第五章 电压源换流器型高压直流输电技术

高压直流输电系统换流器技术综述内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市 026000摘要：高压直流输电因其在长距离大容量输电、海底电缆输电、异步联网等领域的独特优势而得到广泛应用。

本文详细论述了高压直流输电系统换流器技术。

关键词：高压直流；输电；换流器高压直流输电核心设备是换流器，其是影响高压直流输电系统性能、运行方式、设备成本和运行损耗等的关键因素，是实现交直流电相互转换的设备。

因此，其对整个直流输电系统的安全稳定运行具有重要影响。

一、高压直流输电高压直流输电(HVDC)是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。

输电过程为直流，常用于海底电缆输电，非同步运行的交流系统之间的连络等。

其包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器等。

换流器又称换流阀是换流站的关键设备，实现整流和逆变。

目前换流器多采用晶闸管可控硅整流管组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。

一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流直流变交流的功能。

换流器在整流和逆变过程中将要产生5、7、11、13、17、19等多次谐波。

为减少各次谐波进入交流系统在换流站交流母线上要装设滤波器。

它由电抗线圈、电容器、小电阻串联组成通过调谐的参数配合可滤掉多次谐波。

一般在换流站的交流侧母线装有5、7、11、13次谐波滤波器组。

单极又分为一线一地和单极两线方式。

直流输电一般采用双极线路，当换流器有一极退出运行时，直流系统可按单极两线运行，但输送功率要减少一半。

二、采用晶闸管的UHVDC换流器1、电路结构、工作原理和控制。

适用于UHVDC的换流器有两种接线方式：每极两组12脉冲换流器串联、每极两组12脉冲换流器并联。

我国采用每极2组12脉冲换流器串联接线方式，这是因换流器制造难度不会增加太多，也不会显著增加换流变压器制造与运输难度，所以能充分利用常规换流器在设计与制造方面的成熟经验。

适用UHVDC的换流器由于以12脉冲换流器为基本单元，其工作原理与常规高压直流换流器相同。

电压源换流器型直流输电技术综述*徐　政,陈海荣(浙江大学电机系,杭州310027)摘　要:电压源换流器型直流输电采用可关断电力电子器件和PW M技术,是新一代直流输电技术,它能弥补传统直流输电的部分缺陷,其发展十分迅速。

为了进一步推动电压源换流器型直流输电在电力系统中的研究和应用,结合A BB公司几个典型应用工程,在详细介绍电压源换流器型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的基础上,对电压源换流器的拓扑结构、控制与保护策略、开关调制方式等技术问题的国内外研究现状进行了评述。

分析表明:在工程应用中,通常从优化系统运行、可靠性、安全性和经济性等角度出发,选择结构简单的电压源换流器主回路结构,并采用能降低开关损耗的开关调制方式。

最后就我国开发电压源换流器型直流输电技术提出了需要重点研究的几个关键领域。

关键词:电压源换流器;直流输电;脉宽调制;控制策略;保护策略中图分类号:T M721.1文献标识码:A文章编号:1003-6520(2007)01-0001-10Review and Applications of VSC HVDCXU Zheng,CH EN H airong(Departm ent o f Electrical Engineering,Zhejiang University,H angzho u310027,China)A bstract:In this pape r,the structure a nd o per ation principle o f V o ltage Source Co nv erter based Hig h V o ltage Direct Cur rent(V SC HV DC)t ransmissio n is described.T he main technical issues fo r VSC HV DC are reviewed,including co nv erter topolog y,char acte ristics o f two leve l and th ree level conver te rs,pulse width mo dula tion pattern,co ntrol strategy,pro tection st rategy,switching frequency and lo ss reduction.T he po tential applicatio n fields of V SC HV DC are also discussed,such a s pow er supply to small iso la ted loads,pow er supply to isla nds,pow er supply to offsho re platform s,infeed to city center s,wind farm co nnectio n,interconnecting pow er sy stems.Sev eral real pro-jects of VSC HV DC a re presented to demo nstr ate their unique applicatio n area,including Go tland of Sweden fo r co n-necting w ind far m in an enviro nmentally friendly way,T jaereborg of Denma rk fo r optimal e xploitation o f w ind ener-g y,Dir ect Link of A ustralia fo r pow er trading,T ro ll A of N orw ay fo r supply ing powe r to compre sso rs in an off-shor e platfor m.T he key problem s in develo ping VSC H V DC techno lo gy are summa rized,including main circuit re-lated technolo gy,difficulty in connecting IGBT s in series,par ame te r selectio n fo r commutatio n reactor and DC side capacito r,co ntrol sy stem desig n stra teg y,pr otectio n system co nfigura tion,harmo nic filtering and gr ounding sy s-tem,V SC HV DC loss analy sis.Finally,the technolog y dev elopment t rend o f V SC H V DC and its impac t on co nve n-tional HV DC and AC transmissio n is evaluated.Key words:VSC;HV DC;PW M;co ntrol stra teg y;pro tectio n strategy0　引　言自1954年世界上第一个直流输电工程(瑞典本土至Gotland岛的20M W、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。

