《柔性交流输电系统的原理与应用》
前言
电力输电系统已进入大系统、超高压远距离输电、跨区域联网的新阶段，社会经济的发展促使现代输电网的管理和运营模式发生变革，对其安全、稳定、高效、灵活运行控制的要求日益提高，从而急需发展新的调节手段，提高其可控性；另一方面，控制理论、大功率电力电子、计算机信息处理等技术的蓬勃发展又为输电控制手段的改善和升级换代不断提供新的可能。在这种情形下，美国N. G. Hingorani 博士首先较完整地提出了柔性交流输电系统（flexible AC transmission system，FACTS）的概念。FACTS 自诞生始就受到各国电力科研院所、高等院校、电力公司和制造厂家的重视，得到了广泛的研究和迅速的推广应用，成为电力工业近20年来发展最快和影响最广的新兴技术领域之一。目前已发明了近20种FACTS控制器，部分已经商业化并取得良好的成效，成为解决现代电网诸多挑战的重要手段之一。从长远来看，FACTS技术的作用将更为深远，正如IEEE/PES的“DC与FACTS分委会”所指出的：“FACTS与先进控制中心和整体自动化等技术所带来的非常长远的优越性已经被世人广泛认可，它们
预示着电力传输系统一个新时代的到来。”
FACTS的基本内涵是：基于采用现代大功率电力电子技术构成的各种FACTS控制器，结合先进的控制理论和计算机信息处理技术等，实现对交流输电网运行参数和变量（如电压、相角、阻抗、潮流等）更加快速、连续和频繁的调节，即所谓柔性（或灵活）输电控制，进而达到提高输电系统运行效率、稳定性和可靠性的目的。因此，FACTS的基石是大功率电力电子技术，核心是FACTS控制器，关键是对输电网参数和变量的柔性化控制。FACTS技术通过适当的改造，还可应用于配电和用电网络，以改
善电能质量和提供用户定制电力。
笔者长期从事FACTS技术领域的研究工作，曾参与研制了国内首台大容量（20Mvar）STATCOM 装置，2003年开始在清华大学开设研究生课程“柔性输配电系统（FACTS/DFACTS）的原理及应用”，
本书即是在该课程讲授过程中逐渐成稿的。
全书共分14章。第1章概述FACTS和用户电力技术，并讨论FACTS和HVDC的关系。第2章、第3章和第4章简要介绍作为FACTS和用户电力技术基石的电力电子技术，其中第2章介绍电力电子器件，第3章介绍电压型变换器，第4章介绍电流型变换器。第5章先概述并联无功补偿的作用、历史与现状以及补偿器的分类，然后重点介绍SVC的原理、特性、控制和应用。第6章论述STATCOM的基本原理、数学建模、特性分析、控制设计及应用情况。第7章对SVC和STA TCOM的基本特性进行比较，研究它们的系统级控制策略共性，并讨论综合并联补偿系统。第8章介绍将STA TCOM与蓄电池和超导磁体结合起来构成的电池储能系统和超导储能系统。第9章介绍变阻抗型串联FACTS控制器，重点讨论晶闸管控制串联电容补偿器（TCSC）的原理、特性、控制和应用。第10章介绍静止同步串联补偿器（SSSC）。第11章介绍静止电压/相角调节器。第12章介绍统一潮流控制器及其他复合补偿器。第13章主要介绍三类有特殊用途的FACTS控制器，即NGH 次同步谐振阻尼器、晶闸管控制的制动电阻和短路电流限制器。第14章概述了用户电力技术，并重点介绍两类典型的用户电力控制器，即并联
型有源电力滤波器和串联型动态电压调节器。
本书的第2章到第9章由谢小荣编写，第10章到第14章由姜齐荣编写，第1章为二人合写。本书力求体现FACTS领域中研究开发和工程技术人员的科研成果，它应该属于在该领域中奋力开拓的国内
外科技工作者。
在本书编写过程中，选修编者所开设课程的研究生在文献检索、资料汇编和图文整理等方面给予了大量的帮助，严干贵博士阅读全书并提出了宝贵意见，同时得到了韩英铎院士、王仲鸿、陈建业、崔文进、童陆园和刘文华等教授的指导，清华大学电机工程系与柔性输配电系统研究所也给予了支持，在此
一并表示诚挚的感谢。
本书可供高年级本科生和研究生使用，也可供FACTS领域的广大科研和工程技术人员参考。
由于作者水平有限，书中不妥和错误之处恳请广大读者批评指正。
作者
2006年5月于清华园
第1章柔性交流输电系统概述
1.1现代电力系统概述
1.1.1输电技术的发展历史
1.1.2现代电力系统的主要特点
1.2输电网互联带来的挑战
1.2.1电网互联带来的好处和挑战
1.2.2输电网的潮流控制
