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。
图1 模块化多电平变流器拓扑示意图
2.混合多电平技术（Hybrid Multilevel Technology, HMT）
另一种可被应用于柔性直流输电系统的变流器叫混合多电平变流器。该技术将开关器件和半桥或全桥构成的多电平单元组合构成一种新的变流器拓扑；由多电平单元产生电压波形，再由串联的开关器件将电压波形接入交流或直流网络。混合多电平变流器的一种典型的电路拓扑如图 2 所示，每一相由 IGBT 与多电平单元串联构成桥臂。该拓扑可以实现串联 IGBT 的零电压动作，同时多电平单元可以降低串联 IGBT 的电压应力，从而减少 IGBT 的串联个数。
图2 混合多电平变流器拓扑示意图
3.两电平级联型变流器（Cascaded Two-Level Converter, CSL）
两电平级联型变流器的原理和模块化多电平变流器类似，使用另一个名称是为了强调换流阀中使用了串联压接式 IGBT。两电平级联型变流器利用 IGBT 压接技术将两电平电压源型变流器扩展到级联型多电平变流器。典型的拓扑如图 3 所示，每相拓扑分为两个桥臂，分别与直流母线的正负极相连。每个桥臂由多个两电平单元构成，每个单元可独立控制以产生需要的交流基波电压，实现对有功功率和无功功率的输出控制。
图3两电平级联型变流器
4．大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术
实时数字仿真系统已广泛应用于传统超高压系统的在线仿真研究，这类数字仿真系统硬件通常采用基于共享存储器的多 CPU 并行计算机，核心程序包含丰富的电力系统及控制系统元器件模型。以 RTDS 为例，
其仿真步长为20-70微秒，包含的数据转换软件能将PSS/E和EMTDC格式的数据和模型转化为RSCAD格式，可实时仿真大型交直流混合系统的电磁和机电暂态现象。
但对基于 MMC 的柔性直流输电系统来说，由于其变流器由数百甚至数千个独立控制的电压源子模块组成，在运行过程中，每个子模块的投切都是随机的，难以对其出口特性进行等值，且求解等值网络变量的导纳矩阵规模过大,精度难以保证。此外，变流器每个子模块与阀基控制设备之间通过独立的光纤进行通信，信道多、数据量大，难以通过现有的仿真接口进行转换，因此需要开发新的仿真系统。
在此背景下，中国电力科学研究院开发了双站多电平 MMC-HVDC 系统的动模仿真平台的研究。该系统可用于精确验证具有较多电平数(40 以上)换流阀的 MMC-HVDC 系统及控制保护平台设计，从而检验工程的主电路参数设计、控制器性能和交直流系统的动态特性。动模仿真平台主要由换流站交直流场(包括换流变压器、交直流开关场)、多电平电压源变流器、交直流线路数模转换接口、阀基控制器 VBC 等组成。动模仿真平台的创新有：以弱功率电子器件实现了对大功率 MMC 子模块的模拟，具有优良的外特性和控制性能；首次实现了 49 电平调制的模块化多电平变流器；实现了对 VBC和 PCP的实时闭环在线验证；实现了对电压电流平衡控制算法的验证；实现了对启停控制流程、运行方式切换的试验；实现了对直流和交流故障控制保护算法的验证。
基于通过对双端柔性直流输电工程的故障态仿真，得出了相应的试验结果，并与电磁暂态仿真软件PSCAD 的仿真结果进行了对比，证明了该系统为 MMC-HVDC 的动态特性和控制保护平台提供实时在线验证的有效性。
5.多端柔性直流输电技术
多端直流输电系统(Multi-Terminal Direct Current，MTDC)是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统，其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活、快捷的输电方式。
传统的 MTDC 输电系统采用基于晶闸管的电流源型变流器，其只能依靠电网电压的过零变化换流，只能工作在有源逆变状态，且需要电提供大量的换相所需无功功率，这些固有缺陷大大影响了整个 MTDC 系统的运行性能，降低整个 MTDC 系统的适用范围。
图4 三端柔性直流输电系统示意
目前国际上关于多端柔性直流输电系统的研究中，不同应用场合下的变流器设计是一个研究热点,包括：建立多端柔性直流系统的动态模型；多种基于坐标变换的控制器设计和仿真验证；在各种应用场合多端柔性直流的仿真精度的提高和仿真时间缩短等方面。
柔性直流输电技术由电压源型变流器构成，其对交流侧故障的鲁棒性较强；当发生交流侧永久故障时，多端柔性直流输电系统在设计时一般已满足 N-1 法则，可以通过故障换流站退运，以达到新的稳定运
行状态，此时需要注意的是过渡过程中直流线路的过压抑制。当故障发生在直流侧则有很大不同，由于 IGBT 反并联二极管的续流作用，会对换流阀产生很大的冲击。
