 cu c- R ci c- 1 cu c c c c c c c c c （1 ） c c c c c c c c
dt c b1 c L c sb c L c b1 c L c cb c c c c c c c c c c c c c c c c
ic1 c usc c ic1 c ucc c c c c c c 换流站阀侧交流系统向换流输送的功率:津：南开大学出版社， 2005： 185-194. [5]Amir M. Sharif. Benchmarking performance management systems, An International Journal of Benchmarking,2002,9(1):62-85. [6]焦媛媛.项目采购管理[M].天津：南开大
学出版社， 2006:3-4.
Value Engineering 2 ·139·别为直流线路电流反向。 2.3 阀短路保护判据
柔性直流输电系统与传统 HVDC 原理相似，但在结构、传输容量、控制方
式等方面仍有所区别[2]。这导致两者在发生类似故障时的故障特征存在一定差别，从而可能导致阀短路保护判据的不同。对于连接有源网络的柔性直流
输电系统与传统 HVDC 阀短路保护的判据具体分析如下：对于传统 HVDC 系统，正常运行时，交流侧和直流侧的电流平衡[7]。而当阀短路故障时，交流电流增大、直流电流减小，因此可将故障时换流器交流侧电流大于直流侧电流的故障现象作为保护的判传统 HVDC 直流侧采用串联电感（平波电抗器，）直流侧据[7]。同时，电流与直流线路电流相等，因此对于上述的判据也可
以理解为交流直流线路电流减小。电流增大、而对于柔性直流输电系统，
由于直流侧采用并联电容而似的其如式）阀侧直流电流 idc1 与直流线路电流 idcline 不同，（10 所示。柔性直流输电系统正常运行时，整流站阀侧
直流电流 idc1 可表示为交流电流 ia1、、与开关函数 sk 构成的函数表达式表示为 ib1 ic1 idc1=ia1sk+ib1sk+ic1sk[11] （11 ）由此可见，正常运行时，柔性直流输电阀侧直流电流与交流电流平衡，这与传统 HVDC 相似。故障后，逆变侧的有源交流网络功率倒送，阀侧直流电流将出现负值且具周期性，故障瞬间，阀侧直流电流及输电线路电流都有很大的冲击电流。此时，若将传统 HVDC 比较阀侧交流与阀侧直流电流有效值的保护动作策略应用于柔
性直流输电系统，则其定制不易整定，且可能导致保护拒动。据式）式）系统正常运行时，（10 、（11 知，直流线路电流可表示为： du idcline =ia1 sk+ib1 sk+ic1 sk-C1 dc1 （12 ） dt 由此得，直流线路电流与交流电流存在恒定差值。因此故障时可取交流侧电流增大和直流线路电流减小（反
向作为其保护判据，）这与传统 HVDC 阀短路保护的保护判据类似。 3 结
论传统 HVDC 系统阀短路保护可应用于柔性直流输电系统，但必传统 HVDC 直流电路电流与阀侧直流电流须注意数据采集的位置。相等，而柔性直流输电系统直流线路电流与阀侧直流电流不等。对于柔性直流输电系统，应取阀
侧交流电流与直流线路电流的变化特此外，根据发生阀短路故障时，征作为反应阀短路故障的保护判据。柔性直流输电系统直流电流反向，而传统 HVDC 直流电流不反向的特点，也可进一步完善柔性直流输电的阀短路保护。参考文献：PC1 = usa -uca u -u u -u u u -u · ca + sb cb · cb + sc
cc · cc =3 sa ca ca u u u Z Z Z Z1（2 ）式中 Z1=R1+jωL1 直流侧功率：Pdc=udc1idc1 （3 ）即：忽略换流元件的损耗，根据功率平衡原理，