以电压源换流器为基础的高压直流输电技术探讨摘要：在科技迅猛发展的今天，用电需求增加，对电力系统的可靠性要求更为严格，而且电力、电子设备在不断革新，高压输电技术作为这些设施运行的重要保障，保证其运行的可靠具有重要意义，本文就此背景出发，对高压输电技术进行分析，并探讨了以电压源换流器为基础的高压直流输电技术和传统输电技术之间的差异，以电压源换流器为基础的高压直流输电将是输电系统的发展趋势。

关键词：高压输电技术；可靠性；电压源换流器在当下快速发展的社会经济的驱动下，电缆在广播、电视、军工、通信领域发展迅速，这是都是高压输电技术广泛应用的区域，其具备传输量大、传输速度快的特点，当发生失效的情况，将对信息的传播带来重要影响，这也是越来越多的研究人员所着重研究的地方，如何保证高压输电技术的使用可靠性，在一定程度上将影响着科学技术的发展、电子设备的普及生活水平的提高。

为了能够保证其可靠性，很多学者也纷纷展开了研究与讨论，各种分析层出不穷，但是哪些方法更奏效却说法不一，下面我们将对这个问题进行探讨。

一、现阶段城市电网的运行中的问题分析高压输电技术是城市用电设备的保障，高效、稳定的高压输电技术能够满足城市各个行业生产、生活需要，同时，能够满足高压输电运营企业的效益收入，减少输电损耗，提高输电效率，避免输电状况的发生。

在经济高速发展的今天，电力作为不可或缺的一种能源，对其的需求的必要性是不言而喻的，特别是人口稠密的城市，但在高压输电过程中，一些问题随之而来，对城市安全可靠供电过程产生了一定威胁。

1、抗干扰能力有待加强城市电网用电量大，运输距离较长，对于有效的可控技术研发使用不到位，在这一过程中，输配电运输系统的运行方式的原因导致其具备较低的可控性，在发生状况时，难以及时反英；这样一来，就缺少了必要的应对措施和调控手段，使得其抗干扰能力得到无形的下降。

2、城市电网自身供电能力无法满足需求城市化进程加快，人员不断的涌入城市，城市规模不断扩大，生活、企业用电不断增加，城市供电系统自身的负荷逐年增大，原先设计的供电系统有很多已经达到饱和状态，满负荷输电，这就使得供配电系统的设计偏离了预期，预期的寿命使用年限也产生变化，对整个电网的安全造成了潜在的威胁。

高压直流输电系统的电力电子控制电力电子技术在现代电力系统中起着至关重要的作用，特别是在高压直流（HVDC）输电系统中。

HVDC技术通过将直流电能从一地点传输到另一地点，具有高效、长距离、低损耗等优势，因此在远距离能源传输和互联网交互方面得到广泛应用。

本文将详细讨论HVDC系统中的电力电子控制，包括主要的控制策略和关键技术。

一、HVDC系统概述HVDC系统是通过将交流电能转换成直流电能，再将其传输到目标地点，再转换成交流电能供应给终端用户。

由于其双向传输的能力，可实现间歇化和平续化的输电方式，使得电力网间的互联互通得以实现。

HVDC系统通常由两个重要部分组成：换流站和线路。

二、HVDC控制策略1. 电压源换流器（VSC）控制策略VSC作为HVDC系统中的关键组件，通过控制其输出电压的幅值和相位，实现将交流电压转换为直流电压，并确保传输过程中的电流稳定。

