柔性直流輸電技術課件

1、柔性直流輸電技術基本特征 目 錄柔性直流換流器技術32柔性直流輸電換流器的控制4柔性直流輸電系統(tǒng)5柔性直流輸電的定義1柔性直流輸電功率器件2柔性直流輸電技術的發(fā)展6柔性直流輸電的定義 目 錄13柔性直流輸電技術VSC-HVDC基于可關斷器件和電壓源換流器（Voltage Source Converter, VSC）的高壓直流輸電技術（VSC-HVDC），換流器自換向，能夠獨立調節(jié)有功功率和無功功率，可控性和靈活性強，被譽為新一代的直流輸電技術命名情況：IEEE/CIGRE等國際組織：基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術（VSC-HVDC）ABB公司：產(chǎn)品注冊商標“輕型直流輸電（HVDC-Lig

2、ht）”西門子公司：產(chǎn)品注冊商標“新型直流輸電（HVDC-PLUS）”中國：柔性直流輸電ABCmneaebecLrLdV1V3V5V2V4V6iaibiciddUi1i3i5i2i4i6N+id常規(guī)直流輸電：晶閘管技術，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)ABCmneaebecLrLdV1V3V5V2V4V6iaibicididdUi1i3i5i2i4i6N+高壓直流輸電（LCC-HVDC）柔性直流輸電（VSC-HVDC）柔性直流輸電與常規(guī)直流比較 晶閘管 相位角控制 晶閘管通過脈沖信號控制開通，但不能控制關斷，電網(wǎng)換相。當承受電壓反向時，自動關斷。 開關頻率

3、50/60 Hz IGBT或其他可關斷功率器件 脈寬調節(jié)控制 可關斷器件，可以通過控制信號關斷，完全可控，自換相。 強迫換相頻率上百赫茲。高壓直流輸電（LCC-HVDC）柔性直流輸電（VSC-HVDC）運行性能比較 換流器產(chǎn)生諧波量大，噪音較大，需要配備交流濾波器 需要無功補償，最大約為50%輸送容量 換流站濾波器小組投切過程較慢，且引起電壓波動 電網(wǎng)換相，需要交流系統(tǒng)提供足夠的短路容量。 脈寬調制使換流器諧波大大降低，只需要容量約為1020%的高通濾波器 換流站無需無功補償，且可為交流系統(tǒng)提供緊急無功支援 無功調節(jié)平滑、快速 換流器完成自換相，無需電網(wǎng)提供換相幫助，對短路容量沒有要求。高壓直

4、流輸電（LCC-HVDC）柔性直流輸電（VSC-HVDC）工程應用比較 換流站占地面積大，輔助設備較多 同等容量下，設計較為復雜、建設工期長、運行維護投入較大 電壓已達800kV以上，傳輸功率6400MW，適合大系統(tǒng)間大規(guī)模功率傳輸，適合能源的優(yōu)化配置結構緊湊、功率密度高，換流站面積約小40% 同等容量下，設計相對簡單、主要設備在工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝和維護較為簡單 能為弱系統(tǒng)、無源網(wǎng)絡供電，如島嶼供電、海上油氣平臺供電、風電聯(lián)網(wǎng)等。 可實現(xiàn)黑啟動工程應用比較節(jié)約空間VSC-HVDCLCC-HVDC工程應用比較柔性直流換流站常規(guī)直流換流站柔性直流輸電功率器件 目 錄211電力電子開關機械開關高壓大

5、電流Power+=Electronics高速電子控制低損耗長壽命Power ElectronicsV/mAkV/kAkV/kAV/mA電力電子開關（功率器件）是裝置的基礎12電力電子技術的三要素電力和能源系統(tǒng)和控制電力電子技術電子和設備電力電子技術是應用于電力領域的電子技術，使用電力電子器件（電力半導體器件）對電能進行變換和控制的技術，變換的電力從W級到百MW，甚至GW電力電子技術已廣泛用于電氣工程學科，其裝置廣泛用于柔性交直流輸電、配電網(wǎng)電能質量補償與控制、高性能交直流電源等領域近年來，能源成為當今人類面臨的重大問題 ，電力電子裝置是能源變換的功能性裝置，電力電子技術已成為能源變換與傳輸?shù)年P

