模块化多电平换流器型高压直流输电综述
0引言：
现代电力电子技术的发展，使直流输电又一次登上历史舞台，与交流输电并驾齐驱。1954年，世界上第一条工业性的高压直流输电系统投入运营，从此，直流输电技术在海底电缆送电、远距离大功率输电、不同频率或相同频率交流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。IGBT、GTO 的出现，促使了VSC-HVDC和MMC-HVDC的产生，成为直流输电技术的一次重大变革。
MMC-HVDC（modular multilevel converter-high voltage DC transmission）是新一代直流输电技术，发展非常迅速。它具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点，尤其适用于中高压大功率系统应用。本文首先介绍MMC的电路拓扑和工作原理，总结MMC的主要技术特点；然后分别回顾MMC在电容电压平衡、环流、控制策略、故障保护等关键问题的最新研究进展，最后指出MMC今后亟待研究的关键问题。相关研究结果表明，MMC在电力系统中有广泛的应用前景,是未来中高压大功率系统,尤其是高压输电技术的重要发展方向。
1正文：
传统两电平电压源型变换器，在电机传动、新能源并网、开关电源等工业生产领域的应用十分广泛。但在高压大功率领域的应用中，为解决功率开关器件的耐压问题，通常通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的体积和成本，限制了系统效率。鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，德国学者 Marquardt R.及其合作者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的拓扑。
现将传统直流输电、电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)和MMC-HVDC三种直流输电方式的特点列表如下。
1.1 MMC拓扑结构和基本原理
拓扑结构如图 1 所示，可以看出其为桥型拓扑结构，上下桥臂各串联n个子模块并通过电抗器与交流电源相连。MMC子模块结构如图2所示。子模块由2个IGBT 构成的半桥、2个反并联二极管和一个直流储能电容器组成，每个子模块都是一个两端元件，可以在 2 种方向电流的情况下通过开关实现在全模块电压和 0 电压之间转换，根据电流的方向不同，可以实现电容的充、放电。
其中，电抗器的主要作用是提供环流阻抗，限制桥臂间环流，同时有效地减小了换流器内部或外部故障时的电流上升率，从而使IGBT在较低的过电流水平下关断，为系统提供更为有效和可靠的保护。直流储能电容可视为独立的直流电压源，为子模块提供全模块电
压Uc。反并联二极管不仅可以为IGBT稳压，同时为充放电提供回路。
1.2 MMC技术特点
相比于传统的两电平或者三电平拓扑，MMC具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征：
1）高度模块化的结构。功率单元的主电路和控制系统均采用模块化设计，通过调整功率单元数量可实现MMC系统的电压和功率等级的灵活配置，便于系统扩容，有利于缩短工程设计和加工周期。模块化的功率单元采用相同容量的直流电容和功率开关器件，具有很强的可替代性，便于系统维护。此外，模块化的结构特点使得MMC具有出色的硬件和软件兼容性，易于冗余工作设计。
2）具有公共直流母线。MMC无需集中电容器组或其它无源滤波元件进行直流侧滤波，可避免直流侧短路引起的浪涌电流及系统机械破坏的风险，提高系统可靠性的同时，也有利于降低系统成本。MMC 可实现对公共直流母线电压的有源控制，公共直流母线电压和电流连续可调。同时，公共直流母线的存在使得MMC可以工作在背靠背系统中，典型应用如 HVDC、电能质量问题治理等场合。
3）便于工程实现。传统VSC的高压直流母线一般要求具有较低的等效电感，而MMC对系统主回路的杂散参数不敏感，采用普通电缆即可实现所有功率单元间的可靠连接，因而变换器的结构设计更加灵活，这是MMC的一个突出优点。
4）不平衡运行能力。由于MMC各相桥臂的工作原理完全相同，均可独立控制，当MMC交流侧发生不平衡故障(如单相故障)后，其
它两相仍可继续满功率传输能量，系统传输容量仅需降额总输出能力的三分之一。对于较脆弱的电网，MMC能有效减少频率波动，避免甩负荷或者发电机跳闸。
5）故障穿越和恢复能力。由于MMC的直流储能量大，网侧发生故障时，功率单元不会放电，公共直流母线电压仍然连续，不仅保障了MMC的稳定运行，并可在较短的时间内从故障状态恢复，因而具有很强的故障穿越和恢复能力。
6）保留了传统多电平变换器的优点。MMC具有与传统级联型变换器类似的多电平波形，开关器件的开关频率低，系统开关损耗较小。MMC的等效开关频率较高，输出电压的谐波含量和电磁干扰水平较低，仅需要很小的滤波电感甚至无需交流滤波电感，有助于减少主电路元器件数量和体积。
7）连续的桥臂电流。与传统的两电平VSC不连续的“斩波”波形不同，MMC的桥臂电流是连续的，且脉动频率较高，能显著降低对交流输出滤波电感的要求，MMC的上桥臂和下桥臂分别承担一半的交流输出电流，降低了功率开关器件的电流容量等级。
总而言之，与传统多电平变换器相比，MMC继承了传统级联式拓扑在器件数量、模块化结构方面的优势，适用于交流输出频率恒定、对电压和功率等级要求极高的有功功率变换场合；同时由于MMC在器件电流应力、不平衡运行、故障保护等方面的技术优势，MMC具有更强的适应能力，在HVDC、中高压电机传动、电能质量问题治理等领域有广泛的应用前景。
1.3 MMC关键技术
（1）MMC 的电容电压平衡
系统直流侧电压是由各个子模块直流侧电容来支撑的，因此，需要控制同一相各个子模块直流侧电容电压的均衡。但由于各个子模块的电容提供给驱动电路电源的功率不可能完全相同，各个子模块的损耗也不完全一致，加上控制算法中各个子模块的通断时刻也不一致，将使得各个子模块直流电容电压不平衡和不稳定。
文献[3-4]提出一种周期性测量每个桥臂各个子模块的直流侧电
容电压的大小和各个桥臂的电流方向，并将其进行分类，然后根据控制算法得到桥臂所处的电平数和桥臂的电流方向，对各个子模块进行控制，最终达到模块化多电平换流器桥臂内部各个子模块电容电压的均衡。
文献[5]在分析静止同步串联补偿器的各个直流电容电压不平衡原因的基础上，提出“分层控制”的思想建立直流电压均衡的控制策略。即采用3个步骤：合理选择直流电压的调定值和直流电容的参数值；通过调制策略来平衡直流电压；通过控制策略保持直流电压的稳定。
以上2种方法都需要采样各个直流侧电容电压的大小，并将其送至系统的总控制器中，进行一定繁琐的排序计算，需要很好的测量和传输方法，在一定程度上增加了控制的复杂性和难度。
文献[6]分析了链式逆变器的STATCOM直流电容电压稳态数学模型，揭示了电容电压不平衡现象的机理，提出基于直流母线能量交换的直流电容电压平衡的方法和基于交流电源母线能量交换的最大（或最小）电容电压均衡的方法。但这2种方法的缺点是需要1个乃至2个隔离变压器和其他换流器，增加了系统的复杂性和实现起来的难度。
（2）MMC的环流分析和抑制技术研究