1.2.3提高传输容量
1.3传统解决方法及其局限性
1.4新的解决方法——FACTS的诞生
1.4.1FACTS出现的背景及其必然性
1.4.2FACTS的历史、现状与前景
1.5FACTS及其控制器概述
1.5.1FACTS基本概念
1.5.2FACTS 控制器的基本类型
1.5.3主要FACTS控制器的定义
1.5.4FACTS的优越性
1.6FACTS与HVDC
1.6.1HVDC的发展历史回顾
1.6.2HVDC的基本原理及其特点
1.6.3HVDC的特点和等价距离概念
1.6.4HVDC的传统应用领域和FACTS技术的影响
1.6.5HVDC与FACTS的关系
1.7电能质量与用户电力
1.7.1电能质量问题概述
1.7.2用户电力及其控制器
参考文献
第2章电力电子器件
2.1概述
2.2发展历史与现状
2.3分类
2.4特性参数
2.5主要器件简述
2.5.1整流器/ 电力二极管
2.5.2双极型晶体管
2.5.3功率场效应管
2.5.4绝缘栅双极型晶体管
2.5.5晶闸管
2.5.6门极关断晶闸管
2.5.7改进门极关断晶闸管
2.5.8MOS栅控晶闸管
2.6FACTS控制器中的电力电子器件
2.7国内的电力电子器件发展水平
参考文献
第3章电压型变换器
3.1电力电子变换器及其分类
3.2电压/电流型变换器的一些基本概念
3.3电压型变换器的基本原理
3.4单相变换器
3.4.1单相全波变换器
3.4.2单相桥变换器
3.5三相二电平变换器
3.5.1三相全桥变换器
3.5.2变压器耦合的多脉波变换器
3.6三相多电平变换器
3.6.1多电平变换器的基本概念
3.6.2三相三电平变换器
3.6.3多电平变换器的主电路结构
3.7脉宽调制技术
3.7.1正弦脉宽调制
3.7.2空间矢量PWM
3.7.3优化PWM
3.8多电平变换器和PWM技术在FACTS中的应用
3.9如何增大变换器容量
参考文献
第4章电流型变换器
4.1基本原理
4.2三相全波二极管整流器
4.3三相全波晶闸管变换器
4.3.1整流模式
4.3.2逆变模式
4.3.3交流电流和直流电压的谐波分析
4.3.4大容量晶闸管变换器
4.4基于可关断器件的电流型变换器
4.5电压型变换器与电流型变换器的比较与综合
4.5.1VSC和CSC的比较
4.5.2混合变换器概念
4.5.3阻抗型变换器概念
参考文献
第5章并联补偿与静止无功补偿器
5.1并联补偿概述
5.2并联补偿的作用
5.2.1输电系统并联补偿和动态性能控制
5.2.2输电线路分段和中点并联补偿
5.2.3并联补偿提高系统电压稳定性
5.2.4并联补偿提高输电系统暂态稳定性
5.2.5并联补偿提高输电系统振荡稳定性
5.2.6负荷的三相不平衡补偿
5.2.7电力系统谐波的并联补偿
5.3电力系统并联补偿技术的历史与现状
5.4并联补偿器的种类
5.5静止无功补偿器
5.5.1并联饱和电抗器
5.5.2晶闸管控制/投切电抗器
5.5.3晶闸管控制的高阻抗变压器
5.5.4晶闸管投切电容器
5.5.5组合式SVC概述
5.5.6固定电容 晶闸管控制电抗型SVC
5.5.7晶闸管投切电容 晶闸管控制电抗型SVC
5.5.8机械式投切电容 晶闸管控制电抗型SVC
5.6SVC的控制策略简介
5.6.1面向电力系统的对称控制策略
5.6.2面向负荷的控制策略
5.7SVC的应用概述与工程举例
5.7.1SVC应用概述
5.7.2美国Eddy变电站高压直流联络线的并联无功补偿
5.7.3武钢硅钢厂SVC工程
参考文献
第6章静止同步补偿器STATCOM
6.1概述
6.2STA TCOM工作原理简述
6.3国产±20Mvar STATCOM的建模、分析与控制
6.3.1±20Mvar STATCOM简介
6.3.2主电路结构
6.3.3主电路建模
6.3.4特性分析
6.3.5控制系统
6.3.6保护系统
6.3.7运行与测试
6.3.8关键技术创新总结
6.4国内外STATCOM应用工程概述及实例
6.4.1国内外STA TCOM应用工程概述
6.4.2日本关西电力系统Inuyama开关站±80Mvar STATCOM
6.4.3TV A电网Sullivan变电站的±100Mvar STATCOM工程
6.4.4NGC ALSTOM的±75Mvar链式STATCOM
参考文献
第7章综合并联无功补偿系统
7.1概述
7.2SVC与STATCOM的基本特性比较
