(完整版)柔性直流输电技术

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展一、本文概述随着能源结构的优化和电网技术的发展，柔性直流输电（VSC-HVDC）技术以其独特的优势，在电力系统中的应用越来越广泛。

本文旨在全面概述柔性直流输电工程的技术研究、应用现状以及未来的发展趋势。

我们将从柔性直流输电的基本原理出发，深入探讨其关键技术和设备，包括换流器、控制系统、保护策略等。

我们还将分析柔性直流输电在新能源接入、电网互联、城市电网建设等领域的应用案例，评估其在实际运行中的性能表现。

我们将展望柔性直流输电技术的发展前景，探讨其在构建清洁、高效、智能的电力系统中发挥的重要作用。

通过本文的阐述，我们希望能够为从事柔性直流输电技术研究和应用的同行提供有益的参考和启示。

二、柔性直流输电技术原理柔性直流输电技术，又称为电压源换流器直流输电（VSC-HVDC），是近年来直流输电领域的一项重大技术革新。

与传统的基于电网换相换流器（LCC）的直流输电技术不同，柔性直流输电技术采用基于可关断器件的电压源换流器（VSC），这使得它在新能源接入、城市电网增容和孤岛供电等方面具有独特的优势。

柔性直流输电技术的核心在于电压源换流器（VSC）。

VSC采用可关断的电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT），通过脉宽调制（PWM）技术实现对交流侧电压和电流的有效控制。

VSC既可以作为有功功率的源，也可以作为无功功率的源，因此它具有更好的控制灵活性和响应速度。

在柔性直流输电系统中，VSC通常与直流电容器和滤波器并联，以维持直流电压的稳定和滤除谐波。

VSC通过改变其输出电压的幅值和相位，可以独立地控制有功功率和无功功率的传输，从而实现对交流电网的灵活支撑。

柔性直流输电技术还采用了先进的控制系统，包括换流器控制、直流电压控制、功率控制等，以确保系统的稳定运行和电能质量。

这些控制系统可以根据系统的运行状态和实际需求，对VSC的输出进行实时调整，从而实现对交流电网的精准控制。

柔性直流输电技术以其独特的电压源换流器和先进的控制系统，实现了对交流电网的灵活支撑和精准控制。

柔性直流输电技术介绍摘要：柔性直流输电技术是一种以电压源变流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术。

与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。

比较了几种新型的高压大容量电压源变流器的特点；分析了大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术的现状和难点；指出了柔性直流输电技术在多端直流输电领域应用的特点和难点。

介绍了欧洲、美国以及我国在柔性直流输电技术领域的应用规划。

分析表明发达国家对于柔性直流输电在可再生能源利用和智能电网发展中所起作用的极为重视，多条柔性直流输电线路在建或规划建设。

关键词：柔性直流，模块化多电平，变流器，风电场并网1 引言柔性直流输电技术（Voltage Sourced Converter, VSC）是一种以电压源变流器、可关断器件（如门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT））和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。

国外学术界将此项输电技术称为 VSC-HVDC，国内学术界将此项输电技术称为柔性直流输电，制造厂商 ABB 公司与西门子公司分别将该项输电技术命名为 HVDC Light 和 HVDC Plus。

与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。

随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，柔性直流输电技术在高压直流输电领域受到越来越广泛的关注及应用。

传统的低电平 VSC 具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器等缺点，而且存在串联器件的动态均压问题；多电平变流器提供了一种新的 VSC 实现方案。

它通过电平叠加输出高电压，逼近理想正弦波，输出电压谐波含量少，无需滤波设备。

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。

智能电网特色技术之一：柔性直流输电柔性直流输电(以下简称“柔直”)技术于上个世纪90年代提出，但一直是关注者多，而追随者少。

许多跨国企业早早着手该项研究，但大多“流产”。

究其根源，还是因为涉及的专业领域太多，技术难度太大。

中国的柔直技术研究同样艰难。

2006年，当国家电网公司几乎与西门子同步启动柔直研究时，全球只有ABB一家有实际工程应用经验，且其采用的是传统的类似于高压变频器的技术路线，可供借鉴的经验不多，加之我国在该领域技术基础薄弱，技术难度巨大。

