柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展背景

1、柔性宜流輸電技術(shù)發(fā)展背景目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark19 o Current Document VSC技術(shù)發(fā)展歷程2 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document VSC 在FACTS領(lǐng)域中的應(yīng)用2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document VSC在STATCOM 中的應(yīng)用 3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document VSC在SSSC中的應(yīng)用3 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document

2、 VSC在UPFC中的應(yīng)用3 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document VSC在DVR中的應(yīng)用3 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展歷程4 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 柔性直流輸電技術(shù)溯源4 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 柔性直流輸電技術(shù)命名過程5 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 柔性直流輸電原理及技術(shù)特點(diǎn)5 HYPERLI

3、NK l bookmark60 o Current Document 柔性直流輸電技術(shù)基本原理5 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn)81 VSC技術(shù)發(fā)展歷程受到早期全控器件容量的限制，VSC首先在變頻器、逆變電源、高頻開關(guān)電源等領(lǐng) 域取得了廣泛的應(yīng)用。尤其在電力拖動(dòng)領(lǐng)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)從LCC換相技術(shù)向VSC換 相技術(shù)轉(zhuǎn)移。采用PWM的VSC電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置的緊湊性和靈活可控 性。目前基于PWM的VSC技術(shù)在電力系統(tǒng)拖動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是這 些裝置的運(yùn)行電壓等級(jí)相對(duì)較低，通常不使用半導(dǎo)體器件的串聯(lián)技術(shù)。

4、隨著VSC應(yīng)用電壓等級(jí)和容量不斷提升，VSC技術(shù)在電力輸配電領(lǐng)域的應(yīng)用也越來 越廣泛，以FACTS技術(shù)、VSC-HVDC輸電技術(shù)、CP(Consumer Power)技術(shù)為典型代表。 相對(duì)于基于半控器件的電力電子裝置基于全控型開關(guān)器件的VSC技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)1：VSC技術(shù)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于交流系統(tǒng)的基波周期，結(jié)合適當(dāng)?shù)目刂撇呗阅軌蜓?速實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)精確控制；即使在并網(wǎng)系統(tǒng)電壓非常低的情況下，VSC仍然能夠輸出額定的容性電流， 這樣的性質(zhì)對(duì)電力系統(tǒng)是十分有益的；VSC的高頻調(diào)制頻率使系統(tǒng)的諧波電流很小，可以有效降低濾波器的容量；由于采用全控型開關(guān)器件，VSC的運(yùn)行基本上不受接入點(diǎn)短路容量的限制，

5、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗的故障。大量采用VSC技術(shù)的FACTS、VSC-HVDC以及CP裝置在輸配電領(lǐng)域中的應(yīng)用有 效地實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的“可控度”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活快速控制，實(shí) 現(xiàn)了輸送功率的合理分配，實(shí)現(xiàn)了不同電網(wǎng)的互聯(lián)，大幅度提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠 性。1.1 VSC在FACTS領(lǐng)域中的應(yīng)用隨著電力電子器件的發(fā)展和FACTS理論研究的深入FACTS技術(shù)功能更加多樣化， 控制功能也更強(qiáng)。FACTS裝置的應(yīng)用始于上世紀(jì)80年代，從使用的電力電子器件的角 度來看，F(xiàn)ACTS裝置可以分為基于半控器件的第一代FACTS裝置，如：可控串聯(lián)電容 補(bǔ)償器(Thyristor Controlled

6、 Series Capacitor， TCSC)靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，SVC)以及基于全控器件的新一代FACTS裝置，如：靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous CompensatorSTATCOM靜 止同步串聯(lián)補(bǔ)償器 Static Synchronous Series Compensator, SSSC)統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)動(dòng) 態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(Dynamic Voltage Regulator, DVR)新一代FACTS裝置共同特點(diǎn)為：核 心部分都是基于全控器件的VSC。V