7.2.1输出特性比较
7.2.2响应速度比较
7.2.3损耗特性比较
7.2.4有功功率调节能力
7.2.5交流系统不对称时的运行特性
7.2.6其他方面的比较
7.3SVG的系统控制
7.3.1SVG的一般控制策略
7.3.2电压控制策略及其闭环动态模型
7.3.3STA TCOM和SVC提高电压稳定性的比较
7.3.4恒电压控制模式下STATCOM和SVC对提高传输容量的比较
7.3.5暂态稳定控制
7.3.6阻尼控制
7.3.7无功储备控制
7.3.8多目标控制策略
7.3.9SVG控制系统构成
7.4综合并联无功补偿
参考文献
第8章并联储能系统
8.1概述
8.2电池储能系统
8.2.1概述
8.2.2基本原理与模型
8.2.3控制系统
8.2.4应用情况
8.3SMES
8.3.1概述
8.3.2基本结构
8.3.3运行特性与控制简述
8.3.4在电力系统中的应用
8.3.5国内外研究与应用状况
8.3.6应用前景展望
参考文献
第9章变阻抗型串联补偿器
9.1电力系统串联补偿概述
9.1.1基本概念
9.1.2串联补偿的工作原理
9.2串联补偿的作用
9.2.1串联补偿与潮流控制
9.2.2串联补偿提高系统电压稳定性
9.2.3串联补偿提高输电系统暂态稳定性
9.2.4串联补偿提高输电系统振荡稳定性
9.2.5串联补偿抑制次同步振荡
9.3电力系统串联补偿技术的历史与现状9.4可控串联补偿的方法和串联补偿器的种类
9.5GTO控制串联电容器
9.6晶闸管投切串联电容器
9.7晶闸管控制串联电容器
9.7.1基本原理
9.7.2TCSC的电路分析
9.7.3稳态基波阻抗模型
9.7.4TCSC的动态特性
9.7.5U I工作区与损耗特性
9.7.6谐波特性
9.7.7同步信号
9.7.8实用的TCSC电路结构及其参数选择9.8GCSC,TSSC和TCSC次同步谐振特性
9.9GCSC,TSSC和TCSC的控制
9.9.1控制系统概述
9.9.2GCSC的内环控制原理
9.9.3TCSC的内环控制原理
9.9.4TCSC的系统级控制概述
9.10TCSC的应用工程概述及实例
9.10.1国内外TCSC应用工程概述
9.10.2美国西部电力局Kayenta变电站的先进串联补偿工程
9.10.3美国BPA Slatt变电站的TCSC工程
9.10.4中国南方电网平果变电站TCSC工程
参考文献
第10章静止同步串联补偿器
10.1工作原理
10.2SSSC装置对系统功角特性的影响
10.3SSSC装置的主电路
10.4SSSC装置的控制
10.5SSSC与TCSC的比较
10.6混合静止同步串联补偿器
参考文献
第11章静止电压/相角调节器
11.1电压/相角调节的作用
11.2电压/相角调节的方法
11.3TCVR/TCPAR的工作原理、控制方法
参考文献
第12章统一潮流控制器及其他复合补偿器
12.1概述
12.2统一潮流控制器
12.2.1工作原理
12.2.2UPFC对输电系统功率特性的影响
12.2.3控制方法及其改善电力系统稳定性和传输能力的分析
12.2.4示范工程
12.3线间潮流控制器
12.4通用型多功能FACTS控制器
参考文献
第13章其他FACTS控制器
13.1NGH 次同步谐振阻尼器
13.2晶闸管控制的制动电阻
13.3短路电流限制器
参考文献
第14章DFACTS与用户电力技术
14.1有源电力滤波器
14.1.1有源滤波器主电路拓扑结构
14.1.2有源滤波器的控制策略
14.1.3功率电路的设计
14.1.4有源滤波器的技术要求
14.1.5工程实例
14.2动态电压调节器
14.2.1动态电压调节器的结构分析14.2.2动态电压调节器的控制
14.2.3DVR设计实例
参考文献
缩略词表
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。
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。
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
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
