多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流
电压下垂控制
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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
般可以分为系统级控制、换流器级控制、换流阀级控制和子模块级控制4 层。多端柔性直流输电分层控制系统框图如图 1 所示：
图 1 中，系统级控制除完成顺控功能以外，主要是产生换流器级控制所需的有功及无功功率指令；换流器控制是系统控制的核心，目前电压源型换流器一般采用直接电流矢量控制策略，最终生成换流阀级控制所需的调制信号；换流阀级控制主要是根据调制波生成功率器件的直接控制信号；子模块级控制主要完成功率器件的最终触发控制。
本文的直流电压混合控制策略属于系统级控制，与换流器拓扑方式无关。
图1 多端柔性直流输电分层控制系统框图
图1中：图中 AGC(automatic generation control)为自动发电控制AVC(automatic voltage control)为自动电压控制；abc U 和abc I 分别为换流器交流侧相电压、相电流；θ为换流器交流侧相电压同步角；sd u ，sq u 和sd i ，sq i 分别为换流器交流侧相电压、相电流经旋转变换后的 d 、q 轴分量；ref P 、ref Q 和 dcref U 分别为换流器有功功率、无功功率和直流电压指令；Q P , 和dc u 分别为换流器实际有功功率、无功功率和直流电压；dqref I 为外环控制器计算得到的
内环电流控制器 d 、q 轴电流指令值； dq I 为仅电流单闭环控制时的电流控制器 d 、q 轴电流指令值。
2.2控制策略分类比较
由于MTDC 系统控制中需协调控制多个换流站，对于串联型MTDC 系统，需保持各换流站直流电压的平衡；对于并联型MTDC 系统，需保持各换流站直流电流的协调分配。选择适合的运行模式和控制方式是MTDC 正常运行的基础。MTDC 的控制模式与换流器类型、系统规模、运行要求等密切相关，并决定了MTDC 的上层协调与上层控制器设计。MTDC 系统控制最基本的要求是需要满足Ⅳ-1原则，即任一换流站退出都不影响系统的稳定运行。目前MTDC 的控制方式按照直流电
压控制方式主要分为单点直流电压控制方式和多点直流电压控制方式，常见的多端直流输电控制方法分类如图2所示，其中各方式的优缺点对比如表2所示。
图2 MTDC系统控制方式分类
图3 各方式的优缺点对比
1．主从控制：主从控制器控制方法优点是控制简单，缺点是对换流站间的通信要求较高．通信故障后系统难以控制。
2．电压裕度控制：是主从控制的一种扩展，相当于一种改进的具有多个可选择功率平衡节点的定直流电压控制，当一端功率平衡节点故障或达到系统限制时，电压调节控制由另一换流站接替。电压裕度控制并用于直流电网，该控制是定直流电压和定有功／电流控制的结合，换流站正常运行在定有功／电流控制下，当直流电压偏差达到电压裕度的限制后，换流站切换为定直流电压控制，使直流电压保持在电压裕度限制值以内，防止直流电压偏差进一步增大，但该控制方法在主控制器切换时会引起系统振荡。
3．电压下垂控制：基本思想是基于功率一频率下垂控制。各换流站通过测量自身功率的大小，基于电压下垂特性，将功率转换为以输出电压为指令的控制信号，再根据调整后的功率反作用于输出电压信号，达到自我调节、自动分配功率的目的。系统中各个换流站共同承担功率平衡，通过调节直流电压来控制功率的大小。因为下垂控制中多个换流站共同参与功率的平衡和直流电压的调节，因此，其相对于主从控制具有更高的可靠性，且不会造成电压振荡。当某一个换流站发生故障停运时，系统剩余部分通过调整各个换流站功率分配和直流电压参考值，仍能维持直流网络电压相对稳定。直流电压下垂控制策略根据控制量的不同，分为电流特性(V-I)和功率特性(V-P)，其中电流特性下垂控制的MTDC 系统中，直流电容的充放电基于线性的电压–电流关系，具有直观的物理含义；而在功率特性下垂控制中，受控量为有功功率，直流电容的充放电为非线性关系(双
曲线)，系统的功率传输特性更为直观。合理设计下垂系数是MTDC 系统稳定、可靠运行的前提。在传统下垂控制基础上，增加上层系统控制器，求解各换流器直流电压和有功功率参考值的最优解，以提高系统的运行效率和动态性能；但这类方法依赖于换流站与上层系统控制器间的高速通讯，降低了系统可靠性。通过引入公共直流参考电压提高了系统动态响应速度。传统下垂控制策略中，下垂特性曲线为正比例函数，直流电压质量与功率分配特性是一对相互制约的因素：若下垂斜率较小，则直流电压刚性较好，但功率分配特性较差；若下垂斜率较大，则功率分配特性好，但直流电压对传输功率变化敏感，系统电压偏差较大。此外，所有参与下垂控制的换流站均需要根据各自的设计容量、运行工况等条件预先设定各自的下垂系数，应用于大规模MTDC 系统时控制器参数设计难度较大。而采用固定下垂系数的MTDC 系统在复杂工况下的灵活性和经济性也会降低。
