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。
多端电压源型直流输电系统的控制策略 阮思烨1,李国杰2,孙元章2 (1.国网运行有限公司,北京市100005;2.清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084) 摘要:以提高多端电压源型直流输电系统的运行可靠性为目的,提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流输电系统控制策略。在系统负荷发生突变或任一换流站故障退出后,所有具备功率调节能力的换流站根据给定的调制方式在一定程度上分担系统功率的缺额,这样既维持了系统内的功率平衡,又避免了单个换流站承担功率过大的情况。最后通过数字仿真验证了所提出的控制策略设计的正确性和可行性。 关键词:多端电压源型直流输电系统;直流电压—有功功率调节特性;电压源换流器;控制策略中图分类号:TM761;TM721.1 收稿日期:2008212213;修回日期:2009202224。国家自然科学基金资助项目(50823001)。 0 引言 到目前为止建成的电压源换流器(VSC )型直流输电系统[122]都是两端直流系统,即只有一个整流站和一个逆变站。与基于电流源换流器的传统直流输电[3]不同,电压源型直流输电可以给无源系统直接供电,潮流反转时电流方向反转,电压极性不变[426]。因此,它适合于构成具备较高可靠性的并联多端直流系统,便于对潮流的控制。其应用场合包括[4]:从能源基地输送电力到远方的几个负荷中心、为大城市和工业中心供电、连接分布式发电系统等。 与双端直流系统相比,多端直流输电系统的各个换流站之间功率可以相互协调,因此,运行更加灵活、可靠,但是控制也相对复杂。近年来,国内外许多学者针对多端VSC 直流系统已经展开了广泛的研究。文献[7]提出了基于单端直流电压调节的多端直流控制策略,它指定一个换流站作为主导换流站,该换流站起到系统内功率平衡和直流电压稳定的作用。其不足之处在于没有考虑换流站故障尤其是主导换流站故障退出时的情况。文献[8]设计了换流站紧急退出情况下的控制策略,但该设计仅仅是为了防止换流站直流侧过电压,没有进行各换流站间的功率协调设计。文献[9]给出了基于功率模式与直流电压模式之间自动转换的控制方式,其原理如下:正常情况下指定一个换流站作为主导站,作为功率平衡节点;一旦主导站退出工作,将由另一个换流站充当主导站的作用,其余的换流站仍然保持定有功功率输出。该控制方式在一定程度上弥补了 文献[728]在设计上的不足,其缺点是要求充当主导站的换流站有足够大的后备容量以完全补偿系统功率的不平衡,这在实际中很难实行。 为解决上述控制策略的不足,本文提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流系统控制策略。采取该控制策略,扰动发生后各电压源换流站均能够稳定运行,同时避免了单个换流站过载的情况。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EM TDC [10]建立多端VSC 直流输电系统和控制模型,验证了所设计的控制器的有效性和合理性。 1 多端VSC 直流系统的建模 本文以图1所示的环状多端电压源型直流系统为例 。 图1 多端电压源型直流系统Fig.1 A multi 2infeed V SC 2HV DC system 该系统包括5个电压源换流站:VSC1作为主 导站,工作在直流电压模式下,交流侧与无穷大电源 — 7 5—第33卷 第12期2009年6月25 日Vol.33 No.12J une 25,2009
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
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
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。
