第43卷第9期电力系统保护与控制V ol.43 No.9 2015年5月1日Power System Protection and Control May 1, 2015 多端柔性直流输电工程控保系统接口设计
涂小刚，罗海云，程晓绚，王小强，王晓刚
(西安西电电力系统有限公司，陕西 西安 710065)
摘要：介绍了柔性直流输电系统控制和保护系统分层结构，对南澳多端柔性直流输电工程青澳站控制保护系统分层结构和控制保护系统通信接口方案进行了描述。通过对青澳站的无功功率阶跃和稳态时直流侧总谐波进行分析，证明换流器级控制到换流阀级控制接口特性、换流阀级控制到换流阀接口特性均满足系统要求。该方案设计简单可靠、实用易行，已经在南澳柔性直流输电工程中得到了成功应用，很好地满足了柔性直流工程控制保护系统快速性和可靠性的要求。
关键词：柔性直流输电；控制保护；通信；接口
Control and protection system interface design for multi-terminal HVDC flexible project
TU Xiaogang, LUO Haiyun, CHENG Xiaoxuan, W ANG Xiaoqiang, W ANG Xiaogang
(Xi’an XD Power Systems Co., Ltd., Xi’an 710065, China)
Abstract: This paper introduces the hierarchical structure for the control and protection system, describes the control and protection system interface scheme in Qing’ao station of Nan’ao multi-terminal HVDC flexible project. Through the analysis of reactive power step and total DC harmonic on DC side in Qing’ao station, it proves the interfaces among valve group control, valve control and valve to meet the requirements of control and protection system. The scheme is simple, reliable and easy to realize, and has been successfully applied in Nan’ao HVDC project which greatly meets the requirements of the control and protection system in rapidity and reliability.
Key words: HVDC flexible; control and protection; communication; interface
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-3415(2015)09-0124-05
0 引言
柔性直流输电技术是上世纪90年代后期发展起来的，以电压源换流器(V oltage Source Converter)和可关断电力电子器件为核心。国际权威学术组织将该输电技术定义为“电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)”。ABB，Siemens和Alstom公司则将其分别命名为HVDC Light[1]，HVDC PLUS和HVDC MaxSine，在中国则通常称之为柔性直流输电(HVDC Flexible)。
柔性直流输电不需要交流电网支撑、可以灵活控制无功功率、不会增加交流系统的短路容量、滤波容量小、能够在电网故障后快速恢复。因此，柔性直流输电技术比较适用于分布式电源连接(如风电、光伏接入)、非同步联网、城市配电、偏远地区送电、海上供电、改善电能质量等[2-3]。
柔性直流输电系统控制保护与传统直流输电系统控制保护相比，在性能和速度上提出了更高的要求。传统直流输电系统的控制速度要求在毫秒级，柔性直流输电系统的要求在微秒级[2,4]。柔性直流输电系统的控制保护策略是近些年国内外研究的热点，已有不少文献在柔性直流输电系统的控制保护策略等方面进行了研究[5-14]。但针对已有工程控制保护设备接口方案的文献相对较少。
本文在描述柔性直流输电系统控制和保护系统分层的基础上，进一步分析了南澳多端柔性直流输电工程青澳站采用的控制保护设备接口方案，论证了该接口方案在工程中实现了很好的应用效果。
1 控制保护系统设计
多端柔性直流输电控制保护系统是实现工程正常运行的核心，它可以分为集中控制层、换流站运行人员控制层、站级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级控制保护层和现场I/O，拓扑图如图1
网络出版时间：2015-04-30 17:10
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涂小刚，等 多端柔性直流输电工程控保系统接口设计 - 125 -
所示。
类(1.5 换流阀级控制保护层
换流阀级控制保护接收调制波信号，通过内部排序处理生成触发脉冲信号，下达到功率模块。换流阀级控制可实现电容电压均压控制等功能。
与传统直流工程不同，柔性直流输电工程的换流阀级控制保护更为复杂。特别是在基于MMC 的多端柔性直流输电系统中，换流阀级控制保护层承担了计算量最大的快速控制功能[2]。换流阀级控制与换流阀本体的关系非常紧密(如图2所示)，其控制策略的优化与换流阀设计直接相关，例如，在进行换流阀水系统设计的时候，就与换流阀控制的策略选择直接相关，通过优化控制策略，降低开关频率，就可以直接达到减小功耗、降低换流阀对水系
统要求的效果。因此，换流阀级控制保护设备应由
1面阀控屏柜青澳站阀控系统接口主要包括与换流站SCADA 、换流器级控制保护、测量装置、GPS 、故障录波等的接口，如图3所示。
图3 阀控系统接口示意图
Fig. 3 Schematic of valve control system interface
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2.1 阀控系统与换流站SCADA 的接口
本接口传输从阀控发送到 SCADA 系统的换流器模块及其阀控系统的状态回报，通信协议为104 规约(DL/T 634.5104-2002)。
IEC 60870-5-104远动规约是将基于链路层的IEC 60870-5-101规约串行通信方式推广应用于以太网TCP/IP 网络协议上。它规定了SCADA 中主站与RTU 间问答式数据通信的格式、规则、结构、编