基于VSC的控制策略通常包括电压控制、电流控制和功率控制等。

2. 直流谐振器控制策略直流谐振器用于消除HVDC系统中的直流电压谐波，防止谐波传输到交流侧。

通过合理的控制直流谐振器参数和谐波抑制技术，可以有效降低谐波对电力系统的影响。

3. 终端电压控制策略HVDC系统的终端电压控制是为了保证系统稳定运行和终端电压的合格供应。

该策略可通过反馈控制和前馈控制相结合的方式实现。

其中，反馈控制主要用于响应系统的快速动态特性，前馈控制则用于消除系统的静态误差。

三、HVDC关键技术1. 功率半导体器件HVDC系统中的功率半导体器件起着关键的作用，如晶闸管、IGBT等。

这些器件具有高压、高功率和高可靠性的特点，用于实现电压和电流的控制。

2. 数字信号处理技术HVDC系统中采用数字信号处理技术，可以实现对电流和电压等参数的测量和控制。

数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等技术的应用，提高了HVDC系统的可靠性和性能。

3. 快速控制技术由于HVDC系统的传输速度很快，对于电力电子控制的响应速度要求非常高。

电压源换流器型直流输电技术综述一、本文概述随着可再生能源的大规模开发和利用，以及电网互联需求的日益增长，直流输电技术，特别是电压源换流器型直流输电（VSC-HVDC）技术，在电力系统中扮演着越来越重要的角色。

本文旨在对电压源换流器型直流输电技术进行全面的综述，以期对该技术的理解、应用和发展提供有益的参考。

本文首先介绍了VSC-HVDC技术的基本原理和特点，包括其与传统直流输电技术的区别和优势。

然后，文章将详细阐述VSC-HVDC的换流器拓扑结构、控制策略、调制技术等方面的研究现状和发展趋势。

文章还将讨论VSC-HVDC在可再生能源并网、电网互联、城市电网建设等领域的应用案例和实际效果。

本文将对VSC-HVDC技术的未来发展进行展望，分析其面临的挑战和机遇，并提出相应的建议和策略。

通过本文的综述，读者可以对VSC-HVDC技术有更加深入和全面的了解，为相关领域的研究和实践提供有益的参考和指导。

二、电压源换流器型直流输电技术基本原理电压源换流器型直流输电（VSC-HVDC）技术是一种基于电压源换流器（VSC）的直流输电技术。

与传统的基于电流源换流器（CSC）的直流输电（LCC-HVDC）技术相比，VSC-HVDC技术具有更高的灵活性和可控性，因此在现代电力系统中得到了广泛应用。

VSC-HVDC技术的基本原理是通过VSC实现交流电和直流电之间的转换。

VSC是一种基于可关断电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT）的电力电子设备，可以将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电。

VSC通过控制电力电子器件的开关状态，实现对交流电和直流电之间的电压和电流的控制。

在VSC-HVDC系统中，VSC通常被用作整流器和逆变器。

整流器将交流电转换为直流电，而逆变器则将直流电转换为交流电。

VSC的控制策略通常采用脉宽调制（PWM）技术，通过调整PWM信号的占空比，实现对VSC输出电压和电流的精确控制。

VSC-HVDC系统的另一个重要组成部分是直流线路和直流滤波器。

电压源换流器式轻型高压直流输电王凤川中国电力信息中心,100011北京HVDC LGHT-DC TRANSMISSION BASED ON VOLTAGE SOURCED CONVERTERSWang Feng chuanChina Electric Pow er Institute Centre,State Pow er Cor poration o f ChinaBeijing,100011China摘要　过去,高压直流输电一般只用于远距离大容量输电。

现在,以电压源换流器和绝缘栅双极晶体管为基础的轻型高压直流输电,把高压直流输电的容量扩展到了只有几M W。

它除了为常规交流输电和本地发电(例如在边远地区和在小的孤岛上),提供一种很有竞争力的选择外,还为改进交流电网的电能质量提供一种新的可能性。

文中介绍了瑞典的Hellsjo¨ng工程。

关键词　轻型高压直流输电　电压源换流器　绝缘栅双极晶体管1　引言现在常用的高压直流(HVDC)输电技术的开发工作始于20世纪20年代后期。

1954年,世界第一条连接哥特兰与瑞典大陆的HVDC输电联络线投入商业运行,70年代初开始了晶闸管阀的应用,改进并降低了损耗,实现更先进的控制和保护技术,减少谐波,降低噪声等。

但是,从第一条哥特兰直流联络线建立以来,HVDC技术在根本上并没有多大变化。

这种昂贵的换流器最突出的缺点是在受端电网需要旋转电机,在发生换相失败时,会有几个周期没有电力输出的附加风险。

而本文介绍的电压源换流器式HVDC(即轻型H VDC)能克服这一缺点。

2　轻型HVDC输电的技术基础2.1　电压源换流器(VSC)HVDC技术本来是从工业驱动装置上使用的整流技术发展而来的。

在HVDC输电中通常使用的换相换流器(PCC)在工业驱动装置上已经完全被VSC代替。

VSC与PCC的根本区别在于VSC需要的元件不仅是象在PCC上只能接通电流,它还能切断电流。

因为VSC能切断电流,就不需要从所联结电网来的有源换相电压,所以比在驱动装置上控制电动机的速度容易得多。

电压源换流器型高压直流输电技术的应用研究作者：陈子聪来源：《科技创新导报》 2014年第14期陈子聪（上海交通大学电子信息与电气工程学院上海 200240）摘要：该文介绍了基于电压源换流器的高压直流输电技术，与传统HVDC输电技术进行了比较，分析了VSC-HVDC输电系统应用于城市电网的技术优势。

