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1、VSC-HVDC工程应用的几个问题 Several points about VSC-HVDC Application 南方电网科学研究院863课题组 Electric Power Research Institute China Southern Power Grid 2013年5月28日 柔性直流输电技术 Technology of VSC-HVDC 2 系统建模和仿真 Modelling and Simulation 功率模块 Power Unit 控制保护 PCP A PCP B 控制保护 C&P 功率器件 Device Udc 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1
2、模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N UacUpcc 换流器 converter 目 录 3 柔性直流输电功率器件 Power Electronic Device 1 柔性直流输电系统电压与容量 Voltage and Power 2 连接不同电压等级的系统 Connects different AC Voltage 3 柔性直流输电系统的仿真 System Simulation 4 目 录 4 柔性直流输电功率器件 Power Electronic Device 1 功率器件/Power Electronic Device GTO IGCT
3、IGBT/IEGT 开关速度由低到高（50/60Hz 到几kHz) 电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA) ETO 5 功率器件的分类和对比/Comparison of different device 大功率开关器件 晶体管类 晶闸管类 压接式IGBT (IEGT) 模块式IGBT IGCTGTO 可关断晶闸管集成门极换相晶闸管绝缘栅双极晶体管 ETO 发射极关断晶闸管 晶闸管类器件 （GTO,IGCT） 晶体管类器件 (IGBT,IEGT) 门极驱动 电流控制，所需功率较大 电压控制，所需功率较小 导通压降 低 高 允许开关频率 低 高 电压/电流能力 较大 相对低 电网设备主要采用33
4、00V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT) 6 功率器件封装模式 模块式封装(PMI) 技术成熟 安装工艺简单 器件制造商多 损坏时可能发生爆炸 串联不易实现 器件容量相对较小 压接式封装（Press-Pack) 器件故障后不会爆炸 故障后处于短路状态 结构上易于串联 散热性能好 封装难度大 供应商少 压接式封装可靠性更高 主要有以下几类 1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT 2）日本东芝IEGT 3）英国西玛码PP IGBT 4）美国ETO 两种封装模式均有柔直应用 ABB工程全部采用 StatkPak 西门子 Transbay工程用PMI IGBT 7 SCFM-短路失
5、效模式 SCFM（Short-Circuit Failure Mode) 器件发生失效后器件处于短 路模式，并能够继续安全流 过工作电流，直至装置检修 时更换 ABB StakPakTM IGBT在 SCFM方面的有公开资料， 东芝IEGT也有相关试验数 据 * From ABB and Toshiba 8 功率器件的电压电流水平/Voltage and Current Level 主流型号 IGBT 4500V/1200A IGBT 4500V/1500A IEGT 4500V/1500A IEGT 4500V/2100A StakPak IGBT 4500V/2000A StakPak I
6、GBT 2500V/2000A IGCT 4500V/4000A ETO 4500V/4000A 备注：IGCT和ETO的标称电流可关断电流，约与IGBT的2000A相等 9 大功率器件生产企业 Device supplier 以IGBT和晶闸管为主 国外主要企业 三菱，英飞凌，日立，ABB，东芝，占90%以上市场份额 国内企业 株洲南车时代电气，收购英国Dynex（丹尼克斯），以下简称 “株洲南车” 西安电力电子研究所，仍主要生产晶闸管，未有成熟的可关断器 件类产品 数据主要以IGBT销售为例，主要用户为机车、风电、造船等，电网用 户较少 厂商厂商 三菱三菱 英飞凌英飞凌 日立日立 ABB
7、东芝东芝 丹尼克斯丹尼克斯 份额 29% 28% 19% 12% 9% 3% 表 2009年IGBT世界销售份额 1500A/3300V IGBT、1000A/3300V IGBT； 1200A/4500V IGBT、800A/4500V IGBT； 600A/6500V IGBT、750A/6500V IGBT（开发中）； 1200V/1700V PrimePack IGBT模块； 株洲南车主要IGBT产品 IGBT of CSR Zhuzhou 失效短路模式；失效短路模式； 双面散热双面散热； 更低杂散电感更低杂散电感； 更高可靠性；更高可靠性； 900A/4500V900A/4500V