码和功能等，适用于变电站与调度所或调度所间的信息交换。由于变电站自动化常用的IEC 61850系列标准吸收了多种新技术，并大量应用多个领域的其他国际标准作为该协议的应用基础，因此从建模开发难度、应用软件的调试和开发方面其复杂度远高于IEC 60870-5-104规约。在柔性直流输电阀控与SCADA 这种实现应用中，我们选择IEC 60870- 5-104规约作为阀控与SCADA 系统的通信协议，既可满足功能要求，又具有实现的简易性。
2.2 换流器级控制保护系统与换流阀级控制保护系
统的接口
本接口主要传输两路信号：一路信号为来自换流器级控制保护系统的参考电压信号、解锁、闭锁等命令信号；另一路传输阀控系统发送到控制保护系统的紧急跳闸信号、切换请求信号、阀控设备自检正常信号等。通信协议为IEC 60044-8。 2.3 阀控系统与故障录波的接口
本接口传输信号为阀控系统内需要监视、录波的信号。通信协议为IEC 60044-8。 2.4 测量装置与阀控系统接口
本接口传输信号为测量系统发送到阀控的直流电压、桥臂电流、阀侧交流电流测量信号。通信协议为 IEC 60044-8。
IEC 60044-8是国际电工委员会制定的电子式电流互感器标准，它采用FT3格式的曼彻斯特编码方式实现设备之间的串行通信。与IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2相比，IEC 60044-8通过光纤直连而不是基于以太网，避免了交换机可能造成的报文丢失等情况，具有很高的可靠性；IEC 60044-8协议报文所含字节数相对恒定，字段的偏移固定，协议格式较为简单、实现难度低[15]，因此是一种比较适合柔性直流输电系统的通信接口方式。 2.5 GPS 设备与阀控系统接口
本接口传输站系统的时间同步信号，通信协议为IRIG-B 编码，是时钟同步通用协议。 2.6 换流阀级控制保护系统与换流阀的接口
本接口传输触发命令、旁路命令和子模块状态等信号，为一发一收两路光纤，采用自定义通信协议。
3 控制系统的性能
接口设计的好坏，直接体现在系统的性能特点
上。我们特别挑选了两个试验数据，来说明换流器级控制到换流阀级控制接口特性、换流阀级控制到换流阀接口特性的好坏。 3.1 功率阶跃响应分析
当柔性直流输电系统发生功率阶跃操作时，功率参考值由换流站控制保护通过IEC 60044-8规约下达给换流器级控制保护，在换流器级控制保护中通过外环和内环控制，产生相应的电压参考波通过IEC 60044-8规约下达给换流阀控制保护，换流阀控制保护还通过IEC 60044-8规约接收来自测量设备的电压电流信号，通过计算产生触发脉冲送到阀塔。同时换流阀控制保护将接收到的参考波信号、电压电流等信号通过IEC 60044-8规约送至故障录波系统，将子模块健康状态信号、模块电压等信息通过104规约发送到SCADA 系统。
南澳工程规定对于直流系统所有可能的运行方式，当直流系统在设计的最小无功功率和额定无功功率之间的任意功率水平下运行时，直流无功功率控制器对功率指令阶跃增加或降低的响应必须使得90%的直流无功功率变化能在整定值变化后60 ms 内达到。如图4所示，是青澳站在STA TCOM 运行方式下，无功功率从10 Mvar 阶跃到-10 Mvar 的过程。起初，系统处于稳定状态，无功功率为10 Mvar ，从蓝色标记线开始执行无功阶跃，在58.24 ms 后的红色标记线处达到-8 Mvar 。可以看出，阶跃过程中直流电压非常平稳，无功功率实际值(录波系数的原因，符号与指令值相反)紧随无功功率指令变化。当无功功率达到-10 Mvar 时，系统再次进入稳定状态。综上所述，南澳柔性直流工程运行正常、功能正确，响应速度满足规范要求，也证明了上述接口方案的可行性。
图4 无功功率阶跃
Fig. 4 Simulation results when reactive power changes
涂小刚，等多端柔性直流输电工程控保系统接口设计- 127 -
3.2 稳态时直流侧总谐波
基于MMC的柔性直流输电系统优势之一就是输出电压谐波含量和总电压畸变率大大减少，交流侧无需滤波装置[2]。如图5所示，是青澳站在有功功率反送过程中发生阶跃的过程。整个过程中换流变网侧和阀侧总谐波含量均不足1%，完全满足国家标准对于110~220 kV电网谐波含量不超过2%的要求。
图5有功功率反送
Fig. 5 Simulation results when active power changes
4 通信接口概述
4.1 集控站系统接口
集控站监控系统是在统一支撑平台基础上，实现SCADA功能的一体化设计。系统采用功能分布式的系统设计和全分布的双网体系结构。系统基于TCP/IP网络，所有功能采用客户/服务器(Client/ Server)模式分布于网络中，支持和管理网络中各自独立的处理节点实现数据共享。
集控站系统通过调度数据网或专用通信通道与各个换流站以及其他站端监控系统和装置建立数据和信息通信，系统通过远动通信实现对站内设备的完整监视和控制。
4.2 换流器级控制保护接口
青澳换流站换流器级控制保护除了与SCADA 接口采用104规约、与GPS接口采用IRIG-B外，其余接口，如与直流保护、故障录波、测量装置等均采用IEC 60044-8。
4.3 阀控内部接口
在阀控系统中，由于控制周期较短(微秒级)，而阀控每周期需要采集每个功率单元的电容电压等庞大的数据信息用于控制算法、实时状态监视，对数据的传输速率提出了很高的要求。阀控设计中采用的是XILINX VERTEX 6芯片内置的GTX硬核作为物理层，配备XILINX提供的Aurora协议来实现的。Aurora协议是由Xilinx公司提供的一个开放、免费的链路层协议，可以用来进行点到点的串行数据传输，具有高效传输数据和简单易用的特点。在阀控内部的接收板之间采用Aurora通信协议将从链接板采集到功率模块的运行状态上送给阀控CPU进行处理，同时通过Aurora通信协议将阀控下发给功率模块的触发、旁路等信号送到光纤分配屏的链接板。
4.4 直流保护接口
直流保护系统与其他系统的接口主要有：与SCADA系统的104规约接口、与测量装置的IEC 60044-8接口和与I/O硬接线接口。
4.5 交流保护接口
交流保护系统与其他系统的接口主要有：与SCADA系统的104接口、与时钟系统的IRIG-B接口和与I/O的硬接线接口。
4.6 阀冷却系统接口
阀冷系统与直流保护系统间的接口使用两种方式：硬接线和Modbus TCP/IP。可将水温报警、水压报警及水冷系统中主/备设备故障报警通过硬接线方式和通信方式，送给直流保护装置及SCADA 系统显示和进行处理。
5 结论
描述了南澳多端柔性直流输电工程青澳站控制保护系统的接口方案。该方案的特点是设计简单，无论是用于SCADA信息采集的104规约，还是用于参考值、调制波等信号传输的IEC 60044-8协议。该方案的另外一个特点是大量采用光纤通信，在全站各种光纤总计接近3 000根。南澳工程的控制保护系统接口方案简单、实用、可靠，很好地满足了柔性直流输电控制保护系统快速性、可靠性的要求。这一接口方案体系已经具备了进一步推广、形成规范展开标准化订货的条件。