6、鍵技術13交流和直流變換器件半控器件，全控器件低電壓、小電流，高電壓、大電流拓撲低電平，多（高）電平高損耗，低損耗控制脈寬調制先進功率理論技術內(nèi)容關注點通過換流器（Converter）實現(xiàn)變換14功率器件的開通和關斷過程門極控制電壓集電極和發(fā)射極電壓導通電流導通和關斷由門極信號控制導通和關斷過程快速，但非理想導通和關斷存在尖峰電流和電壓實際關斷和導通波形15功率器件的發(fā)展ThyristorGTOIGCTIGBT/IEGT由半控型到全控型開關速度由低到高（50/60Hz 到幾kHz)電壓、電流等級逐漸提高(幾kV/幾kA)半控器件開通可控關斷不可控ETO全控器件開通可控關斷可控16大功率開關器件

7、的分類晶閘管類器件（GTO,IGCT）晶體管類器件(IGBT,IEGT)門極驅動電流控制，所需功率較大電壓控制，所需功率較小導通壓降低高允許開關頻率低高電壓/電流能力較大相對低電網(wǎng)設備主要采用3300V及以上等級的高壓IGBT(HV IGBT)17晶閘管(Thyristor) 晶體管類(Transistor)門極電流控制開通關斷關斷時所需門極負脈沖電流較大可承受開關頻率較低導通壓降較低所能實現(xiàn)的電壓、電流等級較高門極電壓控制開通關斷門極驅動功率小，開關速度快，可承受開關頻率高導通壓降大所能實現(xiàn)的電壓、電流相對不高18GTO和IGCT集成門極緩沖層透明陽極逆導技術GTOIGCT上海50MVAr

8、STATCOM采用IGCT目前只有ABB公司供應最早的全控器件開關頻率低，已很少使用19IGBT和PP IGBT(IEGT)IGBTPP IGBT(IEGT)電子注入增強低導通電壓降寬安全工作區(qū)壓接式封裝，雙面散熱失效后處于短路狀態(tài)主要供應商有東芝、ABB和Westcode模塊塑封應用最廣的全控器件三菱、英飛凌、日立、ABB等多個供應商20功率器件封裝模式模塊式封裝(PMI)技術成熟安裝工藝簡單器件制造商多損壞時可能發(fā)生爆炸串聯(lián)不易實現(xiàn)器件容量相對較小壓接式封裝（Press-Pack)器件故障后不會爆炸故障后處于短路狀態(tài)結構上易于串聯(lián)散熱性能好封裝難度大供應商少壓接式封裝可靠性更高主要有以下幾

9、類1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT2）日本東芝IEGT3）英國西瑪碼PP IGBT4）美國ETO兩種封裝模式均有柔直應用ABB工程全部采用 StatkPak西門子 Transbay工程用PMI IGBT21SCFM-短路失效模式SCFM（Short-Circuit Failure Mode)器件發(fā)生失效后器件處于短路模式，并能夠繼續(xù)安全流過工作電流，直至裝置檢修時更換ABB StakPakTM IGBT在SCFM方面的技術資料公開比較充分，東芝IEGT也有相關試驗數(shù)據(jù) 22功率器件的電壓電流水平主流型號IGBT 4500V/1200AIGBT 4500V/1500AIEGT

10、4500V/1500AIEGT 4500V/2100AStakPak IGBT 4500V/2000AStakPak IGBT 2500V/2000AIGCT 4500V/4000AETO 4500V/4000A備注：IGCT和ETO的標稱電流為峰值，約與IGBT的2000A相等23柔性直流輸電功率器小結柔性直流輸電采用的功率器件一般容量較大電壓等級在3300V以上，有3300V，4500V通流能力在1000A以上，有1200A，1500A良好的開通、關斷特性，導通特性開通關斷過程尖峰電壓和電流開通、關斷過程快速，限制開關損耗導通壓降低，限制通態(tài)損耗器件類型和封裝已經(jīng)使用：壓接式IGBT，模塊

11、式IGBT其他器件：IGCT，ETO壓接式封裝散熱較好，損壞帶來的影響較小，是發(fā)展趨勢備注：以上考慮的因素也適合電網(wǎng)其他電力電子設備，如STATCOM等24柔性直流換流器技術3目 錄25基于全控器件的換流器自換相換流器 Self-Commutated Converter VSC (Voltage Source Converter)CSC (Current Source Converter)STATCOM, SSSCVSC-HVDC直流側為電容，視作電壓源直流側為電抗，視作電流源主流方式較少采用全控器件全控器件26電壓源換流器原理0Vdc脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation

12、, PWM)27正弦載波PWM ( Sine PWM, SPWM)載波頻率fs：三角載波頻率三角載波參考波參考波頻率f1載波比：fs/f1換流器輸出電壓（基波）波形與參考波一致28換流器四象限運行（有功和無功獨立控制）UcUsULUC US時, Q 為容性IULIUSUCUSUCULUC 0, 整流模式IUcUsULP3時的直流電容電壓平衡控制十分困難在電力系統(tǒng)中少采用+Vdc/2+Vdc/40-Vdc/4-Vdc/2二極管鉗位多電平換流器40模塊串聯(lián)換流器全H橋結構 所需主開關器件數(shù)目 2(N-1) 所需鉗位電容數(shù)目 (N-1）/2需要直流電壓平衡控制直流側無法實現(xiàn)端對端連接已是大容量STA

13、TCOM主要采用的結構上海50MVA，東莞200MVA STATCOM均是這種結構41Modular Multilevel Converter, MMC (模塊化多電平換流器）模塊串聯(lián)換流器半H橋結構需要直流電壓平衡控制直流側能夠實現(xiàn)端對端連接柔性直流輸電主流結構42MMC換流器工作原理S1=On, S2=Off : Vx=VcS1=Off, S2=On: Vx=0直流電壓控制 Vd=nVC 交流電壓控制 VAC=V1+V2+Vn43MMC換流器工作原理等效為可控電壓源直流電壓約束交流電壓約束44MMC換流器橋臂等效電路橋臂電流存在交流和直流分量45MMC換流器的調制策略兩種主要調制策略最近電

14、平逼近調制(NLM)載波移相調制（CPSM）46多電平換流器諧波特性好2電平10電平50電平諧波性能大大改善多電平換流器的優(yōu)點不需要裝設濾波器47多電平換流開關頻率大大降低兩電平換流器多電平換流器等效開關頻率器件開關次數(shù)器件開關頻率大大降低器件開關頻率很高器件開關頻率從幾千Hz降低到250Hz到300Hz48Losses in Power DevicesLosses in Magnetic ComponentsConducting LossSwitching Loss提高器件性能降低開關頻率降低開關頻率等于降低損耗49例子：換流器技術對損耗的影響注：引自ABB參考資料Gen.1 是兩電平換流器

15、，損耗3.3%Gen.2和Gen.3 是三電平換流器，損耗2.0%左右Gen.4 是多電平換流器，損耗1.0%常規(guī)直流50兩電平（三電平）多電平換流器諧波高低dv/dt高低濾波器需要不需要器件動態(tài)均壓措施需要不需要PWM控制簡單復雜直流電容電壓均衡控制不需要需要模塊化結構不易實現(xiàn)容易實現(xiàn)冗余運行能力器件冗余模塊冗余不同拓撲換流器比較注：1、多電平換流器指幾十電平以上的換流器 2、多電平換流器控制難題能夠解決51柔性直流輸電換流器小結主要采用模塊化多電平換流器拓撲基本單元為功率模塊，功率模塊串聯(lián)實現(xiàn)高電壓模塊化多電平換流器特點一般電平數(shù)達到100以上無需安裝濾波器通過模塊實現(xiàn)換流器冗余器件開關頻

16、率幾百赫茲，換流器損耗較低能夠采用的功率器件種類多，選擇廣備注：以上考慮的因素也適合電網(wǎng)其他電力電子設備，如STATCOM等52柔性直流輸電換流器的控制 目 錄453定P、Q控制定直流電壓控制定交流電壓控制VSC-HVDC的主要控制方式類別實現(xiàn)系統(tǒng)級控制目標產(chǎn)生補償參考電流iref（諧波、無功等）irefvref使換流器輸出電流得到控制產(chǎn)生vref指令生成PWM控制脈沖基于VSC系統(tǒng)的控制層次VSC-HVDC中換流器的控制不考慮拓撲結構，只考慮外部變量特性dq坐標系下的VSC數(shù)學模型線性化后的控制環(huán)引入新的變量 v1、v2dq坐標系下的VSC反饋線性化解耦控制VSC-HVDC的dq解耦控制器優(yōu)