1、简介 从上个世纪 五十年代至今， 高压直流输电技 术（High V oltage Direct Current,HVDC) 经历了跨越式发 展，己经广泛应 用于风电场并网、大容量远距离输电、非同步大电网互联、孤岛和弱电网供电等领域HVDC技术从早期的汞弧阀换流技术发展到高压大功率晶闹管换流器技术，极大地促进了直流输电技术的发展。与高压输电技术相反的是换流技术几乎仍在原地踏步，线换相换流器（Line Commuted Converter, LCC)直流输电占据主流。由于晶闸管关断不可控，传统直流输电技术具有明显缺陷。 随着电力电子变流技术的迅猛发展，出现了以脉宽调制（Plus Width Modulation, PWM)技术为基础的变流器。并且PWM变流器技术也日漆完善。目前主要应用的主电路类型有电流型变流器（Current Source Converter, CSC)和电压源型变流器（V oltageSource Converter, VSC)。并且，全控器件电压和容量的等级的不断提升，控制技术的日趋完善，带动VSC开始应用于大容量高压输配电领域，如，灵活交流输电系统（Flexible ACTransmission System, FACTS)、基于电压源变流器的高压直流输电(VSC basedHVDC，VSC-HVDC)、定制电力系统（Custom Power，CP)等典型代表。VSC设备配合不同的控制策略可以控制系统潮流、调节网络运行参数，进而优化电力统运行状态，提高系统稳定性和运行可靠性。VSC-HVDC技术是以电压源变流器，可控关断的IGBT和脉宽调制（PWM）为基础的新型输电技术。VSC-HVDC不仅可以独立快速控制有功无功，还易于翻转潮流，实现了无源网络供电。同时，随着能源紧缺和环境污染的日益严重，我国开始大力幵发和利用风能、太阳能等可再生清洁能源，优化能源结构。但是其固有的分散性、小型化、远离负荷中心等特点直接制约了风电利用规模的不断扩大以及传统交流输电技术和CSC-HVDC 输电技术联网的经济性。此外，城市配电网的快速扩容一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量配电网转入地下。VSC-HVDC输电技术可以很好地解决上述问题，并且已经有实际运行的商业工程应用在分布式发电系统接入大电网、孤岛供电、城市直流配网改造、异步大电网互联等领域。然而，VSC-HVDC也尤其不容忽视的缺陷，一旦其两端输电系统中有一端VSC发生故障退出运行，系统将被迫处于瘫痪状态。 2.1 VSC-HVDC的结构 VSC-HVDC的结构如图1-1所示，两端是两个VSC换流站，中间连接换流变压器、换流电抗器、交流滤波器、直流电容器、直流输电线路等组成的两条线路。VSC既可以通过直流线路在互联系统间传输潮流又能够像STATCOM —样进行动态无功交换。 VSC换流器包括换流电路和直流电容器，由一个或多个换流桥并联（串联）组成的换流电路来实现交直流转换。目前多个换流桥组成的组合式换流器并未在实际工程中应用。VSC是换流站的核心元件，通过VSC桥臂的开通和关断切换控制系统潮流，其拓扑结构实际工程中主要采用三相两电平、二极管钳位三电平结构。系统开关频率限制了全控器件的选择，目前VSC-HVDC系统采用压装式IGBT连同驱动电路、散热片及其他辅助电路共同构成。 直流电容器为VSC变流器提供直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。直流电容器的容量决定了VSC-HVDC直流侧的动态特性。 换流变压器和换流电抗器是换流站和交流系统之间能量交换的纽带。换流变压器一般设计为消除零序分量的接法，此时两端中必有一侧为接地系统，如Yn/Y或者Yn/△等，并带有分接头控制，可以隔离两端零序分量的相互影响。 交流滤波器的作用是滤除VSC交流侧谐波。由于VSC-HVDC采用PWM调制技术，故VSC输出的电压和电流中包含开关频率及其整数倍附近次谐波，其谐波含量与调制方式、调制比、开关频率以及所采用的拓扑结构有关。交流滤波器与换流电抗、换流变压器以及系统阻抗相互作用，对高次谐波形成一个低阻通道，从而达到滤除谐波的目的。
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。
直流输电系统的特点 与交流输电相比,直流输电具有非同步联络能力、无稳态电容电流、线路输送容量大、网损小、功率容易控制等优点[2]。目前,直流输电因其技术和经济上的独特优势,在远距离大容量输电和大区联网两方面已得到了十分广泛的应用。直流输电系统的换流器是由电子开关器件构成的,具有短时的过负荷能力,其输出变量(直流电压和电流)可以快速调节,因而可以通过快速改变直流输电系统传输功率的设定值,来改善交流系统的动态性能。作为电力系统动态调节的手段,直流输电系统最重要和最常用的功能是阻尼低频振荡I3,礴】和提高电力系统的暂态稳定性15-7〕。直流系统的传输容量通常很大,与大型发电厂相当,若能加以适当的控制,它可对交流系统的暂态稳定提供有力的支持。因此,若假定未受扰动的交流端能够提供所需的直流功率改变,则直流系统可提供给受扰动端很大的功率支持。