MMC的环流特指仅在公共直流母线正负极之间或者不同相桥臂之间循环流动的电流，其主要作用是在同一相桥臂内或者不同相桥臂之间传递有功和无功能量。文献[7-9]在分析三相 MMC 的桥臂电流时，忽略了环流中的交流脉动分量，而将环流假定为公共直流母线电流的1/3。但这种假设未考虑不同相桥臂之间的能量交换，适用于分析HVDC 系统等负载和交流电网高度对称的特定应用场合。然而，对于分析MMC 在不对称电网/负载等特殊应用场合下的工作特性时，必须考虑环流作为不同相桥臂之间能量交换及直流电容电压控制的载体的功能。此外，环流的存在也会带来一些负面影响，环流叠加在桥臂电流中，不仅提高了功率器件的额定电流容量，增加了系统成本；同时增加了开关损耗，使功率器件发热严重，影响装置使用寿命，因而有必要对环流进行抑制。
文献[10]解释了环流幅值和桥臂阻抗之间的反比关系，即使环流电压幅值很小，也可能在桥臂中产生较大的环流。文献[11-12]解释了环流产生的机理，分析了环流和公共直流母线电流之间的关系，结果表明，环流无法完全消除，只能通过控制手段抑制其中的交流环流分量的幅值。文献[13-14]指出通过合理选择桥臂电感和设计控制环路的方法以实现对环流的抑制效果，但增大桥臂电感无疑会增大系统体积和成本。文献[11]侧重分析了环流峰值与桥臂电感、直流电容和直流电压之间的关系，但上述分析仅提出了环流中存在的二倍频负序分量，未区分环流中的可控分量和不可控分量，无法MMC的环流控制策略设计提供借鉴。文献[13,15,16]提出一种基于上桥臂和下桥臂的平均直流电容电压差值进行环流抑制的方法，并进行了实验验证，但该方法需要用到所有功率单元的直流电容电压，对系统的信号采集环节提出了较高的要求。文献[17-18]提出一种仅需要采集六路桥臂电流信号的环流抑制器，不需增加桥臂电感的前提下实现了对环流的有效抑制，但该方法需要用到二倍频负序坐标变换和电流相间解耦环节，增加了MMC控制系统的运算量。同时该方法仅适用于三相系统，无法推广到单相或者四线制及以上的MMC系统。为此，文献[19]提出一种基于MMC环流模型的通用环流抑制(universal circulating current suppressing，UCCS)策略，能显著抑制环流中的低频交流脉动分量，消除桥臂电流的畸变，同时可有效抑制公共直流输入/输出功率脉动，有利于MMC系统的稳定可靠运行。此外，UCCS策略实现原理简单，无需负序坐标变换和相间解耦环节，适用于任意相数的MMC 控制。
（3）MMC 控制策略
①消谐波 PWM法（SH-PWM ）
SH-PWM的原理是电路的每相使用1个正弦调制波与几个平行的三角波进行比较。其优点是能很好地控制谐波，缺点是动态特性差，计算量随着电平数的增大而急剧增大，因此适用于电平数不太多的场合。
②载波移相正弦脉宽调制（CPS-SPWM ）
载波移相SPWM技术的基本思想是n个变换器单元采用n个移位的三角波与正弦波进行比较。其特点有：
1）各变换器单元的开关频率低，便于组成大功率变流装置，降低器件开关损耗；
2）输出谐波小，可大大减小滤波器的体积；
3）等效开关频率高，传输频带宽，传输线性好，容易引入一些优秀的控制方法，如滞环电流控制、单周控制等。
③空间矢量调制（SVPWM ）
空间电压矢量技术的原理是通过指定区域相应的电压矢量适时切换合成得到要求的空间电压矢量。其优势表现在模型简单，在大范围的调制比内具有很好的性能，并且母线利用率高。但是，应用于5电平以上的多电平电路时其控制算法将变得非常复杂。随着电平数量的增加，空间矢量调制技术存在器件导通负荷不均衡的现象。
④阶梯波脉宽调制
阶梯波脉宽调制技术的原理是用阶梯波来逼近正弦波，阶梯波调制就能达到很好的输出特性，且其开关次数小于PWM，能够明显减少开关损耗。这种策略的优点是实现简单、开关频率最低（等于基波频率），因而开关损耗最小，器件的主要损耗是通态损耗。通过调节直流母线电压或移相角来实现输出电压的调节，此外，还可以通过选择每个电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除和抑制。
⑤最近电平逼近（NLM ）技术
其原理是使用最近电平瞬时逼近调制波，适合用于电平数较多的场合。使用NLM策略的MMC在较大的工作范围内都具有很好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平。随着电平数的增多,最近电平逼近法更具有优势。
（4）MMC 的故障保护研究
柔性直流输电保护系统的主要功能是保护输电系统中所有设备的安全正常运行，在故障工况下，能够迅速切除系统中故障或不正常的运行设备，以保证剩余健全系统的安全运行。高压直流输电系统的保护配置需满足可靠性、灵敏性、选择性、快速性、可控性、安全性和可维修性等原则。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统其故障特性与两电平换流器系统保护策略两者主要的区别在于具体的保护分区和保护算法设计。但总体而言在保护总体配置上相差不大，如图7所示，大致可分为交流侧保护、换流器保护和直流区保护。
文献[20-21]分析了MMC的直流侧故障机理，针对不同类型的直流线路故障特点，提出了相应的控制保护配合原则。文献[22]则在分析MMC直流双极短路故障机制的基础上，分别建立了故障闭锁前后对应状态下的电路模型和过电流应力的解析关系，为MMC主电路元器件的电气设计提供了依据。文献[23]针对故障系统中存在零序电流通路的特点，提出了故障时的系统正负零序控制器和系统有功功率控制策略。文献[24]则分析了MMC交流侧单相和直流侧对地故障的机理及相应的保护要求。针对基于MMC的多端口HVDC系统中的直流侧故障问题，文献[25]提出了一种通过混合型直流开关的方式用于实现可靠切
除直流故障端。文献[26]则分析了功率单元故障对系统输出特性和稳定运行产生的危害，提出一种适合MMC的功率单元故障冗余保护方法。
3总结与展望：
通过本文的分析可以看出，虽然MMC具有诸多技术上的优势，然而，从已公开发表的文献来看，MMC的理论分析、脉冲调制和电压控制、故障保护等关键技术尚未完全解决，亟待开展深入研究。
1）MMC 采用功率单元级联的结构形式，随着输出电平数增加，MMC的脉冲调制和控制系统将变得更加复杂，现有的脉冲调制技术尚需完善。针对大功率应用中系统对开关损耗、谐波特性、可扩展性等不同运行指标要求，提出高效可行的脉冲调制方案，仍是未来的主要研究工作之一。
2）现有MMC电压控制技术涉及的控制变量较多，研究更加高效的直流电压控制策略，以减少电压和电流检测量。此外，研究开环条件下基于功率均衡控制的脉冲调制技术在MMC应用中的关键问题，具有工程实用价值。
3）作为高压大功率系统的典型应用，MMC在电力系统电能质量问题治理领域具有良好的应用前景，开展 MMC 在负序平衡、无功补偿、谐波抑制、电压支撑、闪变抑制等特定或者综合治理中的应用研究，有助于完善 MMC 的理论体系。
4）在新能源发电技术日益普及的今天，实现风力发电等可再生能源的并网传输成为重中之重，持续深入开展MMC在HVDC及输配电系统中的关键技术研究，对我国建设坚强智能电网提供有力的技术支撑。
5）作为MMC的主要应用，MMC在大功率电力传动系统中的应用刚起步，研究MMC的低频运行特性，尤其是基于MMC的电机启动过程研究，将有利于该项技术在中高压大功率电力传动系统中的推广。
参考文献：
[1]滕松，宋新立，李广凯，等．模块化多电平换流器型高压直流输电综述[J]．电网与清洁能源，2012，28（8）：43-50．
[2]杨晓峰，林智钦，郑琼林，等．模块组合多电平变换器的研究综述[J]．中国电机工程学报，2013，33（6）：1-14．
[3]MARTIN GLINKA，RAINER MARQUARDT． A new AC/AC multilevel converter family[C]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，June，2005.
