柔性直流输电技术

ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电技术徐政浙江大学HVDC&FACTSGROUP0571-87952074,[e-mail]2006年9月ZJUZhejiangUniversity内容提要1.什么是柔性直流输电技术2.柔性直流输电技术的应用领域3.柔性直流输电的工作原理4.与传统直流输电的比较5.柔性直流输电技术的发展情况6.柔性直流输电系统制造的关键技术ZJUZhejiangUniversity什么是柔性直流输电技术第1章ZJUZhejiangUniversity什么是柔性直流输电技术（1）柔性直流输电ABB称其为HVDCLight，西门子称其为HVDCPLUS。这种技术特别适合于小容量输电，可以到数个MW。因此柔性直流输电将传统的HVDC输电技术拓展到了配电领域，从而使直流输电技术可应用于输配电整个领域。柔性直流输电技术对将来的输电技术会有重要的影响。ZJUZhejiangUniversity什么是柔性直流输电技术（2）柔性直流输电两端为换流站，中间可以采用传统的架空线路，但使用地下电缆更能使效益发挥出来。在很多情况下电缆的成本低于架空线路，并且采用电缆更能满足环境的要求。与传统交流和就地发电相比，除了具有成本上的优势之外，柔性直流输电还能提高供电的电能质量。VSC换流器+轻型电缆＝柔性直流输电ZJUZhejiangUniversity什么是柔性直流输电技术（3）柔性直流输电自1997年引入.目前的制造商主要为ABB。ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电的技术优势(1)¾采用可控关断型电力电子器件和PWM技术,可以实现有功功率和无功功率的独立控制。¾能向无源网络系统供电；在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，且换流器之间无需通信，也不需要外部的辅助设备，因此便于构成并联的多端直流输电系统。ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电的技术优势(2)¾VSC换流器产生的低次谐波很少，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可，使滤波装置的容量大大减小。¾柔性直流输电系统既能输送有功功率，还能实现无功功率的紧急支援（起STATCOM功能）。¾模块化设计使柔性直流输电的设计、生产、安装和调试周期大为缩短。ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电技术的应用领域第2章ZJUZhejiangUniversity可能应用领域¾电网的非同步联网。¾连接分散的小型发电厂。¾实现海上供电。¾构筑城市直流输配电网。¾向偏远地区供电。¾提高电能质量－向重要负荷供电ZJUZhejiangUniversity电网的非同步联网背靠背换流站ACAC60Hz50HzB2B–换流站ZJUZhejiangUniversity连接分散的小型发电厂ZJUZhejiangUniversity作为风电与电网的接入系统ZJUZhejiangUniversity实现海上供电ZJUZhejiangUniversity构筑城市直流输配电网ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电的工作原理第3章ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电系统由两部分组成：换流站+1对电缆换流站是由IGBT或IGCT等可关断器件构成的电压源换流器组成的。柔性直流输电的容量范围为几个MW到目前的300MW，直流电压可以达到±150kV基本结构ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电系统换流站ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电结构图ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电结构图VSC1VSC2Ud2Ud1Qs1Ps1Qs2Ps2Qc1Pc1Qc2Pc2Zs1Zs21δUs1UC1Us2UC200R1L1L2R2I2I1IdIdRd/2Rd/22C12C12C22C22δ换换流流器：器：每个桥臂都由多个IGBT或GTO串联而成。直流侧电容直流侧电容::为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。换流电抗器换流电抗器::VSC与交流侧能量交换的纽带同时也起到滤波的作用。交流滤波器交流滤波器::用于滤去交流侧谐波。ZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的基本拓扑结构电压源型换流器的基本拓扑结构2CABC2C+---++Ludc二电平二电平VSCVSC三电平三电平VSCVSCZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的基本工作原理2CABC2C+---++LudcisbiscusaisausbuscidcidDCsystem相位角，则：设δ为Us超前Uc的sinδXUUPs⋅=()XUcosδUUQss−=dcU2MU=ZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的基本工作原理IsUsUUΔδIsUsUUΔδ−IsUsUUΔIsUsUUΔ整流逆变吸收无功发出无功有功传输有功传输：当δ0时，吸收有功功率；当δ0时，发出有功功率。无功功率无功功率：当UsU时,吸收无功功率；当UsU时,发出发出功率。ZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的有功与无功运行范围ZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的脉宽调制技术（正弦脉宽调制SPWM）ZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的脉宽调制技术（特定谐波消去调制）。