随后6年时间里，普瑞工程公司科研团队不言放弃，系统研究了基础理论与前期技术，较终全面掌握了核心技术。

2006年~2008年，主要是打深、打实“地基”阶段，科研团队在国内首次建立了柔直研究的基础理论体系。

2008年~2010年，科研人员着眼于适应高压大容量的新技术路线，全面掌握了较先进的MMC—HVDC(模块化多电平柔性直流)系统的机理、设计和控制方法，并通过样机研制，验证了理论的正确性与技术路线的可行性。

汤广福回忆说，样机研制阶段不但工作繁重，还充满难以想象的危险。

样机研制的关键——IGBT是一种高频率器件，在实际科研中，IGBT发生爆炸的情形很普遍。

IGBT爆炸时，如果碎片射到人体，与中枪无异。

2008年冬天的一个周末，在IGBT驱动短路测试中，突然“轰”的一声巨响，IGBT发生爆炸。

科研人员就在被测设备周围，所幸没有人员受伤。

快速处理后，来不及后怕的科研人员迅速更换了零部件，继续工作。

经历爆炸的极度危险，通过几十次、几百次试验的不断优化、检验，IGBT数字驱动器百炼成金，研制取得成功。

在全面突破关键技术瓶颈并成功研制出样机的基础上，他们经过6版设计，3代样机研制，40余次专家技术评审会，较终成功研制出柔直换流阀、MMC阀基控制器等成套设备，并在上海南汇风电场柔性直流输电示范工程中得到成功应用。

“我们深知其中的艰难。

但是，过去6年一步一个脚印，一步一个跨越，让我们始终充满信心。

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，可以输送大功率。

电力系统中的柔性直流输电技术研究与应用随着能源需求的增长和可再生能源的快速发展，电力系统的可靠性和效率成为了迫切的问题。

在过去，交流输电是占主导地位的，但是随着电力系统的复杂性和功率需求的不断增加，柔性直流输电技术逐渐崭露头角并得到广泛关注。

柔性直流输电技术是一种能够有效提高电力系统稳定性和可靠性的新型电力传输方式。

相较于传统的交流输电方式，柔性直流输电技术具有以下优势：1. 技术先进性：柔性直流输电技术采用了高压高功率电力电子器件，能够实现高效能的电力传输。

通过电力电子设备对电压和频率进行控制，可以快速调整电力流向和功率分配，提高系统的稳定性和可控性。

2. 低损耗和高效率：相较于交流输电方式，柔性直流输电技术在长距离传输时损耗更低。

由于直流电流不会产生电感和电容的功耗，输电损耗更小，能够有效降低能源浪费和环境污染。

3. 技术应用广泛性：柔性直流输电技术可以灵活适应不同的传输需求和能源分布情况。

在大规模可再生能源开发和分布式能源系统中，柔性直流输电技术可以提供更加稳定可靠的电力传输，实现能源的高效利用。

在实际应用中，柔性直流输电技术已经取得了一系列的成果。

首先，在长距离高容量输电方面，柔性直流输电技术可以实现大容量电力的长距离传输，有效解决了传统交流输电的限制。

通过减少输电损耗，提高输电效率，柔性直流输电技术能够为电力系统提供更稳定可靠的电力供应。

其次，在可再生能源领域的应用方面，柔性直流输电技术在风能和太阳能等可再生能源开发中具有广阔的应用前景。

由于可再生能源的不稳定性和间歇性，柔性直流输电技术可以实现对电力流量的精确控制，将多余的电力注入电网，并实现电力的平衡调度。

这不仅提高了可再生能源的利用率，还增强了电网的稳定性和可靠性。

同时，柔性直流输电技术在城市供电和电力互联网的建设中也发挥着重要作用。

通过柔性直流输电技术，电力系统可以实现更好的电力管理和智能化控制。

通过对电力流向和负荷需求的精确监测和控制，可以实现电力需求的动态分配和优化，提高供电的质量和可靠性。

柔性直流输电技术探析1 柔性直流输电技术的特点及其研究现状柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，CIGRE和IEEE将之定义为VSC-HVDC，其中VSC为电压源换流器，它在工业驱动装置上的应用十分广泛，HVDC 为高压直流输电，它是ABB公司在50多年前研发的一项技术，主要作用是提高远距离输电效率。