国内学者对多端柔性直流输电技术的研究主要集中在系统控制保护策略设计及其仿真验证等方面。与国际先进水平相比，我国对多端柔性直流输电技术的研究尚存在较大差距。一方面，研究内容不够全面；另一方面，已有研究开展不够深入。目前的研究成果鲜有从基本数学模型入手，以建立多端柔性直流输电各子系统模型及整体模型为基础，系统地讨论控制器结构及设计思路。而对柔性直流输电保护技术的研究一般都是基于双端系统，以稳定运行时离散控制器为基础，通过设计双序电流控制器，实现柔性直流换流站在交流侧暂态故障期间的持续运行，然而对直流侧故障时多端柔性直流系统的运行特性的研究并不多见。
多端柔性直流输电技术的研究可以参照双端系统已有成果，在此基础上建立基于不同变流器技术下多端网络的等效数学模型；对比分析不同控制策略下各换流站外特性；设计满足系统稳定运行的多端柔性直流输电系统协调控制策略；系统地研究多端柔性直流输电系统交直流侧故障特性以及相应保护动作机制。
柔性直流输电技术的应用
截至 2011 年 8 月，世界上已经投运的柔性直流输电工程共有 13 条，仅 2011 年就已投运 3 条，在建柔性直流输电工程 12 条。而目前在的柔性直流输电工程最大工程输送容量已达到 2000MW，总输送容量超过 10000MW，相当于前十几年已建工程容量的 4 倍多，这些工程均显示了发达国家对于柔性直流输电在可再生能源利用和智能电网发展中所起作用的重视。
1．国外应用规划
欧洲的多个国家都已经建设和规划了大量的海上风电场，其容量都在数百兆瓦等级，并且已经有部分使用了柔性直流输电技术实现系统的接入。英国国家电网输电公共有限公司（NGET plc）规划到 2025 年建设柔性直流近 50 条，以鼓励和促进新能源的发展。目前德国在建用于海上风电接入的柔性直流输电项目共 4 项，总容量约 2600MW。北欧地区规划到 2030 年通过多端柔性直流（MTDC）实现海上风电的接入，柔性直流输电被认为是最适合的实现手段。
图 5 英国柔性直流规划图6 北欧地区海上直流线路规划
美国电科院（EPRI）也推出了其智能电网的发展规划蓝图，在未来 20年，美国计划建设 60 多条柔性直流输电线路。
图 7 美国地区发展规划
2．国内应用规划
截止 2010 年我国风电装机容量超过 3000 万千瓦，预计 2020 年将突破 1.5 亿千瓦。这些风能资源集中度高，并且很多都远离负荷中心，需要使用先进的输电技术进行并网接入和电力传输。柔性直流输电技术以其显著的技术特点和优势必将取得越来越广泛的关注，市场应用前景极其广阔。
2.1 城市供电应用
国家电网公司规划了用于大型城市供电的±300kV/500MW 柔性直流输电工程，用来提升大连城市电网的供电可靠性与供电质量，保障大连城市用电的安全。大连工程的建成将成为世界范围内最大容量的城市供电柔性直流输电工程，目前已完成工程的可行性研究与工程设计方案。
图8 大连城市供电柔性直流输电工程初步设计
2.2 岛屿供电应用
国家电网公司启动了“柔性直流海岛联网关键技术与示范工程前期研究”，以提高舟山岛屿的风电接入能力和海岛供电的可靠性，有效保障海岛居民的用电质量和生活水平。此工程将成为世界范围内第一个多端柔性直流输电工程。
图9 舟山海岛互联柔性直流输电工程接入方案
表1舟山海岛互联柔性直流输电工程初步设计
2.3 可再生能源接入
为了更好的解决海上/陆地风电场发电并网带来的电网安全稳定运行及电能质量等问题，以江苏、山东、浙江、福建等海上和岛屿风电场及内蒙、甘肃等陆地风电场的集中式并网技术为研究方向，以百兆瓦和千兆瓦级海上/陆地风电场柔性直流并网工程为重点，全力助推我国经济社会的绿色、环保、可持续发展。
±300kV换流站布局阀厅
图10 高压大容量柔性直流输电换流站建设规划图
2.原理
与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。下面详细介绍VSC-HVDC的系统结构及其基本工作原理。
图11为柔性直流输电系统单线原理图，两端的换流站均采用VSC结构，它由换流站、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。
图11 柔性直流输电单线原理图
变压器T：变压器可以采用常规的单相或三相变压器。通常，为了使换流站能够达到最大的有功功功率和无功功率，变压器的二次侧绕组带有分接头开关。通过调节分接头来调节二次侧的基准电压，进而获得最大的有功和无功输送能力。另外，变压器连接交流系统侧的绕组（一次侧）一般采用星形接法，而靠近换流器侧的绕组（二次侧）则采用三角形接法。变压器绕组中基本不含谐波电流分量和直流电流分量；而且这种变压器接法能够防止由调制模式引起的零序分量向交流系统传递。此外，为了向换流站提供辅助交流电源，变压器还可以采用三绕组变压器。除了上述特点外，换流变压器的另一个重要作用是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L：在电压源换流站中，对应每一相分别安装一个换流电抗器。换流电抗器是电压源换流站的一个关键部分，它是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流器的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时，换流电抗器能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。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。因此，对换流电抗器的参数必须进行优化设计。