4．分段下垂控制：结合了电压裕度控制和下垂控制的优点，以两阶分段下垂控制为例，改进的电压-功率下垂控制，在下垂控制中增加两条线段，同时在有功和直流电压控制的切换过程中加入滞环控制，避免模式之间的频繁切换。
三、MTDC 系统结构
3.1换流器电路拓扑
模块化多电平换流器(modular multilevelconverter ，MMC)是近年来应用于HVDC 和MTDC 的VSC 热门拓扑之一。图4 为MMC 的主电路拓扑，每桥臂由n 个功率模块(sub-module ，SM)和桥臂电感arm L 组成，上下两个桥臂构成一个相元。c b a U U U ,,为MMC 交流输出电压；dc U 为直流电压；N 、P 为直流母线连接点
图4 MMC 电路拓扑
要关注其外特性，采用简化等效模型对MMC 的电气特性进行分析。MMC 在交流侧等效为受控电压源，直流侧等效为受控电流源，如图5
图5 MMC 直流侧简化模型
3.2 MTDC 系统拓扑结构
以连接海上风力发电场的MTDC 系统为例，其拓扑结构主要取决于海上风电场的地理位置、岸上交流电网的连接点以及海底电缆的分布。一种典型的连接海上风电场MTDC 系统拓扑结构如图6(a)所示。系统由n 个风机侧换流站(wind farmconverters ，WFCs)，m 个网侧换流站(grid sideconverters ，GSCs)以及直流网络构成。此外，通常还以增加直流连接线的方式将已有HVDC 系统拓展为MTDC 系统，如图6(b)。
图6 连接海上风电场的MTDC 系统拓扑
3.3 MTDC 系统模型
3.3.1直流电压下垂控制
直流电压下垂控制通过检测直流电压与设定参考值的差值控制输入直流网络的有功功率，实现功率平衡和电压稳定。本文以V-I 特性下垂控制为例进行分析，采用V-P 特性下垂控制可用类似方法分析。对下垂控制节点，下垂系数为droop k ，设定运行参考点的直流电压dcref U 、电流dcref I 和功率ref
P ，满足
dcref dcref ref I U P =。以电流流出直流网络为正方向，直流电压dc U 与直流电流dc I 关系: )1()
(dcref dc droop dcref dc U U k I I -=-
有功功率P 与直流电压dc U 的关系为： )2()(2dc dcref droop dcref dc droop ref U U k I U k P P -+=-
由式(1)、(2)可得，多端系统的直流电压控制和功率分配特性取决于下垂系数，亦或V-I 特性曲线的斜率droop k 1
。设计良好的下垂系数能够使多端系统稳
定运行；当传输功率变化或某一换流站检修或故障停运时，系统能够从当前运行点平稳过渡于新的稳态运行点。
3.2.2 MTDC 下垂控制模型
对图6(a)所示MTDC 系统进行建模。系统正常运行时，WFCs 将有功功率实时输入直流网络，称作输入节点；GSCs 承担直流电压控制和功率分配，称作输出节点。利用p 型等效电路对直流电缆建模，支路阻抗简化为电阻。对图7 所示输入输出节点与直流网络模型，列写电压电流方程：
图7 MTDC 系统直流网络模型
1）输入节点模型。
式中： i u 和i u 分别为输入节点i 和j 的直流电压；i i 、j i 和i R 、j R 分别为输入节点i 、j 连接支路的直流电流和线路阻抗；k k k ref k K R u u ,,,,分别为输出节点k 对应的直流电压测量值、直流电压参考值、线路阻抗和下垂系数，如图7(a)所示。
2）输出节点模型。
)4()1()1(,,j ref j j j k k i ref i i i k k k u i k R i R u i k R i R u +++=+++=
式中：k k k R i u ,,分别为输入节点k 的直流电压、连接支路的直流电流和线路
阻抗；
i ref u ,、j ref u ,、i i 、j i 、i R 、j R 和i k 、j k 分别为输出节点i 、j 的直流电压参考值、连接支路的直流电流、线路阻抗和下垂系数，如图7(b)所示。当节点i 与节点j 直流电压参考值相等，即
0,,u u u j ref i ref == 时，等效为支路并联：
3）直流网络模型。
当m 个输出节点直流电压参考值相等，由式(3)—(5)可得图7(c ）
