柔性直流输电基本控制原理共34页文档

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。

可编辑修改精选全文完整版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现有文献分析了桥臂环流谐波分量产生的原因，推导了桥臂环流谐波特性，提出了桥臂环流dq同步旋转坐标系下多PI控制器的抑制方法，实现较为复杂；基于PR控制器的抑制方法坐标变换简便，易于实现另外，在实际工程中发现，功率模块中的控制电路具有恒功率的负载特性，负载的恒功率特性导致了MMC在不控充电阶段会出现正反馈机制的电压发散现象2.MMC基本原理MMC特点：模块化结构，冗余设计降低系统停机概率多电平输出，输出电压谐波含量低储能电容分散，降低了直流储能电容的体积单个功率模块电压等级低通过功率模块串联可以适用于高压大功率场合功率模块介绍:半桥功率模块工作状态上管（S1）开：输出电压为UC上管（S2）开：输出电压为0上管开，对电容进行充放电，定义为投入状态下管开，功率模块不参与工作，定义为切除状态2个半桥功率模块串联输出电压S2开（切除）， S4开（切除），输出电压之和为0S2开（切除）， S3开（投入），输出电压之和为UC2S1开（投入）， S3开（投入），输出电压之和为UC1+ UC2两个功率模块串联连接时输出电压为0，UC，2 UC所以当多个半桥功率模块串联输出电压所有功率模块均处于切除状态，输出电压为零；任意一个处于投入状态，输出电压为UC；任意两个处于投入状态，输出电压为2UC；任意x个功率模块均处于投入状态，输出电压为xUC。

柔性直流输电网的电压控制原理研究摘要: 基于电压源换流器( VSC) 的柔性直流输电技术出现以后，由于直流电流可以反向，直流电网的优势可以充分发挥，因而发展柔性直流电网技术已成为电力工业界的一个新的期望。

但发展柔性直流电网除了在设备制造方面还存在瓶颈之外，在控制策略方面同样存在挑战。

基于此,本文对柔性直流输电网的电压控制原理进行了探讨。

关键词:柔性直流输电网;电压控制;1直流电网电压控制的基本原理直流电网功率平衡的指标是直流电网的电压。

当注入直流电网的功率大于流出直流电网的功率时，直流电网电压就会上升;当注入直流电网的功率小于流出直流电网的功率时，直流电网电压就会下降。

因此，直流电网的电压与交流电网中的频率具有相似的特性，都是指示功率是否平衡的指标。

但直流电网电压与交流电网频率在时间和空间特性上具有显著的差别。

在时间响应特性上，直流电网电压比交流电网频率快3个数量级，即直流电网电压的响应时间一般在毫秒级。

而交流电网中的能量储存在发电机转子上，交流电网的频率直接与发电机转子的转速即动能相关，频率响应的时间与发电机的惯性时间常数相当，在秒级。

在空间响应特性上，交流电网频率稳态下是全网一致的;而直流电网中各个节点的电压是不一致的，随运行方式的改变而改变。

因此，为了定义直流电网的电压偏差，首先得设定一个直流电网电压的基准节点，直流电网的电压偏差就定义为基准节点上的电压偏差。

一般将某个容量较大且对全网电压有决定性作用的换流站节点设为电压基准节点。

采用直流电压下斜控制策略时，需要对直流电网中的换流站节点进行分类。

按照输出功率是否能够根据电网运行的需要进行调整，可以将直流电网中的换流站节点分为可调功率节点与不可调节功率节点。

一般接入大电网的换流站节点为可调功率节点;而直接联接负荷的换流站节点以及直接联接风力发电和光伏发电的换流站节点为不可调功率节点。

直流电网若采用电压下斜控制作为一次调压的控制方式，那么除电压基准节点外，功率可调的换流站节点都应设置为电压下斜控制节点，而功率不可调的换流站节点应设置为定功率控制节点。

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，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。

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“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"。

柔性直流输电技术概述1、直流输电技术的发展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。

虽然历史上第一个实用的电力系统采用直流输电，但由于在电力工业发展初期，直流输电与交流输电相比存在很多劣势，如灵活变压能力差、电压低、损耗大、联网能力差、供电范围小、输电和用电设备复杂、维护量大和成本高等，导致直流输电的发展较慢。

在很长一段时间内，直流输电都处于劣势，而交流输电发展迅速，占据了电力工业的主导地位。

但是随着电力系统的不断发展壮大，电网联系日趋复杂，交流系统也暴露了一些其固有的特点，特别是交流远距离输电受到同步运行稳定性的限制，直流输电技术重新为人们重新重视，从而推动直流输电技术的快速发展。

由于电力系统的发输配电各个环节绝大部分均为交流电，要采用直流输电，就必须要解决换流问题，因此，直流输电技术的发展主要体现在换流器件的发展变化上。

2、柔性直流输电的基本原理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。