Pdc=PC1，有 udc1 idc1 =3 usa uca -uca Z1 2（4 ）由于三相系统平衡，
可求得整流侧： uAN1 +uBN1 +uCN1 u0N1 = 3 u +u +u uca =uAN1 -u0N1
=uAN1 - AN1 BN1 CN1 3 定义采用开关函数 sk[11] 1 上桥臂导通，下桥臂关断 Sk = 0 上桥臂关断，下桥臂导通（k=a， c b，） uAN1 =udc1 sa（5 ）（6 ）!（7 ）（8 ）（6 ，将式）（7 带入式）得 2sa -sb -sc uca= udc1 3 同理可求得 ucb ，cc 。 u 直流线路电流： = idcline udc1 -udc2 Z
（9 ）式中 Z=R+jωL，对直流电容采用基尔霍夫电流定律则有： du du idcline =idc1 -C1 dc1 =idc2 +C2 dc2 （10 ） dt dt 式中，下标 1 表示
整流侧值；下标 2 表示逆变侧值。 2.2 故障特征分析 VSC1 中阀 1 发生瞬
时短路且不形成桥臂直通故障时（可考虑为阀 1 只在 T5、 6、 1， 6、 1、2， 1、 2、 3 的过程 T T T T T T T T 中短路， 1 的开关阻抗 Rg=0，）阀其他桥臂的开关损耗电阻为 Rg，换流站存在很小的不对称情况，直流电
压和直流电流的波动较小，短路故障消除后，由于定直流电压和定直流电流
控制环节起作用，将直流电压和直流电流重调至稳态运行值。当阀 1 发生
永久性短路故障时， 4 一导通便形成桥臂直通故阀若忽略开关器件的损耗Rg，则直流侧被短路，直流侧电容电压 u 障。下降到零，不足以为逆变侧提供电压支撑，（2 、（3 及式由式）式） dc1 （8 可知，）整流站交流侧送入换流站的功率降为零。由式）（9 得直流线路电流 idcline 反向，潮流反转。同时，整流站阀侧三相交流经换流阀[1]文俊，张一工，
韩民晓等.轻型直流输电——一种新一代的 HVDC 技— 2003，（1 ： 27 ）47-51. 术[J].电网技术，形成三相短路， T1 短路， 3,T4,T5 导通时为例，（以 T 如图 3 所示，）交流 [2]吕鹏飞，李庚银，李广凯.轻型高压直
流输电技术简介[J].华中电力， 2002，（5 ： 15 ） 69-73. 电流增大。 [3]李永坚，周有庆，宋强.轻型直流输电（HVDC Light 技术的发展和应）用[J].高电压技术， 2003，（10 ： 29 ） 26-28. 郭贺宏，李广凯.电压源型换流器直流输电的技术发展前景[J]. [4]郭丽，中国电力教育.2005 年研究综述与技术论坛专刊： 12-15. [5]陈凌云.美国康涅狄格至长岛轻型直流跨海电
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流输电的控制和保护策略研究[D].浙江：浙江大学，故障的特征包括：系统周期性地发生桥臂直通故障，交流侧交替发 2003. 生两相短路和三相短路，
交流侧电流增大，故障相阀电流激增，非 [10]张兴然,王霞. VSC-HVDC 的稳态模型仿真研究[J].天津工程师范学故障相阀电流增大，直流电压迅速下降
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母线电压下降，换流桥直流侧电流下降[7]。但与仿真[J].昆明理工大学学报（理工版，） 2007，（5 ： 32 ） 82-86， 90. 由于采用半控型晶闸管器件，直流线路电流不能反向。 [13]姚伟，程时杰，文劲宇.电压源型直流输
电的动态相量建模与仿真[J]. 因此，柔性直流输电阀短路故障的特征与传统HVDC 的最大区高电压技术， 2008，（6 ： 34 ） 1115-1120.