[4]DORN J,HUANG H，RETZMANN D．Novel voltage-sourced converters for HVDC and FACTS applications[C]．Proceedings of the Cigr éSymposium. Osaka, Japan：International Council on Large Electric Systems，2008：1-8．
[5]姜旭． H桥级联式SSSC主电路拓扑分析及控制策略研究[D]．北京：华北电力大学（北京），2007．
[6]刘文华，宋强，滕乐天，等．基于链式逆变器的50MV·A静止同步补偿器的直流电压平衡控制[J]．中国电机工程学报，2004，24 （4 ）：145-150.
[7]Marquardt R,Lesnicar A,Hildinger J．Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen[C]//ETG-Fachtagung．Bad Nauheim，Germany：Fachtagung des VDE，2002：1-7．
[8]Ding Guanjun，Tang Guangfu，He Zhiyuan，et al．New technologies of voltage source converter (VSC) for HVDC transmission system based on VSC[C]//IEEE Power and Energy Society General Meeting –Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century．Pittsburgh，USA：2008：1-8．
[9]赵岩，胡学浩，汤广福，等．模块化多电平变流器 HVDC输电系统控制策略[J]．中国电机工程学报，2011，31(25)：35-42．
[10]Marcelo A P，Jose R．Generalized modeling and simulation of a modular multilevel converter[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics．Gdansk，Poland，2011：1863-1868．
[11]屠卿瑞，徐政，郑翔，等．模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析[J]．高电压技术，2010，36(2)：547-552．
[12]杨晓峰，王晓鹏，范文宝，等．模块组合多电平变换器的环流模型[J]．电工技术学报，2011，26(5)：21-27．
[13]Hagiwara M，Maeda R，Akagi H．Theoretical analysis and control of the modular multilevel cascade converter based on double-star chopper-cells (MMCC-DSCC)[C]//9th International Power Electronics Conference．Sapporo，Japan，2010：2029-2036．
[14] Antonios A，Lennart A，Hans-Peter N．On dynamics and voltage control of the Modular Multilevel Converter[C]//13th European Conference on Power Electronics and Applications．Barcelona，Spain：IEEE，2009：1-10．
[15]Hagiwara M，Maeda R，Akagi H．Control and analysis of the modular multilevel cascade converter based on double-star chopper-cells(MMCC-DSCC)[J].IEEE Transactions on Power Electronics ， 2011 ， 26(6) ：1649-1658．
[16]Hagiwara M，Maeda R，Akagi H．Negative-sequence reactive-power control by the modular multilevel cascade converter based on double-star chopper-cells (MMCC-DSCC)[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition．Atlanta，USA，2010：3949-3954．
[17]Tu Qingrui，Xu Zheng，Zhang Jing．Circulating current suppressing controller in modular multilevel converter [C]//36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society．Phoenix，USA，2010：3198-3202．
[18]Tu Q，Xu Z，Xu L．Reduced switching-frequency modulation
and circulating current suppression for modular multilevel converters[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(3)：2009-2017．
[19]杨晓峰，郑琼林．基于MMC环流模型的通用环流抑制策略[J]．中国电机工程学报，2012，32(18)：59-65．
[20]薛英林，徐政．稳态运行和直流故障下桥臂交替导通多电平换流器的控制策略[J]．高电压技术，2012，38(6)：1521-1528．
[21]赵成勇，陈晓芳，曹春刚，等．模块化多电平换流器HVDC 直流侧故障控制保护策略[J]．电力系统自动化，2011，35(23)：82-87．
[22]王姗姗，周孝信，汤广福，等．模块化多电平换流器HVDC 直流双极短路子模块过电流分析[J]．中国电机工程学报，2011，31(1)：1-7．
[23]刘钟淇，宋强，刘文华．采用 MMC 变流器VSC-HVDC 系统故障态研究[J]．电力电子技术，2010，44(9)：69-71．
[24]Chen Xiaofang，Zhao Chengyong，Cao Chungang．Research on the fault characteristics of HVDC based on modular multilevel converter[C]//IEEE Electrical Power and Energy Conference．2011：91-96．
[25]Schmitt D，Wang Y，Weyh T，et al．DC-side fault current
management in extended multiterminal-HVDC-grids[C]//9th International Multi-Conference on System，Signals and Devices．Chemnitz，Germany，2012：1-5．
[26]管敏渊，徐政．模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护[J].电力系统自动化，2011，35(16)：94-98，104．
[27]徐政等．柔性直流输电系统[M]．北京：机械工业出版社，2012.
