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1、 新型高压直流输电系统换流站参数设计研究C; the converter parameters; sinusoidal pulse width modulation; the three-phase two level VSC目录1 绪论1 1.1 课题背景和研究意义11.1.1 传统直流输电的背景11.1.2 新型直流输电（VSC-HVDC）出现的背景21.1.3 新型直流输电的应用前景21.2 国内外研究和应用现状31.2.1 国外研究和应用现状31.2.2 国内研究和应用现状41.3 本论文的主要研究工作52 VSC的工作原理及控制方式62.1 电压源换流器的原理分析62.1.1 VSC
2、的结构及基本原理分析62.1.2 PWM整流电路的四象限运行原理分析62.1.3 三相两电平VSC的主电路拓扑结构分析72.1.4 三相两电平VSC在PWM调制时原理及特性92.2 电压源换流器控制方式研究92.2.1 基于三相两电平VSC的正弦脉宽调制92.2.2 VSC的控制方式研究113 VSC-HVDC的参数设计133.1 Estlink工程简介133.2 换流变压器参数设计133.2.1 换流变压器简要介绍133.2.3 整流侧换流变压器参数设计143.3 交流电抗器参数设计163.3.1 交流电抗器简要介绍163.3.2 整流站交流电抗器参数选择163.4 直流侧电容参数设计183
3、.4.1 直流侧电容简要介绍183.4.2 整流站直流侧电容参数设计183.5 交流滤波器参数设计203.5.1 交流滤波器简要介绍203.5.2 交流滤波器参数设计204 仿真分析234.1 仿真软件PSCAD简介234.2 换流站参数仿真分析245 结论27参考文献28致谢301 绪论1.1 课题背景和研究意义1.1.1 传统直流输电的背景在特定的条件下，高压直流（HVDC）输电较交流输电有很多优点。1954年，世界上首个工业应用的直流输电工程瑞典大陆与哥特兰岛之间的输电线路投入使用。这套系统采用汞弧阀换流器，线路总长度90km，供给20MW的功率1。从此，直流输电开始稳步发展。高压直流输
4、电因其自身的结构以及性能具有一系列的特点2：在经济性上，直流输电线路的造价和运行费用低于交流输电，但其换流站的整体费用比交流变电站的要高，因此在相同的输电容量下，输电距离越远直流输电的经济性更显优越。在互联性上，交流输电量受到同步发电机功角稳定性的限制，且输电距离越远，功角稳定问题和输电能力限制问题越严重，然而直流输电不存在功角稳定方面的问题。交流系统的互联会造成短路容量的增大，由此造成断路器选择困难，而采用直流线路互联两个交流系统时不会使得短路容量增加。另外，直流输电连接的两侧电网可以不同步运行，进而直流输电能实现电网非同步互联以及不同频率交流电网的互联。在控制性上，直流输电可以实现对线路上
5、传输的功率进行快速控制，并且功率传输方向也可以很快地改变，因此可用于使得所连接的交流系统的稳定以及频率控制。高压直流输电的环路不会增加系统的短路功率，这样在设备的选择上比较经济和方便。高压直流输电主要应用是远距离输电，因为环境保护的要求级别越来越高，加上煤炭涨价等使得输电比输煤更加经济和环保，比如利用高压直流输电将西北的煤电和风电等电能输送到东部沿海等电荒比较严重的地区，在不发生大的改变的情况下可以通过高压直流输电技术来增加交流输电系统传输的电能。直流输电的缺点，直流输电换流站结构复杂、造价高，而且换流器会产生大量的谐波，若果该谐波注入所连交流系统会造成交流系统运行方面出现比较多的问题。另一方