17、點一種較為經(jīng)典的控制方法控制量、反饋量均為直流量，比較容易穩(wěn)定對控制速度的要求較低可以與各種PWM方法配合工作，對開關頻率要求較低缺點暫態(tài)過程中，dq軸上的量存在波動，給控制帶來困難尤其在系統(tǒng)不對稱故障時，對控制效果的影響較大dq解耦控制的優(yōu)缺點MMC換流器的直流電壓均衡控制柔性直流輸電系統(tǒng) 目 錄562柔性直流輸電系統(tǒng)構成系統(tǒng)研究成套設計換流器技術控制保護系統(tǒng)63主要關鍵技術換流站系統(tǒng)柔直系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)柔性直流輸電換流站系統(tǒng)換流站主要一次功能設備包括：換流閥聯(lián)接變壓器橋臂電抗器啟動電阻接地電阻閥冷系統(tǒng)換流站交流側接線聯(lián)接變壓器啟動回路橋臂電抗器電流測量裝置換流閥匹配交流系統(tǒng)和換流器之間電壓

18、在交流側設置接地系統(tǒng)（也可在直流側設置接地系統(tǒng)）根據(jù)換流站P/Q輸出范圍和系統(tǒng)暫態(tài)特性，選取設備參數(shù)無交流濾波器和無功補償設備柔性直流輸電換流站系統(tǒng)換流閥直流側電抗器直流側線路直流側接線直流電壓電流測量裝置直流側電抗器限制雷電無直流濾波器柔性直流輸電換流站系統(tǒng)柔性直流輸電換流站系統(tǒng)柔性直流輸電換流站系統(tǒng)聯(lián)接變壓器主要作用：（1）在交流系統(tǒng)和柔直換流站間提供電抗連接（2）對交流電網(wǎng)與直流輸電系統(tǒng)的直流電壓等級進行匹配（3）提供中性接地點連接變壓器啟動電阻閥電抗柔性直流輸電換流站系統(tǒng)啟動電阻主要作用：限制閥側電網(wǎng)對于功率模塊直流儲能電容的充電電流，使換流器相關設備免受沖擊電流與沖擊電壓影響，保證設

19、備安全運行；限制充電速度，避免充電過程中功率模塊電容器電壓不平衡橋臂電抗主要作用：柔性直流換流站與交流系統(tǒng)之間功率傳輸?shù)募~帶限制橋臂環(huán)流限制故障電流上升率閥冷系統(tǒng)分為內(nèi)冷水系統(tǒng)和外部空氣/噴淋水冷卻器兩部分。內(nèi)冷系統(tǒng)主要是迅速吸收換流閥散發(fā)熱量，外冷系統(tǒng)主要降低循環(huán)水溫。內(nèi)冷水系統(tǒng)的主要設備由主循環(huán)回路、去離子回路、定壓系統(tǒng)、補水回路、自動排氣閥構成。外部空氣冷卻器由換熱翅片管束和變頻調速風機構成。內(nèi)冷水系統(tǒng)外部空氣冷卻器冷卻水系統(tǒng)回路圖柔性直流輸電換流站系統(tǒng)序號名稱1阻水銅導體2半導電尼龍帶3導體屏蔽4北歐DC XLPE絕緣5絕緣屏蔽6半導電緩沖帶7合金鉛套8HDPE護套9PE填充條10不銹

20、鋼光單元11PP內(nèi)墊層12鋼絲鎧裝13瀝青+PP外被層柔性直流輸電換流站系統(tǒng)XLPE 絕緣柔性直流輸電電纜絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯， 其通過超凈高純度工藝或在交聯(lián)交流電纜絕緣中添加納米材料解決了交聯(lián)直流電纜的空間電荷問題。軟化點高、熱變形小,在高溫下的機械強度高、 抗熱老化性能好與傳統(tǒng)直流電纜相比, 柔性直流輸電中不要求直流電纜承受電壓極性翻轉序號名稱1銅導體2半導電阻水帶+導體屏蔽3絕緣4絕緣屏蔽5半導電阻水緩沖帶6皺鋁套7瀝青8護套（HDPE+退滅蟲層）9半導電層海纜陸纜柔性直流輸電換流站系統(tǒng)優(yōu)點：閥交直流側電壓水平較低雙極/單極運行缺點：設備較多，占地面積大閥側設備耐受直流電壓優(yōu)點：設備少，