研究背景 基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。目前，世界X围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛;国内已有5项MMC工程投运，同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中，并可能成为我国未来大区域电网互联的重要手段。与交流输变电工程不同，柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。 （来源：电力系统自动化ID：AEPS-1977） ±320kV/1000MWXX柔性直流输电工程(以下简称XX工程)是世界X围内第一个采用双极接线的柔性直流工程，也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程，两端换流站鸟瞰示意图如图1所示。与以往对称单极柔性直流工程相比，首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。本文对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，研究结论在XX工程得到成功应用，验证了设计方案和技术参数的正确性。 (a) 彭厝换流站 (b) 湖边换流站 图1 XX工程换流站鸟瞰示意图 1 主接线及运行方式 当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线，存在如下问题： 1)与同容量双极柔性系统相比，可靠性较低。 2)换流单元采用三台单相双绕组变压器，导致变压器容量大，运输困难。 3)换流站设备的绝缘水平要求较高。考虑到上述因素，XX工程采用双极带金属回线的主接线，主接线设计如图2所示。
图2 双极柔性直流换流站接线示意图 根据主接线设计特点和转换开关配置方案，XX工程存在以下3种运行方式： 方式1：双极带金属回线单端接地运行(见图3(a))。其中，接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。双极不平衡电流通过金属回线返回。 方式2：单极带金属回线单端接地运行(见图3(b))。接地点的作用同方式1，且单极极线电流通过金属回线返回。 方式3：双极不带金属回线双端接地运行(见图3(c))。双极不平衡电流通过大地回路返回。该方式为运行方式转换过程中出现的临时方式，且必须保证直流系统处于双极对称状态。
柔性交流输电系统(FACTS)：Flexible Alternative Current Transmission Systems，建立在电力电子或其它静止型控制器基础之上的、能提高可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。 现代电力系统遇到的很多问题都需要柔性交流输电设备来解决。 1)输电线路输送容量瓶颈问题 电力系统稳定性限制决定的传输容量极限小于其他因素，所以，电力系统稳定性的本质是功率平衡，需要通过快速的潮流调节来提高系统稳定性。 2)大型火电厂远距离送电面临的SSR问题(次同步谐振) 远距离(300公里及以上)、中高串补度(35%及以上)的大容量厂对网输电系统，即存在多模态SSR问题，威胁电网和机组的稳定运行，需采取必要措施有效化解SSR风险，确保机网安全。
3)互联电网动态稳定问题 区域联网，阻尼减弱，引发甚低频或超低频区域间振荡。 4)等大负荷中心区的暂态电压稳定问题 京沪穗等大型负荷中心已建成500KV强受电网，抗功角稳定能力强，一般可经受环内N-2检验，但是抗暂态电压稳定的条件不断恶化。 空调比例增加，负荷变化随机性加大，事故时的调节特性变坏。 手动投切的电容比例过大，恶化严重故障时的电压支撑能力。 各中心负荷区现有的动态无功补偿设备很少，较之发达国家相去甚远。 5)电能质量问题
我国配电系统普遍存在电能质量问题。 二、柔性交流输电系统的作用原理 1)提高传输容量，提高现有网络利用率 FACTS装置的一个巨大用途：提高系统稳定性，提高远距离输电的容量。相当于可以少建输电线路，提高目前已有线路和设备的使用效率。 2)稳态与暂态的控制 FACTS对潮流进行控制，提高网络利用率;FACTS使网络联系更紧密，更强壮，减少损耗。