式中：
其中T n T n T n m m n n r u u u U u u u U i i i I k R k R R R ]...[;]...[;]...[);/1(...)/1(00002121110
===+++=++
输出节点：
式中：i u 为节点直流电压；i i 为支路直流电流；i R 为支路线路阻抗；i i=1,2,...,n +m ；i k 为m 个采用下垂控制的输出节点下垂系数，其直流电压
参考值均为u 0；j =n +1,
n +2,...,n +m ；r R 为中间连接支路线路阻抗；如图7(c)所示。式(6)、(7)构成的MTDC 系统数学模型可以简化等效为两端HVDC 系统。对图6(d)所示增加直流连接线扩展而来的MTDC 系统，采用类似的方法可得其下垂控制等效模型为：
式中：i u 为节点直流电压；
i i 为支路直流电流；i R 为支路线路阻抗i=1,2,3,4；j k 为采用下垂控制节点的下垂系数，其直流电压参考值为j u ；j=3,4；5R 为直
流连接线线路阻抗；如图7(d)所示。式(6)—(8)为MTDC 系统节点电压与输入电流方程构成的下垂控制数学模型。包含复杂直流网络的大规模MTDC 系统可由上述模型拓展而得。
3.4 直流电压自适应下垂控制策略
3.4.1系统描述
对图8所示MMC-MTDC 系统，问题描述如下：
)9(GU I =
图8 MTDC 系统下垂控制策略
其中T m n T m n i i i I u u u U ),...,(),...,(2121++==和表示n 个输入节点和m 个输出节点的直流电压和电流；G 为MTDC 直流网络导纳矩阵；)(k k k i f u =表示下垂控制的MMC 换流站(输出节点)V-I 特性曲线。
3.4.2 约束条件
MTDC 下垂控制策略的约束条件包括：直流电压、直流电流、换流器容量等。以额定直流电压、额定直流电流为基值，采用标幺制表示，如图9所示。
图9 下垂控制约束条件
1）直流电压等级。主要由换流器拓扑、开关器件和直流电缆的耐压等级等决定。MTDC
10%以内。在V-I 特性曲线中，电压限制表现为双横线。
2）换流器容量。主要由换流器拓扑和开关器件额定电流决定。在V-I 特性曲线中，容量限制表现为双曲线。
3）直流电流限制与直流电缆最大电流、开关器件额定电流等有关。在V-I 特性曲线中，电流限制表现为双竖线。
3.4.3 自适应下垂控制
在满足上述约束条件情况下，当MTDC 系统中所有VSC 的V-I 特性曲线满足)(k k k i f u =为连续且单调递增函数时，即能维持系统功率平衡： )12(in loss out P P P ==
传统下垂控制策略中，所有换流站下垂系数droop k 均为预先单独设定。其中第k 个换流站：
)13()(,,,k ref k k droop k ref k u u k i i -=-
式中：k u 、k ref u , 为换流站k 的直流电压实际值和参考值；k i 、k ref i ,为换流站k 的直流电流实际值和参考值。当传输功率波动或直流网络拓扑变化(例如换流站停运退出等)时，传统下垂控制有直流电压质量低、功率分配不独立等缺点，影响系统运行的经济性、灵活性。针对上述问题，提出一种改进的自适应下垂控制策略。通过测量本地电气量，引入功率影响因子：
)14(,,,k m k
k ref k p p i u =ξ
式中P m,k 为换流站k 的设计额定容量。则换流站k 的V-I 特性曲线为 )15()()(,,,,k ref k ref k k droop k
p k k k u i i k i f u +-==ξ
将式(14)代入式(15)可得：
)16()(,2,,,,k k ref k k droop k m k
ref k ref k i i i k P u u u -=-
由式(15)、(16)可得，功率影响因子对V-I 特性曲线斜率的影响与直流电流成正比。换流站k 直流母线电压偏差值)(,k ref k k k u u u u -=??与直流电流成抛物线关系。通常设定MTDC 系统运行参考点为：传输功率为零0=k i 时，直流母线电压为系统额定电压；即0,=k ref i ，m k ref u u =,，m u 为额定直流母
线电压。因此，由传输功率变化引起的直流电压偏差k u ?与直流电流的二次方成正比。
)17(,,2
,,k
droop k m k k ref k ref k k k P i u u u u =-=?
u'k 相比：)18(,,,,k m k m k ref k k droop k
k k P P u i k i u u -='?-?
