基于电压源型换流器的高压直流输电技术

VoltageSourceConverterBasedHighVoltageDirectCurrent2011年7月基于电压源型换流器的高压直流输电技术组员：赵伟勇李开鑫李鹏赵文利程丹丹目录一、直流输电的发展二、直流输电的类型三、VSC-HVDC功率分析四、多电平技术在VSC-HVDC中的应用五、VSC-HVDC的应用六、总结一、直流输电技术的发展•交、直流之争发、输、用都是直流不足：可靠性差、大容量直流电机换向困难等发、变、输、配、用都采用交流不足：远距离输电、异步电网互联、低频/超低频振荡等近代混合交直流技术哪种方式更经济的争论•大功率换流器件与直流输电的发展历史–汞弧阀（早期HVDC主要换流器件）•制造复杂、耐高压困难、价格昂贵、逆弧现象•可靠性低、运行维护工作量大–晶闸管（当前HVDC主要换流器件）•半可控器件•改善了运行特性和可靠性、没有逆弧故障•检修、制造、试验、运行、维护比汞弧阀简单方便–绝缘栅双极晶体管IGBT（VSCHVDC）•全控器件•可控性更强，运行灵活性强•可实行传统HVDC无法实现的功能IGBT模块二、直流输电的类型直流输电主要分类是基于换流器分类•基于晶闸管的电流源型直流输电（CSC-HVDC）•基于绝缘栅双极晶闸管（IGBT）的电压源型直流输电（VSC-HVDC）电流源换流器（CSC）•采用电抗器L作为直流侧的储能元件、采用电容器C作为交流侧的储能元件•维持恒定直流电流•控制快速准确•损耗较高•容量大于300MW•故障承受力和可靠性都较高•控制简单•不易串联扩容电压源换流器（VSC）•采用电容C作为直流侧的储能元件、采用电抗器L作为交流侧的储能元件•维持恒定直流电流•控制较慢•效率较高•容量小于300MW•故障承受力和可靠性较低•控制系统的复杂度增加•容易并联扩容三、VSC-HVDC功率分析VSC-HVDC原理图设交流母线电压基波分量为，换流器输出电压基波分量为，滞后于的角度为，换流电抗器电抗为X。则换流器所吸收的有功功率为：SUcUcUSU1)吸收的无功功率为：2)由式1）可见，有功功率的传输主要取决于,0时VSC吸收有功功率，相当于传统HVDC中的整流器运行；当o时VSC发出有功功率，相当于传统HVDC中的逆变器运行。因此通过对角的控制就可以控制直流电流的方向及输送功率的大小。由式2）可见，无功功率的传输主要取决于，0时，VSC吸收无功功率；0时，VSC发出无功功率。所以，通过控制的大小就可以控制VSC发出或吸收的无功功率及其大小。可见，VSC不仅能提高功率因数，而且还能起到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。coscsUUcoscsUUcoscsUUcU结论：控制Uc的幅值和相位，可以同时控制无功功率和有功功率——功率四象限运行Uc的大小主要决定QUc的相位主要决定P四、多电平技术在VSC-HVDC的应用4.1VSC的工作原理介绍•拓扑结构与PWM控制•仿真以及实验结果•变换器的控制：有功、无功解耦两电平换流器•两电平换流器基频电压幅值的调节时独立于直流电压•S为IGBT，由于电压等级的限制，也可以是多个器件的串联。这些器件具有优越的开关特性、较小的功率损耗、简单的门极控制，且无需复杂的吸收电路等特性，在大功率电力电子的主要应用场合已经得到了快速的推广和应用在传统两电平VSC中，三相换流器中每相桥臂包括一个开关对（对于高压应用场合，需要许多开关器件的串联），直流侧电容器为每相桥臂所共用。开关对由互补（双极性）的门极脉冲所控制，这样输出电压可以连接到电容器的正极也可以连接到负极。这种结构的主要缺点是静止和动态均压问题（要求复杂的平衡技术），以及由于所有开关同步换相所产生的高dv/dt应力。正对这问题，下面介绍的多电平技术对这些缺点有所缓解。4.2多电平换流•二极管箝位电路•飞跨电容电路•级联H桥电路•混合PWM多电平换流4.2.1二极管箝位电路---三电平中性点箝位VSCS1S2S3S4D1D2D3D4D5D6abcn+-E+-E根据图示，相电压包括：正、负和零。正电平电压通过接通相单元上方两个串联阀来得到；负极性电平电压通过下方的两个串联阀来得到；零电平电压通过接通上方和下方中间的阀来得到。三电平变换器S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6abcn+-E+-E变换器的基波输出电压以及相应的功率需要增加到一个等级，直流侧电压必须要增加，这种情况下，由于器件耐压的限制，需要有更多的电力电子开关器件串联起来。静态均压动态均压谐波畸变率4.2.2飞跨电容电路飞跃电容器三电平逆变器半桥主电路•也称悬浮电容器拓扑或多单元层叠拓扑•Cm作用：得到附加的电压台阶（此电容可以通过一半的换流桥臂直流电压进行预充电）模块级联多电平变换器4.2.3级联H桥电路--七电平级联H桥系统EvH1van+-+-EvH2+-EvH3+-anH1H2H3S41S11S21S31S42S12S22S32S43S13S23S33优点：模块化结构易于减低成本便于维修dv/dt很小系统谐波减小到最小易实现冗余运行易实现旁路功能缺点：大量的低压开关器件一定程度地、潜在地降低了系统的可靠性控制复杂电平数:m=2H+14.2.4混合PWM多电平换流•多电平能够随着输出电平数量的增加，复杂度明显增加，因此在实际工程中应用多电平换流器是不现实的。