·12· NO.14 2019 ( Cumulativety NO.50 ) 中国高新科技 China High-tech 2019年第14期（总第50期） 0 引言 随着电子技术的发展和绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出现，电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）技术应运而生，为柔性直流输电奠定了技术基础。柔性直流输电不需要传统交流输电系统的换相容量，并且对无源载荷提供电力，并广泛适用于城市供电、偏远地区供电、新能源发电并网等供电新领域。此外，柔性直流输电系统还具有较高的可控性，较低的成本，较小的电力损耗，可实现动态无功补偿等，因此成为当前输电领域研究的热点之一。 柔性直流输电技术中，输电系统的拓扑结构是关键环节之一。合理的拓扑结构能够有效提高直流输电系统的输电效率和可靠性，因此是目前柔性直流输电系统研究的重点。本文将分析柔性直流输电系统的技术原理，并对柔性直流输电系统的拓扑结构进行研究，从而为我国柔性直流输电系统的设计与建设提供理论参考。 1 柔性直流输电系统的技术原理 目前工程领域常用的柔性直流输电系统主要采用３种方式：两电平电压源换流器、多电平电压源换流器和模块化多电平电压源换流器（MMC）。1.1 两电平电压源换流器的技术原理 两电平电压源换流器的每一相都有２个桥臂，因此共有6个桥臂构成，每个桥臂都是由二极管和 IGBT通过并联方式组成，如图1所示。在工程应用中，为了提高柔性直流输电系统的供电电压和供电容量，一般可将多个二极管和IGBT并联再串联。并联的二极管与IGBT所串联的个数直接决定VSC的额定功率和耐压强度。在两电平电压源换流器的设计中，每一相的２个桥臂上的IGBT均可以单独导通，并单独输出２个电平，最后通过PWM对输出电平进 行调制，最终得到柔性直流输电波形。 图1 两电平电压源换流器示意图 两电平电压源换流器通过增加串联的二极管和GBIT提高供电电压和电流，因此在大容量直流输电方面存在较大技术缺陷。随着串联的二极管和GBIT 个数的增加，将增加动态电压的不稳定性，而且串联的二极管和GBIT也会增加输电系统输电波形的谐波含量，进而降低柔性直流输电系统的功率和效率。1.2 多电平电压源换流器的技术原理 多电平电压源换流器技术在两电平电压源换流 柔性直流输电系统拓扑结构 叶 林 （中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510000） 摘要：柔性直流输电系统具有线路损耗低、可控性强等优势，成为当前电力网大力发展的输电方案。柔性直流输电系统的拓扑结构则是输电工程中的关键技术之一，决定输电网络的性能。文章分析了柔性直流输电系统的技术原理，重点对柔性直流输电系统的拓扑结构进行了研究，为柔性直流输电系统的拓扑结构方案设计与应用提供理论参考。 关键词：柔性直流；输电系统；拓扑结构；输电方案 文献标识码：A 中图分类号：TＭ131文章编号：2096-4137（2019）14-012-03 DOI：10.13535/https://www.doczj.com/doc/e817165217.html,ki.10-1507/n.2019.14.04 收稿日期：2019-04-30 作者简介：叶林（1987-），男，河南信阳人，供职于中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，研究方向：超（特）高压输电运维柔性直流输电系统拓扑结构。
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
MMC柔性直流电基本原理 通常，为了减小长距离输电线路的损耗必须提高输电线路的电压等级，即必须采用高压输电。现有的高压输电技术主要包括高压交流（HVAC）和高压直流（HVDC）两种主流技术。 由于输电线路造价低、相同绝缘条件下线路的电力输送能力强，高压直流输电技术更适用于 长距离大容量的电力输送，目前，高压直流输电技术主要有： 基于电流源型换流器的HVDC（LCC-HVDC），即常规直流输电技术 基于电压源型换流器的HVDC（VSC-HVDC） 由于可控性和兼容性更佳，VSC-HVDC在中国也被称为柔性直流输电，简称“柔直”。 近年来，模块化多电平换流器（MMC）以其模块化的结构、低谐波含量、高运行效率等优点在柔性直流输电领域获得了广泛关注，并在多个实际工程中获得应用。