柔性直流输电 一、概述 （一）柔性直流输电的定义 高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。 第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流 第二代直流输电技术采用的换流元件是晶闸管，所用的换流器拓扑仍然是6脉动Graetz桥，因而其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年代是1970年代初直到今后一段时间。
通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“Line Commutated Converter”，缩写是“LCC”。这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混淆起来，这是不对的。LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT 构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。 1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等提出。在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之间进行了首次工业性试验（3 MW，±10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM）技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开
ICS 中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG XXXXX—2015 柔性直流输电换流器技术规范 Technical specification of converters for high-voltage direct current (HVDC) transmission using voltage sourced converters (VSC) （征求意见稿） XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施 中国南方电网有限责任公司发布
目次 前言............................................................................... III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 3.1 额定直流电流 rated direct current (1) 3.2最大直流电流maximum direct current (2) 3.3 短时过载（过负荷）直流电流short time overload direct current (2) 3.4 额定直流电压rated direct voltage (2) 3.5 额定直流功率rated direct power (2) 4 文字符号和缩略语 (2) 4.1 文字符号 (2) 4.2 缩略语 (2) 5 使用条件 (2) 5.1 一般使用条件的规定 (3) 5.2 特殊使用条件的规定 (3) 6 技术参数和性能要求 (3) 6.1 总则 (3) 6.2 换流器电气结构 (4) 6.3 阀设计 (5) 6.4 机械性能 (6) 6.5 电气性能 (7) 6.6 冗余度 (7) 6.7 阀损耗的确定 (8) 6.8 阀冷却系统 (8) 6.9 防火防爆设计 (8) 6.10 阀控制保护设计 (8) 7 试验 (9) 7.1 试验总则 (9) 7.2 型式试验 (9) 7.3 例行试验 (11) 7.4 长期老化试验 (11) 7.5 现场试验 (12) 8 其它要求 (12) 8.1 质量及使用寿命 (12) 8.2 尺寸和重量 (12) 8.3 铭牌 (12) 8.4 包装和运输 (12)
一、概述 （一）柔性直流输电的定义 高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。 第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。 器拓扑仍然是6脉动Graetz桥，因而其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年代是1970年代初直到今后一段时间。
输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“Line Commutated Converter”，缩写是“LCC”。这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混淆起来，这是不对的。LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。 1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等提出。在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之间进行了首次工业性试验（3 MW，±10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM）技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，会上，与会专家一致建议国内将基于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”。 （二）柔性直流与传统直流的优缺点对比 不管是两电平、三电平或MMC换流器，由于都属于电压源换流器，其基波频率下的外特性是完全一致的。