直流电与交流电在应用中的优缺点 高压直流输电方式与高压交流输电方式相比，有明显的优越性．历史上仅仅由于技术的原因，才使得交流输电代替了直流输电．下面先就交流电和直流电的主要优缺点作出比较，从而说明它们各自在应用中的价值． 交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能（水流能、风能……）、化学能（石油、天然气……）等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便．这是交流电与直流电相比所具有的独特优势． 直流电的优点主要在输电方面： ①输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2／3～l／2 直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线载面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效应，也可以输送相同的电功率，而输电线和绝缘材料可节约1／3． 如果考虑到趋肤效应和各种损耗（绝缘材料的介质损耗、磁感应的涡流损耗、架空线的电晕损耗等），输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的1.33倍．因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半．同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地面积也少． ②在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗． 在一些特殊场合，必须用电缆输电．例如高压输电线经过大城市时，采用地下电缆；输电线经过海峡时，要用海底电缆．由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输线路中，空载电容电流极为可观．一条200kV的电缆，每千米的电容约为0.2μF，每千米需供给充电功率约3×103kw，在每千米输电线路上，每年就要耗电2.6×107kw·h．而在直流输电中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上． ③直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行．交流远距离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差；并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为50HZ，但实际上常产生波动．这两种因素引起交流系统不能同步运行，需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏设备，或造成不同步运行的停电事故．在技术不发达的国家里，交流输电距离一般不超过300km而直
浅谈高压直流输电对交流电网继电保护影响 摘要：目前在交流电网的继电保护工作中尚且存在许多不足之处，需要工作人 员引起注意并且加以解决，比如直流输电的交流母线通过多条线路和多落点接入 交流电网，对含有直流馈入的电网做仿真分析，在直流馈入点附近采用受影响小 的继电保护装置等等，这些都是可取的措施。 关键词：高压直流；输电；交流电网；继电保护；分析 1导言 近年来我国尤其是沿海经济发达地区用电需求增长很大,但是我国能源丰富地 区大都在西部,这种能源和负荷分布不平衡的局面促使我国实行“西电东送”工程,因此,大力开发西南水电,采用特高压直流将电能输送到沿海经济发达地区势在必行。 2直流偏磁成因 对于特高压直流输电来讲，较之于常规高压直流输电有所区别，而且运行方 式也非常的复杂，即便是一个双极特高压直流输电系统其运行方式也可能达到二 十多种。当电极不对称以大地作为回路运行过程中，直流电流就会以大地作为一 部分构成一个回路，如此强大的电流会在接地极址位置形成相对比较恒定的电流场，进而对接地极与周围交流系统产生巨大的影响。实践中可以看到，距离接地 极址越近，则直流电场就越大，反之亦然。 2高压直流输电线路继电保护的整体情况和存在问题 2.1高压直流输电线路继电保护的整体情况 从新中国成立以来，以换流技术为基础的交流电网继电保护技术就开始有了 进步，尤其是在高压直流输电上取得了更可喜的发展成果。在当前情况下，用作 长距离高能量电能传输的更多的是依靠半控型器件晶闸管的电流源换流器高压直 流输电（CSCHVDC）；而由全控型器件构成的电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC）则偏向于受端弱系统。与此相对应的，高压直流输电线路的电网构造从之前的两端系统拓展成多段的体系；电网的线路也发生了改变，从之前单纯的海底 电缆形式转变成架空线路和电缆共存的形式；此外，高压直流输电在运输的地域 宽度、功率大小、电压高低等方面都展现了更突出的优势。目前的直流输电电网 继电保护工作在开展时，主要依靠ABB和SIEMENS公司，分为几种不同的保护方式。 2.2高压直流输电线路继电保护的现存问题 从保护效果的形成机制看，目前的直流输电继电保护工作成效不高，主要是 因为设计理念不先进、方案可实施性不强，主保护工作不力是因为系统的灵敏性弱、故障处理不到位、整体规划不强、采样率要求太高和对干扰的抵抗程度低等等。而后备保护工作不到位，则是因为保护的时效性不强、低电压保护缺少根据 等等原因。就交流电网的保护配置方面看，直流输电的保护类型太过单调，不够 可靠，一旦发生故障不能及时处理。 3交流电网的现状 自从第一个交流发电站成立以来，交流电网凭借以下的优势迅速的发展并被 广泛的使用。一是利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便 地把机械能（水流能、风能）、化学能等其他形式的能转化为电能；交流电源和 交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉。二是交流电 可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便。随着技术的 不断深入，交流电网出现了一些问题，主要有以下几方面：一是交流输电不能做
模块化多电平换流器型高压直流输电综述 0引言： 现代电力电子技术的发展，使直流输电又一次登上历史舞台，与交流输电并驾齐驱。1954年，世界上第一条工业性的高压直流输电系统投入运营，从此，直流输电技术在海底电缆送电、远距离大功率输电、不同频率或相同频率交流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。IGBT、GTO 的出现，促使了VSC-HVDC和MMC-HVDC的产生，成为直流输电技术的一次重大变革。 MMC-HVDC（modular multilevel converter-high voltage DC transmission）是新一代直流输电技术，发展非常迅速。它具有高度模块化、易于扩展、输出电压波形好等特点，尤其适用于中高压大功率系统应用。本文首先介绍MMC的电路拓扑和工作原理，总结MMC的主要技术特点；然后分别回顾MMC在电容电压平衡、环流、控制策略、故障保护等关键问题的最新研究进展，最后指出MMC今后亟待研究的关键问题。相关研究结果表明，MMC在电力系统中有广泛的应用前景,是未来中高压大功率系统,尤其是高压输电技术的重要发展方向。 1正文： 传统两电平电压源型变换器，在电机传动、新能源并网、开关电源等工业生产领域的应用十分广泛。但在高压大功率领域的应用中，为解决功率开关器件的耐压问题，通常通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的体积和成本，限制了系统效率。鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，德国学者 Marquardt R.及其合作者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的拓扑。 现将传统直流输电、电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)和MMC-HVDC三种直流输电方式的特点列表如下。