7、SC在STATCOM中的應(yīng)用上世紀(jì)8090年代，GTO、IGBT等可關(guān)斷器件的額定電壓、電流已經(jīng)可以達(dá)到電 力系統(tǒng)應(yīng)用的要求，出現(xiàn)了基于全控型器件的S TATCOM裝置。早期的S TATCOM采用 GTO器件，由于受GTO本身工作頻率的限制，該類型STATCOM裝置通常采用脈沖幅 值調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)技術(shù)，其交流側(cè)有較大的諧波分量。近年 來，隨著大功率器件制造技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)STATCOM性能要求的提高，基于其它可關(guān) 斷器件(IGCT，IECT和IGBT)的STATCOM裝置也開始得到迅速的應(yīng)用，其中基于 IGBT的STATCOMABB公司稱其

8、為SVC Light可以看作VSC-HVDC的一個(gè)換流站)采 用PWM調(diào)制方式從1999年開始已經(jīng)有5套實(shí)際工程在運(yùn)行2004年投運(yùn)的Holly工程的 無功功率變化范圍已經(jīng)達(dá)到+110/-80Mvar。VSC在SSSC中的應(yīng)用SSSC屬于串聯(lián)補(bǔ)償裝置SSSC可以向線路串聯(lián)注入幅值可控、相角與線路電流垂 直的電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線路的容性和感性補(bǔ)償，可以控制線路功率、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 目前世界上還沒有單獨(dú)的SSSC工程，但已經(jīng)投運(yùn)了兩個(gè)UPFC工程以及一個(gè)可變靜態(tài) 補(bǔ)償器K Convertible State Compensator，CSC )X程，其中每一個(gè)工程中都包含一個(gè)SSSC裝 置。VSC

9、在UPFC中的應(yīng)用UPFC屬于串聯(lián)和并聯(lián)混合補(bǔ)償裝置。UPFC可以同時(shí)控制影響線路潮流的全部因 素電抗、電壓及相角，它結(jié)合了 SSSC與STATCOM的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，具備了串并聯(lián) 補(bǔ)償?shù)哪芰?。其中美國的AEP Inez工程的額定容量為2X+160MVA，其電壓源換流器 采用GTO開關(guān)器件。VSC在DVR中的應(yīng)用DVR屬于定制電力技術(shù)范疇，主要串聯(lián)于配網(wǎng)系統(tǒng)以保證負(fù)荷電壓恒定。當(dāng)負(fù)荷電壓驟降或電壓突升時(shí)DVR響應(yīng)注入三相串聯(lián)補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償故障前后的電壓差 值。其中，每相注入電壓是單獨(dú)可控的，即每相電壓的幅值和相角都是可控的。產(chǎn)生三相注 入電壓所需的有功和無功功率由VSC提供，而VSC直流側(cè)電壓則由不

10、控整流橋通過并 聯(lián)變壓器取得。2柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展歷程柔性直流輸電技術(shù)溯源直流輸電是電力發(fā)展初期使用的輸電方式，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)還不能對(duì)直流進(jìn)行電壓 轉(zhuǎn)換，直流只能進(jìn)行短距離輸電，它的進(jìn)一步應(yīng)用受到限制，逐漸被交流輸電取代。但 直流沒有停止前進(jìn)的腳步，隨著技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)30年代人們開始認(rèn)識(shí)到直流輸電 是進(jìn)行高壓大容量遠(yuǎn)距離輸電的有效工具，人們的視線又回到直流輸電上來，汞弧閥換 流器問世。20年后，1954年由瑞典本土向哥特蘭島送電的第一條高壓直流線路投入商 業(yè)運(yùn)行。此后直流輸電飛速發(fā)展，世界各地出現(xiàn)了許多大大小小的汞弧閥直流輸電系統(tǒng)。 又一個(gè)20年后，晶閘管代替汞弧閥成為直流輸電換流器的

11、開關(guān)元件，自1972年始，相 繼有61個(gè)晶閘管直流輸電項(xiàng)目開始投入運(yùn)行，總輸電容量接近55000MW，其中ABB 承擔(dān)45000MW，最大的工程是Itaipu兩條600kV，3150MW的直流輸電項(xiàng)目2。然而，由于晶閘管閥關(guān)斷不可控，目前廣泛采用的LCC-HVDC技術(shù)具有以下固有缺 陷：(1)換流站只能工作在有源逆變狀態(tài)，且受端系統(tǒng)必須有足夠的短路容量，否則 容易發(fā)生換相失?。?2)換流站產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量大；(3)換流站需吸收大量 的無功功率，需要大量的濾波和無功補(bǔ)償裝置；(4)換流站占地面積大、投資大。因此， 基于晶閘管的電流源型直流輸電技術(shù)主要用于遠(yuǎn)距離和大容量輸電、海底電纜輸電以及

