柔性直流輸電技術發(fā)展背景目錄1 VSC技術發(fā)展歷程 21.1 VSC在領域中的應用 21.2 VSC在STATCOM中的應用 31.3 VSC在SSSC中的應用 31.4 VSC在UPFC中的應用 31.5 VSC在DVR中的應用 32 柔性直流輸電技術發(fā)展歷程 42.1 柔性直流輸電技術溯源 42.2 柔性直流輸電技術命名過程 53 柔性直流輸電原理及技術特點 53.1 柔性直流輸電技術基本原理 53.2 柔性直流輸電技術特點 8

VSC技術發(fā)展歷程受到早期全控器件容量的限制C首先在變頻器逆變電源高頻開關電源等領域取得了廣泛的應用尤其在電力拖動領域電機驅動已經(jīng)從C換相技術向C換相技術轉移。采用PM的C電機驅動技術能夠實現(xiàn)驅動裝置的緊湊性和靈活可控性。目前基于PM的C技術在電力系統(tǒng)拖動領域中的應用已經(jīng)相當成熟，但是這些裝置的運行電壓等級相對較低，通常不使用半導體器件的串聯(lián)技術。隨著應用電壓等級和容量不斷提升C技術在電力輸配電領域的應用也越來越廣泛以T技術輸電技術（ConsuerPower相對于基于半控器件的電力電子裝置基于全控型開關器件的技術具有以下優(yōu)點[1：VSC技術響應時間遠小于交流系統(tǒng)的基波周期，結合適當?shù)目刂撇呗阅軌蜓杆賹崿F(xiàn)功率的連續(xù)精確控制；即使在并網(wǎng)系統(tǒng)電壓非常低的情況下，VSC仍然能夠輸出額定的容性電流，這樣的性質對電力系統(tǒng)是十分有益的；VSC的高頻調制頻率使系統(tǒng)的諧波電流很小，可以有效降低濾波器的容量；由于采用全控型開關器件，VSC的運行基本上不受接入點短路容量的限制，不會出現(xiàn)換相失敗的故障。大量采用C技術的TC以及P裝置在輸配電領域中的應用有效地實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的“可控度，實現(xiàn)了對電網(wǎng)參數(shù)、網(wǎng)絡結構的靈活快速控制，實現(xiàn)了輸送功率的合理分配實現(xiàn)了不同電網(wǎng)的互聯(lián)大幅度提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性。VSC在領域中的應用隨著電力電子器件的發(fā)展和TS理論研究的深入AS技術功能更加多樣化，控制功能也更強。FACTS裝置的應用始于上世紀80年代，從使用的電力電子器件的角度來看，F(xiàn)ACTS裝置可以分為基于半控器件的第一代裝置，如：可控串聯(lián)電容補償器（ThyristorControlledSeriesr，C、靜止無功補償器（taticrCopensator，；以及基于全控器件的新一代TS裝置，如：靜止同步補償器（taticsCompensatorM靜止同步串聯(lián)補償（taticSeriesCompensator統(tǒng)一潮流控制（drwControlle，動態(tài)電壓調節(jié)器（DynaicoltageRegulator，。新一代裝置共同特點為：核心部分都是基于全控器件的VSC。VSC在STATCOM中的應用上世紀80～90年代OIGBT等可關斷器件的額定電壓電流已經(jīng)可以達到電力系統(tǒng)應用的要求出現(xiàn)了基于全控型器件的SCOM的TM采用O器件由于受O本身工作頻率的限制該類型SCOM裝置通常采用脈沖幅值調制（PulseAplitdeModulatio，M）技術，其交流側有較大的諧波分量。近年來隨著大功率器件制造技術的發(fā)展以及對M性能要求的提高基于其它可關斷器件（T，T和T）的M裝置也開始得到迅速的應用，其中基于T的（ABB公司稱其為CLight作C的一個換流站，采用PM調制方式從1999年開始已經(jīng)有5套實際工程在運行2004年投運的Holly工程的無功功率變化范圍已經(jīng)達到+110/-80Mvar。VSC在SSSC中的應用C屬于串聯(lián)補償裝置C可以向線路串聯(lián)注入幅值可控相角與線路電流垂直的電壓能夠實現(xiàn)對線路的容性和感性補償可以控制線路功率提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前世界上還沒有單獨的C工程但已經(jīng)投運了兩個C工程以及一個可變靜態(tài)補償（ConvertibletateCopensato工程其中每一個工程中都包含一個裝置。VSC在UPFC中的應用UPFC屬于串聯(lián)和并聯(lián)混合補償裝置。UPFC可以同時控制影響線路潮流的全部因素——電抗、電壓及相角，它結合了SSSC與的全部優(yōu)點，具備了串并聯(lián)補償?shù)哪芰?。其中美國的AEPInez工程的額定容量為2×±160MVA，其電壓源換流器采用GTO開關器件。VSC在DVR中的應用R屬于定制電力技術范疇，主要串聯(lián)于配網(wǎng)系統(tǒng)以保證負荷電壓恒定。當負荷電壓驟降或電壓突升時R響應注入三相串聯(lián)補償電壓，補償故障前后的電壓差值。