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
南京工程学院 远距离输电技术概论 班级：输电112 学号： 206110618 姓名：钱中华 2014年12月10日
目录 0.引言 (3) 1.研究与应用现状 (3) 2.原理 (4) 3.特点 (5) 4.关键技术 (6) 5.发展趋势 (7) 6.小结 (9)
柔性直流输电技术 0.引言 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。 柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程， 详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。 1.研究与应用现状 自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。 其先研究主要发展有一下几项基本技术： 1.高压大容量电压源变流器技术 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。
柔性直流输电系统的改进型相对控制策略 摘要：电压源换流器(VSC)中交流滤波器可滤除交流网络侧谐波，交流侧换流电 抗器或换流变压器有助于交流网络和VSC的能量交换，直流侧电容器可减小换流 桥切换时的冲击电流，同时也可滤除直流网络侧谐波。 关键词：柔性直流输电；控制策略；应用 前言 在柔性直流输电系统(VSC－HVDC)中电压源换流器采用全控型可关断器件，可实现对交流无源网络供电，同时对有功功率、无功功率进行控制。笔者采用外环 电压控制和内环电流控制，外环电压控制中送端VSC系统采用相对控制策略，通 过分别控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，进而控制其与送端系统 交换的有功功率和无功功率。受端VSC系统采用定交流电压和定直流电压控制方法，通过调制比和移相角信号产生器件的驱动脉冲，内环控制采用空间矢量控制 策略，PI控制器实现对d、q轴电流的解耦控制，运用PSCAD/EMTDC暂态仿真软 件建立相应的内外环控制模型，验证所设计控制方案的有效性和可靠性。 1柔性直流输电技术的概述 1.1柔性直流输电技术概念 柔性直流输电技术是由加拿大的科学家开发出来的。这是一种由电压源换流器、自关断器和脉宽调制器所共同构成的直流输电技术。作为一种新型的输电技术，该技术不仅可以向无源网络进行供电，还不会在供电的过程中出现换相失败 的现象。在实际使用的过程中，换相站之间不会直接依赖于多端直流系统进行运作。柔性直流输电技术属于一类新型的直流输电技术。虽然在结构上和高压输电 技术相类似。但是整体结构仍然是由换流站和直流输电线路构成的。 1.2柔性直流输电的特点 柔性直流输电是由高压直流输电改造而来的。应该说在技术性和经济性方面 都有很大的改善。具体来说，柔性直流输电技术内部的特点可以表现为如下几个 方面： （1）在运用柔性直流输电技术的过程中，如果能够有效地采用模块化设计的技术，其生产和安装调试的周期都会最大限度地缩短。与换流站有关的设备都能 够在安装和使用的过程中完成各项试验。 （2）柔性直流输电技术内部的VSC换流器是以无源逆变的方式存在的。在使用的过程中可以向容量较小的系统或者不含旋转机电的系统内部进行供电。 （3）柔性直流输电技术在使用的过程中都伴随有有功潮流和无功潮流 （4）整个柔性直流输电系统可以有效地实现自动调节。换流器不需要经常实现通信联络。这也就在很大程度上减少了投资、运行和维护的费用。 （5）整个柔性直流输电技术内部的VSC换流器可以有效地减弱产生的谐波，并减少大家对功率的要求。一般情况下，只需要在交流母线上先安装一组高质量 的滤波器，就可以有效地满足谐波的要求。目前，多数无功补偿装置内部的容量 也不断地减少。即便不装换流变压器，内部的开关也可以更好地被简化。 2柔性直流输电技术的战略意义 目前，柔性直流输电技术在智能电网中一直都发挥着重要的作用。一般来说，柔性直流输电技术可以有效地助力于城市电网的增容改造和交流系统内的互联措施。目前，多数柔性直流输电技术也在大规模风电场建设的过程中发挥出了较好 的技术优势。如果大面积地选择柔性直流输电技术，将会在很大程度上改变电网
柔性直流输电 一、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，
柔性输电之直流输电 内容简介 轻型直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流。这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为轻型直流输电，其系统原理如图2-1所示。 图2.1 柔性直流输电系统原理示意图其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的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，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换