高压直流输电与特高压交流输电的优缺点比较 从经济方面考虑，直流输电有如下优点： (1) 线路造价低。对于架空输电线，交流用三根导线，而直流一般用两根采用大地或海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆，由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆，直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。 (2) 年电能损失小。直流架空输电线只用两根，导线电阻损耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分。另外，直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。 所以，直流架空输电线路在线路建设初投资和年运行费用上均较交流经济。 直流输电在技术方面有如下优点： (1) 不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联，而交流电力系统中所有的同步发电机都保持同步运行。直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，还可连接两个不同频率的系统，实现非同期联网，提高系统的稳定性。 (2) 限制短路电流。如用交流输电线连接两个交流系统，短路容量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置。然而用直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大。 (3) 调节快速，运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能快速调整有功功率，实现“潮流翻转”(功率流动方向的改变)，在正常时能保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急支援，也能实现振荡阻尼和次同步振荡的抑制。在交直流线路并列运行时，如果交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速，提高系统的可靠性。 (4) 没有电容充电电流。直流线路稳态时无电容电流，沿线电压分布平稳，无空、轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现象，也不需要并联电抗补偿。 (5) 节省线路走廊。按同电压500 kV考虑，一条直流输电线路的走廊～40 m，一条交流线路走廊～50 m，而前者输送容量约为后者2倍，即直流传输效率约为交流2倍。 下列因素限制了直流输电的应用范围： (1) 换流装置较昂贵。这是限制直流输电应用的最主要原因。在输送相同容量时，直流线路单位长度的造价比交流低；而直流输电两端换流设备造价比交流变电站贵很多。这就引起了所谓的“等价距离”问题。 (2) 消耗无功功率多。一般每端换流站消耗无功功率约为输送功率的40%～60%，需要无功补偿。 (3) 产生谐波影响。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，使电容器和发电机过热、换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰。 (4) 缺乏直流开关。直流无波形过零点，灭弧比较困难。目前把换流器的控制脉冲信号闭锁，能起到部分开关功能的作用，但在多端供电式，就不能单独切断事故线路，而要切断整个线路。 (5) 不能用变压器来改变电压等级。 直流输电主要用于长距离大容量输电、交流系统之间异步互联和海底电缆送电等。与直流输电比较，现有的交流500 kV输电(经济输送容量为1 000 kW、输送距离为300～500 km)已不能满足需要，只有提高电压等级，采用特高压输电方式，才能获得较高的经济效益。
特高压直流输电的现状与展望 摘要：特高压直流输电大多用于长距离输电，例如海底电缆、大型发电站输电等，在我国，其是指通过1000kV级交流电网和±600kV级以上直流电网要求构成 的电网系统。放眼现在，直流输电在电力传输中的地位与日俱增，尤其在结合计 算机等技术后，特高压直流输电系统的整体调控更加可靠。本文将通过分析我国 特高压直流输电的现状，以及探究今后发展的展望，讨论特高压直流输电如何在 个别恶劣环境中进行应用的问题。 关键词：特高压；直流输电；现状；展望 1 特高压直流输电的现状 1.1 发展速度快 从上世纪六十年代开始，由于部分发达国家需要向部分地区进行远距离、大 容量输电的需求，开始了对特高压直流输电的研究。从开始阶段的不到一千公里，五十万千伏直流输电电压，输电功率六百万千瓦，到如今的上千公里，八十万千 伏直流输电电压，其中的发展速度无疑是飞快的。除此之外，由于现代科技更为 发达，再加上可以通过计算机进行实时地检测，特高压直流输电系统在调节方面 的优化，可谓是跨越了一大步。此外，相较于以往的电线，光纤的使用也使得特 高压直流输电在传输过程中的安全性得以提高，大大提高了其输电效率。并且， 特高压直流输电的应用范围也大大扩增，不再局限于几个发达国家。 1.2 效率更高 在远距离大容量输电方面，相较于交流输电，或者是超高压输电方式，特高 压直流输电通常会是更好的选择，其在经济投资、能源损耗以及工程规模方面都 要优于交流输电和超高压输电。例如，在特高压和超高压两种方式之间，面对相 同的输电工程，姑且定为10GW的输送功率，2千米的输送距离，超高压输电需 要240亿元的投资，在输电过程中有将近1.15GW的损耗，其工程规模为135米，而特高压输电只需要200亿元的投资，在输电过程中只有1GW的损耗，工程规 模也只有120米；而相等电压等级情况下的交流输电方式，需要315亿元的投资，在输电过程中更是有1.7GW的线损，工程规模也远远大于前面两种方案。所以， 在远距离大容量电力输送过程中，特高压直流输电的输电效率更好。 1.3 我国特高压直流输电现状 我国从上世纪八十年代才开始尝试建设超高压直流输电工程，即葛洲坝直流 输电工程，虽然开始较晚，但发展十分迅速。经过这些年的技术积累，我国现已 具备建设特高压直流输电工程的技术，并于2010年，完全通过我国自主研发， 成功建造了在当时而言，技术领先全球、输电能力最大的±800kV的向家坝特高压 直流输电工程。在今后3~5年中，我国还将在其他地区建设特高压直流输电工程，预计将会达到二十个左右。 2 特高压直流输电的特点 2.1 技术性能更加稳定 直流输电技术基本不存在系统稳定的问题，可以实现电网的非同期互联。简 单来说，就是指直流输电在连接连两个交流系统时，可以在非同步时期运行，在 效果方面，通过交变直，直变交，将两个直流系统隔离，使得两边能够独立运行。除此之外，在运行期间，如果线路发生短路，直流输电能够及时地进行调节，恢 复时间也很短，例如直流输电单极故障的恢复时间一般不超过0.4秒，除此之外，还可以抑制振荡阻尼和次同步振荡的影响。
高压直流输电总结 一、高压直流输电概述： 1.高压直流输电概念： 高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路，由将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路及将直流电变换为交流电的逆变器三部分组成。 注意：高压输电好处是在输送相同的视在功率S的前提下，高压输电能够降低输电线路流过的电流，减少线路损耗，提高输送效率（,）。 2.高压直流输电的特点： （1）换流器控制复杂，造价高； （2）直流输电线路造价低，输电距离越远越经济； （3）没有交流输电系统的功角稳定问题； （4）适合海底电缆（海岛供电、海上风电）和城市地下电缆输电； （5）能够非同步（同频不同相位，或不同频）连接两个交流电网，且不增加短路容量； （6）传输功率的可控性强，可有效支援交流系统； （7）换流器大量消耗无功，且产生谐波； （8）双极不对称大地回线运行时存在直流偏磁问题和电化学腐蚀问题； （9）不能向无源系统供电，构成多端直流系统困难。 3.对直流输电的基本要求： （1）能够灵活控制输送的（直流）电功率（大小可调；一般情况下，应能够正反双向传送电功率（功率方向可变）；
（2）维持直流线路电压在额定值附近； （3）尽可能降低对交流系统的谐波污染； （4）尽可能少地吸收交流系统中的无功功率； （5）尽可能降低流入大地的电流。 注意：大地电流的不利影响包括①不同接地点之间存在电位差，形成电解池，造成电化学腐蚀；②变压器接地中性点流过直流电流，造成变压器直流偏磁，使变压器噪声增加、损耗加大、振动加剧。 4.高压直流输电的适用范围： 答：1.远距离大功率输电;2.海底电缆送电;3.不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络;4.用地下电缆向大城市供电;5.交流系统互联或配电网增容时,作为限制短路电流的措施之一;6.配合新能源供电。 二、高压直流输电系统的基本构成： 1.双端直流输电的基本构成： （1）单极大地回线（相对于大地只有一个正极或者负极）： 图2- 1 （2）单极金属回线： 图2- 2 （3）双极大地回线（最常用）： 图2- 3 （4）双极单端接地（很少用）： 图2- 4 （5）双极金属回线（较少用）： 图2- 5 （6）并联式背靠背： 图2- 6 （7）串联式背靠背：
浅谈高压直流输电与交流输电各自优缺点 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