关键词：电压源换流器直流输电城市电网中图分类号:TM72 文献标识码：Ａ文章编号：1674-098X(2014)05(b)-0025-011 VSC-HVDC输电技术1.1 基本原理VSC-HVDC输电技术是在全控型电力电子器件和PWM技术的基础上发展起来的，其系统结构主要包括环路器、交流电抗器、换流变压器、交流滤波器、直流电容器、直流线路以及控制保护系统等。

VSC-HVDC输电系统两端采用相同的主电路结构：交流电抗器和换流变压器是换流器与交流系统进行能量交换的纽带，同时具有一定的滤波作用，换流变压器也用于为电压源换流器提供合适的工作电压，保证电压源换流器工作于最优状态；直流电容器作为主要的储能元件，为换流器提供直流电压支撑；交流滤波器主要作用是滤除开关频率附近的高次谐波。

在控制系统方面，换流站常采用的控制方式有直接电流控制、矢量控制和智能控制策略等。

矢量控制由于结构简单，响应速度快，尤其重要的是容易实现电流限制器的设计，因此被广泛地应用于柔性直流输电工程中。

PWM控制接收矢量控制计算得到的调制比M和相角a，并通过相应的调制方式产生PWM触发脉冲，最终实现对开关器件的控制。

实际中使用较多和较广的是正弦脉宽调制SPWM。

为了保证VSC-HVDC输电系统的直流电压恒定和有功功率平衡，一侧换流站必须采用直流电压控制策略，为主导站；另一侧换流站采用定有功功率控制策略，用于传输恒定的有功功率值。

1.2 技术优势由于VSC-HVDC技术是从传统HVDC技术的基础上发展起来的，因此，VSC-HVDC系统具有传统HVDC系统的大部分优点，如：直流输电线路比交流输电线路来说少用一根线路，使其线路造价低，占用输电走廊面积比较窄；直流输电线路输送容量大、损耗小、寿命长且输送距离不受限制；直流输电可以实现非同步系统的互联；直流输电可以分期建设和增容扩建等等。

