特高壓直流背靠背方式和柔性直流原理介紹

李論

2020年10月

特高壓直流背靠背方式和柔性直流原理介紹目錄一直流輸電基本原理三柔性直流輸電技術(shù)原理二特高壓直流背靠背方式四柔性直流輸電技術(shù)特點

一、直流輸電基本原理（一）晶閘管伏安特性導(dǎo)通條件：陽極（A）和陰極（K）之間施加正向電壓；門極（G）和陰極（K）之間施加觸發(fā)脈沖。導(dǎo)通時的正向電壓降只有幾伏。關(guān)斷條件：晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)下直到流通電流降為0時才會關(guān)斷，并在承受足夠反向電壓后確保關(guān)斷。半控：控制導(dǎo)通，受迫關(guān)斷晶閘管伏安特性圖

一、直流輸電基本原理

一、直流輸電基本原理（二）六脈動整流橋換相過程（理想模型）

假設(shè)換相在瞬間完成，每一時刻由聯(lián)系最高交流電壓的晶閘管和最低交流電壓的晶閘管導(dǎo)通，按照一定順序通斷將交流電壓變換成六脈動的直流電壓。

一、直流輸電基本原理（三）六脈動整流橋換相過程（考慮換相電感）當導(dǎo)通的閥V1換相至閥V3的過程中，由于系統(tǒng)存在電感，換流變也有漏抗，所以回路中電流不會突變，而存在一個閥V1、V2、V3共同導(dǎo)通的時間?！镉捎赩1閥電流消失后長期承受反向電壓，一般整流側(cè)不存在換相失敗。（四）六脈動整流橋換相過程（考慮延時角和換相電感）考慮延遲角（用電氣角度來表示從自然換相點到閥的控制極上加以控制脈沖這段時間又稱觸發(fā)角、控制角）和換相電感的電壓波形

一、直流輸電基本原理

一、直流輸電基本原理（五）直流輸電整流與逆變逆變的條件：1）直流側(cè)有直流電動勢，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。2）晶閘管的控制角α＞π/2，使Ud反向。逆變和整流的區(qū)別：1）0＜α＜π/2時，換流器工作在整流狀態(tài)。2）π/2＜α＜π時，換流器工作在逆變狀態(tài)。三相橋式整流回路三相橋式有源逆變

一、直流輸電基本原理（六）三相橋式有源逆變狀態(tài)時的電壓波形

一、直流輸電基本原理（七）有源逆變失敗換相失?。和顺鰧?dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)未能恢復(fù)阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程未進行完畢，則在閥電壓變成正向時，被換相的閥都將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相。換相失敗的主要原因是交流系統(tǒng)故障使得逆變側(cè)換流母線電壓下降，在一定的條件下，有些換相失敗可以自動恢復(fù)，但是如果發(fā)生兩次或多次連續(xù)換相失敗，換流閥就會閉鎖，中斷直流系統(tǒng)的輸電通道，在嚴重的情況下可能會出現(xiàn)多個逆變站同時發(fā)生換相失敗，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。有源逆變失?。褐改孀儠r，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。

二、特高壓直流背靠背方式

二、特高壓直流背靠背方式（一）特高壓直流輸電示意圖特高壓直流輸電設(shè)備主要包括：換流閥、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器、直流避雷器、交流避雷器、無功補償設(shè)備、控制保護裝置和遠動通信設(shè)備等。

二、特高壓直流背靠背方式（二）背靠背直流輸電系統(tǒng)背靠背直流輸電系統(tǒng)是輸電線路長度為零的直流輸電系統(tǒng)。這種類型的直流輸電主要用于兩個非同步運行（不同頻率或相同頻率但非同步）的交流電力系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)或送電，也稱為非同步聯(lián)絡(luò)站。背靠背直流輸電的整流站設(shè)備和逆變站設(shè)備通常裝在一個換流站內(nèi)，也稱為背靠背換流站。在背靠背換流站內(nèi)，整流器和逆變器的直流側(cè)通過平波電抗器相連，構(gòu)成直流側(cè)的閉環(huán)回路；而其交流側(cè)則分別與聯(lián)接電網(wǎng)的連接點相連，從而形成兩個電力系統(tǒng)的非同步聯(lián)網(wǎng)。被聯(lián)電網(wǎng)之間交換功率的大小和方向均由控制系統(tǒng)快速方便地進行控制。（三）背靠背直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點①背靠背直流輸電的直流側(cè)可以選擇低電壓大電流（因無直流輸電線路，直流側(cè)的損耗較?。沙浞掷么蠼孛婢чl管的電流值，同時與直流電壓有關(guān)的設(shè)備（如換流變壓器，換流閥，平波電抗器等）絕緣也相應(yīng)較低，從而使這些設(shè)備的造價明顯降低。②由于整流器和逆變器均裝設(shè)在一個閥廳內(nèi)，直流側(cè)諧波可全部控制在閥廳內(nèi)，而不會產(chǎn)生對通信的干擾，從而可降低直流側(cè)濾波的要求。通?？墒∪ブ绷鳛V波器，同時平波電抗器值也可選擇的較小。③利用背靠背直流輸電系統(tǒng)，除可方便快速地調(diào)節(jié)有功功率以外，還可比利用遠距離直流輸電更加方便地進行無功功率的調(diào)節(jié)，從而更有利于改善被聯(lián)交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。因此，背靠背直流輸電的造價低，設(shè)備制造難度小，運行的靈活性好，是進行非同步聯(lián)網(wǎng)的最佳選擇。

