第五章 电压源换流器型高压直流输电技术

1/83直流输电与FACTS技术杨用春电力工程系电力教研室E-mail：[e-mail]2/831.VSC-HVDC的概述2.VSC-HVDC的基本原理3.VSC-HVDC的技术特点4.VSC-HVDC的应用情况及研究现状5.VSC-HVDC的控制方式第五章VSC-HVDC技术3/83§1.1VSC-HVDC概述•基于电压源换流器的高压直流输电(HVDCbasedonVoltageSourceConverter,VSC-HVDC)•常规HVDC采用线换相电流源换流器（LineCommutatedCSC），其本身存在一些固有的缺陷，主要表现在以下几个方面4/83§1.1VSC-HVDC概述（续）–传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，该电流实际上是相间短路电流，因此要保证换相的可靠，受端交流系统必须具有足够的容量，当受端电网比较弱时便容易发生换相失败。–由于开通滞后角和熄弧角δ的存在及波形的非正弦，传统的HVDC要吸收大量的无功功率，其数值约为输送直流功率的40~60%，这就需要大量的无功补偿及滤波设备，而且在甩负荷时会出现无功过剩，可能导致过电压。5/83§1.1VSC-HVDC概述（续）•因为传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，这就要求受端系统必须是有源网络。因此，传统的HVDC不能向无源网络（如孤立负荷）输送电能。•造成传统HVDC上述缺点的主要原因是由于线换相换流器采用的是半控型器件，只有用全控型器件代替半控型器件，使换流器能工作在无源逆变方式，并能够同时独立地控制有功功率和无功功率，才能彻底克服上述缺点。6/83§1.1VSC-HVDC概述（续）•随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极晶体管（IGBT）的快速发展，在HVDC中采用以全控型器件为基础的电压源换流器（VSC）的条件已经具备。•1990年，McGill大学的BoonTeckOoi等首先提出了利用PWM控制的VSC进行直流输电的概念。7/83§1.1VSC-HVDC概述（续）•ABB公司把VSC与IGBT相结合，提出了轻型高压直流输电（HVDCLight）的概念。•1997年3月在瑞典中部的赫尔斯扬和格兰斯堡之间进行了首次HVDCLight的工业试验。这次试验的输送功率为3MW，输电电压为10kV，所使用的线路是一条暂时不用的10km交流线路。试验过程十分顺利，无论是在稳态条件下还是在暂态条件下，电力输送都十分稳定，达到了预期的性能。8/83不同的称谓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”。我国很多专家称为柔性直流输电（HVDC-Flexible）11:459/499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多端VSC-HVDC网络10/49电压源换流器常见拓扑结构-u1urucucfudUdUcu00tt+-两电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形11:45§1.2VSC-HVDC的基本原理11/49电压源换流器常见拓扑结构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_三电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形11:4512/49电压源换流器常见拓扑结构1θ2θ3θ4θ5θ90θ()0CUdU2auSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMnSM1SM2SMn+-UdPhaseModuleSMT1T2D1D2Submodule(SM)C+多电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形11:4513/83§1.2VSC-HVDC的基本原理两端接有源网络的VSC-HVDC系统原理图电抗器滤波器SUVSC滤波器电抗器VSCCU直流输电线14/83§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）•直流侧电容，起到为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时冲击电流、减小直流侧谐波的作用•换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带同时也有滤波的作用•交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波•换流器中IGBT上并联反向二极管，除了作为主回路以外，还起到保护和续流的作用15/83§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）•假设换流电抗器是无损耗的，忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为sin1XUUPCS1)cos(XUUUQCSS式中，UC为换流器输出电压的基波分量；US为交流母线电压基波分量；为UC和US之间的相角差；X1为换流电抗器的电抗。CUSU16/83§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）•有功功率的传输主要取决于，无功功率的传输主要取决于UC•换流器通常采用脉宽调制（PWM）控制技术•UC由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控制，就是PWM的调制波相角17/83§1.2VSC-HVDC的基本原理（续）•有功功率的传输主要取决于，通过对的控制就可以控制直流电流的方向及输送功率的大小。•无功功率的传输主要取决于m，通过控制m就可以控制VSC发出或吸收无功功率及其大小。•尤其当＝0时VSC只发出无功功率，当=arcos(US/UC)时VSC以单位功率因数运行。18/49VSC-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11:4519/49VSC-HVDC系统简介330MW的VSC-HVDC换流站俯视图11:4520/49VSC-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。11:4521/49VSC-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。11:4522/49VSC-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。11:4523/49VSC-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。11:4524/49VSC-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有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。故装设小容量滤波器。作用：滤去交流侧电压谐波分量；对系统提供部分无功补偿的作用。C1L1RL2C1CRL(a)二阶高通滤波器(b)四阶高通滤波器11:45但是，交流滤波器的设计需要与换流电抗器配合。25/83§1.3VSC-HVDC的技术特点•VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换相电压，从而克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。•正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。26/83§1.3VSC-HVDC的技术特点（续）•VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果VSC容量允许，故障时VSC-HVDC系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率的紧急支援，从而提高系统的电压和功角稳定性。•潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠性的并联多端直流系统。27/83§1.3VSC-HVDC的技术特点（续）•由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的VSC-HVDC线路后，交流系统的保护整定无须改变。•VSC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。28/83VSC-HVDC与常规HVDC的区别•功率范围：传统的HVDC主要运行于较大的功率范围；而VSC-HVDC输送的功率可以从几MW到几百MW，直流电压可达300kV。•模型组件：VSC-HVDC是以一套有若干标准规格的换流站模块为基础，大多数设备在制造厂家就被封装起来；而传统的HVDC往往是根据系统运行的需要以及某些特殊的用途而设计和装配的。29/83VSC-HVDC与常规HVDC的区别（续）•换流电路：VSC-HVDC换流站通过VSC实现换流，电路结构与传统HVDC有着很大的不同，其主要指标的比较如下表所示。换流站指标传统HVDCVSC-HVDC换流阀晶闸管IGBT与交流系统连接的器件换流变压器串联电感（+变压器）滤波和无功补偿滤波器和并联电容器只用小型滤波器直流平波平波电抗+直流滤波器直流电容器站间通信需要可以不需要30/83VSC-HVDC与常规HVDC的区别（续）•运行的独立性：VSC-HVDC不依赖于交流系统去维持电压和频率的稳定；与传统的HVDC相比，短路容量并不重要。VSC-HVDC可以给无源网络直接供电；而传统的HVDC在受端电网中必须有旋转电机。•对功率的控制：VSC-HVDC则可以在很短的时间内形成任意的相角或幅值，这就可以独立控制有功和无功功率。31/83§1.4VSC-HVDC的应用情况及研究现状•HVDCLight研究现状从1997年瑞典的Hellsjön工程试验成功开始，到目前为止，世界上已运行和在建的VSC-HVDC工程已有多项。（1）瑞典Hellsjön工程是世界上第1个VSC-HVDC工业试验工程（2）1999年6月，瑞典果特兰岛（Gotland）VSC-HVDC工程投入运行。这是世界上第1个商业化运行的VSC-HVDC工程32/4932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或在建的柔性直流输电工程33/4933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Es