流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。 1引言 随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。 19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，自从20世纪50年代联接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电（HVDC）线路建成以来，HVDC在很多工程实践中得到了广泛的应用，如远距离大功率输电、海底电缆输电、两个交流系统之间的非同步联络等等。目前，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网：未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。交直流混合输电是现代电网的主要发展趋势。 经过多年来的研究和工程实践工作，HVDC技术有了较大的提高，在降低损耗、控制和保护技术等方面取得了长足的进步。但是HVDC在应用中，仍然存在着一些固有的缺陷：受端网络必须是一个有源系统，不能向无源系统供电；在向短路容量不足的系统供电时易发生换相失败；换流器本身为一谐波源，需要配置专门的滤波装置，增加了设备投资和占地而使费用相对较高；同时，运行过程中吸收较多的无功功率等。尽管人们对传统HVDC输电技术进行了不断的改进，但
研究背景 基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。目前，世界X围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛;国内已有5项MMC工程投运，同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中，并可能成为我国未来大区域电网互联的重要手段。与交流输变电工程不同，柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。 （来源：电力系统自动化ID：AEPS-1977） ±320kV/1000MWXX柔性直流输电工程(以下简称XX工程)是世界X围内第一个采用双极接线的柔性直流工程，也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程，两端换流站鸟瞰示意图如图1所示。与以往对称单极柔性直流工程相比，首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。本文对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，研究结论在XX工程得到成功应用，验证了设计方案和技术参数的正确性。 (a) 彭厝换流站 (b) 湖边换流站 图1 XX工程换流站鸟瞰示意图 1 主接线及运行方式 当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线，存在如下问题： 1)与同容量双极柔性系统相比，可靠性较低。 2)换流单元采用三台单相双绕组变压器，导致变压器容量大，运输困难。 3)换流站设备的绝缘水平要求较高。考虑到上述因素，XX工程采用双极带金属回线的主接线，主接线设计如图2所示。
图2 双极柔性直流换流站接线示意图 根据主接线设计特点和转换开关配置方案，XX工程存在以下3种运行方式： 方式1：双极带金属回线单端接地运行(见图3(a))。其中，接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。双极不平衡电流通过金属回线返回。 方式2：单极带金属回线单端接地运行(见图3(b))。接地点的作用同方式1，且单极极线电流通过金属回线返回。 方式3：双极不带金属回线双端接地运行(见图3(c))。双极不平衡电流通过大地回路返回。该方式为运行方式转换过程中出现的临时方式，且必须保证直流系统处于双极对称状态。
·12· NO.14 2019 ( Cumulativety NO.50 ) 中国高新科技 China High-tech 2019年第14期（总第50期） 0 引言 随着电子技术的发展和绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出现，电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）技术应运而生，为柔性直流输电奠定了技术基础。柔性直流输电不需要传统交流输电系统的换相容量，并且对无源载荷提供电力，并广泛适用于城市供电、偏远地区供电、新能源发电并网等供电新领域。此外，柔性直流输电系统还具有较高的可控性，较低的成本，较小的电力损耗，可实现动态无功补偿等，因此成为当前输电领域研究的热点之一。 柔性直流输电技术中，输电系统的拓扑结构是关键环节之一。合理的拓扑结构能够有效提高直流输电系统的输电效率和可靠性，因此是目前柔性直流输电系统研究的重点。本文将分析柔性直流输电系统的技术原理，并对柔性直流输电系统的拓扑结构进行研究，从而为我国柔性直流输电系统的设计与建设提供理论参考。 1 柔性直流输电系统的技术原理 目前工程领域常用的柔性直流输电系统主要采用３种方式：两电平电压源换流器、多电平电压源换流器和模块化多电平电压源换流器（MMC）。1.1 两电平电压源换流器的技术原理 两电平电压源换流器的每一相都有２个桥臂，因此共有6个桥臂构成，每个桥臂都是由二极管和 IGBT通过并联方式组成，如图1所示。在工程应用中，为了提高柔性直流输电系统的供电电压和供电容量，一般可将多个二极管和IGBT并联再串联。并联的二极管与IGBT所串联的个数直接决定VSC的额定功率和耐压强度。