追溯历史，最初采用的输电方式是直流输电，于1874年出现于俄国。当时输电电压仅100V。随着直流发电机制造技术的提高，到1885年，直流输电电压已提高到6000V。但要进一步提高大功率直流发电机的额定电压，存在着绝缘等一系列技术困难。由于不能直接给直流电升压，输电距离受到极大的限制，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，人类发明了三相交流发电机和变压器。1891年，世界上第一个三相交流发电站在德国竣工。此后，交流输电普遍代替了直流输电。随着电力系统的迅速扩大，输电功率和输电距离的进一步增加，交流输电遇到了一系列技术困难。大功率换流器（整流和逆变）的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，直流输电重新受到人们的重视。1933年，美国通用电器公司为布尔德坝枢纽工程设计出高压直流输电装置；1954年，建起了世界上第一条远距离高压直流输电工程。之后，直流输电在世界上得到了较快发展，现在直流输电工程的电压等级大多为±275～±500kV，投入商业运营的直流工程最高电压等级为±600kV（巴西伊泰普工程），我国计划在西南水电送出的直流工程中采用±800kV电压等级。 在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器，将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流变压器将电能输送到交流系统。在直流输电系统中，通过控制换流器，可以使其工作于整流或逆变状态。
浅谈特高压直流输电 将电能从大型火力、水力等发电厂输送到远方负荷中心地区时会遇到远距离输电问题。要实现远距离的大功率传输，需采用超高压或特高压输电技术。在特高压输电技术中有交流和直流两种方案，可根据技术经济条件和自身特点加以选择。特高压交流输电是目前国内外最基本的远距离输电方式，而特高压直流输电不存在同步稳定性问题，是大区域电网互联的理想方式。下面我将结合自己所学知识与查阅的资料对特高压直流输电进行概括的阐述。 直流输电是指将送端系统的正弦交流电在送端换流站升压整流后通过直流线路传输到受端换流站，受端换流站将直流逆变成正弦的工频交流电后降压和受端系统相连。而对于换流站，它的核心元件是换流器，，由1 个或数个换流单元串联而成，电路均采用三相换流桥，材料多采用可控硅阀。它的基本工作原理是，控制调节装置通过控制桥阀的触发时刻，可改变触发相位，进而调节直流电压瞬时值、电阻上的直流电流、直流输送功率。同时，相同的触发脉冲控制每个桥阀的所有可控硅元件。当三相电源为对称正弦波的情况下，线电压由负到正的过零点时，脉冲触发桥阀，同时阀两端电压变正，阀立即开通。6 个脉冲发生器分别完成对单桥换流器的6 个桥阀的触发，恰好交流正弦波电源经过1 个周期，线电压又达到下一个过零点进行第二个触发周期。一般，工程上为了获得脉波更小的直流输电电压，通常采用12脉的双桥换流器。 与交流输电相比，直流输电技术具有以下特点：输电功率大小、方向可以快速控制调节；直流输电系统的接入不会增加原有系统的短路容量；利用直流调制可以提高系统的稳定水平；直流的一个极发生故障，另一个极可以继续运行，且可以利用其过负荷能力减少单极故障下的树洞功率损失；另外直流架空线路走廊宽度约为相同电压等级交流输线路走廊宽度的一半。而对于特高压直流输电，它不但具有常规直流输电的特点，而且还能够很好的解决我国一些现存的问题： 1、我国一次能源分布很不均衡, 水利资源2/ 3分布在西南地区, 煤矿资源2/ 3 分布在陕西、山西及内蒙古西部。而电力需求又相对集中在经济发展较好较快的东部、中部和南部区域。能源产地和需求地区之间的距离为1 000~ 2 500 km。因此我国要大力发展西电东送, 实现南北互供, 全国联网。特高压直流输电在远距离输电方面较为经济, 而且控制保护灵活快速, 是实现南北互供的较好途径。 2、我国东部、中部、南部地区是我国经济发达地区, 用电需求大, 用电负荷有着较高的增长率。特高压直流输电能够实现大容量输电, 规划的特高压直流输电工程的送电容量高
高压直流输电线路继电保护技术综述徐军 发表时间：2020-01-03T15:15:46.603Z 来源：《河南电力》2019年7期作者：徐军[导读] 近年来，随着我国信息化技术的快速发展，对各领域的发现起到了促进作用，扩大了对信息忽视技术的应用范围，使其在各领域的发展中，充分发挥出自身的重要作用。 （贵州送变电有限责任公司贵州贵阳 550002） 摘要：近年来，随着我国信息化技术的快速发展，对各领域的发现起到了促进作用，扩大了对信息忽视技术的应用范围，使其在各领域的发展中，充分发挥出自身的重要作用。而在人们日常生活中，信息化技术的发展，给人们的生活带创新出便捷的方式，同样，在高压直流输电的发展中，具有重要的地位。随着高压直流输电线路线工程项目的增多，加大了对继电的保护，结合实际情况，不断地创新保护技术水平，提升工程项目的整体质量，从而确保电力系统的稳定发展。 关键词：高压直流输电线路；继电保护；技术水平 为了能够满足各领域的用电需求，我国加大了对电力工程项目的建设力度，从高压直流输电保护原理的角度分析，其可靠性、保护性、灵敏度等存在着一些问题，尤其是对其故障的处理，不仅无法及时地发现所存在的故障问题，而且对故障问题的解决，需要花费大量的实践。对此后期保护工作，整体的保护速度比较慢，无法满足标准配置的发展要求。对此，需要加大对高压直流输电线路继电保护技术水平的研究，结合具体的问题分析，制定出完善的解决方案与措施，提高整体的可靠性与技术水平。 一、高压直流输电线路继电保护影响因素 （一）电容电流 高压直流输电线路，主要的要求就是大电容，大功率，再受到小波阻特点的影响，需要加强对组联电流的保护，才能够确保整体的效果与稳定性。那么对整个高压直流输电线路继电的保护，需要结合实际情况的综合分析，能够确保输电线整体的安全性与稳定性，对电容电流提出了更高的要求，需要采取相应的补偿策略[1]。 （二）过电压 高压直流输电线路会受到不同因素的影响，而引导不同的故障，而一旦高压直流输电线路发生了故障，会在电弧情况下不会熄灭，对其控制在可监控的范围内，才能够确保其不产生消弧现象。而对高压直流输电线路继电的保护，针对输电线两个的顶点开关，无法在第一时间切断，那么就不会产生反射行波，从而对高压直流输电继电保护产生一定的影响。 （三）电磁暂态过程 对高压直流输电线路的建设，其整个的距离都比较远，一旦其发生了故障问题，就会增加高频分量，对其故障的诊断、处理加大工作难度，无法准确地测量出电气误差值，最终对高频分量造成不利的影响。电磁暂态过程，会引发高压直流输电故障的同时，使电流互感处于饱和的状态下，最终引导安全事故[2]。 二、提高高压直流输电线路继电保护技术水平措施 （一）加强对行波的保护 高压直流输电线路故障问题比较多，对其故障的解决，还需结合实际情况的综合分析，如果是产生了反行波的故障问题，会对高压直流输电线路的稳定性、安全性造成一定的影响。对此，西药加强对行波的科学保护。一般情况下，针对高压直流输电线路行波的保护，有两种解决方案。一种是ABB方案，另一种是SIEMENS方案。ABB方案，是根据极波理论所提出的，能够帮助相关工作人员，及时、准确地检测出高压直流输电线路的反行波情况，结合实际情况的综合分析，采用科学合理的解决措。而SIEMENS方案，是以电压积分为原理所设计的一种方案。对高压直流输电线路继电的保护时间控制在16秒--20秒之间。把ABB方案与SIEMENS方案相比较，SIEMENS方案的起动时间比较长，但是干扰效果却比ABB方案的干扰效果更好[3]。为了能够更地加强对波保护质量的保护，对相关工作人员提出了更高的要求，结合梯度理论与数学滤波技术等综合分析，制定出科学合理的保护措施。 （二）针对微分电压的保护措施 微分电压的保护是高压直流输电线路继电保护中重要的组成部分之一，那么在实际分析的过程中，主要是对差动电压主保护、后备保护等特点的综合分析[4]。例如：在西门子公司内，就会采用ABB方案加强对其行波的保护，对所应用对象的简称，详细地掌握电压电平、电压差动。由于其所使用的是ABB方案，会对其上升的时间产生影响，使其后备保护无法发挥出自身的重要作用。但是对ABB方案上升时间的调整，至少可以解决20毫秒的时间问题。但是在实施的过程中，主要的弊端就是抗干扰的能力不强。 对微分电压的安全保护，对高压直流输电线路的可靠性有直接性的影响，提高其整体的灵敏度，但是其运行的速度要比行波保护低，以此形式的运行，无法确保其整体的电阻能力，那么就会使整体可靠性逐渐地降低，无法确保高压直流输电线路的运行效率与质量[5]。例如：对继电保护的整定值计算，会产生不同的故障问题，如果是低压问题，那么对此方法的应用，会使变压器高压侧系统电源持续加大；如果是对其负荷的保护，则需要根据极端反时限工作原理；如果是对限时电流的速断保护，那么就需要采用定时限工作原理等等。根据高压直流输电线路在运行中所产生的不同故障问题，结合实际情况的综合分析，采取合理的解决措施，不要对电缆阻抗影响因素的忽视，会对进线开关、变压器进线保护定值等产生一定的影响。具体如表1所示。