对应用于直流输电系 统的MMC来说，具有如下特点： 换流器容量大——通常在数百至上千MW 电压等级高——交、直流电压在百kV等级 功率模块数量巨大——高达数百至数千 例如：广东南澳多端柔直工程容量200MW，直流电压±160kV，交流电压166kV，青澳站换 流器功率模块数量为1320个 云南鲁西背靠背柔直工程容量1000MW，直流电压±350kV，交流电压380kV，广西侧换流器 功率模块数量高达2808个 现有文献对应用于柔性直流输电系统的MMC开展了较多的研究，包括电路拓扑、数学模型、调制与均压、桥臂环流谐波抑制、快速仿真方法、故障保护策略等 在电路拓扑方面，现有文献重点研究了具有直流短路故障抑制能力的换流器拓扑 基于半桥型功率模块构建的换流器结构简单，运行效率高，但是无法抑制直流短路故障 基于全桥或者双箝位型功率模块构建的换流器具有短路故障抑制能力，但是所需功率器件多，损耗大，造价高 在MMC的数学模型方面，现有文献主要对MMC的交流侧、直流侧等效模型进行了研究， 分析了电容参数及桥臂电感参数的设计方法 现有文献对MMC的均压与调制策略也进行了研究 载波移相脉宽调制策略开关频率固定，需要对每个功率模块都进行闭环均压控制，功率模块 数量较多时几乎难以实现 最近电平逼近调制策略具有开关频率低、均压实现简单的特点，但是模块的开关具有随机性，功率模块的开关频率不固定 在基于最近电平逼近调制策略的低开关频率均压策略方面，现有文献提出了若干方法，但是 这些方法在基波周期中的大多数时间内令功率模块投切状态不变，导致模块电容电压波动范 围很大
浅析柔性直流输电工程发展 文章介绍了柔性直流输电工程国内外应用领域及应用现状，对柔性直流输电在相关工程技术领域、工程应用情况等进行了总结和分析，分析了柔性直流输电工程发展的前景，进而说明了其对未来电网模式发展是一种必然趋势。 标签：柔性直流输电；优势；工程应用 1 概述 柔性直流输电技术概念于20世纪80年代提出，特别是在伴随着包括电力电子技术、自动控制技术以及计算机微处理技术等多方面的发展，经过三十多年的发展进化，柔性直流输电技术在当前形势下，演变发展以来产生的诸多关键性问题逐渐得到一一解决，此技术（柔性直流输电技术）在HVDC以及HV AC系统中得到了越来越多的相关人员及专业的重视。 2 柔性直流输电相关技术介绍 2.1 柔性直流输电工程中的换流器技术 柔性直流输电的换流器根据换流器桥臂的等效特性，可分为：可控电源型和可控开关型两类。可控电源型交流器其换流桥臂等效为可控电压源，其储能电容分散于各桥臂中，并且通过改变某桥臂的等效电压，就能间接改变交流侧输出的电压。可控开关型换流器通过适当的脉宽调制技术控制桥臂的开通与关断，其换流桥臂可以等效为可控开关，从而将直流侧电压传递到交流侧。 无论是两电平还是半桥型模块化多电平换流器，于目前投入工程应用的换流器技术中，同时全桥式和钳位双子模块型模块化多电平换流器，均存有不可在直流故障下实现交直流系统隔离的问题。在直流电压急剧降低时，仍然可以支撑交流电压，究其原因可以使桥臂等效输出电压为负值，从而实现抑制交流侧短路电流的目的。 2.2 柔性直流输电系统中的主接线设计 电力系统中的变电站主接线设计是电力系统规划设计中的重中之重。柔性直流输电换流站中采用两电平、三电平换流器，其站址一般采用在直流侧中性点接地的方式，原因在于电压等级过高，而我国交流电网110kV及以上的电力系统大多都采用中性点直接接地的方式。与此同时采用模块化多电平的柔性直流输电系统则一般采用交流侧接地的方式，和国家电网公司设计规程吻合。而上述这些接地特点及方式都是单极对称系统，当换流器或直流线路发生故障后，整个系统将瘫痪，进而无法正常运行，虽然正常情况下不需要单独设置专门接地，但在系统参数配置相同情况下，直流侧的不对称还将造成换流器所连接的交流侧电压水平的大幅度提升。单极不对称系统换流阀所耐受电压是单极对称系统的两倍，水
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，