8、、1600A/2500V1600A/2500V 预计预计20132013年年1010月出样品月出样品 发射极发射极 集电极集电极 PCB 栅极端子栅极端子 IGBT/FRD 独立子模组单元独立子模组单元 陶瓷管壳陶瓷管壳 株洲南车正在研发压接IGBT Press pack IGBT of CSR 柔性直流输电功率器小结 summary 功率器件均向高电压、大电流发展/higher voltage and current 常规高压直流输电大量使用晶闸管，压接式，故障短路模 式，通常不爆裂/Thyristor 可关断器件以IGBT为主，以往在电网中使用较少，近年随 着VSC-HVDC和STATCO
9、M的发展，逐渐增多/high power IGBT develops with VSC in power grid 电网对器件安全性和可靠性的高标准逐渐反馈到器件研发 和市场当中/high reliability of IGBT in power grid 2012年底ABB StakPak IGBT 可在中国销售 Infenion等部分器件供应商开始研发压接式IGBT 13 目 录 14 柔性直流输电系统电压与容量 Voltage and Power 2 Modular Multilevel Converter 模块多电平换流器 需要直流电压平衡控制 直流侧能够实现端对端连接 柔性直流输电主
10、流结构 15 Udc 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N UacUpcc 16 电压容量的选择/consideration of voltage and power level 应用需求决定容量/power level determined by application 功率器件等参数，决定了直流电压和容量存在匹配关 系/relation of DC voltage and power level 一定电压下，VSC-HVDC能够输送的功率水平/Power level under cer
11、tain voltage 容量计算考虑因素/Converter Power 功率器件通流能力 接入交流系统电压匹配关系 单极 1200A 1500A 2000A 220kV 200MW 250MW 330MW 420kV 380MW 470MW 630MW 单极系统容量 * 380MW可以提升到400MW，470MW可以提升到500MW 双极系统容量 双极 1200A 1500A 2000A 110kV 200MW 250MW 330MW 210kV 380MW 470MW 630MW 500kV 900MW 1125MW 1500MW * 500kV等级采用双极结构，输送极限1500MW 新
12、增海南联网VSC-HVDC VSC HVDC scheme for Hainan 保留现交流500kV、600MW通道，新增一回VSC-HVDC ，单极接线，容量600MW，直流电压200kV，直流电 流1500A 直流电压等级200kV 额定容量（MW） 600 无功输出能力（Mvar） 一 连接变压器 525/220 桥臂电感值（mH） 60 功率器件 4500V/1500A 功率模块数 160 功率模块电容（uF） 8000 桥臂电流有效值（A） 979 港城 福山 徐闻 南岭 林诗岛 现有交流线路 新建交流线路 直流线路 交流、VSC-HVDC 混合联网1200MW 方案 双极接线 每
13、站每极两个换流器 具备双极、单极运行模式 单换流器运行模式降容量 新建500kV/3000MW Scheme for 500kV/3000MW 换流站A 换流站B +500kV 直流线路 容量 3000MW -500kV 直流线路 双换流器并联 Two converters 目 录 21 连接不同电压等级的系统 Connects different AC Voltage 3 VSC-HVDC接入不同交流电压等级的需要 VSC-HVDC connects different voltage， especially for multi-terminal system 港城 现有交流线路 新建交流线
14、路 直流线路 VSC-HVDC 600MW 500kV系统 220kV系统 接入220kV 变电站 接入110kV 变电站 相同直流电压，相同阀侧电压，不同的变比接入交流电网 Same DC voltage AND same valve side voltage, but different ratio of connecting transformer UDC 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N 模块1 模块2 模块N UacUpcc1 Uvalve Upcc2 1. 上/下桥臂模块数量/Number of
15、modules: = DC/ 2. 输出交流阀侧电压/Output voltage of valve side: / , 3. 变压器变比/Ratio of transformer： Ratio = pcc or pcc ac 问题：是否可以相同直流电压，输出阀侧电压不一样？ Q: same DC voltage, but different output valve voltage, is that OK? UDC 模块1 模块2 模块K 模块1 模块2 模块K 模块1 模块2 模块K 模块1 模块2 模块K 模块1 模块2 模块K 模块1 模块2 模块K UacUpcc1 Uvalve Upcc2 Sp Sn 1. 直流侧电压/DC voltage： DC = + If += DC=DC 上下桥臂模块投切原理/principle of module switch 2. 输出交流阀侧电压/Output voltage of valve side: / ( ) , ( ) 如此设计有什么好处/benefit from this 1. 相同直流电压等级