直流侧电容器C：直流侧电容是VSC的直流侧储能元件，它可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。同时，直流侧电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。
交流滤波器：与基于晶阐管的传统直流输电系统不同，电压源型直流输电系统采用PWM技术。因此，换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少，又由于换流电抗器对输出电流具有滤波作用，使得电流的谐波能较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。因此，通常要在换流母线处安装适当数量的交流滤波器(接地或不接地)。当然，交流滤波器的容量和参数选择与换流器所采用的拓扑结构、开关频率及其调制方式等因素有关。因此，在选择交流滤波器参数时，要视上述具体情况而定。
如前所述，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5和图6所示。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，则桥臂中点电压u
c 在两个固定电压+U
d
和?U
d
之间快速切换， u
c
再经过电抗器滤波后则为网侧的交
流电压u
s
。
进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为：
VSC-HVDC换流器稳态运行时的基波相量图
式中：U
C 为换流器输出电压的基波分量；U
S
为交流母线电压基波分量；δ为U
C
和U
S
之间的相角差；X
1
为换流电抗器的电抗。
由式（1）和式（2）可以得到换流器稳态运行时的基波相量图。由图2.4可知，有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于U
C
。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的
大小，通过控制U
C
就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。
3.特点
柔性直流输电技术也称轻型直流输电技术，是以电压源换流器（VSC）、可关断器件和脉宽调制（ PWM）技术为基础的新一代直流输电技术。它在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网方面具有较强的技术优势。
VSC HVDC 采用可控关断型电力电子器件和PWM，较之传统直流输电，特点为：
（1）vSC 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统HVDC 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC 为远距离的孤立负荷送电成为可能。（2）正常运行时，VSC 可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方便。而传统HVDC 中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。
（3）VSC 不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM 的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着故障时，如果VSC 容量允许，那么VSC HVDC 系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，从而既能提高系统的功角稳定性，还能提高系统的电压稳定性。
（4）VSC HVDC 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，与传统HVDC 恰好相反。这个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，克服了传统多端HVDC 系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。
（5）由于VSC 交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的VSCHVDC 线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。