扰动端很大的功率支持。 尽管如此,直流输电系统也有自己的一些弱点。例如,作为一种频率不敏感负荷,相应于交流系统中的某一扰动,直流系统本身并不为发电机提供同步功率,相反,它还会对发电机提供负的阻尼转矩;又如,当交流电压下降时,以定熄弧角工作的逆变器的功率因数会下降,继而引起交流电压的下降,并有可能导致交流系统发生电压失稳;另外,为换流器提供无功补偿的电容器和滤波器也会对交流电压的恢复产生不利影响。交直流输电系统中交直流间的相互作用十分复杂,当交流系统较弱或交流系统负荷较重时,系统的运行便可能产生一系列问题,如逆变器发生换相失败、直流系统在扰动后难以快速恢复、产生交流过电压,还可能引起谐波不稳定等问题18-1“]。此外,直流输电系统对交流系统中发生的故障相当敏感,当逆变站交流母线电压下降10%一15%时就将不可避免地导致逆变器换相失败,这意味着直流系统功率输送的短时中断,因此要求这时的直流系统能快速进行自我恢复以缓解交流系统内功率的不平衡。当多条直流输电线路落点于同一交流系统时,便形成了多馈入直流输电系统(multi-谊比eddirectcurrent,缩写为NnDC)[,’〕。与单馈入直流输电系统相比,MD〕C具有更大的输送容量和更为灵活的运行方式,但同时也带来了一些特殊问题。比如,如何才能更好地对多个直流输电子系统进行调制,以改善交流系统的暂态性能;各直流输电子系统逆变站间的电气距离为多少时,才不至于引起多个换流器同时发生换相失败;如果各直流输电子系统馈入到交流系统的总功率较大,是否会引起电压失稳;不同直流输电子系统间的恢复控制是否需要协调,等等[ll]。总之,当2个或多个换流站交流母线间的电气联系较强时,交直流系统之间、直流与直流系统之间的相互作用很强,某些不良的相互作用可能会导致系统整体性能的下降,甚至威胁到系统的安全稳定运行。夸1.1.2直流输电技术在我国的应用现状目前,直流输电技术在我国已得到了较广泛的应用,如80年代末投产的葛洲坝至上海南桥的直流输电工程和2000年投运的广西天生桥至广东的直流输电工程,此外,还有于1988年投运的完全采用我国自己技术研制生产的舟山直流输电工程等。随着三峡电力系统的建成,又将有2条直流线路落点于华东电网,加上原有的葛洲坝一南桥直流线路,一个多馈入交直流电力系统的格局将在华东和华中电网中形成。在南方电网中,到2004年和2005年,三峡至广东和贵州安顺至广东的两条直流输电线路也将投入运行,这样,将会有两条嵌于同步网中的直流输电线路和一条嵌于异步网中的直流输电线路同时落点于广东电网,该情形在世界上也属罕见。与此同时,直流输电技术的广泛应用也将带来 直流输电系统的特点 与交流输电相比,直流输电具有非同步联络能力、无稳态电容电流、线路输送容量大、网损小、功率容易控制等优点[2]。目前,直流输电因其技术和经济上的独特优势,在远距离大容量输电和大区联网两方面已得到了十分广泛的应用。直流输电系统的换流器是由电子开关器件构成的,具有短时的过负荷能力,其输出变量(直流电压和电流)可以快速调节,因而可以通过快速改变直流输电系统传输功率的设定值,来改善交流系统的动态性能。作为电力系统动态
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。单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电压偏差控制策略。主从控制策略是一种需要换流站间通信的控制策略，这种控制方式利用换流站间的通信系统实现了直流电压的稳定，具有控制特性好、直流电压质量高等优点，但系统可靠性依赖于换流器控制器与系统控制器之间的高速通讯，这严重制约了多端直流输电尤其是长距离输电系统可靠性的提高。直流电压偏差控制策略是一种无需站问通信的控制策略，这种控制策略的实质是在定直流电压站故障退出运行后，后备定直流电压站能够检测到直流电压的较大偏移并转入定直流电压运行模式，保证了直流电压的稳定性；同时其设计简单、可靠性强。 下垂控制策略为多点控制，控制器通过测量本地直流母线电压对功率分配进行调节，因而不依赖于换流站间的高速通讯，系统可靠性较高。 二、多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略 2.1柔性直流输电系统概述 总体上来看，目前的多端直流输电系统接线方式主要有串联型、并联型和混联型 3 种类型。由于并联型多端系统具有调节范围宽、扩建灵活、易于控制和可靠性高等突出优点，成为研究的热点和应用的重点。本文设计的直流电压混合控制策略主要是针对并联型多端系统。多端柔性直流输电系统控制是一个庞大复杂且相互耦合的多输入、多输出系统，为满足系统控制的快速性和高可靠性，一