其中每相注入電壓是單獨可控的即每相電壓的幅值和相角都是可控的產(chǎn)生三相注入電壓所需的有功和無功功率由C提供而C直流側電壓則由不控整流橋通過并聯(lián)變壓器取得。柔性直流輸電技術發(fā)展歷程柔性直流輸電技術溯源直流輸電是電力發(fā)展初期使用的輸電方式由于當時的技術還不能對直流進行電壓轉換直流只能進行短距離輸電它的進一步應用受到限制逐漸被交流輸電取代但直流沒有停止前進的腳步，隨著技術的進步，20世紀30年代人們開始認識到直流輸電是進行高壓大容量遠距離輸電的有效工具人們的視線又回到直流輸電上來汞弧閥換流器問世。20年后，1954年由瑞典本土向哥特蘭島送電的第一條高壓直流線路投入商業(yè)運行此后直流輸電飛速發(fā)展世界各地出現(xiàn)了許多大大小小的汞弧閥直流輸電系統(tǒng)。又一個20年后晶閘管代替汞弧閥成為直流輸電換流器的開關元件自1972年始相繼有61個晶閘管直流輸電項目開始投入運行，總輸電容量接近55000M，其中承擔45000M，最大的工程是Itaipu兩條±600k，3150M的直流輸電項目[2]。然而由于晶閘管閥關斷不可控目前廣泛采用的技術具有以下固有缺陷[3]：()換流站只能工作在有源逆變狀態(tài)，且受端系統(tǒng)必須有足夠的短路容量，否則容易發(fā)生換相失??；()換流站產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量大；()換流站需吸收大量的無功功率，需要大量的濾波和無功補償裝置(4)換流站占地面積大、投資大。因此，基于晶閘管的電流源型直流輸電技術主要用于遠距離和大容量輸電海底電纜輸電以及交流電網(wǎng)互聯(lián)等領域但是由于技術可靠性及經(jīng)濟性等原因目前乃至將來很長一段時間內在直流輸電領域中的應用仍然會是最主要的。隨著新型高壓大功率可控關斷電力電子器件，如T、、IGCT的不斷涌現(xiàn)，及其額定電壓、電流的快速增長，原來在中低壓和小功率系統(tǒng)中廣泛使用的基于PM技術的新型換流技術已開始在輸電領域得到了部分應用并有可能將來取代相控換流技術。20世紀末出現(xiàn)了采用電壓源換流器技術的柔性直流輸電技術。VSC-HVDC技術首先由加拿大McGill大學的Boon-ecki等人于1990年提出，吸引了世界上眾多學者和研究人員的關注。B公司首先實現(xiàn)了C技術在長距離電力傳輸、背靠背工程或者靜止無功控制器等領域的應用。該技術1997年開始用于電力傳輸，同年在赫爾斯揚上馬示范工程。赫爾斯揚工程額定功率是3MW，直流電壓是±10kV，采用IGBT閥，三相橋結構和高壓直流電容。IGBT閥具有可控開通和關斷的能力，完全不同于用于線換相HVDC的傳統(tǒng)晶閘管閥，開通可控，而關斷要依賴換相電壓，有一個換相過程。最早投入經(jīng)濟運行的柔性直流輸電系統(tǒng)的輸電功率是60M其換流器采用兩電平拓撲結構PM用于控制T閥的開關早期的SC系統(tǒng)開關頻率較高直流電壓是±80kV。第二代采用三電平換流器，直流電壓達到±150kV，輸電功率達到330MW。這種最新的設計方案用在了CrossSound電纜工程（330MW）和MurrayLink工（220M中CrossSound的開關頻率為（產(chǎn)生21次諧波MurrayLik是z（產(chǎn)生27次諧波。在最近的關于柔性直流輸電的技術介紹中，ABB公布新一代IGBT即將投入使用，換流站容量將達到500MW。柔性直流輸電技術命名過程柔性直流輸電技術是一種以電壓源換流器可關斷器件和脈寬調制技術為基礎的新型輸電技術，國際上權威的電力方面的學術組織，如E和E，將其正式稱為“C，即“電壓源變流器直流輸電。目前，B公司則稱之為輕型直流輸（Ct作為商標注冊西門子公司則稱之為新型直流輸（Cs。在國內因B宣傳多，又有實際工程業(yè)績，常常也叫做輕型直流輸電，為了促進并形成自有知識產(chǎn)權2006年5月中國電力科學研究院組織國內權威專家在北京召“柔性（輕型）直流輸電系統(tǒng)關鍵技術研究框架研討會，會上，與會專家一致建議國內將該技術統(tǒng)一命名為“柔性直流輸電，對應英文為。柔性直流輸電原理及技術特點柔性直流輸電技術基本原理C是一種以電壓源換流器可關斷器件和脈寬調制技術為基礎的新型直流輸電技術與傳統(tǒng)的基于線控換流器技術的C不同在對輸送的有功功率進行快速靈活控制的同時還能夠動態(tài)補償交流母線的無功功率穩(wěn)定交流母線的電壓，起到M的作用。因此，C既可以向故障系統(tǒng)緊急支援有功功率，又可以緊急支援無功功率，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性[47。柔性直流輸電原理如圖2-1VSC流橋、換流變壓器（電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。每個橋臂由多個串聯(lián)而成。換流變壓器（電抗器）是C與交流側能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用直流電容器可以為受端站提供電壓支撐緩沖橋臂開斷的沖擊電流減小直流側諧波。交流濾波器能夠濾除交流側的諧波。送端站