在两电平电压源换流器的设计中，每一相的２个桥臂上的IGBT均可以单独导通，并单独输出２个电平，最后通过PWM对输出电平进 行调制，最终得到柔性直流输电波形。 图1 两电平电压源换流器示意图 两电平电压源换流器通过增加串联的二极管和GBIT提高供电电压和电流，因此在大容量直流输电方面存在较大技术缺陷。随着串联的二极管和GBIT 个数的增加，将增加动态电压的不稳定性，而且串联的二极管和GBIT也会增加输电系统输电波形的谐波含量，进而降低柔性直流输电系统的功率和效率。1.2 多电平电压源换流器的技术原理 多电平电压源换流器技术在两电平电压源换流 柔性直流输电系统拓扑结构 叶 林 （中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510000） 摘要：柔性直流输电系统具有线路损耗低、可控性强等优势，成为当前电力网大力发展的输电方案。柔性直流输电系统的拓扑结构则是输电工程中的关键技术之一，决定输电网络的性能。文章分析了柔性直流输电系统的技术原理，重点对柔性直流输电系统的拓扑结构进行了研究，为柔性直流输电系统的拓扑结构方案设计与应用提供理论参考。 关键词：柔性直流；输电系统；拓扑结构；输电方案 文献标识码：A 中图分类号：TＭ131文章编号：2096-4137（2019）14-012-03 DOI：10.13535/https://www.doczj.com/doc/7a18636489.html,ki.10-1507/n.2019.14.04 收稿日期：2019-04-30 作者简介：叶林（1987-），男，河南信阳人，供职于中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，研究方向：超（特）高压输电运维柔性直流输电系统拓扑结构。
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 （1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 （2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 （3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 （4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大）， 不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
1. 换流器阀所用器件的对比。 （1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 （2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 （1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。 （2）柔性直流输电系统中的换流阀采用了IGBT器件，可实现很高的开关速度，在触发控制上采用PWM技术，开关频率相对较高，换流站的输出电压谐波量较小，主要包含高次谐波。故相对于常规直流输电，柔性直流输电换流站安装的滤波装置的容量大大减小。（3）常规直流输电通过换流变压器连接交流电网，而柔性直流输电是串联电抗器加变压器，常规直流输电以平波电抗器和直流滤波器来平稳电流，而柔性直流输电则采用直流电容器。 3. 换流站控制方式的对比。 （1）常规直流输电系统的换流站之间必须进行通信，以传递系统参数并进行适当的控制，而柔性直流输电系统中各换流站之间的通信不是必需的。
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流 电压下垂控制 学院： 姓名： 学号： 组员： 指导老师： 日期： 摘要： 多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。 关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器 一、引言 基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。 多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流
柔性直流输电技术 目录 简介 (1) 原理 (2) 战略意义 (3) 应用前景展望 (4) 常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5) 一、常规直流输电技术 (5) 二、柔性直流输电技术 (6) 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7) 四.运行方式 (8)
简介 柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。 李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展
的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。 柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。因此，VSC 的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节 原理 与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。 通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，