21、占地面積小閥側設備不需要耐受直流缺點：閥交直流側電壓水平高單極運行對稱雙極接線對稱單極接線串并聯(lián)方式靈活配置多個落點技術挑戰(zhàn)受端并聯(lián)、串聯(lián)多端的控制模式多樣化串聯(lián)并聯(lián)受端多落點混合多端直流柔性直流輸電控制保護系統(tǒng) 換流站控制保護系統(tǒng)總體分層結構為遠方調度中心通信層、集控中心層、換流站監(jiān)控層、控制保護層、現(xiàn)場I/O 層。75柔性直流輸電控制保護系統(tǒng) 目 錄76柔性直流輸電技術的發(fā)展6應用背景 柔性直流輸電系統(tǒng)是構建智能化電網(wǎng)的重要部分，具有綠色環(huán)保，控制靈活，適用場合廣的突出優(yōu)點。新能源接入城市配電網(wǎng)供電電網(wǎng)互聯(lián)/電力市場交易孤島/鉆井平臺供電 柔性直流輸電是采用全控電力電子器件組成的電壓源換流

22、器構成的直流輸電系統(tǒng)。77國內(nèi)外柔性直流發(fā)展概況78美國已投運3項柔性直流輸電工程，在建1項，2025年前規(guī)劃40余項。歐洲已投運7項柔性直流輸電工程，在建7項，2025年前規(guī)劃50余項。中國于2011年投運了南匯風電和中海油文昌兩個柔直工程，2013年投運南澳工程，2014年投運舟山工程，正在建設廈門工程、云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程。南匯柔性直流輸電工程換流站南澳柔性多端直流示范工程示意圖舟山多端柔性直流輸電工程世界上已投運和在建工程79已投運和在建工程特點801997年-2013年已投運工程20個，總容量5336MW2014年-2015年在建工程12個，總容量9109MW在建工程美國1個，中國2

23、個，歐洲9個在建工程換流器拓撲均為模塊化多電平結構在建工程主要為風電接入和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)在建工程有2個是多端系統(tǒng)1. 換流器結構多樣化從兩電平到多電平多電平已成為柔性直流的主流換流閥所需大功率電力電子器件選擇多樣化換流器輸出諧波含量少，無需交直流濾波器開關頻率大大降低，運行損耗減少，運行成本降低結構更加緊湊，更適合不利環(huán)境下建設、運行技術發(fā)展趨勢8110kV3MW19972010200kV400MW2015700kV1500MW技術發(fā)展趨勢2. 電壓容量增長快目前在建工程電壓等級到達500kV，容量1000MW2015單換流器將達到700kV/1500MW未來可能用于替換常規(guī)直流輸電，解決受端換向失

24、敗，增強電網(wǎng)控制能力82歐洲超級電網(wǎng)技術發(fā)展趨勢3. 向網(wǎng)絡化和多端化發(fā)展國內(nèi)外都已開始建設多端柔性直流輸電工程新能源接入和城市供電發(fā)展需要基于柔性直流系統(tǒng)的城市供配電網(wǎng)8384典型工程Trans Bay Cable工程位于美國舊金山，2010年建成，世界上首個采用模塊化多電平換流器技術的柔性直流輸電工程。直流電壓200kV，功率400MW。* From SiemensSkagerrak 4挪威-丹麥聯(lián)網(wǎng)=Sk 1 常規(guī)直流/Classic Sk 2 常規(guī)直流/Classic Sk 3 常規(guī)直流/Classic Sk 4 柔性直流/VSC-HVDC與常規(guī)直流構成雙極電壓等級達到500kV解決多直流饋入問題提供黑啟動功能2014年投產(chǎn)* From ABB 典型工程85INELFE法國-西班牙聯(lián)網(wǎng)容量達到2*1000MW換流站為系統(tǒng)提供無功支持提供黑啟動功能計劃2015年投產(chǎn)* From SIEMENS典型工程8687應用設想歐洲北海風電接入電網(wǎng)歐洲新能源并網(wǎng)，總共6200MW風電，大部分（9回直流線路，3回交流線路）通過VSC-HVDC接入歐洲電網(wǎng)。VSC-HVDC電壓在200kV到320kV之間，容量在400MW到900MW之間。*來自TenneT 主頁88應用設想德國北電南送德國規(guī)劃三回通