柔性直流输电的发展与运行原理-华北电力大学

柔性直流输电的发展与运行原理新能源电网研究所2内容提要1柔性直流输电的发展2柔性直流输电运行原理3柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4柔性直流输电典型工程及一次设备5柔性直流输电RTDS仿真建模6我国柔性直流输电发展现状3柔性直流输电的发展1954年，连接Gotland与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流输电线路建成，标志着以电流源换流器为基础的直流输电（LCC-HVDC）进入了商业化时代。1990年，加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi等首次提出使用脉宽调制技术（PWM）进行控制的电压源换流器直流输电（VSC-HVDC）的概念。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首条工业试验VSC-HVDC工程。从此VSC-HVDC作为一种新兴的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段。4柔性直流输电的发展ABB公司称之为轻型直流输电（HVDCLight）并作为商标注册；Siemens公司将其注册为新型直流HVDCPLUS；国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为VSC-HVDC，即“电压源换流器型高压直流输电”。国内很多专家称之为“柔性直流（HVDC-Flexible）”。不同的称谓5柔性直流输电的技术特点能对有功和无功进行独立控制，能给无源网络提供电源；能为交流侧提供无功支持，起到STATCOM的作用，对电压质量和电压问题提供支撑；换流站标准化、小型化，整体式的设计以及可以进行出厂前的调试，有利于缩短施工时间，并保证其可靠性；无需架设架空线，并在噪音水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面满足环境保护的要求。6向城市中心送电连接分布电源非同步联网提高配电网电能质量促进电力市场发展向远方孤立负荷点送电方便地调节有功和无功，改善系统的运行性能风电场、小型水电厂、太阳能电站及其它新能源发电系统用电量急增，线路走廊困难构建地区电力供应商交换电力的可行性平台，增加运行灵活性和可靠性快速控制有功无功，使电压、电流满足电能质量标准要求如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等柔性直流输电的应用场合MTDC7投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A线路长度/km用途Hellsjon19973±1010/1015010工业试验Gotland199954±8080/803502×70风力发电，地下电缆Directlink2000180±80132/1103426×59电力交易，系统互联，地下电缆Tjaerebog20007.2±910.5/10.53582×4.3风力发电，示范工程EaglePass200036±15.9132/13211000(B-B)电力交易，系统互联，电压控制CrossSoundCahle2001330±150345/13811752×40电力交易，系统互联，海底电缆MurrayLink2002200±150132/22014002×180电力交易，系统互联，地下电缆世界上已投运的柔性直流输电工程8工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途TrollA20052×42±6056/1324004×70绿色环保，海底电缆Estlink2006350±150400/33012302×72电力交易，系统互联，地下电缆Valhall201078±150300/11-292绿色环保，海底电缆世界上已投运的柔性直流输电工程9工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途NordE.ON12009400±150170/380-203风电并网CapriviLink2009300350400/330-970弱电网互联TransBayCable2010400±200400-88大城市供电南汇工程201118±303530010风电并网世界上已投运的柔性直流输电工程10工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途EastWestInterconnector，UK2012500±200-1250-电网互联，黑启动DolWin12013800±320150/380125075,90风电并网SkagerrakHVDCInterconnections（Pole4）20147005004001400140,104电网互联世界上在建的部分柔性直流输电工程11工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途INELFE（法-西）20132×1000±320400/400156060电网互联HelWin1(德国)2013576±250150/380115085,45风电并网BorWin2(德国)2013800±300155/4001330140,104风电并网世界上在建的部分柔性直流输电工程12从世界上第一个试验性的工程——赫尔斯扬（Hellsjion）工程至今，VSC-HVDC最大输电容量由3MW发展到2×1000MW，直流电压由10kV提升到500kV。随着直流电缆制造水平和半导体器件制造工艺的快速提升，高电压大容量的柔性直流输电系统将具备应用于大规模输电网的能力。