参考文献
[1] ABB. HVDC light[EB/OL]. [2012-12-31]. http://www.abb.
https://www.doczj.com/doc/a314474790.html,/industries/us/9ACC30300394. spx?Country=US.
[2] 汤广福, 贺之渊, 庞辉. 柔性直流输电工程技术研究,
应用及发展[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 3-14.
TANG Guangfu, HE Zhiyuan, PANG Hui. Research,
application and development of VSC-HVDC engineering
technology[J]. Automation of Electric Power Systems,
2013, 37(15): 3-14.
[3] 刘亚磊, 李兴源, 曾琦, 等. 多端多电平柔性直流系统
在海上风电场中的应用[J]. 电力系统保护与控制,
2013, 41(21): 9-14.
- 128 - 电力系统保护与控制
LIU Yalei, LI Xingyuan, ZENG Qi, et al. VSC-MTDC system based on MMC for offshore wind farms[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(21): 9-14. [4] 梁少华, 田杰, 曹冬明, 等. 柔性直流输电系统控制保
护方案[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 59-65.
LIANG Shaohua, TIAN Jie, CAO Dongming, et al. A control and protection scheme for VSC-HVDC system[J].
Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(15): 59-65.
[5] 屠卿瑞, 徐政, 管敏渊, 等. 模块化多电平换流器环流
抑制控制器设计[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(18): 57-61.
TU Qingrui, XU Zheng, GUAN Minyuan, et al. Design of circulating current suppressing controllers for modular multilevel converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(18): 57-61.
[6] 管敏渊, 徐政. MMC 型VSC-HVDC 系统电容电压
的优化平衡控制[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(12): 9-14.
GUAN Minyuan, XU Zheng. Optimized capacitor voltage balancing control for modular multilevel converter based VSC-HVDC system[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(12): 9-14.
[7] 丁冠军, 丁明, 汤广福. VSC-HVDC 主电路拓扑及其
调制策略分析与比较[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(10): 64-68.
DING Guanjun, DING Ming, TANG Guangfu. Analysis and comparison of VSC-HVDC topologies and corresponding modulation schemes[J]. Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(10): 64-68.
[8] 尹明, 李庚银, 牛同义, 等. VSC-HVDC 连续时间状
态空间模型及其控制策略研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(18): 34-39.
YIN Ming, LI Gengyin, NIU Tongyi, et al.
Continuous-time state-space model of VSC-HVDC and its control strategy[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(18): 34-39.
[9] 管敏渊, 徐政, 屠卿瑞, 等. 模块化多电平换流器型直
流输电的调制策略[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(2): 48-52.
GUAN Minyuan, XU Zheng, TU Qingrui, et al. Nearest level modulation for modular multilevel converters in HVDC transmission[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(2): 48-52.
[10] 邓雪松, 欧开健, 陈鹏, 等. 基于无差拍电流控制的
MMC-HVDC 系统控制策略研究[J]. 电力系统保护与
控制, 2014, 42(8): 34-39.
DENG Xuesong, OU Kaijian, CHEN Peng, et al. Study
of control strategy for MMC-HVDC system based on
deadbeat current control[J]. Power System Protection and
Control, 2014, 42(8): 34-39.
[11] 屠卿瑞, 徐政, 姚为正. 模块化多电平换流器型直流
输电电平数选择研究[J]. 电力系统保护与控制, 2010,
38(20): 33-38.
TU Qingrui, XU Zheng, YAO Weizheng. Selecting
number of voltage levels for modular multilevel
converter based HVDC[J]. Power System Protection and
Control, 2010, 38(20): 33-38.
