柔性直流输电技术

柔性直流输电技术基本特征目录柔性直流换流器技术32柔性直流输电换流器的控制4柔性直流输电系统5柔性直流输电的定义1柔性直流输电功率器件2柔性直流输电技术的发展6柔性直流输电的定义目录13柔性直流输电技术VSC-HVDC•基于可关断器件和电压源换流器（VoltageSourceConverter,VSC）的高压直流输电技术（VSC-HVDC），换流器自换向，能够独立调节有功功率和无功功率，可控性和灵活性强，被誉为新一代的直流输电技术命名情况：•IEEE/CIGRE等国际组织：基于电压源型换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）•ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（HVDC-Light）”•西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDC-PLUS）”•中国：柔性直流输电常规直流输电：晶闸管技术，LineCommutatedConverter（LCC-HVDC)高压直流输电（LCC-HVDC）柔性直流输电（VSC-HVDC）柔性直流输电与常规直流比较晶闸管相位角控制晶闸管通过脉冲信号控制开通，但不能控制关断，电网换相。当承受电压反向时，自动关断。开关频率50/60HzIGBT或其他可关断功率器件脉宽调节控制可关断器件，可以通过控制信号关断，完全可控，自换相。强迫换相频率上百赫兹。高压直流输电（LCC-HVDC）柔性直流输电（VSC-HVDC）运行性能比较换流器产生谐波量大，噪音较大，需要配备交流滤波器需要无功补偿，最大约为50%输送容量换流站滤波器小组投切过程较慢，且引起电压波动电网换相，需要交流系统提供足够的短路容量。脉宽调制使换流器谐波大大降低，只需要容量约为10～20%的高通滤波器换流站无需无功补偿，且可为交流系统提供紧急无功支援无功调节平滑、快速换流器完成自换相，无需电网提供换相帮助，对短路容量没有要求。高压直流输电（LCC-HVDC）柔性直流输电（VSC-HVDC）工程应用比较换流站占地面积大，辅助设备较多同等容量下，设计较为复杂、建设工期长、运行维护投入较大电压已达±800kV以上，传输功率6400MW，适合大系统间大规模功率传输，适合能源的优化配置结构紧凑、功率密度高，换流站面积约小40%同等容量下，设计相对简单、主要设备在工厂生产、现场安装和维护较为简单能为弱系统、无源网络供电，如岛屿供电、海上油气平台供电、风电联网等。可实现黑启动工程应用比较节约空间VSC-HVDCLCC-HVDC工程应用比较柔性直流换流站常规直流换流站柔性直流输电功率器件目录211电力电子开关机械开关•高压•大电流Power+=Electronics•高速•电子控制•低损耗•长寿命PowerElectronicsV/mAkV/kAkV/kAV/mA电力电子开关（功率器件）是装置的基础12电力电子技术的三要素电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件（电力半导体器件）对电能进行变换和控制的技术，变换的电力从W级到百MW，甚至GW电力电子技术已广泛用于电气工程学科，其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网电能质量补偿与控制、高性能交直流电源等领域近年来，能源成为当今人类面临的重大问题，电力电子装置是能源变换的功能性装置，电力电子技术已成为能源变换与传输的关键技术13交流和直流变换ACDC技术内容关注点通过换流器（Converter）实现变换14功率器件的开通和关断过程门极控制电压集电极和发射极电压导通电流•导通和关断由门极信号控制•导通和关断过程快速，但非理想•导通和关断存在尖峰电流和电压实际关断和导通波形15功率器件的发展ThyristorGTOIGCTIGBT/IEGT•由半控型到全控型•开关速度由低到高（50/60Hz到几kHz)•电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA)半控器件•开通可控•关断不可控ETO全控器件•开通可控•关断可控16大功率开关器件的分类大功率开关器件晶体管类晶闸管类压接式IGBT(IEGT)模块式IGBTIGCTGTO可关断晶闸管集成门极换相晶闸管绝缘栅双极晶体管ETO发射极关断晶闸管晶闸管类器件（GTO,IGCT）晶体管类器件(IGBT,IEGT)门极驱动电流控制，所需功率较大电压控制，所需功率较小导通压降低高允许开关频率低高电压/电流能力较大相对低电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HVIGBT)17晶闸管(Thyristor)晶体管类(Transistor)门极电流控制开通关断关断时所需门极负脉冲电流较大可承受开关频率较低导通压降较低所能实现的电压、电流等级较高门极电压控制开通关断门极驱动功率小，开关速度快，可承受开关频率高导通压降大所能实现的电压、电流相对不高18GTO和IGCT集成门极缓冲层透明阳极逆导技术GTOIGCT•上海50MVArSTATCOM采用IGCT•目前只有ABB公司供应•最早的全控器件•开关频率低，已很少使用19IGBT和PPIGBT(IEGT)IGBTPPIGBT(IEGT)电子注入增强低导通电压降宽安全工作区•压接式封装，双面散热•失效后处于短路状态•主要供应商有东芝、ABB和Westcode•模块塑封•应用最广的全控器件•三菱、英飞凌、日立、ABB等多个供应商20功率器件封装模式模块式封装(PMI)技术成熟安装工艺简单器件制造商多损坏时可能发生爆炸串联不易实现器件容量相对较小压接式封装（Press-Pack)器件故障后不会爆炸故障后处于短路状态结构上易于串联散热性能好封装难度大供应商少•压接式封装可靠性更高•主要有以下几类1）ABBStakPakTMIGBT，IGCT2）日本东芝IEGT3）英国西玛码PPIGBT4）美国ETO两种封装模式均有柔直