同时，换流站直流电流满足： k
ref u k m P k U k P k i ,,≤= (19) 代入式(18)有： )20('?≤?k k u u
由式(19)、(20)可得，与传统下垂控制策略相比，采用本文提出的自适应下垂控制策略的MTDC 系统，直流电压偏差较小。对式(17)求导可得，直流电压对输入电流的变化率为)21(2,,,k droop k m k k ref k k k P i u i u =?
分析在不同工况下的系统运行特性。
1）工况1，换流站有功功率较低，直流电流 )2/(,,k ref k m k u P i >。
下垂系数满足： )22(12,,,,k
droop k droop k m k k ref k k P i u < 此时自适应下垂控制侧重于直流电压调节，实际直流电压相对额定直流电压偏差
较小。 2）工况2，换流站有功功率较高，接近额定容量，直流电流)2/(,,k ref k m k
u P i >。 下垂系数满足： )23(12,,,,k droop k droop k m k
k ref k k P i u >
此时自适应下垂控制侧重于功率分配以避免MMC 换流站功率超限或桥臂电流过流，功率分配特性较好。由上述分析可得，本文提出的自适应下垂控制策略，能够减小传输功率变化造成的直流电压偏差，同时在不增加通讯的情况下适用于各种工况并提高系统运行特性。控制器设计如图7 所示。自适应下垂控制检测换流站当前运行状态，通过功率影响因子对下垂系数实时修正，实现V-I 特性曲线的闭环控制。其中外环采用自适应下垂控制，内环采用传统dq 轴电流解耦控制。控制外环根据测量本地直流电压dc u 和直流电流dc i ，在自适应下垂控制作用下计算相应的d 轴电流参考值f dre i _；根据无功功率测量值Q 和参考值
ref Q ，在PI 调节器作用下计算相应的q 轴电流参考值f qre i _。在电流内环作用下，生成MMC 三相参考电压ref a u _、ref b u _、ref c u _，经过均压和调制环节，产生换流器中开关器件IGBT 触发脉冲。图7中，dc i 、dc u 分别为直流电流和直流电压；abc i 、abc u 分别为交流电网三相电流和三相电压；q 为锁相环(phase lock l oop ，PLL)输出的相位角；交流电网三相电压abc u 和三相电流abc i 分别进行dq 变换后得到q d u ,、q d i ,。
图10 MMC 换流站自适应下垂控制策略
四、总结
本文分析了MMC-MTDC 系统的数学模型，推导了多端系统在各种典型直流网络拓扑下，采用下垂控制算法的节点直流电压和电流(功率)的关系解析式。直流电压控制是MTDC 系统稳定运行的重要因素之一，系统电压质量与下垂控制参数的选择密切相关。分析下垂控制约束条件，当传输功率较低时，系统侧重于维持直流电压稳定以提高电压质量；当传输功率较高时，系统侧重于功率分配，避免换流站容量超限和过流。
1）传输功率变化时，直流电压质量较高。在相同的最大直流电压偏差限制条件下(不超过额定电压%10 )，自适应下垂控制的直流电压偏差较小。
2）控制器参数设计简化。只需设定每个换流站的直流电压偏差上下限，降低了系统设计复杂度，尤其适用于大规模MTDC 系统。
3）无需上层控制器与换流站的高速通讯，有利于提高MTDC 系统的稳定性和可靠性。
五、感谢
首先感谢任课老师对我仿真的指导与帮助，然后感谢我的导师对我的指导与关怀，还要感谢在这门课程学习过程中给过我无私帮助的其他同学。
这篇报告是我对新型输电这门课学习的一个总结，通过对这门课的学习，我获益良多，不仅学习到了与专业，研究生研究课题相关的知识，还锻炼了对知识检索，整理的能力。老师的教课方式轻松，上课能全面了解新型输电这门课；课后布置讲课PPT很用心，会对每个同学的选题进行指导，课上讲完PPT还会进行提问，对于最后结课报告的内容给出专业的意见。对于结课作业也是需要先给老师初期审查，经过修改，最后完成作业。总之，老师是一位严肃，认真，对学生学习很负责的老师。
通过课上以及课下让我全面了解新型输电系统的内容，针对自己感兴趣和不懂的知识，在课后通过查阅文献资料，最终选择讲解为的内容为多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压偏差斜率控制，经过几次修改，最终由我做讲解的PPT,虽然前期PPT的内容主要是直流电压偏差斜率控制的内容。但我选择了多端柔性直流系统电压下垂控制这方面来写，主要是因为通过查阅文献对直流电压偏差斜率控制已经有了比较多的了解。这个报告对电压下垂控制以及电压自适应下垂控制有比较系统详细的描述。
