多端柔性直流电网保护关键技术

我国在柔性直流输电技术方面已经进入快速应用阶段。

柔性直流输电技术在解决大区域电网与周边弱电网互联、可再生能源并网等问题方面有着特殊的优势，必将在智能电网建设进程中发挥重要作用。

福建厦门柔性直流输电工程全景。

资料图柔性直流输电技术应用领域。

资料图新一代：实现灵活控制柔性直流输电是采用电压源换流技术的直流输电技术，也叫电压源型直流输电。

在现有电网中使用柔性直流输电系统，相当于在电网中接入了一个阀门和电源，它不仅可以有效控制通过的电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求，快速、灵活地发出或吸收一部分能量。

这对增强电网稳定性，提升电网的智能化和可控性，具有重要作用。

20世纪70年代以来，基于晶闸管换流阀的直流输电技术得到了广泛应用，但是，晶闸管换流阀只能控制阀的开通，不能控制阀的关断，因此，直流输电技术的应用受到限制。

进入90年代以后，随着可关断开关器件的发展，特别是绝缘栅双极型晶体管IGBT的广泛应用，采用可关断器件的电压源换流器性能得到了改善，后来被引入到直流输电领域。

对于采用电压源换流技术的直流输电技术，国际权威电力学术组织将其定义为基于电压源型换流器的高压直流输电技术。

1997年，第一个柔性直流输电工程投入工业试验运行。

柔性直流输电技术相比其他输电技术，具有电流自关断能力，可以独立控制有功功率和无功功率，不存在交流输电固有的频率稳定问题和传统直流输电的换相失败问题。

系统主要设备包括电压源换流器、连接变压器、桥臂电抗器、开关设备、直流电容、直流开关设备、测量系统、控制与保护装置等。

柔性直流输电技术在大规模清洁能源并网、海岛供电、交流电网同步/异步互联、构建直流电网等方面具有广阔的应用前景。

第一条：获得多项成果2006年5月，国家电网公司确定了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，由此启动了我国在柔性直流输电关键技术领域的全面研究。

上海南汇风电场柔性直流输电示范工程，是我国首条柔性直流输电工程，也是亚洲首条柔性直流输电示范工程。

柔性直流配电网的若干问题研究一、本文概述随着能源结构的转型和电力电子技术的快速发展，柔性直流配电网作为一种新兴的配电方式，受到了广泛关注。

其独特的优势，如能够灵活控制潮流、实现多源协调互补、适应分布式新能源接入等，使得柔性直流配电网在解决传统配电网面临的一系列问题上展现出巨大潜力。

柔性直流配电网在实际应用中仍面临诸多问题和挑战，如系统稳定性、经济性、控制策略、保护技术等方面的问题，亟待解决。

本文旨在深入研究柔性直流配电网的若干关键问题，通过对现有文献的梳理和分析，结合国内外相关研究成果，探讨柔性直流配电网的理论基础、技术难点和发展趋势。

文章首先对柔性直流配电网的基本原理和主要特点进行概述，然后重点分析其在运行控制、保护技术、经济性评估等方面的关键问题，并提出相应的解决方案和策略。

文章还对柔性直流配电网的未来发展方向进行展望，以期为我国配电网的升级改造和新能源消纳提供理论支持和实践指导。

二、柔性直流配电网的基本原理与关键技术柔性直流配电网采用基于电压源型换流器（VSC）的直流配电系统，通过PWM（脉宽调制）技术实现直流电压的灵活控制。

VSC换流器通过调整其输出电压的幅值和相位，能够独立地控制有功功率和无功功率，从而实现对配电网的灵活控制。

VSC换流器还具有快速响应、易于扩展和模块化等优点，使其成为构建柔性直流配电网的理想选择。

（1）VSC换流器技术：VSC换流器是柔性直流配电网的核心设备，其性能直接影响整个配电网的运行效率和稳定性。

研究高效、可靠的VSC换流器技术是柔性直流配电网发展的关键。

（2）直流保护技术：由于直流配电网的故障特性与交流配电网存在显著差异，传统的交流保护方法无法直接应用于直流配电网。

需要研究适用于直流配电网的故障检测、隔离和恢复技术，以确保配电网的安全稳定运行。

（3）直流配电网的规划与优化技术：随着分布式电源和电动汽车等直流负荷的快速发展，直流配电网的规划与优化问题日益突出。

需要研究考虑多种因素的直流配电网规划方法，以及基于多目标优化的配电网运行控制技术，以实现配电网的经济性、可靠性和环保性的协调优化。

多端柔性直流输电换流器控制保护系统研究本文基于南澳岛多端柔性直流输电工程，对换流器控制保护系统的主要功能进行详细分析。

柔性直流输电换流器级控制保护系统，完成换流器直流电压控制，有功、无功功率控制，交流电压频率控制及相关的保护功能。

该系统接收上层站级控制系统命令，并向其反馈换流器和换流阀部分状态信息;向下层阀控系统发送控制命令，并接收阀控的状态和保护信息。

标签：柔性直流输电;换流器;控制策略柔性直流输电技术是现今世界上最先进的输变电技术之一，也是中国重点发展的智能电网领域。

由于柔性直流输电具有不存在换相失败问题;控制系统响应快速、调节精确、操作方便;有功无功可以独立控制;运行损耗小等优点，使得柔性直流输电在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配网供电等方面具有极大的技术优势。