[12] 唐庚, 徐政, 薛英林. LCC-MMC 混合高压直流输电
系统[J]. 电工技术学报, 2013, 28(10): 301-310.
TANG Geng, XU Zheng, XUE Yinglin. A LCC-MMC
hybrid HVDC transmission system[J]. Transactions of
China Electrotechnical Society, 2013, 28(10): 301-310. [13] 屠卿瑞, 徐政, 郑翔, 等. 一种优化的模块化多电平换
流器电压均衡控制方法[J]. 电工技术学报, 2011, 26(5):
15-20.
TU Qingrui, XU Zheng, ZHENG Xiang, et al. An
optimized voltage balancing method for modular
multilevel converter[J]. Transactions of China
Electrotechnical Society, 2011, 26(5): 15-20.
[14] 张建坡, 赵成勇. 模块化多电平换流器环流及抑制策
略研究[J]. 电工技术学报, 2013, 28(10): 328-336.
ZHANG Jianpo, ZHAO Chengyong. Research on
circulation current and suppressing strategy of modular
multilevel converter[J]. Transactions of China
Electrotechnical Society, 2013, 28(10): 328-336.
[15] 梁晓兵, 周捷, 杨永标, 等. 基于IEC 61850 的新型
合并单元的研制[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(7):
85-89.
LIANG Xiaobing, ZHOU Jie, YANG Yongbiao, et al.
Development of a new merging unit based on IEC
61850[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007,
31(7): 85-89.
收稿日期：2014-08-01； 修回日期：2014-10-21
作者简介：
涂小刚(1980-)，男，工程师，主要从事直流输电控制保护工作；E-mail: xdpstxg@https://www.doczj.com/doc/a314474790.html,
罗海云(1970-)，男，博士，高级工程师，主要从事直流输电控制与保护相关技术工作；
程晓绚(1972-)，女，硕士，高级工程师，主要从事直流输电系统研究及成套设计工作。
(编辑 魏小丽)
1、简介 从上个世纪 五十年代至今， 高压直流输电技 术（High V oltage Direct Current,HVDC) 经历了跨越式发 展，己经广泛应 用于风电场并网、大容量远距离输电、非同步大电网互联、孤岛和弱电网供电等领域HVDC技术从早期的汞弧阀换流技术发展到高压大功率晶闹管换流器技术，极大地促进了直流输电技术的发展。与高压输电技术相反的是换流技术几乎仍在原地踏步，线换相换流器（Line Commuted Converter, LCC)直流输电占据主流。由于晶闸管关断不可控，传统直流输电技术具有明显缺陷。 随着电力电子变流技术的迅猛发展，出现了以脉宽调制（Plus Width Modulation, PWM)技术为基础的变流器。并且PWM变流器技术也日漆完善。目前主要应用的主电路类型有电流型变流器（Current Source Converter, CSC)和电压源型变流器（V oltageSource Converter, VSC)。并且，全控器件电压和容量的等级的不断提升，控制技术的日趋完善，带动VSC开始应用于大容量高压输配电领域，如，灵活交流输电系统（Flexible ACTransmission System, FACTS)、基于电压源变流器的高压直流输电(VSC basedHVDC，VSC-HVDC)、定制电力系统（Custom Power，CP)等典型代表。VSC设备配合不同的控制策略可以控制系统潮流、调节网络运行参数，进而优化电力统运行状态，提高系统稳定性和运行可靠性。VSC-HVDC技术是以电压源变流器，可控关断的IGBT和脉宽调制（PWM）为基础的新型输电技术。VSC-HVDC不仅可以独立快速控制有功无功，还易于翻转潮流，实现了无源网络供电。同时，随着能源紧缺和环境污染的日益严重，我国开始大力幵发和利用风能、太阳能等可再生清洁能源，优化能源结构。但是其固有的分散性、小型化、远离负荷中心等特点直接制约了风电利用规模的不断扩大以及传统交流输电技术和CSC-HVDC 输电技术联网的经济性。此外，城市配电网的快速扩容一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量配电网转入地下。VSC-HVDC输电技术可以很好地解决上述问题，并且已经有实际运行的商业工程应用在分布式发电系统接入大电网、孤岛供电、城市直流配网改造、异步大电网互联等领域。然而，VSC-HVDC也尤其不容忽视的缺陷，一旦其两端输电系统中有一端VSC发生故障退出运行，系统将被迫处于瘫痪状态。 2.1 VSC-HVDC的结构 VSC-HVDC的结构如图1-1所示，两端是两个VSC换流站，中间连接换流变压器、换流电抗器、交流滤波器、直流电容器、直流输电线路等组成的两条线路。VSC既可以通过直流线路在互联系统间传输潮流又能够像STATCOM —样进行动态无功交换。 VSC换流器包括换流电路和直流电容器，由一个或多个换流桥并联（串联）组成的换流电路来实现交直流转换。目前多个换流桥组成的组合式换流器并未在实际工程中应用。VSC是换流站的核心元件，通过VSC桥臂的开通和关断切换控制系统潮流，其拓扑结构实际工程中主要采用三相两电平、二极管钳位三电平结构。系统开关频率限制了全控器件的选择，目前VSC-HVDC系统采用压装式IGBT连同驱动电路、散热片及其他辅助电路共同构成。 直流电容器为VSC变流器提供直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。直流电容器的容量决定了VSC-HVDC直流侧的动态特性。 换流变压器和换流电抗器是换流站和交流系统之间能量交换的纽带。换流变压器一般设计为消除零序分量的接法，此时两端中必有一侧为接地系统，如Yn/Y或者Yn/△等，并带有分接头控制，可以隔离两端零序分量的相互影响。 交流滤波器的作用是滤除VSC交流侧谐波。由于VSC-HVDC采用PWM调制技术，故VSC输出的电压和电流中包含开关频率及其整数倍附近次谐波，其谐波含量与调制方式、调制比、开关频率以及所采用的拓扑结构有关。交流滤波器与换流电抗、换流变压器以及系统阻抗相互作用，对高次谐波形成一个低阻通道，从而达到滤除谐波的目的。