（6）通常采用PWM 技术，开关频率相对较高，经过高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。
（7）块化设计使VSC HVDC 的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，换流站的占地面积仅约同容量下传统直流输电的20%。
（8）换流站间的通讯不是必需的，其控
制结构易于实现无人值守。
（9）VSC HVDC 的电网故障后快速恢复
4.关键技术
换流器的主电路拓扑结构是柔性直流输电技术的一个重要方面，它与实际工程的容量和电压等级、IGBT串联数目、开关频率、损耗、开关调制方式和系统可控性等因素密切相关。在工业驱动领域中，为了提高换流装置的容量，通常采用的方法有：桥臂器件的串并联、换流器的多重化技术以及目前广泛研究的多电平技术等。但从表1所示ABB公司的几个典型工程的相关参数可知，应用于柔性直流输电工程中的换流器拓扑结构突出以下几个特点：①拓扑结构简单，主要采用两种结构：两电平结构（如瑞典的Hellsjon工程和美国的Directlink等工程）和三电平结构（如澳大利亚的Murraylink工程、美国墨西哥的 Eagle Pass 等），其提升电压等级是采用最直接的桥臂器件串联的方式来实现。②开关频率低、可控性好。③换流器损耗小。另外，在设计主电路拓扑时，还要充分考虑装置的实现难易程度、造价、运行经济性等因素。因此，理想的大容量换流器主回路拓扑结构应该不仅能够降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率，简化系统主电路拓扑结构，而且还能有效降低控制保护系统和主电路的复杂性、器件的开关损耗，为总体上保证系统的经济性、运行可靠性和有效缓解研发难度奠定良好的基础。
另外，主电路的开关调制方式直接关系到系统运行的可靠性、安全性、性能以及系统设计是否优化等诸多问题。在主电路拓扑结构确定的前提下，选择良好的调制方式能够降低换流器输出的谐波，减少交流滤波器容量，降低器件开关损耗，满足交流系统谐波方面的相应标准等
对于柔性直流输电的控制策略，已有较多的相关文献进行了报道，总结起来主要分两类：一类是基于“电压幅值和相位控制”的间接电流控制策略；另一类是基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略。由于直接电流控制策略能够直接控制流过换流电抗器和变压器的电流，具有动态响应快、能实现限流等良好的控制性能，因此ABB公司的应用工程基本采用此种控制策略。基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略原理如图2.5所示。由图2.5可知，其基本结构主要由内环电流控制器、外环功率控制器、触发脉冲生成环节、以及锁相同步和同步坐标变换等环节（图中未标出）构成。对于外环功率控制器，其主要形式有：无功功率控制器、有功功率控制器、直流电压控制器、交流电压控制器等。上述这些控制器也构成了柔性直流输电系统的基本控制方式。然而对于柔性直流输电系统应用于不同的领域，如电网背靠背互联、大容量风电场接入、孤岛供电、多端柔性直流输电的并联运行、柔性直流输电与传统直流输电的混合运行、柔性直流输电与交流线路的混合并联运行等，其具体采用的控制方式也不尽相同。
图12 柔性直流输电系统的控制系统示意图
在柔性直流输电系统中，两站之间的有功功率控制应该协调一致，其中的一个VSC站采用直流电压控
制模式，而另外一个站采用有功控制模式。恒定的直流电压控制可以使两个VSC站间的有功潮流自动保持平衡控制，两站之间不需要通讯。通常，受端站采用直流电压控制模式，而送端站采用有功控制，例如Gotland 工程的控制方式就是这样。当然，也允许每个站从有功功率控制模式转变为直流电压控制模式，反之亦然。
两站之间无功功率的控制是完全独立的，所需无功功率可以由交流电压控制或直接无功功率控制来实现。由于换流器容量的限制，在同一个站实现独立有功功率和无功功率控制时，必须限制在一个特定的运行范围— VSC的PQ特性。当使用柔性直流输电连接风力发电场时，通常连接风场的VSC站使用频率控制模式和电压控制模式。另外，当使用柔性直流输电向无源交流网络供电时，通常连接无源交流系统侧的VSC 站也使用交流电压控制模式和频率控制模式。
5.发展趋势
在能源清洁化的新趋势下，风能、太阳能等可再生能源开发已经成为全球关注的重点。我国有着极其丰富的风能资源，实际可开发量达230 GW，主要分布在东南沿海及其岛屿、西北、华北和东北地区。除了少数风能就地消纳外，大部分风能都需要并入主网，实现远距离输送。但由于可再生能源发电具有波动性和间歇性的特点，大规模并网将给系统调峰调频、运行调度、功率预测、供电质量等带来巨大挑战，目前可再生能源的并网接入方案还不够理想，采用常规的交直流输电技术并网还不够经济。而利用柔性直流输电具有环保、效率高、对电网干扰小的优点，为实现可再生能源的可靠接入提供了一种可行的技术选择。