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[11]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
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。
下垂控制的原理是什么。？ 下垂控制是并网逆变器的常用控制原理，但是具体下垂控制的深层原理和物理含义是什么啊？查到的几乎所有的文献对此都是基于下垂控制XXXX、仿照同步发电机下垂特性XXXX，却没有一个真正说清楚仿照哪了，电机书上对同步发电机的下垂特性也没讲清楚其物理原理。向各位知乎大神求教，我看网上也有很多问这个的却没有一个回答说清楚的。 添加评论 分享 简单来说，所谓下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线（Droop Character）作为微源的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方法对微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制，无需机组间的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，保证了孤岛下微电网内电力平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。—————————————————————————————————————————— 补充说一说。 学过电机学都知道，发电机有个功角特性曲线，其中凸极同步发电机的 无功功率表达式是： 有功 功率表达式： 我们可以看出，通过控制U和功角来控制有功功率P和无功功率Q。那么反过来， 可以通过控制有功功率P和无功功率Q来控制U和功角 所以， 微电网中的常规下垂控制是通过模拟传统发电机的下垂特性，实现微电网中微电源的并联运行。其实质为：各逆变单元检测自身输出功率，通过下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率以达到系统有功和无功功率的合理分配。 逆变器输出电压频率和幅值的下垂特性为：
其中w0，U0分别为逆变器输出的额定角频率，额定电压。kp，kq为逆变器下垂系数。P,Q 分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率。P0，Q0分别为逆变器额定有功和无功功率。 由上式我们可以得到三相逆变器常规的P-f 和Q-U 下垂控制框图。 注：常规下垂控制是在系统并联逆变器的输出端等效阻抗为大电感的条件下推导得到的。然而不同电压等级的连接线路对应不同的阻感比。 在电压等级较低的线路中，阻感比相对较高。 加之每个逆变器到交流母线的距离不同，线路越长，线路电阻越大，可能会导致线路电阻相对线路感抗较大，常规下垂控制已经不能满足低压微电网控制的需求。 所以就有了一种改进型功率耦合下垂控制策略。 因为低压微电网中线路阻抗的影响已经不能完全忽视，有功功率和无功功率对电压和频率的调节存在耦合关系。 逆变电源输出的有功功率P和无功功率Q可以写为： 单台逆变器到交流母线的功率传输示意图：
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
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。
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
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
柔性直流输电系统的改进型相对控制策略 摘要：电压源换流器(VSC)中交流滤波器可滤除交流网络侧谐波，交流侧换流电 抗器或换流变压器有助于交流网络和VSC的能量交换，直流侧电容器可减小换流 桥切换时的冲击电流，同时也可滤除直流网络侧谐波。 关键词：柔性直流输电；控制策略；应用 前言 在柔性直流输电系统(VSC－HVDC)中电压源换流器采用全控型可关断器件，可实现对交流无源网络供电，同时对有功功率、无功功率进行控制。笔者采用外环 电压控制和内环电流控制，外环电压控制中送端VSC系统采用相对控制策略，通 过分别控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，进而控制其与送端系统 交换的有功功率和无功功率。