12、 交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域。但是由于技術(shù)可靠性及經(jīng)濟(jì)性等原因，目前乃至將來很長一段時(shí) 間內(nèi)LCC-HVDC在直流輸電領(lǐng)域中的應(yīng)用仍然會(huì)是最主要的。隨著新型高壓大功率可控關(guān)斷電力電子器件，如IGBT、GTO、IGCT的不斷涌現(xiàn)， 及其額定電壓、電流的快速增長，原來在中低壓和小功率系統(tǒng)中廣泛使用的基于PWM 技術(shù)的新型換流技術(shù)已開始在輸電領(lǐng)域得到了部分應(yīng)用，并有可能將來取代相控?fù)Q流技 術(shù)。20世紀(jì)末出現(xiàn)了采用電壓源換流器技術(shù)的柔性直流輸電技術(shù)。VSC-HVDC技術(shù)首 先由加拿大McGill大學(xué)的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，吸引了世界上眾多學(xué)者 和研究人員的關(guān)注。ABB公司首先實(shí)現(xiàn)了V

13、SC技術(shù)在長距離電力傳輸、背靠背工程或 者靜止無功控制器等領(lǐng)域的應(yīng)用。該技術(shù)1997年開始用于電力傳輸，同年在赫爾斯揚(yáng)上馬示范工程。赫爾斯揚(yáng)工程額定功率是3MW，直流電壓是10kV,采用IGBT閥， 三相橋結(jié)構(gòu)和高壓直流電容。IGBT閥具有可控開通和關(guān)斷的能力，完全不同于用于線 換相HVDC的傳統(tǒng)晶閘管閥，開通可控，而關(guān)斷要依賴換相電壓，有一個(gè)換相過程。最早投入經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的柔性直流輸電系統(tǒng)的輸電功率是60MW，其換流器采用兩電平 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PWM用于控制IGBT閥的開關(guān)。早期的VSC-HVDC系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，直 流電壓是土 80kV。第二代采用三電平換流器，直流電壓達(dá)到土 150kV，輸電功率

14、達(dá)到 330MW。這種最新的設(shè)計(jì)方案用在了 Cross Sound電纜工程（330MW）和 Murray Link 工程（220MW）中。Cross Sound的開關(guān)頻率為1260Hz （產(chǎn)生21次諧波）Murray Link是 1350Hz （產(chǎn)生27次諧波）在最近的關(guān)于柔性直流輸電的技術(shù)介紹中，ABB公布新一代IGBT即將投入使用， 換流站容量將達(dá)到500MW。柔性直流輸電技術(shù)命名過程柔性直流輸電技術(shù)是一種以電壓源換流器、可關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新 型輸電技術(shù)，國際上權(quán)威的電力方面的學(xué)術(shù)組織，如CIGRE和IEEE，將其正式稱為 “VSC-HVDC”即“電壓源變流器直流輸電。目前，

15、ABB公司則稱之為輕型直流輸電 （HVDC Light）并作為商標(biāo)注冊(cè)；西門子公司則稱之為新型直流輸電（HVDC Plus）在國 內(nèi)因ABB宣傳多，又有實(shí)際工程業(yè)績(jī)，常常也叫做輕型直流輸電，為了促進(jìn)并形成自 有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，2006年5月，中國電力科學(xué)研究院組織國內(nèi)權(quán)威專家在北京召開“柔性（輕型）直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架研討會(huì)”，會(huì)上，與會(huì)專家一致建議國內(nèi)將該 技術(shù)統(tǒng)一命名為“柔性直流輸電;對(duì)應(yīng)英文為VSC-HVDC。3柔性直流輸電原理及技術(shù)特點(diǎn)3.1柔性直流輸電技術(shù)基本原理VSC-HVD C是一種以電壓源換流器、可關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流 輸電技術(shù)，與傳統(tǒng)的基于線控?fù)Q流器技術(shù)的