多端电压源型直流输电系统的控制策略 阮思烨1,李国杰2,孙元章2 (1.国网运行有限公司,北京市100005;2.清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084) 摘要:以提高多端电压源型直流输电系统的运行可靠性为目的,提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流输电系统控制策略。在系统负荷发生突变或任一换流站故障退出后,所有具备功率调节能力的换流站根据给定的调制方式在一定程度上分担系统功率的缺额,这样既维持了系统内的功率平衡,又避免了单个换流站承担功率过大的情况。最后通过数字仿真验证了所提出的控制策略设计的正确性和可行性。 关键词:多端电压源型直流输电系统;直流电压—有功功率调节特性;电压源换流器;控制策略中图分类号:TM761;TM721.1 收稿日期:2008212213;修回日期:2009202224。国家自然科学基金资助项目(50823001)。 0 引言 到目前为止建成的电压源换流器(VSC )型直流输电系统[122]都是两端直流系统,即只有一个整流站和一个逆变站。与基于电流源换流器的传统直流输电[3]不同,电压源型直流输电可以给无源系统直接供电,潮流反转时电流方向反转,电压极性不变[426]。因此,它适合于构成具备较高可靠性的并联多端直流系统,便于对潮流的控制。其应用场合包括[4]:从能源基地输送电力到远方的几个负荷中心、为大城市和工业中心供电、连接分布式发电系统等。 与双端直流系统相比,多端直流输电系统的各个换流站之间功率可以相互协调,因此,运行更加灵活、可靠,但是控制也相对复杂。近年来,国内外许多学者针对多端VSC 直流系统已经展开了广泛的研究。文献[7]提出了基于单端直流电压调节的多端直流控制策略,它指定一个换流站作为主导换流站,该换流站起到系统内功率平衡和直流电压稳定的作用。其不足之处在于没有考虑换流站故障尤其是主导换流站故障退出时的情况。文献[8]设计了换流站紧急退出情况下的控制策略,但该设计仅仅是为了防止换流站直流侧过电压,没有进行各换流站间的功率协调设计。文献[9]给出了基于功率模式与直流电压模式之间自动转换的控制方式,其原理如下:正常情况下指定一个换流站作为主导站,作为功率平衡节点;一旦主导站退出工作,将由另一个换流站充当主导站的作用,其余的换流站仍然保持定有功功率输出。该控制方式在一定程度上弥补了 文献[728]在设计上的不足,其缺点是要求充当主导站的换流站有足够大的后备容量以完全补偿系统功率的不平衡,这在实际中很难实行。 为解决上述控制策略的不足,本文提出了基于直流电压—有功功率调节特性的多端直流系统控制策略。采取该控制策略,扰动发生后各电压源换流站均能够稳定运行,同时避免了单个换流站过载的情况。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EM TDC [10]建立多端VSC 直流输电系统和控制模型,验证了所设计的控制器的有效性和合理性。 1 多端VSC 直流系统的建模 本文以图1所示的环状多端电压源型直流系统为例 。 图1 多端电压源型直流系统Fig.1 A multi 2infeed V SC 2HV DC system 该系统包括5个电压源换流站:VSC1作为主 导站,工作在直流电压模式下,交流侧与无穷大电源 — 7 5—第33卷 第12期2009年6月25 日Vol.33 No.12J une 25,2009
柔性直流输电 一、概述 （一）柔性直流输电的定义 高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。 第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流 第二代直流输电技术采用的换流元件是晶闸管，所用的换流器拓扑仍然是6脉动Graetz桥，因而其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年代是1970年代初直到今后一段时间。
通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“Line Commutated Converter”，缩写是“LCC”。这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混淆起来，这是不对的。LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT 构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。 1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等提出。在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之间进行了首次工业性试验（3 MW，±10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM）技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开
ICS 中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG XXXXX—2015 柔性直流输电换流器技术规范 Technical specification of converters for high-voltage direct current (HVDC) transmission using voltage sourced converters (VSC) （征求意见稿） XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施 中国南方电网有限责任公司发布
目次 前言............................................................................... III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 3.1 额定直流电流 rated direct current (1) 3.2最大直流电流maximum direct current (2) 3.3 短时过载（过负荷）直流电流short time overload direct current (2) 3.4 额定直流电压rated direct voltage (2) 3.5 额定直流功率rated direct power (2) 4 文字符号和缩略语 (2) 4.1 文字符号 (2) 4.2 缩略语 (2) 5 使用条件 (2) 5.1 一般使用条件的规定 (3) 5.2 特殊使用条件的规定 (3) 6 技术参数和性能要求 (3) 6.1 总则 (3) 6.2 换流器电气结构 (4) 6.3 阀设计 (5) 6.4 机械性能 (6) 6.5 电气性能 (7) 6.6 冗余度 (7) 6.7 阀损耗的确定 (8) 6.8 阀冷却系统 (8) 6.9 防火防爆设计 (8) 6.10 阀控制保护设计 (8) 7 试验 (9) 7.1 试验总则 (9) 7.2 型式试验 (9) 7.3 例行试验 (11) 7.4 长期老化试验 (11) 7.5 现场试验 (12) 8 其它要求 (12) 8.1 质量及使用寿命 (12) 8.2 尺寸和重量 (12) 8.3 铭牌 (12) 8.4 包装和运输 (12)