柔性直流输电的发展趋势13内容提要1柔性直流输电的发展2柔性直流输电运行原理3柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4柔性直流输电典型工程5柔性直流输电RTDS仿真建模6我国柔性直流输电发展现状14传统直流输电系统（LCC-HVDC）的拓扑柔性直流与传统直流的比较AB换流变换流变整流：AC——DC逆变：DC——ACP整流器逆变器直流输电线路15柔性直流输电系统（VSC-HVDC）的拓扑（二电平为例）柔性直流与传统直流的比较电抗器滤波器UsVSC滤波器电抗器VSCUc直流输电线16电流源换流器电压源换流器柔性直流与传统直流的比较晶闸管（Thyristor）绝缘栅双极型晶体管(IGBT)17电流源和电压源换流器的比较电流源换流器电压源换流器电抗器L作为直流侧的储能元件，电容器C作为交流侧的储能元件电容器C作为直流侧的储能元件，电抗器L作为交流侧的储能元件直流电流是单向的，直流电压极性随直流潮流而变化直流电压是单向的，直流电流极性随直流潮流而变化控制快速准确控制较慢损耗较小损耗较大容量大容量相对小故障承受能力和可靠性较高故障承受能力和可靠性较低柔性直流与传统直流的比较18HVDCVSC-HVDC交流侧提供换相电流，受端为有源网络，且容量足够大，否则易发生换相失败电流自关断，可向无源网络供电吸收大量的无功功率，约为输送直流功率的40％～60％，需要大量的无功功率补偿和滤波设备不需要交流侧提供无功功率且能起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。若VSC容量允许，VSC-HVDC系统可向故障系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，提高系统功角电压的稳定性。柔性直流与传统直流的比较19柔性直流与传统直流的比较HVDCVSC-HVDC潮流翻转时，直流电流方向不变而直流电压极性发生翻转，不利于构建多端直流输电系统潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性不变，有利于构成并联多端直流系统换流器对于交流系统来说，除了是一个负荷（在整流站）和一个电源（在逆变站）以外，还是一个谐波电流源采用SPWM技术，开关频率较高，经低通滤波后就可得到所需的交流电压，可不用换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小控制量只有触发角，2个象限运行，不可单独控制有功功率或无功功率可在4个象限运行，同时且独立控制有功和无功功率换流站间需要通讯换流站间的通讯不是必需的20此外，由于VSC交流侧电流可以控制，同HVDC，不会增加系统的短路容量，也即增加柔性直流输电线路后，交流系统的保护整定无需改变。VSC-HVDC能够提高系统阻尼，通常情况下不会引起发电机组的次同步振荡，而且会提高发电机组的次同步阻尼。VSC-HVDC换流站设备小型化和标准模块化模块化设计，占地面积小，设计、生产、安装和调试周期大大缩短，并具有更高的可靠性。柔性直流与传统直流的比较21电压源换流器有多种拓扑结构，但换流器基本运行原理大致相同，假设交流系统电压Us相位是δs，换流器出口电压Uc相位滞后Us角度为δ，双极直流母线电压差为Ud,则其中，μ为直流电压利用率，当VSC采用SPWM调制时，μ=0.816；M为调制比，定义为VSC输出相电压峰值与单极直流电压的比值。可见，对于交流系统而言，VSC可等效于一个端电压幅值、相角均可控，无旋转惯量的同步发电机。cdd3()()222ssMMUUU柔性直流输电运行原理22RLPsQsPcQcUs∠δsUc∠(δs-δ)is柔性直流输电运行原理2sinsinSCSSUUKUPXX2(cos)(1cos)SSCSSUUUUKQXXCSUKU其中，由上图可得，从交流系统看进去的有功和无功功率为：换流站输出电压增益K定义为VSC输出电压与交流系统电压的比值；之前调制比M定义为VSC输出电压与直流电压的比值。二者定义不同，但均可以反应VSC输出电压幅值的变化。23保持恒定而改变K时，得到一系列的直线，如边界值min和max；保持K恒定而改变时，能得到一系列曲线，如Kmin=1-x,Ki=1.0,Kmax=1+x等；当使换流站传输能力恒定将得到|P+Q|=1的圆;minVn=1.0Q(p,u)inductiveKmin=1-xKmax=1+x|Pn+Qn|=1Ki=1.0capacitiveP（p,u）maxVSC的PQ图柔性直流输电运行原理24通过以上分析可知，改变VSC输出电压的幅值和相位可以使其连续运行在功率圆内的任意一点。因此，它能完全独立解耦地控制有功功率和无功功率的交换。若不需要传输有功功率，换流站可以作为STATCOM运行，为交流系统提供容性或感性无功支持，这与传统HVDC需要消耗大量无功功率是有本质区别的。柔性直流输电运行原理25内容提要1柔性直流输电的发展2柔性直流输电运行原理3柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4柔性直流输电典型工程5柔性直流输电RTDS仿真建模6我国柔性直流输电发展现状26柔性直流输电换流器拓扑及调制策略-u1urucucfudUdUcu00tt+-拓扑结构1—两电平结构现在世界范围内已投运的柔性直流输电大多为两电平结构27三电平结构也有工程投运，比两电平结构开关频率低，损耗小。拓扑结构2—三电平结构piL1ipABCOnudcudc1udc2iL2VTa1VTb1VTc1VTa2VTa4VTa3VTb2VTb3VTb4VTc2VTc3VTc4inioUcﮮ0UsﮮδisXfPsQs_0.31500.32000.32500.33000.33500.34000.34500.3500-1.00-0.500.000.501.00_c1_c2_aa-1.00-0.500.000.501.00_柔性直流输电换流器拓扑及调制策略28模块化多电平换流器（MMC）由西门子公司首先实施拓扑结构3—多电平结构1（半桥）柔性直流输电换流器拓扑及调制策略29正常工作状态下，子模块（SM）可以输出0或电容电压MMC的子模块工作状态T1T2D1D2+T1T2D1D2+T1T2D1D2+T1T2D1D2+T1T2D1D2+T1T2D1D2+充电充电放电闭锁(T1、T2均关断)全电压(T1开通、T2关断)零电压(T1关断、T2开通)30MMC各相任意时刻导通子模块数相同，以维持直流电压恒定。MMC的多电平波形生成机制++uao++++=~=~=~0π/2π3π/22π(b)相电压uao波形生成原理+Udc/20-Udc/2(a)MMC单相等效示意图+UdcUdc/200π/2π3π/22π(c)相电压所对应的桥臂电压波形ua1ua2Udcuaooua1ua231MMC与2、3电平VSC对比投资成本较低模块化设计输出滤波器容量小开关频率低损耗小电压谐波畸变率小θ1θ2θ5…2Udcuao/kVUCt/ra