16、LCC-HVDC不同，VSC-HVDC在對(duì)輸送的有功 功率進(jìn)行快速、靈活控制的同時(shí)還能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無功功率，穩(wěn)定交流母線的 電壓，起到STATCOM的作用。因此，VSC-HVDC既可以向故障系統(tǒng)緊急支援有功功率， 又可以緊急支援無功功率，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性4-7。柔性直流輸電原理如圖2-1所示，送端站和受端站均采用JVSC結(jié)構(gòu)。換流站由換流橋、換流變壓器(電抗器X直流電容器和交流濾波器組成。每個(gè)橋臂由多個(gè)IGBT 串聯(lián)而成。換流變壓器(電抗器)是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時(shí)也起到濾波 的作用。直流電容器可以為受端站提供電壓支撐、緩沖橋臂開斷的沖擊電流、減小直流 側(cè)諧波。交流濾波

17、器能夠?yàn)V除交流側(cè)的諧波。送端站直流輸電線/電纜受端站圖送端站直流輸電線/電纜受端站圖圖2-1柔性直流輸電原理圖柔性直流輸電技術(shù)的另一項(xiàng)核心技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制(SinePulse Width Modulation)其控制原理如圖2-2所示。圖中a相SPWM的調(diào)制參考波uraef與三角載波uri進(jìn)行數(shù)值比較，當(dāng)參考波數(shù)值 大于三角載波，觸發(fā)a相的換流橋臂上開關(guān)導(dǎo)通并關(guān)斷下開關(guān)，反之則觸發(fā)橋臂的下開 關(guān)導(dǎo)通并關(guān)斷上開關(guān)。在上下橋臂開關(guān)的交替導(dǎo)通與關(guān)斷下，VSC交流出口電壓uao將 產(chǎn)生幅值為正負(fù)Ud/2的脈沖序列，Ud為VSC的直流側(cè)電壓。該脈沖序列中的基頻電 壓分量uao1與調(diào)制參考波相位一致，幅

18、值為Ud/2。因此，從調(diào)制參考波與VSC出口電壓 基頻分量的關(guān)系上看，VSC可視為無相位偏移、增益為Ud/2的線性放大器。由于調(diào)制 參考波的幅值與相位可通過PWM的脈寬調(diào)制比M(VSC交流輸出基頻相電壓幅值與 直流電壓的比值）以及移相角度8實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，因此VSC交流輸出電壓基頻分量的幅值 與相位亦可通過這兩個(gè)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過以上論述可知，采用PWM技術(shù)的VSC可以同時(shí)獨(dú)立地控制調(diào)制比M和移相 角8兩個(gè)物理量。VSC-HVDC正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)換流站可以各自獨(dú)立地控制有功功率類 物理量和無功功率類物理量；但直流網(wǎng)絡(luò)的功率必須保持平衡，即注入直流網(wǎng)絡(luò)的有功 功率必須等于直流網(wǎng)絡(luò)輸出的功率、換流閥（V

19、SC閥）損耗和直流網(wǎng)損之和。假設(shè)換相電抗器是無損耗的，在忽略諧波分量時(shí)，換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠?功功率P及無功功率Q分別為：P =U&sm8 （2-1）XL(2-2)式中：n 一換流器輸出電壓的基波分量；v 一為交流母線電壓基波分量；8為u& 和u&之間的相角差；C SX 一為換流電抗器或換流變壓器的電抗。由上述公式和圖2-3可知，有功功率的傳輸主要取決于8，無功功率的傳輸主要 取決于Uc。因此，通過控制8就可以控制直流電流方向及輸送有功功率的大小，通過 控制uc就可以控制VSC發(fā)出或者吸收無功功率。從系統(tǒng)角度來看，VSC可以看成是一個(gè) 無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，幾乎瞬時(shí)的分別單獨(dú)控制有功功率和無功功率，實(shí)現(xiàn)四 象限運(yùn)行。K 1 iK 1 iP 0 Q 01/ P 0 Q I L廠 0圖2-3 VSC-HVDC換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波相量圖柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn)如前所述，柔性直流輸電是采用可控自關(guān)斷型電力電子器件和PWM技術(shù)，它與傳 統(tǒng)直流輸電相比，主要有以下技術(shù)特點(diǎn)： VSC的電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無源逆變方式，換流器換相不需要交流系 統(tǒng)提供換相電流，所以受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)的HVDC受端系統(tǒng)必須 是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用HV