特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景 发表时间：2018-11-17T14:55:25.480Z 来源：《基层建设》2018年第28期作者：朱振伟李天轩 [导读] 摘要：通过总结特高压直流输电的特点和国外特高压直流输电的研究结论，在分析我国西部水电和煤炭资源集中分布以及东部沿海工业发达地区对电能需求日益增加等情况的基础上，指出在开发我国西部水电和“三西”（山西、陕西、内蒙古西部）煤电资源时采用特高压直流输电技术实现远距离大容量输电的应用前景。 国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司江苏宿迁 223800 摘要：通过总结特高压直流输电的特点和国外特高压直流输电的研究结论，在分析我国西部水电和煤炭资源集中分布以及东部沿海工业发达地区对电能需求日益增加等情况的基础上，指出在开发我国西部水电和“三西”（山西、陕西、内蒙古西部）煤电资源时采用特高压直流输电技术实现远距离大容量输电的应用前景。 关键词：特高压；直流输电；技术现状；应用前景 1 引言 特高压直流输电技术起源于20 世纪60年代，瑞典Chalmers大学1966年开始研究±750kV导线。1966年后前苏联、巴西等国家也先后开展了特高压直流输电研究工作，20世纪80年代曾一度形成了特高压输电技术的研究热潮。国际电气与电子工程师协会（IEEE）和国际大电网会议（Cigre）均在80 年代末得出结论：根据已有技术和运行经验，±800kV是合适的直流输电电压等级，2002 年 Cigre又重申了这一观点。随着国民经济的增长，中国用电需求不断增加，中国的自然条件以及能源和负荷中心的分布特点使得超远距离、超大容量的电力传输成为必然，为减少输电线路的损耗和节约宝贵的土地资源，需要一种经济高效的输电方式。特高压直流输电技术恰好迎合了这一要求。 2 特高压直流输电现状 20 世纪 80 年代前苏联曾动工建设长距离直流输电工程，输送距离为2400km，电压等级为±750kV，输电容量为 6GW。该工程将哈萨克斯坦的埃基巴斯图兹的煤炭资源转换成电力送往前苏联欧洲中部的塔姆包夫斯克，设计为双极大地回线方式，每极由两个 12 脉动桥并联组成，各由 3×320Mvar Y/Y 和 3×320Mvar Y/Δ单相双绕组换流变压器供电；但由于 80 年代末到90年代前苏联政局动荡，加上其晶闸管技术不够成熟，该工程最终没有投入运行。由巴西和巴拉圭两国共同开发的伊泰普工程采用了±600kV 直流和 765kV 交流的超高压输电技术，第一期工程已于 1984 年完成，1990 年竣工，运行正常。 3 特高压直流输电技术的特点及适用范围 特高压直流输电无需复杂的系统设计，基本可以采用±500kV 和±600kV 直流输电系统类似的设计方法，需要考虑的关键问题是外部绝缘和套管的设计等问题。特高压直流输电的输送容量大，输电距离长，输电能力主要受导线最高允许温度的限制。交流线路的无功补偿对远距离大容量输电系统至关重要；而直流输电线路本身不需要无功补偿，在换流站利用站内的交流滤波器和并联电容器即可向换流器提供所需的无功功率。一般来讲，对于远距离大容量输电直流方案优于交流方案，特高压方案优于超高压方案。表 1 为输送功率为 10GW 输送距离为 2000km 时交、直流以及不同电压等级直流的投资及线路走廊占用情况比较。 表1 10GW 电力输送 2000km 的交、直流输电方案 由表 1 可见，特高压直流输电适用于远距离大容量的电力输送。 4 我国能源和负荷的分布特点 水能资源和煤炭作为我国发电能源供应的两大支柱，今后的开发多集中在西南、西北和晋陕蒙地区，并逐渐向西部和北部地区转移，而东部沿海地区和中南地区的国民经济的持续快速发展导致能源产地与能源消费地区之间的距离越来越大，使得我国能源配置的距离、特点和方式都发生了巨大变化，并决定了能源和电力跨区域大规模流动的必然性。 （1）水电东送规模 三峡水电站（包括地下电站）的总装机容量为22.4GW，“十二五”初期将全部建成投产。综合分析一次能源平衡、输电距离及资源使用效率等因素，可知金沙江下游水电站主送华中、华东电网是合理的。 （2）煤电基地的电力外送规模 各煤电基地的电力外送规模有望得到较大发展。现已建成和规划采用 500kV 交流和±500kV 直流跨区送电的坑口电站的电力外送规模总计15GW。2020 年煤电外送将新增 84GW，主要送往华中东部四省、华东地区和华北京津冀鲁四省市以及广东地区。 （3）东部电力市场空间 华中东部四省。按低负荷水平预测，2020 年需电量将为 600TWh，负荷将为 110GW，装机容量缺额将为 138GW。扣除本地水电和必要的气电以外，2020 年之前尚有 47GW 的市场空间，其中2010~2020 年约为 32GW。华北的京津冀鲁。按低负荷水平预测，2020年需电量将为 840TWh，负荷将为 140GW，装机容量缺额将为 168GW。扣除本地核电、蓄能电站以外，2020 年之前尚有 90GW 的市场空间，其中2010~2020 年约为 45GW。初步测算，到 2020 年水电跨区送电规模总计约 70GW，煤电外送约 84GW，而东部受电地区的市场空间约为 127GW；而能源与负荷的距离大多数超过了 1000km，采用特高压直流输电技术比较合适。 5 特高压直流输电的初步发展规划 2020 年前后西部水电的大部分电力通过直流特高压通道向华中和华东地区输送，其中金沙江一期溪洛渡和向家坝水电站、二期乌东德和白鹤滩水电站向华东、华中地区送电，锦屏水电站向华东地区送电，宁夏和关中煤电基地向华东地区送电、呼伦贝尔盟的煤电基地向京津地区送电大约需要 9 条输电容量为 6GW 的±800kV 级特高压直流输电线路。根据 10 年发展规划，特高压直流输电工程的建设进度如
高压直流输电系统概述 院系：电气工程学院 班级：1113班 学号：xxxxxxxxxxx 姓名：xxxxxxxxxx 专业：电工理论新技术
一、高压直流输电系统发展概况 高压直流输电作为一种新兴的输电方法，有很多优于交流输电地方，比如它可以实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同期联络，特别适合高电压、远距离、大容量输电，尤其适合大区电网间的互联，线路功耗小、对环境的危害小，线路故障时的自防护能力强等等。 1954年,世界上第一个基于汞弧阀的高压直输电系统在瑞典投入商业运行.随着电力系统的需求和电力电子技术的发展,高压直流输电技术取得了快速发展. 1972年,基于可控硅阀的新一代高压直流输电系统在加拿大伊尔河流域的背靠背直流工程中使用; 1979年,第一个基于微处理器控制技术的高压直流输电系统投入运行; 1984年,巴西伊泰普水电站建造了电压等级最高(±600 kV)的高压直流输电工程. 我国高压直流输电起步相对较晚,但近年来发展很快. 1987年底我国投运了自行建成的舟山100 kV海底电缆直流输电工程,随后葛洲坝-上海500 kV、1 200MW的大功率直流输电投运,大大促进了我国高压直流输电水平的提高. 2000年以后,我国又相继建成了天生桥-广州、三峡-常州、三峡-广州、贵州-广州等500 kV容量达3 000MW的直流输电工程.此外,海南与台湾等海岛与大陆的联网、各大区电网的互联等等,都给我国直流输电的发展开辟了动人的前景. 近年来,直流输电技术又获得了一次历史性的突破,即基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)技术和全控型电力电子功率器件,门极可关断晶闸管(GTO)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为基础的新一代高压直流输电技术已发展起来,也就是轻型直流输电(HVDC light)技术. 现有的直流输电主要是两端系统.随着直流断路器研制的进展和成功以及直流输电技术的进一步成熟完善,直流输电必将向着多端系统发展.同时许多其他科学技术领域的新成就将使输电技术的用途得到广泛的扩展.光纤与计算机技术的发展也使得直流输电系统的控制、调节与保护更趋完善,运行可靠性进一步提高;高温超导材料及其在强电方面的应用研究正方兴未艾,在直流下运行时,超导电缆无附加损耗,可节省制冷费用,因此在超导输电方面直流输电也很适宜. 一、高压直流输电系统构成 高压直流输电系统的结构按联络线大致可分为单极联络线、双极联络线、同极联络线三大类。 单极联络线的基本结构如图1所示,通常采用一根负极性的导线,由大地或海水提供回路,采用负极性的导线,是因为负极的电晕引起的无线电干扰和受雷击的几率比正极性导线小得多,但当功率反送时,导线的极性反转,则变为负极接地。由于它只需要一根联络线,故出于降低造价的目的,常采用这类系统,对电缆
