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1、柔性直流输电系统简介与损耗分析2012-8-29摘要随着可关断器件性能的改良以与容量的提升，基于电压源换流器(VSC Voltage Source Converter)和脉宽调制(PWM Pulse Width Modular)技术的新一代高压直流输电(VSC-HVDC)已经成为现实。VSC-HVDC是一种新的直流输电技术，它具备有功无功快速独立控制、可向远距离小功率无源网络供电、向系统发出无功功率、易于构成多端网络等特点，因此成为解决大容量可再生能源接入、弱交流系统互联、城市直流输配电网、偏远地区供电与提高配网电能质量等问题的重要。目前国外VSC-HVDC已经在海上风电场并网、非同步电网互联
2、交易等领域得到了成功应用，而在国内对VSC-HVDC系统数学模型和控制策略等方面也进展了大量的研究，并开始着手实际示X工程的建设。本报告先简要分析了VSC-HVDC的系统结构和根本工作原理，针对VSC-HVDC系统的技术特点，阐述了其主要的应用领域。然后重点进展了VSC-HVDC系统的损耗分析，包括系统损耗的主要构成与换流器的损耗计算方法，同时分析了PWM调制方式下的换流器损耗特性。1 VSC-HVDC简介1.1系统结构和根本原理图1.1 双端VSC-HVDC系统结构图双端VSC-HVDC输电系统的主电路结构如图1.1所示，两端换流器通过直流输电线路连接，一端运行于整流状态，另一端运行于逆变状
3、态，共同实现两端交流系统间有功功率的交换。其中的主要部件包括：交流侧换流变压器、交流滤波器、换流电抗器、全控换流器以与直流侧电容器。其中全控换流器的拓扑结构在目前实际应用中主要有两种：一种是传统的三相两电平或三电平的主电路结构，由于单个可关断器件的耐压较低，因此每一桥臂均由多个IGBT或GTO等全控器件串联组成，目前ABB公司采用此种方案；另外一种是基于模块化多电平的主电路拓补结构，其根本的电路单元也称为子模块由两个全控器件与相应的电容器组成，各相桥臂均是通过一定数量的具有一样结构的子模块和阀电抗器构成，通过变化子模块的数量即可改变换流器的输出功率电压与功率等级，目前西门子公司采用此种方案。直
4、流侧电容器为换流器提供电压支撑、并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流侧换流变压器将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，以减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。换流电抗器是VSC-HVDC功率传输的纽带，决定了输送功率的大小与功率控制的性能，兼抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压，同时能够抑制短路电流上升速度。交流侧滤波器的作用如此是滤除交流侧谐波，由于VSC-HVDC采用了PWM技术，换流站输出电压中的低次谐波很少，主要为开关频率的整数倍附近的高次谐波，因此滤波器的体积和容
5、量均大大减小，一般情况下只需配置高通滤波器即可。VSC-HVDC系统根据主电路拓补结构与其全控器件的类型可以采用脉宽调制技术(PWM)或者脉冲幅值调制技术(PAM)。PWM技术多应用于基于IGBT阀的VSC-HVDC换流器控制，而PAM主要应用于GTO阀的换流器控制。由于目前VSC-HVDC换流阀主要采用IGBT作为开关器件，因此通常采用PWM技术。以正弦脉宽调制(Sine Pulse Width Modulation, SPWM)为例，其控制原理如图1.2所示。图中一相SPWM的调制参考波与三角载波进展数值比拟，当参考波数值大于三角载波时触发导通该相的上桥臂并关断该相的下桥臂，反之，当参考波