一、概述 （一）柔性直流输电的定义 高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。 第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。 器拓扑仍然是6脉动Graetz桥，因而其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年代是1970年代初直到今后一段时间。
输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“Line Commutated Converter”，缩写是“LCC”。这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混淆起来，这是不对的。LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。 1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等提出。在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之间进行了首次工业性试验（3 MW，±10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM）技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，会上，与会专家一致建议国内将基于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”。 （二）柔性直流与传统直流的优缺点对比 不管是两电平、三电平或MMC换流器，由于都属于电压源换流器，其基波频率下的外特性是完全一致的。
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流 电压下垂控制 学院： 姓名： 学号： 组员： 指导老师： 日期：
摘要： 多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。 关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器
一、引言 基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。 多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电压偏差控制策略。主从控制策略是一种需要换流站间通信的控制策略，这种控制方式利用换流站间的通信系统实现了直流电压的稳定，具有控制特性好、直流电压质量高等优点，但系统可靠性依赖于换流器控制器与系统控制器之间的高速通讯，这严重制约了多端直流输电尤其是长距离输电系统可靠性的提高。直流电压偏差控制策略是一种无需站问通信的控制策略，这种控制策略的实质是在定直流电压站故障退出运行后，后备定直流电压站能够检测到直流电压的较大偏移并转入定直流电压运行模式，保证了直流电压的稳定性；同时其设计简单、可靠性强。 下垂控制策略为多点控制，控制器通过测量本地直流母线电压对功率分配进行调节，因而不依赖于换流站间的高速通讯，系统可靠性较高。 二、多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略 2.1柔性直流输电系统概述 总体上来看，目前的多端直流输电系统接线方式主要有串联型、并联型和混联型 3 种类型。由于并联型多端系统具有调节范围宽、扩建灵活、易于控制和可靠性高等突出优点，成为研究的热点和应用的重点。本文设计的直流电压混合控制策略主要是针对并联型多端系统。多端柔性直流输电系统控制是一个庞大复杂且相互耦合的多输入、多输出系统，为满足系统控制的快速性和高可靠性，一
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
南京工程学院 远距离输电技术概论 班级：输电112 学号： 206110618 姓名：钱中华 2014年12月10日
目录 0.引言 (3) 1.研究与应用现状 (3) 2.原理 (4) 3.特点 (5) 4.关键技术 (6) 5.发展趋势 (7) 6.小结 (9)
柔性直流输电技术 0.引言 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。 柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程， 详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。 1.研究与应用现状 自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。 其先研究主要发展有一下几项基本技术： 1.高压大容量电压源变流器技术 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 （1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 （2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 （3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 （4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大）， 不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
1. 换流器阀所用器件的对比。 （1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 （2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 （1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。 （2）柔性直流输电系统中的换流阀采用了IGBT器件，可实现很高的开关速度，在触发控制上采用PWM技术，开关频率相对较高，换流站的输出电压谐波量较小，主要包含高次谐波。故相对于常规直流输电，柔性直流输电换流站安装的滤波装置的容量大大减小。（3）常规直流输电通过换流变压器连接交流电网，而柔性直流输电是串联电抗器加变压器，常规直流输电以平波电抗器和直流滤波器来平稳电流，而柔性直流输电则采用直流电容器。 3. 换流站控制方式的对比。 （1）常规直流输电系统的换流站之间必须进行通信，以传递系统参数并进行适当的控制，而柔性直流输电系统中各换流站之间的通信不是必需的。