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
高压直流输电技术 学院（系）：电气工程学院班级：1113班 学生姓名：高玲 学号：21113043 大连理工大学 Dalian University of Technology
摘要 本文综述了高压直流输电工程的应用领域及研究现状，并从稳态模型出发分析了其控制方式和运行原理，最后介绍了新型高压直流输电系统基本情况，达到了实际的研究意义。 关键词：高压直流输电；稳态模型；控制；新型
目录 摘要....................................................................................................................................II 1 高压直流输电发展概况 (1) 1.1 高压直流输电工程的应用现状 (1) 1.2 高压直流输电的发展趋势 (1) 1.3 高压直流输电的特点 (2) 2 高压直流输电系统控制与运行 (4) 2.1 概述 (4) 2.2 直流输电系统的控制特性 (5) 2.2.1 理想控制特性 (5) 2.2.2 实际控制特性 (6) 2.3 HVDC系统的基本控制 (7) 2.4 HVDC系统的附加控制 (10) 2.4.1 HVDC系统附加控制的原理 (10) 2.4.2 HVDC系统常见的附加控制 (10) 3 新型直流高压输电系统 (12) 3.1 概述 (12) 3.2 基本结构 (12) 参考文献 (13)
1 高压直流输电发展概况 1.1 高压直流输电工程的应用现状 直流输电起步于20世纪50年代，20世纪80年代随着晶闸管应用技术的成熟、可靠性的提高，直流输电得到大的发展。到目前为止，已建成高压直流输电项目60多项，其中以20世纪80年代为之最，占30项。表1.1列出世界上长距离高压直流输电项目，表1.2列出我国直流工程项目。 表2.1 世界上长距离高压直流输电项目 项目额定电压/kV 额定功率/万kW 输电距离/km 投运年份安装地点及供货商卡布拉-巴萨±533 192 1360 1978 莫桑比克2南非因加-沙巴±500 112 1700 1981 扎伊尔 纳尔逊河二期±500 200 940 1985 加拿大 I.P.P ±500 192 784 1986 美国 伊泰普一期±600 315 796 1986 巴西 伊泰普二期±600 315 796 1986 巴西 太平洋联络线±500 310 1361 1989 美国 魁北克多端±500 225 1500 1986/90/92 加拿大-美国 亨德-德里±500 150 814 1992 印度东南联接±500 200 1420 2002 印度 表2.2 我国已投运的高压直流工程项目 项目额定电压/kV 额定功率/万kW 输电距离/km 单极投运年份双极投运年份葛洲坝-上海±500 120 1052 1989 1990 天生桥-广州±500 180 960 2000 2001 三峡-常州±500 300 890 2003 2003 三峡-广州±500 300 956 2003 2004 贵州-广东1回±500 300 900 2004 2004 三峡右岸-上海±500 300 950 2007 2007 贵州-广东2回±500 300 900 2007 2007 1.2 高压直流输电的发展趋势 目前HVDC输电的换流阀仍然是由半控器件晶闸管组成，使用电网换相的相控换流(Phase Control Converter，PCC)技术，因此存在以下一些固有的缺陷：
高压多电平双向DC-DC变换器文献综述 一、前言 本次文献调研的主题为高压多电平双向DC-DC变换器。下载到的文献中与该主题相关的有10篇，完全符合该主题的文献有参考文献[1][2][3][4]，其它6篇文献则侧重于高压和双向这两个关键词。以下是文献调研的主要内容。 二、主要内容 文献[1] [2]介绍了一种电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器。该变换器由5个独立的模块级联而成，每个模块由三个MOS管和一个箝位电容组成，如下图所示。通过控制每个模块中MOS管的通断可以使每个模块运行在正常工作和旁路状态，选定不同模块的工作状态可以实现不同电平的输出，并且可以使输入输出电压的比值不同。从每个模块的电路结构可以看出，能量可以实现双向流动。从下图1可以看出整个电路中没有像常规的DC-DC变换器那样使用电感作为储能装置，这种无感设计的原则提高了装置的效率和可靠性。 本文中作者的实验装置功率为5kW，电平数为6。当输入电压为250V，负载为1.76Ω时，装置效率达到了95.1%。 图1. 电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器 文献[3]介绍的电容箝位的模块化多电平双向DC-DC变换器与上文介绍的拓扑结构一样。文中详细分析了该电路的不同工作状态和等效电路图，该拓扑相比传统的飞跨电容型多电平变换器可以减少开关管的数量和电容耐压等级。 文献[4]介绍的模块化多电平双向DC-DC变换器的拓扑结构类似于测井变频电源的拓扑结构，它的每个模块拓扑为移相全桥电路，整个变换器由模块的输入并联输出串联组合而成，如下图2所示。之所以采用这样的拓扑是与作者研究的方向——波浪能发电有关。 在文中，作者着重叙述了梯形载波的控制方法与三角载波控制方法的不同，提出了梯形载波控制方法能够提高装置的效率。梯形载波控制方法中的开关频率是通过迭代的算法计算得到的。该方法最大的优点是根据实际的功率需求情况，依据装置的效率曲线来决定每个模块是处于并联工作状态还是旁路工作状态。在文中作者通过两模块的实验来证明梯形载波控制方法能够使装置运行在最大效率点处。
交、直流输电的优缺点 直流输电的优势 直流输电的再次兴起并迅速发展，说明它在输电技术领域中确有交流输电不可替代的优势。尤其在下述情况下应用更具优势： （1）远距离大功率输电。直流输电不受同步运行稳定性问题的制约，对保证两端交流电网的稳定运行起了很大作用。 （2）海底电缆送电是直流输电的主要用途之 一。"输送相同的功率，直流电缆不仅费用比交流省，而且由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过40km时，采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。 （3）利用直流输电可实现国内区网或国际间的非同步互联，把大系统分割为几个既可获得联网效益，又可相对独立的交流系统，避免了总容量过大的交流电力系统所带来的问题。 （4）交流电力系统互联或配电网增容时，直流输电可以作为限制短路电流的措施。这是由于它的控制系统具有调节快、控制性能好的特点，可以有效地限制短路电流，使其基本保持稳定。 （5）向用电密集的大城市供电，在供电距离达到一定程度时，用高压直流电缆更为经济，同时直流输电方式还可以作为限制城市供电电网短路电流增大的措施。 4直流输电与交流输电的技术比较 4．1直流输电的优点 （1）直流输电不存在两端交流系统之间同步运行的稳定性问题，其输送能量与距离不受同步运行稳定性的限制； （2）用直流输电联网，便于分区调度管理，有利于在故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大；
（3）直流输电控制系统响应快速、调节精确、操作方便、能实现多目标控制； （4）直流输电线路沿线电压分布平稳，没有电容电流，不需并联电抗补偿； （5）两端直流输电便于分级分期建设及增容扩建，有利于及早发挥效益。 4．2直流输电的缺点 （1）换流器在工作时需要消耗较多的无功功率； （2）可控硅元件的过载能量较低； （3）直流输电在以大地或海水作回流电路时，对沿途地面地下或海水中的金属设施造成腐蚀，同时还会对通信和航海带来干扰； （4）直流电流不像交流电流那样有电流波形的过零点，因此灭弧比较困难。 5直流输电与交流输电的经济比较 （1）直流架空线路投资省。直流输电一般采用双极中性点接地方式，直流线路仅需两根导线，三相交流线路则需三根导线，但两者输送的功率几乎相等，因此可减轻杆塔的荷 重，减少线路走廊的宽度和占地面积。在输送相同功率和距离的条件下，直流架空线路的投资一般为交流架空线路投资的三分之 二。" （2）直流电缆线路的投资少。相同的电缆绝缘用于直流时其允许工作电压比用于交流时高两倍，所以在电压相同时，直流电缆的造价远低于交流电缆。 （3）换流站比变电站投资大。换流站的设备比交流变电站复杂，它除了必须有换流变压器外，还要有目前价格比较昂贵的可控硅换流器，以及换流器的其它附属设备，因此换流站的投资高于同等容量和相应电压的交流变电站。