但是单纯使用三电平换流器却有不能满足谐波标准，这就需要使用PWM控制来实现这个要求。•多电平换流器调制策略的开发与采用的拓扑类型可以无关。因此多电平的PWM波形就可以有多个单独的两电平PWM波形来合成。通过对单独的两电平波形恰当的相移，电压台阶的幅值，也就是谐波开关频率项的电压幅值可以按比例地降低。降低的比例与每相中开关对的数量即两电平输出电压波形的数量成正比。此外，输出PWM波形的频率等于两个单独的两电平开关频率之和。这样，相应的多电平频谱只含合计的开关频率倍数项。桥系EvH1van+-+-EvH2+-EvH3+-anH1H2H3S41S11S21S31S42S12S22S32S43S13S23S33级联H桥电路--七电平级联H基于载波移相的PWM控制基于载波移幅的PWM控制基于阶梯波PWM控制4.3多电平换流器的相关特点•二极管钳位VSC多电平箝位的主要优点在于开关损耗的明显降低以及具有控制谐波含量的能力。换流器可以作为一个无功功率吸收或发生装置应用，但是在直流输电领域中，在两个终端之间完全独立的情况下，这个功能是无法实现的。•电容器箝位VSC电容器箝位拓扑具有二极管箝位拓扑的主要优点。在选择开关组合方面有较强的灵活性，因此能够更好地箝位电容器电压，这样就更容易控制箝位电容器电压器在需要的水平上。•级联H桥VSC由于单个链接的输出电压是三电平，因此产生多电平输出电压所需的链接的数量就有所减少。同时，模块化技术的应用使得电流器的维护相对简单，降低了维护成本。)(ddnoanaaavveRitiL)(ddnobnbbbvveRitiL)(ddnocncccvveRitiLidddqdveRiLitiLddiqqqdqveRiLitiLdd三相静止坐标系d-q同步旋转坐标系PIPILL*2dcVdcV2+-+-+PI-diqi*qi-*di--dVqV22qdVVVqdVV1tanLookuptabledEoLRRRLLnRLCCabcdq++12GateSignalsdcV2aebeceaibiciaibicit双闭环直接电流控制调制比m参考波角度δ4.4VSC变换器控制五、VSC-HVDC的应用•风电厂并网•电网互联•孤岛和弱电网供电•城市供电•提高电能质量•电力市场等•风电厂并网风电场的特点是风机容量小于5MW，机组台数较多，风电场必须将不同发电机的电能送到统一的电网，由于机组间有功分布差异大，直接交流并网，需要配合足够的无功。风电接入后，电网电压稳定、暂态稳定、频率稳定都会发生变化，风电往往在偏远地区，这些地区的电网通常比较薄弱。因此，出于电网安全考虑，电网对风电并网有严格的并网导则：1.风电机组含有专门设计的电力电子控制器2.柔性交流输电装置FACTS如SVC、STATCOM3.直流输电实现风电并网第一条VSCHVDC系统哥特兰（Gotland）工程Gotland岛是瑞典最大的岛屿，风电资源丰富，岛上本身用电小，电力生产和使用严重失衡，多余的电力需要送出。由于多机组分散性，该工程没有建设之前，电网电压质量较差。工程于1999年投入运行，该工程不仅将Gotland岛的电能输送到瑞典本土，而且提供了风电厂所需要的动态无功功率支撑，解决了潮流波动、电压闪变、频率不稳定等问题，提高了相连交流系统的稳定性，并有效改善了电能质量，充分体现了VSC-HVDC系统的优良性能。•电网互联工程直流输电不需要交流系统同步，又可以控制互联线的传送功率，使用VSCHVDC更不局限于两端系统必须有足够的换向容量，在中等容量的互联系统中采用VSCHVDC具有独特的优点，尤其是故障和系统恢复阶段。CrossSoundCable克劳斯-桑德工程跨海峡工程链接了康涅狄格州的纽黑文和纽约的长岛在北美“8.14”大停电事故中，该工程对倡导电力恢复起到了重要支撑。在大停电的几个小时后，由于它相当于无转动惯量的备用发电机，首先启动了该互联工程，除了通过直流电缆向长岛供电以外，其在20s内提供了从+100MVar到-70Mvar的无功输出，使得交流电压保持再基本恒定。六、总结直流输电有许多优点，而且应用在很多领域，但是VSC-HVDC还有不足之处去探索改进•系统损耗大开关损耗，开关频率越高，损耗越大。目前可以降到1.6%，常规直流输电0.8%。随着电力电子器件的进一步发展，VSCHVDC的损耗会继续降低。•不能控制直流侧故障电流一旦直流故障，交流断路器必须断开。因此为了降低直流线路故障率，一般都采用电缆输电。•系统稳定性、可靠性需要工程运行验证常规直流已有50多年的运行历史和近百个工程统计数据的支持。VSCHVDC只有10年的历史，大部分工程只有4、5年的运行经验，其安全性和可靠性还需要进一步的验证。谢谢！