《柔性交流输电系统的原理与应用》 前言 电力输电系统已进入大系统、超高压远距离输电、跨区域联网的新阶段，社会经济的发展促使现代输电网的管理和运营模式发生变革，对其安全、稳定、高效、灵活运行控制的要求日益提高，从而急需发展新的调节手段，提高其可控性；另一方面，控制理论、大功率电力电子、计算机信息处理等技术的蓬勃发展又为输电控制手段的改善和升级换代不断提供新的可能。在这种情形下，美国N. G. Hingorani 博士首先较完整地提出了柔性交流输电系统（flexible AC transmission system，FACTS）的概念。FACTS 自诞生始就受到各国电力科研院所、高等院校、电力公司和制造厂家的重视，得到了广泛的研究和迅速的推广应用，成为电力工业近20年来发展最快和影响最广的新兴技术领域之一。目前已发明了近20种FACTS控制器，部分已经商业化并取得良好的成效，成为解决现代电网诸多挑战的重要手段之一。从长远来看，FACTS技术的作用将更为深远，正如IEEE/PES的“DC与FACTS分委会”所指出的：“FACTS与先进控制中心和整体自动化等技术所带来的非常长远的优越性已经被世人广泛认可，它们 预示着电力传输系统一个新时代的到来。” FACTS的基本内涵是：基于采用现代大功率电力电子技术构成的各种FACTS控制器，结合先进的控制理论和计算机信息处理技术等，实现对交流输电网运行参数和变量（如电压、相角、阻抗、潮流等）更加快速、连续和频繁的调节，即所谓柔性（或灵活）输电控制，进而达到提高输电系统运行效率、稳定性和可靠性的目的。因此，FACTS的基石是大功率电力电子技术，核心是FACTS控制器，关键是对输电网参数和变量的柔性化控制。FACTS技术通过适当的改造，还可应用于配电和用电网络，以改 善电能质量和提供用户定制电力。 笔者长期从事FACTS技术领域的研究工作，曾参与研制了国内首台大容量（20Mvar）STATCOM 装置，2003年开始在清华大学开设研究生课程“柔性输配电系统（FACTS/DFACTS）的原理及应用”， 本书即是在该课程讲授过程中逐渐成稿的。 全书共分14章。第1章概述FACTS和用户电力技术，并讨论FACTS和HVDC的关系。第2章、第3章和第4章简要介绍作为FACTS和用户电力技术基石的电力电子技术，其中第2章介绍电力电子器件，第3章介绍电压型变换器，第4章介绍电流型变换器。第5章先概述并联无功补偿的作用、历史与现状以及补偿器的分类，然后重点介绍SVC的原理、特性、控制和应用。第6章论述STATCOM的基本原理、数学建模、特性分析、控制设计及应用情况。第7章对SVC和STATCOM的基本特性进行比较，研究它们的系统级控制策略共性，并讨论综合并联补偿系统。第8章介绍将STA TCOM与蓄电池和超导磁体结合起来构成的电池储能系统和超导储能系统。第9章介绍变阻抗型串联FACTS控制器，重点讨论晶闸管控制串联电容补偿器（TCSC）的原理、特性、控制和应用。第10章介绍静止同步串联补偿器（SSSC）。第11章介绍静止电压/相角调节器。第12章介绍统一潮流控制器及其他复合补偿器。第13章主要介绍三类有特殊用途的FACTS控制器，即NGH 次同步谐振阻尼器、晶闸管控制的制动电阻和短路电流限制器。第14章概述了用户电力技术，并重点介绍两类典型的用户电力控制器，即并联 型有源电力滤波器和串联型动态电压调节器。 本书的第2章到第9章由谢小荣编写，第10章到第14章由姜齐荣编写，第1章为二人合写。本书力求体现FACTS领域中研究开发和工程技术人员的科研成果，它应该属于在该领域中奋力开拓的国内 外科技工作者。 在本书编写过程中，选修编者所开设课程的研究生在文献检索、资料汇编和图文整理等方面给予了大量的帮助，严干贵博士阅读全书并提出了宝贵意见，同时得到了韩英铎院士、王仲鸿、陈建业、崔文进、童陆园和刘文华等教授的指导，清华大学电机工程系与柔性输配电系统研究所也给予了支持，在此 一并表示诚挚的感谢。 本书可供高年级本科生和研究生使用，也可供FACTS领域的广大科研和工程技术人员参考。 由于作者水平有限，书中不妥和错误之处恳请广大读者批评指正。 作者 2006年5月于清华园
浅谈柔性直流输电的优越性 摘要：现今，能源存在分散化、远离负荷中心等问题使得能源开发受到很多局 限性。柔性直流输电系统在远距离孤岛供电，在风能、太阳能的并网发电，分布 式能源并网供电等方面都有很大的技术和经济优势。 关键词：柔性直流输电；优越性 引言 柔性直流输电系统的重要器件是全控型的电压源换流器，选择一个合适的控 制方式对柔性直流输电系统进行系统控制，使得整个输电系统更灵活，再加上一 套完善的保护装置，使得柔性直流输电系统能安全、经济运行。 一、柔性直流输电系统的运行原理 柔性直流输电系统的核心部分是换流站，换流站是采用电压源换流器技术， 整个输电系统由直流电缆相连。换流站可以独立控制，降低了对通信设备的要求。