电压源换流器型高压直流输电技术

1/58电压源换流器型高压直流输电技术20104232/581.2.3.4.5.6.7.VSC-HVDC的起源电压源换流器常见拓扑结构电压源换流器的应用领域及主要工程VSC-HVDC系统简介VSC-HVDC的运行原理VSC-HVDC的控制方式及仿真验证VSC-HVDC的实验方案11:19内容摘要1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首条的工业试验工程。Ph.D.(McGill)3/58VSC-HVDC起源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PWM技术控制的VSC进行直流输电的概念。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。Prof.Boon-TeckOoiMcGillUniversity11:194/58不同的称谓ABB公司称之为柔性直流输电（HVDCLight）并作为商标注册；Siemens公司将其注册为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”。11:19u1urucucfu0ucUd0tt+--Ud两电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形5/5811:19电压源换流器常见拓扑结构ippABCOnudciL1udc1udc2iL2VTa3VTa4VTb1VTb2VTb3VTb4VTc1VTc2VTc3VTc4inioVTa1Ucﮮ0VTa2UsﮮδisXfPsQs0.31500.32000.32500.33000.33500.34000.34500.35000.00-0.50-1.001.000.50_c1_c2_aa1.000.500.00-0.50-1.00__三电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形6/5811:19电压源换流器常见拓扑结构θ590θ()UC0θ1θ2θ3θ4Ud2uaSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMn+UdSMT1T2D1D2Submodule(SM)C+-PhaseModule多电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形7/5811:19电压源换流器常见拓扑结构8/58电压源换流器的应用领域11:199/5811:19年率/MW压/kV流电压流/A投运输送功直流电两侧交直流电线路长度/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CrossSound2001Cahle330±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10/5811:19VSC-HVDC的主要工程投运输送功直流电两侧交直流电电缆长年率/MW压/kV流电压流/A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11/5811:19VSC-HVDC的主要工程12/58VSC-HVDC系统简介换流桥换流变压器换流电抗器交流滤波器直流电容器直流电缆控制与保护系统11:1913/58330MW的VSC-HVDC换流站俯视图11:19VSC-HVDC系统简介14/58VSC-HVDC系统简介--换流桥换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。对于大容量换流器，每臂可能有上百个IGBT级联而成。IGBT旁边都反并联一个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起续流的作用。11:1915/58VSC-HVDC系统简介--换流变压器不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的换流变压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规的单相或三相变压器大体类似。11:1916/58VSC-HVDC系统简介--换流电抗器换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，决定有功功率与无功功率的控制性能作用滤除换流器所产生的特征谐波，以获得期望的基波电流和基波电压；抑制直流过电流的上升速度。11:1917/58VSC-HVDC系统简介--直流电容器作用：为逆变器提供电压支撑；缓冲桥臂关断时的冲击电流；减小直流侧谐波。11:1918/58VSC-HVDC系统简介--直流电容器11:19对系统提供部分无功补偿的作用。VSC-HVDC系统简介—交流滤波器换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少。换流电抗器的滤波作用使得电流的谐波较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含波，且其总的谐波的谐波标准。故装设小容量滤波器。作用：滤去交流侧电压谐波分量；C1L1RL2C1CRL(a)二阶高通滤波器(b)四阶高通滤波器19/5811:1920/58VSC-HVDC系统简介—交流滤波器从交流系统侧看过去，VSC-HVDC等效为一个谐波电压源(图a)。其中，Lc是换流电抗，Ls是系统等效电抗。图b是h次谐波电压等效网络，使交流滤波器的h次谐波阻抗近似为零，则其与交流系统的等效阻抗Xeq便远远小于换流电抗器的阻抗Xc(图c)。