6、数值小于三角载波时如此触发关断该相的上桥臂并导通该相的下桥臂。在上下桥臂开关的交替导通和关断下，电压源换流器交流出口电压是幅值为正负的脉冲序列，为直流侧电压。该脉冲系列的基波分量与调制参考波相位一致，幅值为，调制度，为正弦调制波幅值与三角载波幅值的比值。因此，从调制参考波与电压源换流器交流出口电压基波分量的关系看，电压源换流器可以看成无相位偏移、增益为的线性放大器。由于调制参考波的幅值和相位可以通过PWM的调制度与移相角度来实现调节，因此电压源换流器交流输出电压的幅值和相位也可通过这两个变量进展调节。(a)VSC单相SPWM控制原理图(b)VSC交流侧基波等效原理图图1.2 正弦脉宽调制原理示
7、意图如图1.2(b)所示，当忽略换流变压器和换流电抗器的电阻时，VSC-HVDC交流系统母线电压基波分量与电压源换流器交流出口电压基波分量共同作用于换流变和电抗器的等效电抗，类似于发电机电动势与出口电压之间的关系，可以推导出电压源换流器与交流系统之间交换的有功功率和无功功率分别式(1-1)和式(1-2)。 (1-1) (1-2)由式(1-1)可知，VSC-HVDC有功功率的传送主要取决于相对于的相位角度。当小于零时，换流站吸收有功功率，电压源换流器工作在整流状态；当大于零时，换流站发出有功功率，电压源换流器工作在逆变状态。因此，只需调节的大小即可控制VSC-HVDC系统传输有功功率的大小和方向
8、。由式(1-2)可知，VSC-HVDC无功功率的传送主要取决于换流器交流侧输出电压的基波分量幅值。当时，换流站吸收无功功率；当时，换流站发出无功功率。因此，只需控制幅值的大小即可控制VSC-HVDC系统传输无功功率的大小和方向。综上所述，由于采用PWM控制的电压源换流器，可对其出口电压基波分量的幅值与相位进展调节，因此VSC-HVDC输电系统中各VSC在对其输送有功功率进展控制的同时，还可控制其与交流系统间交换的无功功率，从系统的角度看，换流站就像一台无转动惯量的发电机，可以瞬时调节其出口的电压和频率。此外，VSC-HVDC正常稳态运行时直流网络的有功功率必须保持平衡，即输入直流网络的有功功率
9、必须等于直流网络输出的有功功率加上换流站和直流网络的有功功率损耗。如果出现任何功率的偏差，都将会引起直流电压的或降低。为了实现有功功率的自动平衡，在VSC-HVDC系统中必须选择一端换流站控制其直流侧电压，充当整个直流网络的有功功率平衡换流器，其它换流站如此可在其自身容量允许的X围内任意设定有功功率。1.2 技术特点和应用领域 技术特点VSC-HVDC的技术特点主要基于其采用了全控型开关器件与高频PWM技术。截止到目前，实际的VSC-HVDC工程中开关器件均采用了绝缘栅双极性晶体关(IGBT)，而采用的脉宽调制技术主要有正弦脉宽调制(SPWM)和优化脉宽调制技术(OPWM)，即使是最新的模块化
10、多电平技术，其实质也是一种基于脉波的调制技术。由于VSC-HVDC是从常规直流输电的根底上开展起来的，因此具有传统直流输电的一些根本优点，如：相比交流线路来说少用一根导线，使其线路造价较低、线路损耗较小，占用的输电走廊也比拟窄；不存在交流输电的系统稳定性问题；可以实现非同步系统的互联。除此以外，VSC-HVDC系统还有一些自身的技术特点，主要表现在以下几个方面：1、 有功功率和无功功率的快速独立控制。VSC-HVDC可以在其运行X围内对有功和无功功率进展完全独立的控制。两端换流站可以完全吸收和发出额定的无功功率，通过直接接收无功功率指令或根据交流电网的电压水平调节其发出或吸收的无功功率，并在这
11、个X围内连续调节有功输出。2、 功率反转方便快捷。VSC-HVDC输出功率反转无需改变电压极性，只需改变直流电流即可。控制系统配置和主电路结构均保持原样，即不用改变控制模式、滤波开关，也不需要换流器闭锁，整个反向过程可以在几个毫秒内完成。无功功率控制器同时动作，保证无功功率不受潮流反向过程的影响。此特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统。3、 提高交流电网的稳定性。VSC不仅不需要交流系统提供无功功率，而且能够起到静止无功发生器(STAT)的作用，动态地向交流网络补偿无功功率，稳定交流母线电压。假如VSC容量允许，当交流电网发生故障，VSC-HVDC既可以向故障区域提