6、面，传统的直流输电是电网换相技术，在传输有功功率的时候会吸收大量无功功率。直流输电刚开始采用的是汞弧阀换流器，但是汞弧阀制造技术较复杂、价格昂贵，并且可能产生逆弧现象，从而造成直流输电系统可靠性低、运行维护麻烦等，使得直流输电的发展受得了限制3。20世纪70年代，随着晶闸管阀的出现，高压直流输电又有了新的亮点和发展方向。1972年建立的依尔河高压直流输电系统首次采用晶闸管阀。换流设备发展为晶闸管阀使得其体积减小、成本降低，且输电系统的运行性能和可靠性得到提高。从此，直流输电进入了晶闸管阀时代。1.1.2 新型直流输电（VSC-HVDC）出现的背景由于晶闸管为半控器件，所以没有自关断电流的能力，
7、并且其开关频率较低，从而使得换流器的性能受到很大限制，进而影响了传统直流输电与交流输电的竞争力以及其在电力领域的实际应用。另一方面，随着世界性的能源紧缺和全球环境污染等问题的日益严重，风能和太阳能等可再生能源受到很大重视和利用，因其小型、分散且远离负荷中心，使得交流输电和传统的电流源换流器型高压直流输电在经济上很不划算。再者海上钻井平台以及孤立小岛等的无源负荷，大都采用比较贵的本地发电装置，一点也不经济而且对环境有很大污染。还有就是很多大城市每年的用电负荷都在增加，因此需要紧跟着用电负荷去扩充已有电网的容量，然而城市不比农村，其高楼大厦以及紧张的建筑用地使得电力走廊很有限，而且一般情况下配电线
8、路都在地下铺设，所以需要更加经济灵活和环保的输配电方式以便解决这些难题。随着电力电子器件的非常快速地研究和发展，出现了新的半导体器件绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。使用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为开关器件的换流器称为电压源换流器（Voltage-Sourced Converter,VSC)。1990年，加拿大研究电力领域的学者第一次提出了基于电压源换流器（VSC）的新型高压直流输电（VSC-HVDC）技术的初步概念3，即运用电压源换流器（VSC）和PWM技术的直流输电技术。1997年，世界上第一个采用电压源换流器的直流输电工
9、程-赫尔斯扬实验性工程投入运行，额定电压10kv，输送功率3MW4。1999年6月，首个商业运行的VSC-HVDC输电工程在瑞典哥特兰（Gotland)岛投运，换流器为两电平结构，直流侧电压为80KV，输送容量为50MW，该系统主要用于将南斯（Nas）风电场的风电输送到哥特兰岛西岸的维斯比（Visby）市5。根据它的技术特点以及实际运行上看，非常适合发展在可再生能源发电的并网、孤岛供电以及大城市地下电缆供电等领域。从此，新型高压直流输电（VSC-HVDC）发展起来了。1.1.3 新型直流输电的应用前景新型高压直流输电克服了传统直流输电的很多缺陷，具有很多适应市场需求的特点：能够快速并且独立地控
10、制与交流系统传输有功功率和无功功率，新型高压直流输电两端换流站能够吸收或者发出一定的无功功率，根据收到的无功功率调节命令或者交流系统侧电压高低来调节无功功率的发出或吸收；可以控制公共连接点的交流母线电压；提高交流输电的送电能力，主要原理是无功的快速控制能够抑制系统出现的暂态过电压，从而使得系统可以在最理想的条件下运行；潮流反转灵活方便且能够自换相，直流输电中如果电流反向就可使得潮流反向，在新型直流输电中因其电力电子可控性好这方面控制很容易3。综上，VSC-HVDC可以提高交流系统电压稳定性以及功角稳定性、降低损耗及故障后快速回复。在施工方面，新型直流输电设计施工灵活方便并且施工周期短，在环境方