换流器其实是一个三相桥式电路，其电路由二极管反向并联跟绝缘栅双极晶体管 组成，以减轻换流站的冲击电流，降低换流站产生的谐波，柔性直流输电系统与 传统直流输电相比，换流站设备减少、主接线结构更简单，主要设备都进行模块 化生产，既大大降低了设备的生产成本，减小了设备的占地面积，又有利于设备 的运行维护。特有的全控型功率器件，使得柔性直流输电技术可以实现输电系统 潮流大小和方向的独立控制，自身的电容设备即可满足无功补偿的需要，也解决 了传统直流输电系统无法向无源网络供电的难题。既传输有功功率，又可支援无 功功率，提高了系统的稳定性。 在对柔性直流输电系统进行建模时，必须考虑建立一个既能反映输电系统组 成结构量又能把其运行状态反映出来的模型。系统模型的构建也是一个数学建模[1]。我们把换流变压器模型设定为一个理想的电压源。在数学计算中用一个恒定 的电压源来代替。换流器的等值电路结构如图1所示： 图1 换流器的等值电路结构 其中，Rx为交流侧变压器的等效阻抗，Lx为换流器的等效阻抗。换流器交流 侧的输出电压分别用Uca、Ucb、Ucc表示，交流系统的电压分别用Usa、Usb、Usc表示。换流器交流侧输出的线电流分别用Ia、Ib、Ic表示，直流电流用Id表示。数学推导公式如下： 则交流侧三相动态微分方程可用公式（1.1）表示为： 上式中，k是选用PWM的电压利用率，m是三角调制波和正弦载波峰值的幅值比。 其中I1表示换流器流入直流线缆的电流。 设Ps为交流系统流入整流器的有功功率，Qs为交流系统流入整流器的无功功率，Pc为 换流器输送到直流电缆的有功功率，则Ps、Qs、Pc之间的关系分别用公式（1.8.1）、 （1.8.2）、（1.8.3）表示为： 从上式可以看出，对d轴分量和q轴分量的控制即可实现有功和无功的解耦。从换流器 的高频数学模型可以看出，换流器是一个互耦的非线性的时变系统，因此用d轴分量和q轴 分量进行解耦研究是很有必要的。系统模型中的低频模型和高频模型可以通过傅里叶变换相 互转化。 二、柔性直流输电的优越性 控制器模块[2]也非常重要，可以通过以下模块实现。定直流电压控制模块，对于两端柔 性直流输电系统，其中一个换流站需考虑用于恒定直流电压，这样可起到控制换流站之间传 输的有功功率保持相互平衡。选择整流站进行恒定直流电压的控制，以控制系统潮流走势。
电力电子技术专题大作业 ——柔性直流输电技术概述0.前言 学习电力电子技术专题一学期以来，我感觉受益良多，我收获的不仅仅是各位老师讲座上所教授的内容，更有他们对于电网行业的深入分析以及未来发展方向的预测。在诸多讲座中，我对宋强老师所讲的柔性直流输电技术最感兴趣，下面我就以此为主题，对柔输技术进行一些简要的概括与探究。 1.背景介绍 我们都知道历史上交直流输电之争由来已久，电机系的许多老师都经常提到这个话题，而目前普遍的输电方式仍是交流输电。交流输电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损耗，为了解决交流输电电阻的损耗，还可以采用高压和超高压输电来减小电流来减小损耗，但是交流电感损耗不能减小，因此交流输电不能做太远距离输电。如果线路过长输送的电能就会全部消耗在输电线路上。交流输电并网还要考虑相位的一致。如果相位不一致两组发电机并网会互相抵消。这时人们又想起了直流输电的方式。 一直以来，直流输电的发展与换流技术（特别是高电压、大功率换流设备）的发展有密切的关系。但是近年来，除了有电力电子技术的进步推动外，由于大量直流工程的投入运行，直流输电的控制、保护、故障、可靠性等多种问题也越发显得重要。因此多种新技术的综合应用使得直流输电技术有了新进展。 输电技术的发展经历了从直流到交流，再到交直流共存的技术演变。随着电力电子技术的进步，柔性直流作为新一代直流输电技术，可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案。 基于电压源型换流器的高压直流输电概念最早是由加拿大McGill大学Boon-Teck等学者于1990年提出的。通过控制电压源换流器中全控型电力电子器件的开通和关断，改变输出电压的相角和幅值，可实现对交流侧有功功率和无功功率的控制，达到功率输送和稳定电网等目的，从而有效地克服了此前输电技术
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。