应用•ABB工程全部采用StatkPak•西门子Transbay工程用PMIIGBT21SCFM-短路失效模式SCFM（Short-CircuitFailureMode)器件发生失效后器件处于短路模式，并能够继续安全流过工作电流，直至装置检修时更换ABBStakPakTMIGBT在SCFM方面的技术资料公开比较充分，东芝IEGT也有相关试验数据22功率器件的电压电流水平主流型号•IGBT4500V/1200A•IGBT4500V/1500A•IEGT4500V/1500A•IEGT4500V/2100A•StakPakIGBT4500V/2000A•StakPakIGBT2500V/2000A•IGCT4500V/4000A•ETO4500V/4000A备注：IGCT和ETO的标称电流为峰值，约与IGBT的2000A相等23柔性直流输电功率器小结柔性直流输电采用的功率器件一般容量较大电压等级在3300V以上，有3300V，4500V通流能力在1000A以上，有1200A，1500A良好的开通、关断特性，导通特性开通关断过程尖峰电压和电流开通、关断过程快速，限制开关损耗导通压降低，限制通态损耗器件类型和封装已经使用：压接式IGBT，模块式IGBT其他器件：IGCT，ETO压接式封装散热较好，损坏带来的影响较小，是发展趋势备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如STATCOM等24柔性直流换流器技术3目录25基于全控器件的换流器自换相换流器Self-CommutatedConverterVSC(VoltageSourceConverter)CSC(CurrentSourceConverter)STATCOM,SSSCVSC-HVDC直流侧为电容，视作电压源直流侧为电抗，视作电流源主流方式较少采用全控器件全控器件26电压源换流器原理0Vdc脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)27正弦载波PWM(SinePWM,SPWM)载波频率fs：三角载波频率三角载波参考波参考波频率f1载波比：fs/f1换流器输出电压（基波）波形与参考波一致28换流器四象限运行（有功和无功独立控制）VSCSULCIUUcUsULUCUS时,Q为容性IULIUSUCUSUCULUCUS时，Q为感性IUcUsULP0,整流模式IUcUsULP0,逆变模式Iδδ29实现高压大容量换流器的途径器件串联•开关器件的直接串联实现高压•对功率器件要求高，技术难度大变压器多重化多电平换流器•通过变压器将多组低压VSC耦合连接，实现高压大电流•变压器损耗大，占地大，逐渐淘汰•通过功率模块串联，实现多电平换流器结构•成为电网应用的主流在功率器件单体容量限制下，如何实现VSC高压大容量？30器件串联...ABB公司的两电平换流器的串联IGBT阀，HVDCLight/SVCLight基于ABB公司StakPakTMIGBT器件，器件不单独出售引自ABB参考资料31器件串联换流器输出电平数低，正弦度不高，谐波和损耗大实现中存在多方面困难串联器件静、动态均压技术杂散参数控制、安装、运行维护ABB的StakPakTMIGBT模块32两电平换流器的PWM控制0101dc2Vdc2Vdc()V(0)SPWM脉冲输出电压33器件直接串联的关键技术问题开关过程中的动态均压尽量选择参数一致的器件强化结构设计，减小杂散参数强制均压电路控制开通和关断过程串联IGBT的动态均压串联IGCT的动态均压34多电平换流器多电平换流器的起始–NPC换流器–中性点钳位NPC-NeutralPointClamp–实现三电平，电平数仍较低35NPC换流器（三电平换流器）OOVB1DB2D+-dcV+-dcV2S3S4S1SOOVB1DB2D+-dcV+-dcV2S3S4S1SOOVB1DB2D+-dcV+-dcV2S3S4S1SS1S2S3S4110001100011VO=VdcVO=0VO=-VdcVdc0-Vdc3637三电平NPC换流器两电平换流器相电压线电压频谱•谐波性能得到改进•开关频率仍较高37多电平换流器两电平三电平多电平38多电平换流器AOVO+-E+-E+-E+-Ea1pSa2pSa3pSa4pSa1nSa2nSa3nSa4nS1C2C3C4Ca1pSa2pSa3pSa4pSa1nSa2nSa3nSa4nSO+-+-+-+-EEEE1C2C3C4CAOVNCovo1voNvCNv1CC1v+-+-+-o2vC2v2C二极管钳位换流器（5电平）悬浮电容钳位换流器（5电平）模块串联换流器（数十到百电平）39定义N为电平数目每个器件仅需承受Vdc/(N-1)所需主开关器件数目2×(N-1)所需钳位二极管数目(N-1)×(N-2)•所需二极管数量平方次增长•N3时的直流电容电压平衡控制十分困难•在电力系统中少采用+Vdc/2+Vdc/40-Vdc/4-Vdc/2二极管钳位多电平换流器40模块串联换流器——全H桥结构所需主开关器件数目2×(N-1)所需钳位电容数目(N-1）/2•需要直流电压平衡控制•直流侧无法实现端对端连接•已是大容量STATCOM主要采用的结构上海50MVA，东莞200MVASTATCOM均是这种结构41ModularMultilevelConverter,MMC(模块化多电平换流器）模块串联换流器——半H桥结构•需要直流电压平衡控制•直流侧能够实现端对端连接•柔性直流输电主流结构42MMC换流器工作原理S1=On,S2=Off:Vx=VcS1=Off,S2=On:Vx=0直流电压控制Vd=n×VC交流电压控制VAC=V1+V2+…Vn43MMC换流器工作原理等效为可控电压源SM1SM2SMn……SM1SM2SMn……SM1SM2SMn……SM1SM2SMn……SM1SM2SMn……SM1SM2SMn……LcLcLcLcLcLcd2Vd2VapibpicpianibnicniVsaVsbVscN0aibiciapan1()NdiiCiVSSV直流电压约束convanap111()2nniiCiivSSV交流