于是，h次谐波电压uh便近乎全部地降落在Xc上，系统所分得的那部分电压就很少。这就是VSC系统中滤波器的工作原理。11:19usLsLcFilteruhXsuc=u1+ΣuhXcXfuhXcXeq«Xc(a)(b)(c)VSC-HVDC系统简介—交流滤波器中国龙泉换流器站交流滤波器组瑞典5次谐波滤波器36MVar,145kV21/5811:1922/58VSC-HVDC的运行原理对于VSC-HVDC系统，在稳态分析中作如下假设：VSC母线的交流电压是三相平衡的正弦波VSC本身的运行是完全平衡的以VSC的额定容量为基值，换流电抗器的标么值约为0.1～0.2VSC联接有源交流网络时的稳态模型如下图所示：11:19PQcCCR－＋UdLHPFPsQsUs∠δPcQcUc∠0RX1R2L2令XL、Y、arctan，由图可知ssccUsUcYsin()U2YsinUsUcYcos()U2YcosUsUcYsin()U2YsinUsUcYcos()U2YcoscPsQs调节Uc和δ即可控制有功功率和无功功率的大小及流动方向。23/5811:19VSC-HVDC的运行原理24/58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。M2UcUd(s)RLPsQsPcQcUsδsUc(δs-δ)is11:19VSC-HVDC的运行原理一般的，若交流系统电压的相位是δs，换流器交流电压与直流电压Ud存在如下关系：25/58VSC-HVDC的控制原理采用PWM调制时，是调制波相角，Uc正比于调制度m。故利用调制波相角和调制度m能同时控制有功功率P和无功功率Q。11:1926/58VS2KXsinPVS2(1Kcos)XQACACVsjXTVNVconVIINqINpVNReVVcon交流系统换流器VSC与交流系统基波潮流的相量图交流系统和换流器之间基波潮流的等效电路由变压器的交流系统端看进去的有功和无功功率11:19VSC-HVDC的稳态特性换流变压器ImVconVs其中，K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;调整参数和K，可使VSC连续运行在圆内的任意一点。因此，它能独立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27/58minVn=1.0Q(p,u)inductiveKmin=1-x|Pn+Qn|=1Ki=1.0P（p,u）Kmax=1+xmaxcapacitiveVSC的PQ图11:19VSC-HVDC的稳态特性定直流电压定直流电流(或功率)定交流电压控制控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率控制直流电流(或功率)和输送到交流侧的无功功率只控制交流母线电压一个量适用于与有源网络相连给无源网络供电28/5811:19VSC-HVDC的控制方式29/58对一个VSC-HVDC，需有一端采用定直流电压控制源网络无源网络定直流电流控制定交流电压控制11:19VSC-HVDC的控制方式有Pc1Ud1Id1定直流电压VSC-HVDC系统稳态模型定直流电流由能量守恒若忽略直流线路的横向电导IdId1Id2(Ud1Ud2)/Rd30/5811:19VSC-HVDC的定直流电流控制U21sin212Us1Id1cos(11)定直流电压端M1sin12Us1sin112Id1M1sin1M1Y1sin12R1Qs1Ud12Id2M22M2Us2Y2Rd(M22Ud1Y2sin22M2Us2Y2sin(22))cos(22)222M22RdY2sin2Us2Ud1Y2cos(22)Us22Y2cos2Qs2输入量为1和M1输出量为Ud1和QS1在给定的范围内用MATLAB画出上式的三维立体图31/58定直流电流端M2Ud1Y2sin22M2Us2Y2sin(22)输入量为2和M22M2RdY2sin2输出量Id1和QS211:19VSC-HVDC的定直流电流控制推导得到32/58VSC-HVDC的定直流电流控制2、如果以换流器的额定容量为基值，换流电抗器的标幺值为0.1~0.2；3、对于换流器R1X1在分析中取R0.8X3.144、分析范围/4/4，0.5M1。在给定的范围内用MATLAB画出上式的三维立体图假设条件：1、Rd5.411:1933/58说明直流电压控制侧，不能实现Qs1M1Qs11Ud1M1Ud11Qs1M1Qs11定直流电压控制端电压图和无功图定直流电流控制端电流图和无功图直流电压和无功解耦。功角对直流电流有较大的影影响一样大。响，即IId2d22M2而功角和调制比m对无功的11:19VSC-HVDC的定直流电流控制功角对直流电压和无功有较大的影响，即dI1dRdqVsdVcdI1I1dI1qRqdVsqVcqdtL1134/58逆变侧dtL1L1I1I1L整流侧交流电压和交流电流经Park变换转化为dq坐标系表示11:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式基于dq矢量变换的解耦控制策略P32(VsdI1dVsqI1q)VsqVs1,Vsd0P32VIqQ132(Vs11Vs11)Q132Vsq11dII35/58dqqdq1s11I前馈解耦技术Kq1干扰项Vcd(M1/2)Vdc1sin1Vc1(M1/2)Vdc1cos1耦合项M1111:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式dq同步旋转坐标系下VSC-HVDC的数学模型联接有源系统时，整流器作为功率控制器，逆变器作为电压控制器36/58VSC-HVDC的功率解