近年来我国高度重视柔性直流输电技术的发展，并于2008年启动了“柔性直流输电关键技术研究及示范工程”项目，以“上海南汇风电场柔性直流输电示范工程”等为代表的重大工程项目标志中我国在开发柔性直流输电技术方面所取得的重大突破。
5．2城市电网发展
随着城市社会经济的高速发展，城市电网作为主要负荷中心，负荷密度越来越高，用电负荷量、质的需求不断增加，以交流输电为主的城市电网电能输送面临越来越大的困难和挑战。
(1)环境保护和有限的土地资源严重制约了大容量电源的建设。对于大型城市，从外地输入大量电力的必然趋势使得城市电网对区域大电网的依赖性大大增强，电网安全稳定运行的压力越来越大。
(2)现代的城市线路走廊资源日益紧张，架空送电线路走廊匮乏，增加了对地下电缆等新型输电方式的迫切性。
(3)随着城市用电负荷和供电容量的增加，动态无功不足，短路电流超标日益成为大型城市电网的重要问题，如上海500 kV短路电流即将达到63 kA，对系统中的开关设备及其他网络元件的安全运行造成了极大的威胁。
(4)城市负荷对于供电可靠性以及电能质量的要求越来越高。谐波污染、电压间断、电压波形闪变等问题使一些敏感设备如工业过程控制装置、电子系统等失灵，往往造成巨大的经济损失。虽然交流电缆输电解决了城市电网面临的一些问题，但是其潮流难以控制、短路电流超标等问题使其局限性日益凸显。为了确保城市电网持续发展，需要研究运行灵活、可控性高的新型输电技术，针对性地解决城市电网电源支撑弱、无功电压支撑能力不足等关键问题。
5．3智能电网发展
随着科技的进步和城市化、信息化水平的提高，智能楼宇、智能社区、智能城市相继出现，电动汽车、智能家电也将推广应用，电网智能化成为未来电网的必然趋势。这对
现有的输、配、用电方式提出了新的挑战。利用交流对电动汽车充电装置供电需要进行AC/DC转换，不可避免地造成电能损失，同时充电产生的谐波也对电网形成不利影响。在现有的交流电供电模式下，以IT设备为基础的智能家电的广泛使用同样面临AC/DC转换造成的巨大损失，也不利于实现太阳能等分布式电源的就地供应。同时，分布式电源的大量接入将改变现有配电网结构和潮流分布，会引起谐波、三相电压不平衡等电能质量问题，对交流配电网的无功平衡、电压调节、控制等技术都提出了挑战，因此需要研究利用柔性直流输电技术灵活的潮流控制等优势，实现分布式电源与主网的协调运行。
6.小结
柔性直流输电工程涉及电力系统、材料、控制等多个学科，于目前国内还比较缺乏相关工程实践经验，因此在开展柔性直流输电技术工程应用的研究中，要充分调研国外相关技术的研究成果和相关工程经验，对其关键技术进行重点研究。
可以相信，随着电力电子器件、计算机控制等技术的不断发展，柔性直流输电技术的输送容量、电压等级将不断提高，而系统损耗和成本将不断下降，加上国内外现有实际工程的运行经验以及我国能源战略和能源结构的不断调整和完善，柔性直流输电技术必将在我国可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、交流电网互联等应用领域得到更快的发展。
high-voltage direct current 高压直流输电 目录 high-voltage direct current 高压直流输电............................................ 错误！未定义书签。 一、实验目的； (1) 二、背景及实验原理分析 (1) 三、关键实验参数的设置 (2) 1.三相降压变压后100kv的交流高通滤波器参数，抑制27次、54次谐波 (2) 2.100kv交流成+100 kV直流或+100 kV直流逆变成100kv交流的滤波参数设计： (3) 四、实验过程及实验结果分析 (3) 五、实验相关波形 (3)
一、实验目的； 利用simulink仿真一个高压直流输电系统将230 kV, 50 Hz，2000 MVA交流系统转换为+100 kVDC，输电容量200 MVA，传输距离为75Km，再将直流逆变成230 kV, 50 Hz，2000 MVA 交流。 二、背景及实验原理分析 HVDC（高压直流输电）是ABB 50多年前开发的一项技术，旨在提高远距离输电的效率。高压直流输电（HVDC），是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。输电过程为直流。常用于海底电缆输电，非同步运行的交流系统之间的连络等方面。 整体实验仿真电路接线图（如下所示）： 其中三相高压交流通过变压器将230kv交流变成100kv交流，再通过利用IGBT构成三相桥式可控整流系统整流为+100 kV 直流，通过75km的线路传输之后，再通过spwm逆变系统将+100 kV 直流逆变成100kv交流，再通过三相变压器转换成230kv高压交流，完成传输。 以下部分是通过三相变压器降压以及通过三相桥式IGBT整流/逆变的电路，其中s-pwm 的脉冲信号产生电路如下所示：
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