12、供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率的紧急支援，从而能够提高交流系统的功角稳定性和电压稳定性。4、 可以向无源网络供电。电压源换流器电流能够自关断，可以工作无源逆变方式，无换相失败问题，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络。5、 具有快速恢复供电和黑启动的能力。正常情况下，VSC-HVDC以交流系统电压为参考电压，其幅值和频率由交流电网的电压确定。当发生电压崩溃或者停电时，VSC-HVDC能够瞬间启动自身的参考电压并脱离交流系统的参考量。此时VSC-HVDC相当于无转动惯量的备用发电机，随时准备向瘫痪的电网内重要负荷供电。6、 由于VSC交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的
13、短路功率。这意味着增加新的VSC-HVDC输电线路后，交流系统的保护整定根本不需改变。7、 VSC通常采用PWM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，从而简化了换流站的结构，并使所需滤波装置的容量也大大减小。由于VSC-HVDC系统克制了常规直流输电的固有缺陷，可以快速独立控制有功无功、潮流反转方便、可自换相等，具有提高交流系统电压与功角稳定性、黑启动、便于电力交易等功能，因此可在以下应用领域可发挥其积极的作用：1、 代替本地发电装置，向偏远地区、岛屿等小容量负荷供电。偏远的小城镇、村庄以与远离大陆电网的海上岛屿、石油钻井平台等负荷，其负荷容量通常为几个兆
14、瓦到数百兆瓦，且日负荷波动大。由于输电能力以与经济等因素，限制了向地区架设交流输电线路。由于负荷容量达不到传统HVDC的经济输电X围且负荷网络为无源网络，因此也限制了传统HVDC输电线路的架设。对偏远地区负荷供电，往往要在当地建立小型发电机组。小型机组不但运行费用高、可靠性难以保证，而且通常会破坏当地的环境。采用VSC-HVDC输电技术，可向无源网络供电且不受输电距离的限制，几个兆瓦到数百兆瓦也符合VSC-HVDC的经济输电X围。因此从技术和经济性角度，采用VSC-HVDC技术向负荷供电是一种理想的选择。2、 城市配电网的增容改造。随着大中型城市用电负荷的迅猛增长，原有架空配电网络的输电容量已
15、经不能满足用电负荷需求。然而，由于空间的限制，增加新的架空输电走廊代价很高，甚至根本不可能。另一方面，交流长距离输电线路对地有电容充电电流，需要添加相应的补偿装置，如并联电抗器。VSC-HVDC可采用地埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，而且适合长距离电力传输。采用VSC-HVDC向城市中心供电有可能成为未来城市增容的唯一可选方案。3、 提高配电网电能质量。非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电压连续、电压凹陷/突起以与波形闪变等，使一些敏感设备如工业过程控制装置、现代化办公设备、电子安全系统等失灵，造成很大的经济损失。VSC-HVDC可快速控制有功功率和无
16、功功率，并能够保持电压根本不变，使电压、电流满足电能质量的要求，VSC-HVDC是未来改善配电网电能质量的有效措施。4、 异步电网的互联。模块化结构与电缆线路使VSC-HVDC输电对场地与环境的要求大为降低，换流站的投资下降，因此可以根据设计要求选择最理想的系统互联位置。2 VSC-HVDC系统损耗分析传统直流输电工程中换流站损耗占系统额定功率的0.5%1%左右。而VSC-HVDC系统中由于电压源换流器，其损耗远远大于传统直流输电，这也是其应用于大容量功率传输的主要障碍。2.1 系统损耗构成VSC-HVDC系统的损耗包括换流器损耗、滤波器损耗和换流变压器损耗，直流输电线路损耗与接地极系统损耗几局部。由于VSC-HVDC系统中的电压源换流阀在正常工作时每个工频周期下开关达上