浅析柔性直流输电工程发展 文章介绍了柔性直流输电工程国内外应用领域及应用现状，对柔性直流输电在相关工程技术领域、工程应用情况等进行了总结和分析，分析了柔性直流输电工程发展的前景，进而说明了其对未来电网模式发展是一种必然趋势。 标签：柔性直流输电；优势；工程应用 1 概述 柔性直流输电技术概念于20世纪80年代提出，特别是在伴随着包括电力电子技术、自动控制技术以及计算机微处理技术等多方面的发展，经过三十多年的发展进化，柔性直流输电技术在当前形势下，演变发展以来产生的诸多关键性问题逐渐得到一一解决，此技术（柔性直流输电技术）在HVDC以及HV AC系统中得到了越来越多的相关人员及专业的重视。 2 柔性直流输电相关技术介绍 2.1 柔性直流输电工程中的换流器技术 柔性直流输电的换流器根据换流器桥臂的等效特性，可分为：可控电源型和可控开关型两类。可控电源型交流器其换流桥臂等效为可控电压源，其储能电容分散于各桥臂中，并且通过改变某桥臂的等效电压，就能间接改变交流侧输出的电压。可控开关型换流器通过适当的脉宽调制技术控制桥臂的开通与关断，其换流桥臂可以等效为可控开关，从而将直流侧电压传递到交流侧。 无论是两电平还是半桥型模块化多电平换流器，于目前投入工程应用的换流器技术中，同时全桥式和钳位双子模块型模块化多电平换流器，均存有不可在直流故障下实现交直流系统隔离的问题。在直流电压急剧降低时，仍然可以支撑交流电压，究其原因可以使桥臂等效输出电压为负值，从而实现抑制交流侧短路电流的目的。 2.2 柔性直流输电系统中的主接线设计 电力系统中的变电站主接线设计是电力系统规划设计中的重中之重。柔性直流输电换流站中采用两电平、三电平换流器，其站址一般采用在直流侧中性点接地的方式，原因在于电压等级过高，而我国交流电网110kV及以上的电力系统大多都采用中性点直接接地的方式。与此同时采用模块化多电平的柔性直流输电系统则一般采用交流侧接地的方式，和国家电网公司设计规程吻合。而上述这些接地特点及方式都是单极对称系统，当换流器或直流线路发生故障后，整个系统将瘫痪，进而无法正常运行，虽然正常情况下不需要单独设置专门接地，但在系统参数配置相同情况下，直流侧的不对称还将造成换流器所连接的交流侧电压水平的大幅度提升。单极不对称系统换流阀所耐受电压是单极对称系统的两倍，水
柔性直流输电技术概述 1柔性直流输电技术简介 柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路（通常为直流电缆）构成。与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件（通常为IGBT）和高频调制技术。详细地说，就是要通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。 2. 技术特点 柔性直流输电技术是采用可关断电压源型换流器和PWM技术进行直流输电，相当于在电网接入了一个阀门和电源，可以有效控制其通过的电能，隔离电网故障的扩散，还能根据电网需求，快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。它很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。柔性直流输电除具有传统直流输电的技术优点外，还具备有功无功单独控制、可以黑启动对系统强度要求低、响应速度快、可控性好、运行方式灵活等特点，目前，大容量高电压柔性直流输电技术已具备工程应用条件，并且具有以下优点： （1）系统具有2个控制自由度，可同时调节有功功率和无功功率，当交流系统故障时，可提供有功功率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，既能提高系统功角稳定性，还能提高系统电压稳定性； （2）系统在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，这个特点有利于构
浅谈柔性直流输电的优越性 摘要：现今，能源存在分散化、远离负荷中心等问题使得能源开发受到很多局 限性。柔性直流输电系统在远距离孤岛供电，在风能、太阳能的并网发电，分布 式能源并网供电等方面都有很大的技术和经济优势。 关键词：柔性直流输电；优越性 引言 柔性直流输电系统的重要器件是全控型的电压源换流器，选择一个合适的控 制方式对柔性直流输电系统进行系统控制，使得整个输电系统更灵活，再加上一 套完善的保护装置，使得柔性直流输电系统能安全、经济运行。 一、柔性直流输电系统的运行原理 柔性直流输电系统的核心部分是换流站，换流站是采用电压源换流器技术， 整个输电系统由直流电缆相连。换流站可以独立控制，降低了对通信设备的要求。换流器其实是一个三相桥式电路，其电路由二极管反向并联跟绝缘栅双极晶体管 组成，以减轻换流站的冲击电流，降低换流站产生的谐波，柔性直流输电系统与 传统直流输电相比，换流站设备减少、主接线结构更简单，主要设备都进行模块 化生产，既大大降低了设备的生产成本，减小了设备的占地面积，又有利于设备 的运行维护。特有的全控型功率器件，使得柔性直流输电技术可以实现输电系统 潮流大小和方向的独立控制，自身的电容设备即可满足无功补偿的需要，也解决 了传统直流输电系统无法向无源网络供电的难题。既传输有功功率，又可支援无 功功率，提高了系统的稳定性。 在对柔性直流输电系统进行建模时，必须考虑建立一个既能反映输电系统组 成结构量又能把其运行状态反映出来的模型。系统模型的构建也是一个数学建模[1]。我们把换流变压器模型设定为一个理想的电压源。在数学计算中用一个恒定 的电压源来代替。