柔性直流输电线路故障分析与保护综述周森亮 发表时间：2019-10-23T10:40:13.657Z 来源：《电力设备》2019年第10期作者：周森亮 [导读] 摘要：为应对不可再生能源不断减少的形势，世界各国制订了相应的政策，随着大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展，推动了柔性直流输电工程的建设。 （国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司内蒙古赤峰 024000） 摘要：为应对不可再生能源不断减少的形势，世界各国制订了相应的政策，随着大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展，推动了柔性直流输电工程的建设。基于柔性直流输电系统控制方式和拓扑结构的特殊性，在直流侧发生故障时，其故障电流上升速度极快且破坏性极强。针对柔性直流输电系统的故障类型和保护分区进行讨论，结合现阶段的故障隔离技术，介绍了直流断路器、换流器和交流断路器的应用状况。为快速隔离故障，详细介绍了柔性直流线路保护，并对柔性直流输电技术的发展趋势进行了展望。 关键词：柔性直流输电；故障类型；直流线路保护 引言 和传统基础电流源变换系统的直流输电系统相比，电压源变换系统的直流输电系统（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）属于一类低廉的输电方式。其能够切实弥补直流电力传输存在的问题，尤其在可再生能源发电并网、城市供电以及异步交流互联中适用。但因为拓扑结构与控制模式的特殊性，出现故障之后电流快速上升，非常容易对换流组件产生破坏，所以，直流线路故障保护的作用非常关键。 1柔性直流输电的系统 两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流电和换流变压设备，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。 2柔性直流系统的故障类型 以目前正在建设的张北柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，与直流电缆相比，其故障概率更高。按照故障区域划分，柔性直流电网故障大致可以分为交流系统故障、换流器内部故障和系统直流侧故障。换流器内部故障又可细分为站内母线故障、阀短路故障、桥臂电抗器故障以及最常见的子模块故障等。柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高的特点，故MMC（模块化多电平换流器）每个桥臂串联的子模块数量较多，从而增加了子模块故障的概率。在柔性直流系统的建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度，通常都会在每一个桥臂上串联适量的冗余子模块。直流侧故障可细分为直流线路断线故障、直流线路短路故障和换流器闭锁故障。在单个MMC中，因为直流侧采用单级输电，故直流侧线路故障以单极接地故障为主。而在真双极系统中，单级接地故障则相当于伪双极系统中的级间短路故障，通常由树枝接触或雷电引发，多属于暂时性故障，但是因其故障传播速度快、影响范围广、解决难度大，成为阻碍柔性直流电网发展的技术难题。真双极系统的双极短路故障则更为严重，相当于交流系统的三相短路故障。 3柔性直流输电网故障保护的难点 （１）系统故障电流升高速度极快，通常在故障出现之后１０ｍｓ以内电流已经提高至稳态电流水平。（２）稳态短路存在很高电流值，系统短路电流通常比额定值高出几十倍。（３）系统故障发生时短路电流无极性改变，无过零点，断路系统很难灭弧。（４）对迅速切断故障设定的标准很高，交流输电系统的故障切断时限通常大于５０ｍｓ，但直流系统故障切断时限要求不到５ｍｓ，否则就会对系统组件安全产生很大影响。所以，针对柔性直流线路故障问题，一方面需迅速准确识别故障，另一方面需采取合理处置方案限制故障电流，进而降低对换流器、线路和系统产生的威胁。 4柔性直流输电线路故障保护存在的问题与研究展望 4.1存在的关键问题 虽然国内外学者围绕柔性直流输电线路保护原理开展了大量研究，能够在一定程度上提高现有柔性直流输电工程的线路保护性能，但仍存在一些问题：（1）柔性直流输电系统故障阻尼小，故障蔓延速度快，而柔性直流系统中的电力电子设备耐受故障冲击电流能力差，因此对保护系统的响应时间要求很高，即对速动性要求高。（2）虽然行波保护是目前柔性直流输电系统较为适宜的主保护，但其易受雷击、噪声等因素干扰而发生误动，可靠性降低，并且对采样频率的要求高。（3）正负极线路行波之间存在电磁耦合，并且暂态行波在传播过程中会发生畸变、色散、频散等现象，对保护会产生一定的干扰。 4.2保护与控制协调策略 柔性直流输电线路的故障处理与保护和控制密切相关，为实现故障线路的隔离和系统的稳定，需要针对线路保护、辅助电路以及系统控制的动作时间和投入方式，进行协调策略研究。