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1、2011/11/23高压直流输电高压直流输电柔性直流输电(VSC-HVDC)技术梁海峰 教一楼304室 2011/11/2柔性直流输电(VSC-HVDC)技术柔性直流输电(VSC-HVDC)系统概论?VSC-HVDC的基本原理?VSC-HVDC的技术特点?VSC-HVDC的发展与现状?VSC-HVDC的控制简介2011/11/3柔性直流输电(VSC-HVDC)技术1 VSC-HVDC的基本原理?柔性直流输电基于电压源换流器的高 压直流输电 (HVDC based on Voltage Source Converter, VSC-HVDC)?常规HVDC采用线换相电流源换流器 （Line Com
2、mutated CSC）2011/11/4柔性直流输电(VSC-HVDC)技术电抗器滤波器SU& CU&换流变压器 滤波器SU& CU&柔性直流输电 电压源换流器传统直流输电 电流源换流器2011/11/5柔性直流输电(VSC-HVDC)技术1 VSC-HVDC的基本原理（续）电抗器 滤波器SU&VSC滤波器电抗器VSCCU&直流输电线 图1 两端接有源网络的VSC-HVDC系统原理图sin1XUUPCS=1)cos( XUUUQCSS=2011/11/6柔性直流输电(VSC-HVDC)技术1 VSC-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
3、输的有功功率P及无 功功率Q分别为sinXUUPCS=XUUUQCSS)cos(=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；X为换流电抗 器的电抗。2011/11/7柔性直流输电(VSC-HVDC)技术1 VSC-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2011/11/8柔性直流输电(VSC-HVDC)技术1 VSC-HVDC的基本原理（续）?直流侧并联大电容，起到为逆变器提供电压 支撑、缓
4、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2011/11/9柔性直流输电(VSC-HVDC)技术1 VSC-HVDC的基本原理（续）?VSC-HVDC的传输电缆?VSC-HVDC传输电缆的 表面是由压缩型聚合物 做成的绝缘材料，由三 芯绞线的屏蔽物和绝缘 屏蔽物压缩在一起构成 挤塑电缆2011/11/10柔性直流输电(VSC-HVDC)技术2 VSC-HVDC的技术特点?传统的HVDC需要交流电网提供换相电流，该 电流
5、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， 即必须有足够的短路比（Short Circuit Ratio）， 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4060%，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。2011/11/11柔性直流输电(VSC-HVDC)技术2 VSC-HVDC的技术特点（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（
6、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。2011/11/12柔性直流输电(VSC-HVDC)技术2 VSC-HVDC的技术特点（续）?VSC电流能够自关断，可以工作在无源 逆变方式，不需要外加的换向电压，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。2011/11/13柔性直流输电(
7、VSC-HVDC)技术2 VSC-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STATCOM的作用，即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。2011/11/14柔性直流输电(VSC-HVDC)技术2 VSC-HVDC的技术特点（续）?由于VSC
8、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。2011/11/15柔性直流输电(VSC-HVDC)技术2 VSC-HVDC的技术特点（续）?VSC-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，约在250MW以上；而VSC-HVDC 输送的功率可以从几MW到几百MW，直流 电压可达150kV。?模型组件：VSC-HVDC是以一套有若干标准 规格的换流
9、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。2011/11/16柔性直流输电(VSC-HVDC)技术2 VSC-HVDC的技术特点（续）?换流电路： VSC-HVDC换流站通过VSC控制IGBT的通 断，因此，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50%在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 要不需要2011/11/17
10、柔性直流输电(VSC-HVDC)技术2 VSC-HVDC的技术特点（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：传统的HVDC终端可以通过滤波器和串 联电抗的通断以及在某种程度上对触发角的控制来达 到对功率的控制，但是这种控制需要额外的设备和额 外的损耗；VSC-HVDC则可以在很短的时间内形成任意 的相角或幅值，这为独立地控制有功和无功提供了可 能性。2011/11/18柔性直流输电(VSC-HVDC)技术3 VSC
11、-HVDC的发展与现状?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，具备了在 HVDC中采用以全控型器件为基础的电压 源换流器（VSC）的条件。?1990年，McGill大学的BoonTeck Ooi教授 等人首先提出了利用PWM控制的VSC进行 直流输电的概念。2011/11/19柔性直流输电(VSC-HVDC)技术3 VSC-HVDC的发展与现状（续）?ABB公司把VSC与IGBT相结合，提出了轻型高压 直流输电（HVDC Light）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HVDC Light的工业试验。这次试 验的输送功率为3MW，
12、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。2011/11/20柔性直流输电(VSC-HVDC)技术3 VSC-HVDC的发展与现状（续）? 从1997年瑞典的Hellsjn工程试验成功开始，到 目前为止，ABB公司在世界上已承建VSC- HVDC工程共13项，其中已投运的VSC-HVDC 工程有9项，在建的有4项。 （1）瑞典Hellsjn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。
13、这是世界上第1个 商业化运行的VSC-HVDC工程2011/11/21柔性直流输电(VSC-HVDC)技术3 VSC-HVDC的发展与现状（续）（3）2000年年4月，澳大利亚建成投运月，澳大利亚建成投运Directlink VSC-HVDC工程工程 （4）2000年年8月，丹麦修建的第月，丹麦修建的第1个用于风力发 电的个用于风力发 电的VSC-HVDC示范工程示范工程Tjreborg 工程正式 投运工程正式 投运 （5）2000年年9月，美国的月，美国的Eagle Pass建设了世界 上第建设了世界 上第1个采用个采用VSC-HVDC技术实现电网背靠背异 步互联的工程技术实现电网背靠背异
14、步互联的工程 （6）2002年年7月美国月美国Cross Sound VSC-HVDC工 程投运工 程投运2011/11/22柔性直流输电(VSC-HVDC)技术3 VSC-HVDC的发展与现状（续）（7）2002年年8月投运的澳大利亚月投运的澳大利亚Murraylink直流工程是目前世界上最长的地下电缆输电项目直流工程是目前世界上最长的地下电缆输电项目 （8）2005年年2月挪威月挪威Troll A VSC-HVDC工程投运工程投运（9）Estlink VSC-HVDC工程于工程于2006年年12月投运月投运（10）Valhall VSC-HVDC工程预计与工程预计与2010年投运年投运工程工程投运时 间投运时 间最大传 输功率最大传 输功率 /MW两侧交 流电压两侧交 流电压 /kV直流 电压直流 电压 /kV直流 电流直流 电流 /A线路 长度线路 长度 /km选择选择HVDC Light的主要 原因的主要 原因Hellsjo n1997.0 3310/10 1015010工业试验工业试验Gotlan d1999.0 65080/80 803502 70风力发电（电压支撑）、 地下电缆风力发电（电压支撑）、 地下电缆Directli nk1999.1 23 601