第39卷第2期一 东北电力大学学报Vol.39,No.2 2019年4月Journal Of Northeast Electric Power University Apr,2019 收稿日期:2018-12-15 基金项目:国家自然科学基金联合项目(U186601);吉林省教育厅科技项目(JJKH20180444KJ) 第一作者:李一硕(1985-),男,在读硕士研究生,主要研究方向:多端柔性直流输电 通讯作者:钟一诚(1985-),男,博士,副教授,主要研究方向:电力电子化电网稳定性分析与柔性控制 电子邮箱:610535466@https://www.doczj.com/doc/a314474790.html,(李硕);zhongcheng@https://www.doczj.com/doc/a314474790.html,(钟诚);1393836527@https://www.doczj.com/doc/a314474790.html,(黄路恒);25875222904@https://www.doczj.com/doc/a314474790.html, (郑雷);2506809648@https://www.doczj.com/doc/a314474790.html,(高玉喜)DOI:10.19718/j.issn.1005-2992.2019-02-0039-08 含风电接入多端直流输电系统的建模仿真 李一硕,钟一诚,黄路恒,郑一雷,高玉喜 (1.东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012;2.南京南瑞继电保护有限责任公司,江苏南京211100) 摘一一一要:阐述了风电入网的多端柔性直流输电系统的运行及建模,介绍了如何运用闭环控制器实 现多端直流输电系统的稳定运行,功率输出端接入风电机组,加入了风速变化及功率补偿研究系统波动 时的稳定性.在PSCAD /EMTDC 平台上建立了四端的柔性直流系统,其中两端为发送端,由一个电压源 端口以及一个风电机组端口组成,两端为受端电网,每个端口通过模块化多电平变流器完成电流交直流 的转换,汇入直流电网.各个换流站接收站级控制和系统控制的调控指令实现整个电网的协调运行,达 到风电接入电网稳态运行的目的. 关键词:双馈风机;模块化多电平变流器;多端直流;新能源并网 中图分类号:TM721一一一一文献标识码:A 基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的多端高压直流输电(Multi -High Voltage Direct Current,HVDC)技术凭借其全控器件发展,体现出了传统输电模式所不具备的优点[1~2].各个端口可以独立控制有功功率和无功功率的输出,达到实时维持电网电压功率稳定的效果.在故障穿越能力上,多端柔性直流输电系统也可依靠灵活和经济的特点,完成各端口的互动,保证可靠输出以及可靠供电.随着技术的进步,VSC -MTDC 系统被广泛认可为最具潜力的电力传输方式[3].对于风电接入多端柔性直流输电的研究已经有二十余年的成果积累.文献[4~5]通过模块化多电平换流器的结构及组成研究其并入大规模电网的可行性;文献[6~7]研究了VSC -MTDC 通过监控直流电压偏差控制电压,维护电网电压稳定的方法;文献[8~9]研究了将风电场当作无源网络,将电压设为定值来解决多端柔性支流的波动问题;文献[10~14]提出了分布式控制的方法,基于并网模式获得控制信息,综合调节下垂控制,提高系统稳定性;文献[15]通过高斯-赛德尔法修正参数,然后利用蒙特卡洛算法对风力发电的随机风速进行模拟,建立WTG 的出力模型.采用以自动隔离装置与手动隔离装置为边界的分块算法对IEEE RTS BUS 6系统的主馈线F4分块,然后对其进行可靠性评估,同时考虑了开关可靠性和风机的穿透率对配电网可靠性的影响,并采用全概率公式对接入风电机组后孤岛内负荷点的可靠性指标进行计算.在多能源供电以及多落点受电中,接入风电能源后对系统造成的影响,这种影响通过何种方式解决,是本文的研究重点. 根据国家对风力发电的要求,近年来对于柔性支流多端输电技术(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current System,VSC -HVDC)的研究已经投入试验研究阶段,包括广东南澳三端直流输电工程,浙江舟山海岛多端柔性直流工程,大连跨海柔性直流输电工程等建设投运的工程等. 本文构建了四端MMC -MTDC 多端柔性直流输电系统,共两个功率发送站,一端为风机电站,另一
柔性直流输电 一、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，
柔性输电之直流输电 内容简介 轻型直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流。这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为轻型直流输电，其系统原理如图2-1所示。 图2.1 柔性直流输电系统原理示意图其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换
流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。 1引言 随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。 19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，自从20世纪50年代联接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电（HVDC）线路建成以来，HVDC在很多工程实践中得到了广泛的应用，如远距离大功率输电、海底电缆输电、两个交流系统之间的非同步联络等等。目前，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网：未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。交直流混合输电是现代电网的主要发展趋势。 经过多年来的研究和工程实践工作，HVDC技术有了较大的提高，在降低损耗、控制和保护技术等方面取得了长足的进步。但是HVDC在应用中，仍然存在着一些固有的缺陷：受端网络必须是一个有源系统，不能向无源系统供电；在向短路容量不足的系统供电时易发生换相失败；换流器本身为一谐波源，需要配置专门的滤波装置，增加了设备投资和占地而使费用相对较高；同时，运行过程中吸收较多的无功功率等。尽管人们对传统HVDC输电技术进行了不断的改进，但
柔性直流输电技术 目录 简介 (1) 原理 (2) 战略意义 (3) 应用前景展望 (4) 常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5) 一、常规直流输电技术 (5) 二、柔性直流输电技术 (6) 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7) 四.运行方式 (8)
简介 柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。 李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展