尤其对于多端柔性直流系统，直流线路故障的处理，更加强调多站之间保护与控制的协调作用。采用保护、控制、通信集成一体化的多端柔性直流系统保护方案，研究保护与保护之间，保护与控制之间的配合策略，实现交直流侧保护与控制相协调，整合并减少分散保护设备的数量，从而降低柔性直流线路故障处理与保护的复杂性、缩短故障处理的时间，提高系统的可用率。 4.3柔性直流输电技术的应用前景展望 （1）在城市电网塔容及直流供电中的应用。近几年来，我国经济的高速发展以及城市化建设的不断推进，促进了城市电网的进一步发展，与此同时大部分的城市电网负荷也一直呈现出不断增长的趋势，人们对于电能的供应及质量要求不断提高。（2）替代交直流联网。结合我国目前的总体趋势西部地区的资源相对较多，同时负荷较少，我国90%的水电几乎都集中在西部，而东部地区的能源与负荷量特点则恰好相反。导致了我国地区能源和负荷的失调，因此，特高压直流输电工程在不断增多，实现电能的大容量和远距离运输。目前关于柔性直流输电技术方面仍然存在着一定的障碍，在进行长距离和大容量的发展过程中，要克服以下几个难点：第一就是用碳化归来替代二氧化硅，从而改变VSC的材料，同时还要增强封装材料的绝缘性和耐热性，达到大容量的电流运输。第二就是要加强电流直流断路器的优化与改良，突破上述所提到的故障。如果能在技术上实现故障的突破，那么柔性直流输电技术在未来可能会完全取代传统输电技术，承担起长距离大容量的输电任务。（3）借鉴传统交流输电和常规高压直流输电的继电保护技术，结合柔性直流输电系统的结构特点，研究先进的
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。
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 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
可控电压源型柔性直流输电换流器 拓扑综述 周敏，张劲松，刘宇思 中国能源建设集团广东省电力设计研究院 摘要：为分析不同可控电压源型柔性直流输电换流器拓扑结构的技术特点，围绕模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，建立了基于几种可控电压源型换流器拓扑的柔性直流输电系统电磁暂态模型，结合PSCAD/EMTDC 的数字仿真结果，验证了所提出的换流器拓扑结构及其输电方案的可行性。 关键词：柔性直流输电可控电压源型换流器模块化多电平换流器 1引言 柔性直流输电技术是高压大功率电力电子应用领域的制高点，该技术在新能源接入（特别是近海风电接入）、向无源电网供电（如海岛供电，海上钻井平台）、异步电网互联、城市配网等诸多领域有着广阔的应用前景，因此吸引了学术界和工业界越来越多的关注。国内外投入的十几个柔性直流输电工程也都取得了不错的成效，其中绝大部分工程的换流器采用两电平或三电平拓扑结构。 IEC/TR 62543技术报告[1]将电压源型柔性直流输电换流器拓扑分为两种：开关型（“switch” type）拓扑和可控电压源型（“controllable voltage source” type ）拓扑。开关型拓扑，即目前绝大多数工程采用的两电平或三电平拓扑，其明显特点为直流储能电容器组并接于直流侧，运行时换流桥臂中电流不连续；而以MMC为代表的可控电压源型拓扑的储能电容器分布在换流桥臂的子模块中，运行时换流桥臂中有连续电流流过。两类拓扑各自的优势在相关文献中已有较详细的总结[2-7]。较晚出现的可控电压源型拓扑以其诸多优势，成为未来柔性直流输电换流器拓扑的发展趋势，这从目前国内外最新投运的工程（2010年的美国 Trans Bay Cable工程、2011年的上海南汇工程）和在建的工程（如大连跨海工程、舟山5端工程、南澳风电场接入3端工程、德国Borwin2工程）中可见一斑。 2MMC换流器基本结构 2002年，德国学者R. Marquart 和A. Lesnicar 最早提出了MMC拓扑结构的概念[2]，该拓扑奠定可控电压源型换流器的基础，之后有学者和公司相继提出了许多拓扑，基本结构和运行原理都跟MMC 很类似。MMC的建模、控制、调制、器件参数选择在文献中有详细论述[2-7] ，MMC的拓扑结构如图1所示。
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
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/0414610282.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。
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
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
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