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。
柔性直流输电技术在输电领域的应用分析 华北电力大学，李欣蔚 摘要：柔性直流输电作为新一代直流输电技术，在世界范围内已经得到广泛发展和应用，并逐渐走向成熟。为了更进一步了解柔性直流输电技术，并且为其发展做出突破性的贡献，本文对柔性直流输电技术在输电领域的应用进行了概括性分析。通过对目前柔性直流输电技术在输电领域的应用状况，进行较为详细的分析，找到该技术存在的可能的突破点，使其更有利于电力系统的发展。本文首先简要介绍了柔性直流输电的基本原理及其特点，具体说明了对于柔性直流输电技术可独立控制有功无功功率、谐波含量少等不同优点，在输电领域的各种应用情况，分别为连接小规模发电厂到电网、替代传统直流的大规模送电和交直流联网、异步联网、优化电能质量和向远方孤立负荷供电。介绍了国内外柔性直流输电工程在输电领域的成功案例，如丹麦Tjaereborg发电工程和上海南汇柔性直流输电示范工程，分析这些工程在输电领域做出的突破性贡献。最后总结概括分析了我国的柔性直流输电技术在输电领域可能的发展方面，说明了以柔性直流输电为主的智能输电网络的可能性。所以，目前柔性直流输电工程在中国的发展方向可以包括，建立广域的智能输电网络和长距离架空线输电两大方面。 关键词：柔性直流输电可再生能源异步联网优化电能质量智能输电网络
1引言 当前，新型的、清洁的、可再生的能源发电已成为电力系统未来的发展方向，国家将大力推进利用风能、太阳能等方式进行发电，但由于其主要特点之一是分散化与小型化，地理条件与发电规模的制约使得传统的交流输电技术不能很好地解决与电网连接经济性的问题。同时，对于采用柴油发电机供电的钻探平台、岛屿、矿区等远距离负荷，应用交流输电技术供电也同样存在经济性差、环保压力大的问题。随着用电负荷的不断增加要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而增加输电走廊面临经济与环保的限制，这种问题在城市的负荷中心更加突出[1]。为此，柔性直流输电技术可以说是一种较为经济、灵活、高质量的输电方式用以解决以上问题。另外，因为电压源换流器产生的谐波含量小，不必专门配置滤波器，可以大大节省占地面积，相比于高压直流输电技术，柔性直流输电在城市、海岛、海上平台中的使用具有很大优势。 柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、大规模风电场并网、城市配电网的增容改造、交流系统互联等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。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，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案[2]。 近几十年来国外大力发展了柔性直流输电技术，并应用于实际工程。我国关于柔性直流输电技术的研究也迎头赶上，并成功建设了几大柔性直流输电工程。 本文简要介绍柔性直流输电技术的现状，具体分析其在输电领域应用的情况，最后总结分析了未来国内外柔性直流输电工程在输电应用领域可能的发展趋势和前景。 2柔性直流输电技术概述 （1）柔性直流输电原理 典型的基于绝缘栅双极半导体管（IGBT）2电平VSC的柔性直流单相示意图见图1。柔性直流输电与传统直流输电的基本不同点是：它采用具有关断能力的可关断器件（如IGBT）组成的电压源换流器（VSC）进行换流，而传统直流输电则是采用无关断能力的低频晶闸管所组成的电网换相换流器（PCC）来进行换流[3]。 图1柔性直流输电基本原理图 早期的柔性直流输电都是采用两电平或三电平换流器技术，一般采用在直流侧中性点接地的方式，但是一直存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷[4]。近年来，对于模块化多电平柔性直流输电技术的研究与发展越来越多，应用该技术的系统一般采用交流侧接地的方式；该技术提升了柔性直流输电工程的运行效益，极大地促进了柔性直流输电技术的发展及其工程推广应用。目前，已投运的柔性直流输电的VSC基本采用脉宽调制（PWM）技术，可以几乎独立瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值，从而实现有功与无功的独立瞬时调节。
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。