的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。 柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。因此，VSC 的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节 原理 与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。 通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．１０．０１８多端高压直流输电系统保护动作策略 王俊生，吴林平，郑玉平 （国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏省南京市２１０００３ ）摘要：多端高压直流输电（ＨＶＤＣ） 系统保护动作后故障处理策略的选择与多端系统结构密切相关。详细分析了串联型和并联型多端直流输电系统的闭锁和线路故障再启动逻辑２类保护动作后故障处理策略，并简要介绍了其他保护动作处理策略。快速移相及同时投旁通对是串联型常用的 闭锁策略； 并联型常采用闭锁脉冲策略，以及禁止投旁通对策略。对串联型而言，极隔离实际上是换流器隔离；由于存在多条多电压等级的直流线路，从而线路故障处理策略复杂度很高；功率回降和极平衡需各主控站协同处理；新增合大地回线开关的处理策略。对并联型而言，线路故障处理需各整流站协同处理；新增降电流后闭锁策略；新增分断直流线路开关策略，便于隔离故障直流线路。关键词：高压直流输电；多端直流输电系统；故障处理策略；串联型；并联型 收稿日期：２０１１－０６－２０；修回日期：２０１１－１０－ ２０。０ 引言 多端高压直流输电（ＨＶＤＣ） 系统（本文简称多端系统）在国外已经有工程应用［１－ ２］，主要分两大类：一类是基于晶闸管单控器件的高压／特高压直流输 电，另一类是基于绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）／集成门极换流晶闸管（ＩＧＣＴ）等全控器件的ＨＶＤＣ。 本文研究前一类。 常规两端ＨＶＤＣ系统的保护动作后处理策略有２０余种。多端系统包括多个换流站，为保证非故障健全系统继续运行，除需对已有动作策略进行调整外，还需新增一些处理策略。多端系统结构框架分串联型、并联型和混合型。多端系统结构框架的不同，直接影响控制保护系统的策略和保护动作后处理策略的选取。 本文针对串联型和并联型多端系统，着重介绍闭锁和线路故障再启动逻辑２种重要的保护动作后处理策略，并简单介绍其他保护动作后处理策略。 １ 总体原则 保护动作后处理策略的首要原则是切除和隔离故障，故障程度和故障范围不能因为选取的处理策略而扩大。多端系统由多个换流站及相关设备组成，输送功率大，保证非故障系统继续运行是处理策略选择的重要原则之一。由于非故障系统继续运行，因此故障换流站不能因为闭锁方式的选择而产生潮流反转，否则对故障换流站的交流系统冲击太 大：这是多端系统不同于两端系统而需要特别考虑 的原则。 ２ 串联型多端系统保护动作后处理策略 ２．１ 系统结构 虽然目前世界上运行的多端系统均采用并联型框架［ １－ ３］，但由于特高压直流输电在中国的工程化应用，串联型结构又引起了国内专家学者的研究兴趣， 因此，有必要探讨串联型多端系统结构。图１为典型的串联型多端系统框架，简化起见图中只画了１个极 。 图１ 串联型５端直流系统结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ｔｙｐｅ ｆｉｖｅ－ｔｅｒｍｉｎａｌ ＨＶＤＣ ｓｙ ｓｔｅｍ将目前的±８００ｋＶ双阀组串联特高压直流输电系统的２个阀组分别建设在２个不同的换流站中，就可以形成一个串联型４端直流系统，如图２所示。 图２所示结构给控制保护系统带来的技术挑战是：原本在一个站（甚至一个控制保护系统）内的双阀组协同控制（包括正常解闭锁、故障闭锁处理策略等）分离在相隔数百千米的２个换流站间协同控制。 — １０ １—第３６卷 第１０期２０１２年５月２５日Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１０ Ｍａｙ ２５，２０１２
柔性直流输电与高压直 流输电的优缺点 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。
2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。
高压直流输电系统概述 院系：电气工程学院 班级：1113班 学号：xxxxxxxxxxx 姓名：xxxxxxxxxx 专业：电工理论新技术
一、高压直流输电系统发展概况 高压直流输电作为一种新兴的输电方法，有很多优于交流输电地方，比如它可以实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同期联络，特别适合高电压、远距离、大容量输电，尤其适合大区电网间的互联，线路功耗小、对环境的危害小，线路故障时的自防护能力强等等。 1954年,世界上第一个基于汞弧阀的高压直输电系统在瑞典投入商业运行.随着电力系统的需求和电力电子技术的发展,高压直流输电技术取得了快速发展. 1972年,基于可控硅阀的新一代高压直流输电系统在加拿大伊尔河流域的背靠背直流工程中使用; 1979年,第一个基于微处理器控制技术的高压直流输电系统投入运行; 1984年,巴西伊泰普水电站建造了电压等级最高(±600 kV)的高压直流输电工程. 我国高压直流输电起步相对较晚,但近年来发展很快. 1987年底我国投运了自行建成的舟山100 kV海底电缆直流输电工程,随后葛洲坝-上海500 kV、1 200MW的大功率直流输电投运,大大促进了我国高压直流输电水平的提高. 2000年以后,我国又相继建成了天生桥-广州、三峡-常州、三峡-广州、贵州-广州等500 kV容量达3 000MW的直流输电工程.此外,海南与台湾等海岛与大陆的联网、各大区电网的互联等等,都给我国直流输电的发展开辟了动人的前景. 近年来,直流输电技术又获得了一次历史性的突破,即基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)技术和全控型电力电子功率器件,门极可关断晶闸管(GTO)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为基础的新一代高压直流输电技术已发展起来,也就是轻型直流输电(HVDC light)技术. 现有的直流输电主要是两端系统.随着直流断路器研制的进展和成功以及直流输电技术的进一步成熟完善,直流输电必将向着多端系统发展.同时许多其他科学技术领域的新成就将使输电技术的用途得到广泛的扩展.光纤与计算机技术的发展也使得直流输电系统的控制、调节与保护更趋完善,运行可靠性进一步提高;高温超导材料及其在强电方面的应用研究正方兴未艾,在直流下运行时,超导电缆无附加损耗,可节省制冷费用,因此在超导输电方面直流输电也很适宜. 一、高压直流输电系统构成 高压直流输电系统的结构按联络线大致可分为单极联络线、双极联络线、同极联络线三大类。 单极联络线的基本结构如图1所示,通常采用一根负极性的导线,由大地或海水提供回路,采用负极性的导线,是因为负极的电晕引起的无线电干扰和受雷击的几率比正极性导线小得多,但当功率反送时,导线的极性反转,则变为负极接地。由于它只需要一根联络线,故出于降低造价的目的,常采用这类系统,对电缆