11、面，其噪声污染和电磁场污染小并且没有油污。综合以上特点，VSC-HVDC的应用领域有：连接分散的小型发电厂，主要是新能源发电如风电、小型水电以及太阳能发电等；偏远负荷供电；交流电网的非同步互联；利用电缆向城市中心供电可实现无污染；海上钻井平台供电以及孤岛供电、提高交流配电网的电能质量等。新型高压直流输电技术在世界范围内发展迅速，由于半导体功率开关器件（如IGBT）的容量以及电压等级的增加，另一方面在电力电子技术以及计算机控制技术的快速发展变化下，使得新型直流输电未来的发展方向是更大容量、更高电压等级，在世界不可再生能源紧缺以及环境保护的大背景下因其各种优点将会慢慢地完全取代传统的高压直流输电系
12、统。新型高压直流输电的应用可以为我国的工商业发展以及国民生活提供质量较好的足够的电能。1.2 国内外研究和应用现状1.2.1 国外研究和应用现状新型高压直流输电自1997年世界上第一个工程投入工业试验以来，世界各国积极研究并广泛应用。目前无论在基础理论还是工程实用化方面，国际上都有比较深入的研究6。国际大电网会议组织在前几年成立了专门研究VSC-HVDC的工作组并研究相应的技术工作7，重点工作是新型直流输电系统组件的试验方法，对新型直流输电组件的应力模型、试验方法等展开研究。主要针对实际工程中遇到的难题和国际研究热点问题，如怎样提高VSC-HVDC的输电容量、降低其输电损耗和工程造价、提高系统
13、安全可靠性以及如何支持交流电网等。自新型高压直流输电技术发展以来已经有多个投入商业运行的工程，并且基本上由ABB公司制造，主要用于新能源发电、电网互联、电力交易以及海上钻进平台等领域。首个基于模块化多电平VSC的新型直流输电技术由西门子公司提出，并将于2010年投运第一个“Trans Bay Cable Project”工程。容量400MW，额定直流电压200KV，每个桥臂由216个子模块组成。ABB公司第一条架空线型的VSC-HVDC输电工程将于2009年底实现单极运行，该工程全长970km，单极容量300MW，额定电压350KV。相关研究和工程实际表明，基于元件串联的多电平拓扑以及模块化多
14、电平拓扑都可以将新型高压直流输电的电压等级提升到350kV，容量1000MW或更高6。目前发展新型高压直流输电的技术难题不大，且世界范围内积极深入研究，发展态势良好。1.2.2 国内研究和应用现状VSC-HVDC技术在国内的研究起步较晚，90年代末期，国内的一些知名大学如浙江大学、华中科技大学等在国家的一些项目资助下对新型高压直流输电做了跟踪性的基础理论研究6。2007年底，浙江大学和上海市电力公司等企业单位完成了新型直流输电技术的前期工程和基础理论研究工作。这个研究与我国实际情况相结合，首先从应用规划、可靠性、经济性、控制保护、环境影响和谐波与接地系统等全方位考虑了VSC-HVDC在我国发展
15、的可行性。该研究表明：我国风能和太阳能发电等可再生能源发电潜力巨大，在未来十年计划兴建6个百万千瓦级乃至更大的大型风电场，另一方面我国海岛众多且东部沿海城市供电压力大，而新型直流输电技术在这些领域应用潜力很大，能够带来很大的社会效益和经济效益。2008年8月，国家电网公司重大科技专项“柔性直流输电关键技术研究及示范”项目在上海正式启动8。在国内开展了一系列研究之后，最终完成了VSC-HVDC示范工程所需的关键设备技术参数设计，实现了部分设备国产化，研制出了一台容量20MW，额定电压50kV的VSC-HVDC系统关键设备，并且通过了一系列试验验证，于2010年建成了我国首个VSC-HVDC示范工程-上海南汇风电场。项目组目前已经取得了重要的研究成果，该示范工程的投入将在未来极大地促进新型直流输电工程在我国的研究开发和推广应用。2012年2月，大连规划建设世界上容量最大的VSC-HVDC工程大连跨海柔性直流输电工程24。其设计的额定最大容量为1000MW，额定电压等级是320kV,这个工程的建造目的是给大连市区供电，从而提高这个地区的电力输送能力以及提高原有交流供