Lusuc+-±UdZJUZhejiangUniversity（空间矢量脉宽调制SVPWM）电压源型换流器的脉宽调制技术2CABC2C+---++Ludc1V2V3V4V5V6V(+--)(++-)(-+-)(-++)(--+)(+-+)(---)(+++)0V7VrefV1V2VⅠⅡⅢⅣⅤⅥABCϕdSdSU/sinTATU/)sin(TATϕ⋅⋅=ϕ−°⋅⋅=360321ZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的数学模型2CABC2C+---++LudcisbiscusaisausbuscidcidDCsystem采用开关函数描述的高采用开关函数描述的高频数学模型：频数学模型：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧−++=−−−−=−−−−=−−−−=dsccsbbsaadcbacdcscscsccabdcsbsbsbcbadcsasasaiiSiSiSdtduCSSSuRiudtdiLSSSuRiudtdiLSSSuRiudtdiL323232Sk（k=a、b、c）分别为三相桥臂的开关函数，其中，Sk=1表示桥臂上管导通、下管关断；Sk=0表示桥臂下管导通、上管关断。ZJUZhejiangUniversity电压源型换流器的数学模型同步旋转坐标系下的数同步旋转坐标系下的数学模型：学模型：2CABC2C+---++LudcisbiscusaisausbuscidcidDCsystem()()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+−−−−+−=2/12/12/1120sin120sinsin)120cos(120coscos32ooooθθθθθθPθ为电网电压A相的相位角⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧−+=−−=−+=dsqqsdddccqsdsqsqcdsqsdsdiCiSCiSCdtduuLiuLdtdiuLiuLdtdi1111111ωω同步坐标系下的瞬时有功与无功：同步坐标系下的瞬时有功与无功：⎩⎨⎧−=+=sqsdsdsqsqsqsdsdiuiuQiuiuPZJUZhejiangUniversity柔性直流输电系统的控制基本控制方式：基本控制方式：¾有功功率控制¾直流电压控制¾无功功率控制¾交流电压控制¾频率控制¾向无源交流系统供电ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电系统的控制（美国CrossSoundCableProject）+−ud1+−ud2RLRL无功功率控制交流电压控制有功功率控制直流电压控制内环电流控制PWM内环电流控制PWM直流电压控制有功功率控制交流电压控制无功功率控制uAC-1uAC-2uAC-ref1uAC-ref2ud1-refud2-refPref1Pref2Qref1Qref2ii+-++--+-ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电系统的控制（一侧交流系统发生单相短路故障时的情况）-10010uac2/kV-10010P1/MW-10010P2/MW162024udc/kV-10010uac1/kV0.00.20.40.60.00.20.40.60.00.20.40.60.00.20.40.60.00.20.40.6时间（t）ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电系统的控制（一侧交流系统发生三相短路故障时情况）-10010uac2/kV-10010P1/MW-10010P2/MW162024udc/kV-10010uac1/kV0.00.20.40.60.00.20.40.60.00.20.40.60.00.20.40.60.00.20.40.6时间（t）ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电系统的保护策略LCONVERTEROVERCURRENTPROTECTIONQ1T1T1T2T3U1U1Q11Q11T11T11T11L1L1ACTERMINALSHORTCIRCUITPROTECTIONVALVESHORTCIRCUITPROTECTIONVALVECIRCUITDERIVATIVEPROTECTIONIGBTPOSITIONMONITORINGVALVECOOLINGPROTECTIONDCABNORMALVOLTAGEPROTECTIONDCCABLEFAULTINDICATIONCONVERTERBUSDIFFERENTIALPROTECTIONACBUSABNORMALVOLTAGEPROTECTIONACFILTERCAPCITORUNBALANCEPROTECTIONACFILTERRESISTOR/REACTOROVERLOADPROTECTIONTRANSFORMERDIFFERENTIALPROTECTIONTRANSFORMERANDMAINACBUSOVERCURRENTPROTECTIONTRANSFORMERPROTECTIVERELAYSCIRCUITBREAKERFAILUREPROTECTIONZJUZhejiangUniversity与传统直流输电的比较第4章ZJUZhejiangUniversity容量范围:传统直流输电的经济容量范围是大于250MW；柔性直流输电的容量范围是：数MW～300MW直流电压最大可到±150kV与传统直流输电的比较（1）ZJUZhejiangUniversity模块化:柔性直流输电是基于模块化概念设计的，换流站具有几种标准的容量和尺寸。大部分设备是在厂内安装的。因此交货时间一般小于12个月。占地较小，65MVA的换流站占地800m2。传统直流输电总是单独设计以满足特定的应用场合。与传统直流输电的比较（2）ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电换流电路本身就是双极的，因此直流电路是不接地的，必须使用2根电缆。与传统直流输电的比较（3）ZJUZhejiangUniversity独立于交流网络:不同于传统直流输电，交流系统的短路容量对新型直流来说是无关紧要的。柔性直流输电可以直接向无源网络供电。与传统直流输电的比较（4）可以作为SVC运行:柔性直流输电换流器可以同时控制有功功率和无功功率，因此它可以被用来控制交流系统的电压或注入交流系统的无功。ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电技术的发展情况第5章ZJUZhejiangUniversity柔性直流输电的发展情况柔性直流输电的发展情况¾1990年，McGill大学的Boon-TeckOoi等人首先提出用PWM控制的VSC进行直流输电。¾1997年3月，ABB公司进行了首次HVDC-VSC的工业试验，瑞典中部赫尔斯扬（Hellsjon瑞典）工程。¾1999年，ABB公司在歌德兰投入运行了