换流器的等值电路结构如图1所示： 图1 换流器的等值电路结构 其中，Rx为交流侧变压器的等效阻抗，Lx为换流器的等效阻抗。换流器交流 侧的输出电压分别用Uca、Ucb、Ucc表示，交流系统的电压分别用Usa、Usb、Usc表示。换流器交流侧输出的线电流分别用Ia、Ib、Ic表示，直流电流用Id表示。数学推导公式如下： 则交流侧三相动态微分方程可用公式（1.1）表示为： 上式中，k是选用PWM的电压利用率，m是三角调制波和正弦载波峰值的幅值比。 其中I1表示换流器流入直流线缆的电流。 设Ps为交流系统流入整流器的有功功率，Qs为交流系统流入整流器的无功功率，Pc为 换流器输送到直流电缆的有功功率，则Ps、Qs、Pc之间的关系分别用公式（1.8.1）、 （1.8.2）、（1.8.3）表示为： 从上式可以看出，对d轴分量和q轴分量的控制即可实现有功和无功的解耦。从换流器 的高频数学模型可以看出，换流器是一个互耦的非线性的时变系统，因此用d轴分量和q轴 分量进行解耦研究是很有必要的。系统模型中的低频模型和高频模型可以通过傅里叶变换相 互转化。 二、柔性直流输电的优越性 控制器模块[2]也非常重要，可以通过以下模块实现。定直流电压控制模块，对于两端柔 性直流输电系统，其中一个换流站需考虑用于恒定直流电压，这样可起到控制换流站之间传 输的有功功率保持相互平衡。选择整流站进行恒定直流电压的控制，以控制系统潮流走势。
电力电子技术专题大作业 ——柔性直流输电技术概述0.前言 学习电力电子技术专题一学期以来，我感觉受益良多，我收获的不仅仅是各位老师讲座上所教授的内容，更有他们对于电网行业的深入分析以及未来发展方向的预测。在诸多讲座中，我对宋强老师所讲的柔性直流输电技术最感兴趣，下面我就以此为主题，对柔输技术进行一些简要的概括与探究。 1.背景介绍 我们都知道历史上交直流输电之争由来已久，电机系的许多老师都经常提到这个话题，而目前普遍的输电方式仍是交流输电。交流输电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损耗，为了解决交流输电电阻的损耗，还可以采用高压和超高压输电来减小电流来减小损耗，但是交流电感损耗不能减小，因此交流输电不能做太远距离输电。如果线路过长输送的电能就会全部消耗在输电线路上。交流输电并网还要考虑相位的一致。如果相位不一致两组发电机并网会互相抵消。这时人们又想起了直流输电的方式。 一直以来，直流输电的发展与换流技术（特别是高电压、大功率换流设备）的发展有密切的关系。但是近年来，除了有电力电子技术的进步推动外，由于大量直流工程的投入运行，直流输电的控制、保护、故障、可靠性等多种问题也越发显得重要。因此多种新技术的综合应用使得直流输电技术有了新进展。 输电技术的发展经历了从直流到交流，再到交直流共存的技术演变。随着电力电子技术的进步，柔性直流作为新一代直流输电技术，可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案。 基于电压源型换流器的高压直流输电概念最早是由加拿大McGill大学Boon-Teck等学者于1990年提出的。通过控制电压源换流器中全控型电力电子器件的开通和关断，改变输出电压的相角和幅值，可实现对交流侧有功功率和无功功率的控制，达到功率输送和稳定电网等目的，从而有效地克服了此前输电技术
柔性直流输电 柔性直流输电的发展 20世纪90年代后期,以ABB公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电(HVDC Light)技术,即同时应用电压源型换流器( Voltage Source Converter,VSC) 和脉宽调制技术(PWM)的直流输电技术,并成功应用于多个领域。2006年5月,我国的“柔性( 轻型) 直流输电系统关键技术研究框架研讨会”建议国内将该技术统一命名为“柔性直流输电”(VSC-HVDC)。柔性直流输电技术从其技术特点和实际工程的运行来看, 很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。 柔性直流输电技术原理 基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，VSC-HVDC是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。 以某柔性直流输电系统为例进行阐述。该双端VSC-HVDC输电系统的结构示意图如图所示。其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器, 主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器;全控换流桥的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, 可以满足一定技术条件下的容量需求; 直
流侧电容为换流器提供电压支撑, 直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证; 交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用; 交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆, 对周围环境产生的影响很小。 双端VSC-H VDC 输电系统示意图 细节部分 与基于晶闸管的传统直流输电技术不同，柔性直流输电采用电压源型换流器和PWM技术，其基本工作原理如图。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC上下桥臂的开关管高频开通和关断，则