受端VSC系统采用定交流电压和定直流电压控制方法，通过调制比和移相角信号产生器件的驱动脉冲，内环控制采用空间矢量控制 策略，PI控制器实现对d、q轴电流的解耦控制，运用PSCAD/EMTDC暂态仿真软 件建立相应的内外环控制模型，验证所设计控制方案的有效性和可靠性。 1柔性直流输电技术的概述 1.1柔性直流输电技术概念 柔性直流输电技术是由加拿大的科学家开发出来的。这是一种由电压源换流器、自关断器和脉宽调制器所共同构成的直流输电技术。作为一种新型的输电技术，该技术不仅可以向无源网络进行供电，还不会在供电的过程中出现换相失败 的现象。在实际使用的过程中，换相站之间不会直接依赖于多端直流系统进行运作。柔性直流输电技术属于一类新型的直流输电技术。虽然在结构上和高压输电 技术相类似。但是整体结构仍然是由换流站和直流输电线路构成的。 1.2柔性直流输电的特点 柔性直流输电是由高压直流输电改造而来的。应该说在技术性和经济性方面 都有很大的改善。具体来说，柔性直流输电技术内部的特点可以表现为如下几个 方面： （1）在运用柔性直流输电技术的过程中，如果能够有效地采用模块化设计的技术，其生产和安装调试的周期都会最大限度地缩短。与换流站有关的设备都能 够在安装和使用的过程中完成各项试验。 （2）柔性直流输电技术内部的VSC换流器是以无源逆变的方式存在的。在使用的过程中可以向容量较小的系统或者不含旋转机电的系统内部进行供电。 （3）柔性直流输电技术在使用的过程中都伴随有有功潮流和无功潮流 （4）整个柔性直流输电系统可以有效地实现自动调节。换流器不需要经常实现通信联络。这也就在很大程度上减少了投资、运行和维护的费用。 （5）整个柔性直流输电技术内部的VSC换流器可以有效地减弱产生的谐波，并减少大家对功率的要求。一般情况下，只需要在交流母线上先安装一组高质量 的滤波器，就可以有效地满足谐波的要求。目前，多数无功补偿装置内部的容量 也不断地减少。即便不装换流变压器，内部的开关也可以更好地被简化。 2柔性直流输电技术的战略意义 目前，柔性直流输电技术在智能电网中一直都发挥着重要的作用。一般来说，柔性直流输电技术可以有效地助力于城市电网的增容改造和交流系统内的互联措施。目前，多数柔性直流输电技术也在大规模风电场建设的过程中发挥出了较好 的技术优势。如果大面积地选择柔性直流输电技术，将会在很大程度上改变电网
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。
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，
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-MTD（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-HVD，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
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。
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．０５．００６使用电压—相角下垂控制的微电网控制策略设计 郜登科，姜建国，张宇华 （电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市２００２４０ ）摘要：根据微电网的特点，对微电网２种运行模式采取的不同控制策略进行设计。微电网孤岛运 行时，分布式发电单元采用电压源逆变器控制，使用电压—相角下垂控制实现按预定比例分配负荷功率，该下垂控制较电压—频率下垂控制可以提供更好的频率支撑。微电网并网运行时，分布式发电单元采用ＰＱ控制， 按照功率设定值输出功率。通过设计对应电压—相角下垂控制的同步控制器实现了微电网运行模式的无缝转换。利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对微电网运行模式转换和微电网孤岛运行时使用的２种下垂控制进行对比仿真分析， 验证了电压—相角下垂控制策略的可行性和有效性。 关键词：微电网；分布式发电；孤岛运行；并网运行；下垂控制；电压源逆变器控制；ＰＱ控制 收稿日期：２０１１－０５－１２；修回日期：２０１１－０９－ ０７。国家重点基础研究发展计划（“九七三”计划）资助项目（２００９ＣＢ２１９７０６ ）。