1.1 VSC-HVDC的系统结构及其工作原理从图1中可以清楚地看到，该系统主要是由VSC、滤波器（交流）、电抗器、直流输电线路、电容等元件构成。

其中VSC为核心部件，它是由换流桥和直流电容器构成的。

1.1.2 系统运行原理。

在VSC-HVDC系统当中，按照其主电路的拓扑结构及开关器件的类型，可采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，通过该技术在调制参考波与三角载波进行比较，若是前者的数值比后者大，则会触发上桥臂到导通并关断下桥臂，如果前者的数值小于后者，则会触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。

因参考波的幅值及相位可利用脉宽调制技术实现自动调节，故此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。

1.2 VSC-HVDC的特点分析大体上可将VSC-HVDC的特点归纳为以下六个方面：1.2.1 VSC-HVDC系统中的换流站独立对有功及无功功率进行控制，由此不但实现了有功与无功功率的四象限运行，而且控制非常方便和灵活。

1.2.2 换流站之间无需通讯，各个站能够独立控制运行。

1.2.3 不需要在线路间增设无功补偿装置。

1.2.4 开关频率高、滤波装置的容量较小，无需设置专门的换流变压器。

1.2.5 新型直流电缆的应用使其能够适应多种恶劣的环境。

1.2.6 采用先进的模块化设计，使其本身的体积较小，有效节省了占地面积，且便于安装。

综上，与传统的直流输电系统相比，VSC-HVDC的可控性更高，对线路中潮流的控制更加方便，对扰动的响应速度更快，更适合用于中小功率和远距离输电。

1.3 VSC-HVDC技术的研究现状VSC-HVDC技术自问世以来便受到了业界的广泛关注，一些专家学者也加大了对其的研究力度。

1、简介从上个世纪五十年代至今，高压直流输电技术( High Voltage DirectCurrent,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 SourceConverter, CSC)和电压源型变流器( VoltageSource 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。

柔性输电技术简介一、柔性交流输电1.1 交流柔性输电的概念交流柔性输电（Flexible Alternative Current Transmission Systems），是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。

它是应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原来基本不可控的电网变得可以全面控制，从而大大提高电力系统的灵活性和稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。

自己理解：交流柔性输电，之所以称之为柔性（灵活）输电，是因为相对于早期的输电网来说，它更多的应用可控的电力电子元件来控制电网的运行，改善电能质量。

因为电力电子元件的可控性而且开关速度快，就使得控制更加灵活，同时在解决电网问题时更具有实时性和易操作性。

1.2 交流柔性输电的优势①能在较大范围有效地控制潮流；②线路的输送能力可增大至接近导线的热极限。

③备用发电机组容量可从典型的18%减少到15%，甚至更少；④电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；⑤易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。

自己理解：①得益于电力电子器件的灵活控制性，以及微处理微电子技术的发展应用，使得在控制电网功率流动方面更加灵活，可以实时有效的进行控制。

②由可控的电力电子器件组成的补偿装置，可以更加有效的对电路中有功，无功以及谐波进行补偿，使得在线路中的无功损耗减小，减小了线路的热损耗。

③因为可控的调节，使得线路电能的功率因数接近于1，所以发电机组全部用于发送有功功率，就可以在同等有功要求的条件下，减小发电机组的容量。

④由于开关器件的快速动作性和实时可控性，就能够有效及时的控制线路故障的扩散。

⑤因为电力电子设备组成的补偿装置，可以连续的调节电网阻抗，从而减小电力系统的震荡。

1.3 交流柔性输电的主要设备及原理用于输电系统的FACTS装置包括： SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静态同步补偿器）、 TCSC（晶闸管可控串补）、 TSSC（晶闸管开关串联电容器）、UPFC（统一潮流控制器）、TCPST（可控移相器）等。