二、特高壓直流背靠背方式

三、柔性直流輸電技術(shù)原理

三、柔性直流輸電技術(shù)原理（一）柔性直流輸電技術(shù)柔性直流輸電指的是基于全控型器件的高壓直流輸電。柔性直流輸電的主要工作原理是通過控制IGBT換流閥開通或關(guān)斷，在交流側(cè)調(diào)制出一個正弦電壓，通過控制電壓的幅值和相角實現(xiàn)與交流系統(tǒng)的功率交換。柔性直流輸電的核心技術(shù)是采用可關(guān)斷的電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)的電壓源型換流器。

三、柔性直流輸電技術(shù)原理（二）全控型電力電子器件IGBT柔性直流與常規(guī)直流的最本質(zhì)區(qū)別在于其核心元件采用全控型電力電子器件IGBT。IGBT的開通和關(guān)斷都可以控制，換相不依賴于交流電源，可工作在幾千赫茲的開關(guān)頻率下。而常規(guī)直流所用晶閘管只能控制開通，關(guān)斷需晶閘管兩端承受反向電壓且保證足夠電流過零時間，開關(guān)換相依賴交流電源，晶閘管每工頻周期只開斷一次。

三、柔性直流輸電技術(shù)原理（三）兩電平結(jié)構(gòu)換流技術(shù)兩電平換流器結(jié)構(gòu)有六個橋臂，每個橋臂都可等效成一個開關(guān)，橋臂由IGBT和與之并聯(lián)的二極管組成，其電路結(jié)構(gòu)同常規(guī)直流的六脈動橋一致。柔性直流換流器的工作基礎(chǔ)是有穩(wěn)定的直流電壓。在換流器解鎖前，合上交流進線開關(guān)，通過IGBT模塊的反并聯(lián)二極管對直流電容不控整流充電，初步建立直流電壓。兩電平結(jié)構(gòu)換流器的電容預(yù)充電

三、柔性直流輸電技術(shù)原理（三）兩電平結(jié)構(gòu)換流技術(shù)二極管不控整流結(jié)束后換流器解鎖,通過驅(qū)動兩電平結(jié)構(gòu)上下橋臂的IGBT開關(guān)的通斷時間生成一系列等幅不等寬的脈沖來等效獲得正弦波。相對于接地點，兩電平換流器每相可輸出兩個電平:0.5Ud和-0.5Ud，上橋臂導(dǎo)通輸出0.5Ud,下橋臂導(dǎo)通輸出-0.5Ud。（三）兩電平結(jié)構(gòu)換流技術(shù)通過PWM脈寬波等效正弦波的原理解釋如下：把正弦半波分成N等份（如N=7），就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等（等于п/N）但幅值不等的正弦脈沖，可用面積相對應(yīng)的矩形脈沖列替代，該矩形脈沖列就是PWM脈寬波。N值越大，PWM脈寬波就越逼近正弦波。

三、柔性直流輸電技術(shù)原理（四）模塊化多電平結(jié)構(gòu)換流技術(shù)模塊化多電平換流器同樣有6個橋臂，其橋臂不是由多個開關(guān)元件串聯(lián)而成，而是采用多個子模塊串聯(lián)的方式。

三、柔性直流輸電技術(shù)原理（四）模塊化多電平結(jié)構(gòu)換流技術(shù)該換流器的工作方式比較簡單，也是先通過二極管對直流電容充電來初步建立每個模塊直流電壓，隨后換流器解鎖，通過控制投入子模塊的數(shù)量構(gòu)成階梯波的方式來輸出正弦波

三、柔性直流輸電技術(shù)原理

三、柔性直流輸電技術(shù)原理（五）柔性直流輸電技術(shù)原理從由交流系統(tǒng)流入柔性直流系統(tǒng)的潮流可表示為：

（1）

（2）四、柔性直流輸電技術(shù)特點

四、柔性直流輸電技術(shù)特點（一）柔性直流換流器工作模式（1）功率控制模式是指當柔性直流系統(tǒng)連接有源網(wǎng)絡(luò)時，通過調(diào)整換流器輸出正弦電壓的幅值和與網(wǎng)側(cè)電源相角差（根據(jù)公式（1）和（2））,實現(xiàn)控制有功和無功功率的目的。（2）直流電壓控制模式指在功率控制的基礎(chǔ)上，通過動態(tài)的調(diào)節(jié)注入直流電容的有功功率，達到控制直流電壓的主要目的。當注入有功大于負載功率時，直流電容處于充電狀態(tài)，直流電壓上升；反之則直流電壓下降。工作在該模式下的換流站在直流系統(tǒng)中相當于一個平衡節(jié)點，起到有功功率平衡和直流電壓維持的作用。（3）交流電壓控制模式是指當柔性直流系統(tǒng)連接無源網(wǎng)絡(luò)時，換流器輸出一個幅值、頻率、角度恒定的正弦電壓，為無源網(wǎng)絡(luò)提供電壓源支撐。柔性直流系統(tǒng)運行穩(wěn)定的重要前提是直流電壓的穩(wěn)定，直流電壓穩(wěn)定的重要性就像交流系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定一樣。不論對于多端還是雙端柔性直流系統(tǒng)，必須要有一個換流器工作在直流電壓控制模式下，且直流電壓控制模式的換流器先解鎖，其余換流器后解鎖并根據(jù)交流系統(tǒng)狀態(tài)選擇功率控制模式或交流電壓控制模式。

四、柔性直流輸電技術(shù)特點（二）柔性直流輸電技術(shù)特點優(yōu)點：（1）無換相失敗問題（2）換相不依賴交流系統(tǒng)，可對無源系統(tǒng)供電。（3）無需無功補償，還可向交流系統(tǒng)提供無功支援。缺點：直流線路故障不易清除，對于各側(cè)交流系統(tǒng)相當于三相對地短路直流線路上發(fā)生故障時，即便IGBT全部關(guān)斷，交流系統(tǒng)還是會通過IGBT反并聯(lián)的二極管向故障點饋入故障