０ 引言 微电网将微电源、负荷和电力电子装置等整合成一个独立可控的小型发电系统，在充分发挥分布式发电（ＤＧ） 优势的同时又能克服其给配电网带来的不利影响， 利于新能源和可再生能源发电的大规模应用，成为近年来的研究热点［ １－ ３］。微电源主要包括光伏电池、燃料电池、微型燃气轮机和风力发电机 等分布式电源，以及蓄电池、超级电容器和飞轮等储 能装置。微电网既可以并网运行， 也可以孤岛运行，还可以在２种运行模式之间进行无缝转换［ ４－ ５］。微电源通过直流变换器或整流器产生直流电 后，再通过逆变器产生交流电，从而形成一个接入微电网的ＤＧ单元。对于其中的逆变器一般采用ＰＱ 控制或电压源逆变器（ＶＳＩ）控制，这２种控制方法只需逆变器的当地信息即可实现。采用ＰＱ控制的 逆变器可以等效成电流源，其输出功率由功率设定值决定，不受微电网内部功率变化的影响，适用于所有的分布式电源。采用ＶＳＩ控制的逆变器可以等效成电压源，其输出功率随微电网内部功率的变化而改变，起到调节功率的作用，适用于配备有储能装置的分布式电源。微电网并网运行时，可由配电网为其提供电压和频率支撑；孤岛运行时，由于微电网已经与配电网解列，必需有一定数量的采用ＶＳＩ控制的ＤＧ单元为其提供电压和频率支撑， 以保证微电网的正常运行［６－ ８］。本文主要考虑由这类ＤＧ单 元组成的微电网控制策略。 在ＶＳＩ控制中通常使用电压—频率下垂控制产 生参考电压，该方法又称为Ｖ／ｆ控制［９－ １１］。如果用电压—相角下垂控制取代电压—频率下垂控制，可以 使微电网孤岛运行时拥有更好的运行频率，因而为文献［１２－１５］所采用。但是文献［１２－ １３］只考虑了微电网孤岛运行的情况，没有研究微电网并网运行及微电网运行模式的转换；文献［１４］在微电网运行模式转换时没有采用同步控制器，因此存在较大冲击电流的可能，无法实现无缝转换；文献［１５］只研究了分布式电源运行模式的转换，而非微电网运行模式的转换。 本文对微电网的２种运行模式采取不同的控制策略。微电网孤岛运行时，ＤＧ单元采用ＶＳＩ控制，使用电压—相角下垂控制产生参考电压，为微电网提供电压和频率支撑。微电网并网运行时，ＤＧ单元采用ＰＱ控制， 输出指定功率。同时，设计了适用于微电网同步运行过程的同步控制器， 以实现微电网运行模式的无缝转换。通过比较微电网孤岛运行 时使用的２种下垂控制的差异，体现了使用电压—相角下垂控制的优势。 １ 微电网结构 本文研究的微电网结构如图１所示。该微电网将３个分散的ＤＧ单元和１个负荷通过线路和开关 并联于母线１，在公共连接点（ＰＣＣ）通过开关Ｋ５和升压变压器连接到１０ｋＶ配电网。 — ９２—第３６卷 第５期２０１２年３月１０ 日Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．５ Ｍａｒ．１０，２０１２
2.逆变器并联下垂控制原理： 01 Z 02 Z 22 ?∠?1V ?∠? 图1.两台逆变器并联运行的等效电路 图1中，运用电路理论的知识，并忽略阻抗01Z 和02Z 中的阻性部分，可得出逆变器1输出地有功功率和无功功率的表达式为： 1 101 sin VV P X ?= ? 2 1101 cos VV V Q X ??-= 在并联逆变器输出电压相角??很小的情况下，s i n ???≈?和 cos 1??≈ 成立。将其代入有功功率和无功功率的公式可以知，逆变器输出地有功 功率主要由相角差??决定，而无功功率主要由幅值X V 决定。 基于以上分析，在逆变器并联系统中可以借助同步发电机的自下垂特性，引入有功功率和无功功率的调节作用，分别来调节逆变器输出电压的幅值和频率，即： 0x x x x m P ωω=- 0x x x x V V n Q =- 其中，x ω、0x V 分别为x 台逆变器空载时输出电压的频率和幅值，x m 、x n 分别为x 台逆变器输出电压的频率、幅值的下垂系数，如下图2所示。图2（a ）可以看出，由于逆变器自身特性的差异所造成的逆变器并联运行时输出功率的差异随着频率和幅值下垂系数的增大而减小，但是随着下垂系数的增大电压的偏离度也会随之增大。因此在实际设计中需要在负载均分度和电压偏离度之间进行折中考虑。图2（b ）表明利用下垂特性选择不同的下垂系数，可以使不同容量的逆变器并联运行并按其单位容量均分负载，其下垂系数选择如下： 11221122x x x x m S m S m S n S n S n S ===== =
图2.频率和幅值下垂特性 3.控制方法： 实际应用的外特性下垂并联控制方法主要是两种：一、负载电流前馈方式，二、减弱电压控制环方式。 负载电流前馈控制方法的特点是各个模块的电压调节器均为无静差的PI调节器，且电压环给定随着负载电流的增大而减小。 减弱电压环的控制框图如图3所示： 图3.减弱电压环方式的控制框图