直流輸電線/電纜

受端站相電抗 相電抗相電抗 相電抗T2C圖濾波器濾波器US圖2-1 柔性直流輸電原理圖柔性直流輸電技術的另一項核心技術是正弦脈寬調制（SinePulseModulation，其控制原理如圖2-2所示。utriutri1δMuaref0tuaouao1Ud/20t圖2-2 VSC-HVDC系統(tǒng)SPWM控制原理圖圖中a相SPM的調制參考波uraef與三角載波uri大于三角載波觸發(fā)a相的換流橋臂上開關導通并關斷下開關反之則觸發(fā)橋臂的下開關導通并關斷上開關在上下橋臂開關的交替導通與關斷下C交流出口電壓uao將產(chǎn)生幅值為正負Ud/2的脈沖序列，d為VSC的直流側電壓。該脈沖序列中的基頻電壓分量uao1與調制參考波相位一致幅值為Ud/因此從調制參考波與C出口電壓基頻分量的關系上看，C可視為無相位偏移、增益為Ud/2的線性放大器。由于調制參考波的幅值與相位可通過PM的脈寬調制比C交流輸出基頻相電壓幅值與直流電壓的比值）以及移相角度實現(xiàn)調節(jié)，因此VSC交流輸出電壓基頻分量的幅值與相位亦可通過這兩個變量進行調節(jié)。通過以上論述可知，采用PM技術的SC可以同時獨立地控制調制比M和移相角兩個物理量C正常運行時每個換流站可以各自獨立地控制有功功率類物理量和無功功率類物理量但直流網(wǎng)絡的功率必須保持平衡即注入直流網(wǎng)絡的有功功率必須等于直流網(wǎng)絡輸出的功率、換流閥（C閥）損耗和直流網(wǎng)損之和。假設換相電抗器是無損耗的在忽略諧波分量時換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q分別為：PUSUCsinXL

········（2-1）QUS(USUCcos)XL

·······（2-2）式中：UCUS

—換流器輸出電壓的基波分量；—為交流母線電壓基波分量； 之間的相角差；C SXL—為換流電抗器或換流變壓器的電抗。由上述公式和圖2-3可知，有功功率的傳輸主要取決于，無功功率的傳輸主要取決于UC。因此，通過控制就可以控制直流電流方向及輸送有功功率的大小，通過控制UC就可以控制C發(fā)出或者吸收無功功率從系統(tǒng)角度來看C可以看成是一個無轉動慣量的電動機或發(fā)電機幾乎瞬時的分別單獨控制有功功率和無功功率實現(xiàn)四象限運行。PP0 Q0P0Q0CSP0 Q0 P0Q0C圖2-3 VSC-HVDC換流器穩(wěn)態(tài)運行時的基波相量圖柔性直流輸電技術特點如前所述，柔性直流輸電是采用可控自關斷型電力電子器件和PWM技術，它與傳統(tǒng)直流輸電相比，主要有以下技術特點：VSC的電流能夠自關斷，可以