高压直流输电技术的研究现状在当今全球能源格局和电力需求不断变化的背景下，高压直流输电技术作为一种高效、可靠的电力传输方式，正经历着快速的发展和广泛的应用。

高压直流输电技术能够实现远距离、大容量的电力输送，对于优化能源资源配置、促进区域经济协调发展具有重要意义。

高压直流输电技术的基本原理是通过换流器将交流电转换为直流电进行传输，在接收端再通过换流器将直流电转换为交流电。

与传统的交流输电技术相比，高压直流输电具有许多显著的优势。

首先，在远距离输电方面，高压直流输电的线路损耗相对较低。

由于直流电没有电感和电容的影响，电流在导线中的分布更加均匀，从而减少了能量的损失。

这使得高压直流输电在跨越数千公里的输电距离时，仍然能够保持较高的输电效率。

其次，高压直流输电能够实现不同频率交流电网的互联。

在一些地区，由于历史原因或特殊需求，存在着不同频率的交流电网。

通过高压直流输电技术，可以将这些电网有效地连接起来，实现电力的互补和优化调配。

再者，高压直流输电对于提高电网的稳定性和可靠性也发挥着重要作用。

在交流电网中，故障容易迅速传播和扩散，而直流输电系统可以通过控制策略快速隔离故障，减少对整个电网的影响。

在高压直流输电技术的发展过程中，换流器技术的不断进步是关键之一。

早期的汞弧阀换流器由于存在诸多缺点，已经被淘汰。

目前，主流的换流器技术包括基于晶闸管的相控换流器（LCC）和基于全控型电力电子器件的电压源换流器（VSC）。

LCC 技术相对成熟，具有大容量、高效率的特点，但存在换相失败的风险，且对无功功率的需求较大。

VSC 技术则具有能够独立控制有功和无功功率、不存在换相失败问题、能够向无源网络供电等优点。

然而，VSC 技术在容量和成本方面目前还存在一定的局限性。

为了提高高压直流输电系统的性能，直流输电线路的设计和绝缘技术也在不断改进。

新型的架空输电线路和电缆技术能够降低线路的电阻和电晕损耗，提高输电容量和可靠性。

同时，对于直流线路的绝缘配合和防雷保护等方面的研究也在不断深入，以确保输电线路在复杂环境下的安全稳定运行。

高压直流输电系统换流器技术综述内蒙古通辽市028000摘要：作为高压直流输电核心设备的换流器容量大、可控性强，且对可靠性的要求高。

基于此，本文探讨了高压直流输电系统的换流器技术。

关键词：高压直流输电系统；电容换相换流器；模块化多电平换流器高压直流(HVDC)输电以其在长距离大容量输电、海底电缆输电和非同步联网等领域的独特优势得到了广泛应用，而其核心设备是换流器，它是影响HVDC系统性能、运行方式、设备成本及运行损耗等的关键因素。

一、高压直流输电高压直流输电(HVDC)是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电，输电过程为直流。

高压直流输电技术被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立电力系统间的联接。

世界上第一条商业化的高压直流输电线路1954年诞生于瑞典，用于连接瑞典本土和哥特兰岛，由ABB集团完成。

二、电容换相换流器电容换相换流器是在常规晶闸管换流器与换流变压器间串联电容形成的。

换相电容电压近似为梯形波，该电压与换流变压器阀侧电压叠加，使换相电压相位后移，从而使换流阀的关断角增大。

直流电流越大，换相电压后移越多，关断角越大。

同理，换流母线电压降低时，换相电容上的电压成正比地减小，换相角变化不大，关断角变大。

即使换流母线电压瞬时降到接近于零，也有可能成功换相，因换相电压可全部由换相电容的端电压提供。

因此CCC逆变器在直流电流升高和换流母线电压降低时，引起换相失败的可能性减小。

CCC的控制与常规12脉动换流器相似，只是由于CCC仅装设了小容量的无功补偿设备及交流滤波器，因此只需调节自调谐滤波器的可控电抗器，即可抑制交流谐波，同时满足CCC吸收少量无功的需求。

CCC的优点是：1)逆变器换相失败的发生率大为减少；2)消耗的无功功率降低，无功补偿需求减小；3)单极或双极故障紧急停运时，换流站甩负荷过电压倍数下降；4)换流阀短路电流峰值降低，可降到常规电网换相换流器的一半以下。

电压源换流器型直流输电技术综述电压源换流器型直流输电技术综述1. 引言电力输送是现代社会不可或缺的基础设施之一。

传统的交流输电系统虽然拥有较高的效率和稳定性，但在远距离输送和海上输电方面存在着一定的限制。

而电压源换流器型直流输电技术（Voltage Source Converter based HVDC）作为一种新型的输电方式，正逐渐成为人们关注的热点。

2. 电压源换流器型直流输电基本原理电压源换流器型直流输电技术利用高频开关装置，将交流电转换为直流电，并通过换流器对电流进行调节。

通过这种方式，可以实现电力的远距离输送，同时还具备了无规格变换、无功和有功的控制能力。

3. 电压源换流器型直流输电的优势电压源换流器型直流输电技术相比传统的交流输电方式，具有以下几个明显的优势：3.1 高效率：由于直流输电避开了交流输电中的传输损耗，能够更高效地传输电能，从而提高整体的能源利用率。

3.2 节约空间：直流输电线路相比交流输电线路具有较小的材料和空间要求，尤其适用于跨越大海等特殊地域的输电需求。

3.3 稳定性：直流输电系统具备较好的稳定性，可以更好地应对电力波动、功率控制等问题，提供更稳定的电力供应。

4. 电压源换流器型直流输电技术的应用案例4.1 长距离输电：电压源换流器型直流输电技术在长距离输电中具有明显的优势，例如中国境内的西北-华东直流输电工程。

4.2 海上输电：由于直流输电线路具备较小的空间要求，电压源换流器型直流输电技术在海上输电中得到了广泛的应用，例如挪威海上风电场与德国的海岸之间的输电系统。

4.3 微电网联网：电压源换流器型直流输电技术可以提供可靠的电力互连，促进微电网的联网和资源共享。

5. 对电压源换流器型直流输电技术的个人观点与思考电压源换流器型直流输电技术作为一种新兴的输电技术，具备了许多优势。

但我们也需要认识到，直流输电系统引入了新的技术和成本挑战，例如换流器的设计和维护成本较高，直流输电线路的故障诊断和维修也面临着一定的难题。