柔性直流输电的换流器是基于模块化多电平而设计的，由六个桥臂组成，每个桥臂由数百个子模块连接构成。

换流器控制保护系统是指用于实现换流器层控制保护功能的软件和硬件，要求具有强大的控制保护功能，能够迅速响应上级站层控制系统的指令，同时向下层阀控系统下发控制命令。

本文以南澳岛多端柔性直流输电换流换流器控制保护系统为研究对象，首先简要介绍南澳多端柔性直流输电工程概况，其次分析换流器控制系统的硬件结构，最后详细阐述换流器控制系统的控制策略和保护功能。

1 南澳岛多端柔性直流输电工程概况南澳柔性直流输电工程坐落于汕头市澄海区和南澳岛，是世界第一个多端柔性直流输电项目，于2013年12月25日正式竣工投产。

整个工程包括塑城换流站、金牛换流站、青澳换流站以及25.2公里的海缆、陆缆和架空线路组成的混合线路，组成一个三端直流输电系统，如图1所示。

工程的系统额定电压为±160kV，输送容量150MW，远期还将在南澳岛建设塔屿换流站，将输送容量提升至200MW，实现对南澳岛风电基地的友好接入。

工程的顺利投运极大的推动了大型风电场采用柔性直流输电接入技术的推广与应用。

1、简介从上个世纪五十年代至今，高压直流输电技术（High V oltageDirectCurrent,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。

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。

多端柔性直流输电控制系统的研究1. 本文概述本文《多端柔性直流输电控制系统的研究》聚焦于当今电力系统领域的一项关键技术——多端柔性直流（MultiTerminal Flexible Direct Current, MTDC）输电系统的控制策略与技术优化。

随着可再生能源的大规模开发与并网需求的增长，以及电力市场对远距离、大容量输电能力的迫切需求，多端柔性直流输电系统以其独特的优点，如独立调节各端功率、高效传输、损耗低和电网互联能力强等，日益成为现代电力系统的关键组成部分。

其复杂的拓扑结构与动态特性给控制系统的理论研究与工程实践带来了新的挑战。

本研究旨在深入探究多端柔性直流输电控制系统的各个方面，包括但不限于系统建模、稳定性分析、控制策略设计、故障检测与保护机制、以及与交流电网的交互特性。

文章首先系统梳理了现有文献中关于MTDC控制技术的研究进展，指出了当前研究的热点与存在的问题，为后续研究工作奠定了理论基础。

系统建模与动态特性分析：基于电力电子设备特性和电网运行条件，建立了精确且易于进行控制设计的多端柔性直流输电系统数学模型，揭示了其内在的动态行为及关键影响因素。

通过深入的理论分析，明确了系统稳定性的关键指标及其影响因素，为后续控制策略的设计提供了理论依据。

创新性控制策略设计：针对多端柔性直流系统的特定控制需求，提出了一种（或多种）新型控制策略，旨在实现功率的高效分配、电压稳定控制、故障快速响应以及系统整体性能优化。

策略设计充分考虑了系统的非线性特性、通信延迟、不确定性和鲁棒性要求，并通过仿真与或实验验证了其有效性和优越性。

故障检测与保护机制：研究了多端柔性直流系统在各类故障情况下的响应特征，设计了先进的故障检测算法和保护策略，确保在发生故障时能迅速识别、隔离故障环节，有效防止故障扩大，保障系统的安全稳定运行。

交直流电网交互研究：探讨了多端柔性直流输电系统与交流电网的相互作用关系，分析了其对电网频率、电压稳定性以及电力市场运营等方面的影响，提出了优化交直流协调控制方案，以提升整个电力系统的综合性能和运行效率。

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 basedmulti-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。

柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述内蒙古赤峰市024000摘要：与传统输电方式相比，柔性直流输电技术具有技术和经济上的优势，未来将广泛应用于大规模新能源发电并网、城市高负荷地区供电和远方孤立负荷供电等。

关键词：柔性直流输电线路；故障；保护技术随着大功率全控电力电子器件制造和控制技术的发展，柔性直流输电系统应运而生，其具有传输容量大、线损低、可靠性高、无换相故障、有功无功功率独立控制等特点，受到了广泛关注和研究。

一、柔性直流系统故障类型以某柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，相比直流电缆，其故障概率更高。

按故障区域划分，柔性直流电网故障大致可分为交流系统故障、换流器内部故障、系统直流侧故障。

换流器内部故障又可细分为站内母线故障、阀短路故障、桥臂电抗器故障、最常见的子模块故障等。

柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高特点，MMC(模块化多电平换流器)每个桥臂串联的子模块数量较多，从而增加了子模块故障率。

在柔性直流系统建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度，通常会在每个桥臂上串联适量的冗余子模块。

直流侧故障可细分为直流线路断线故障、直流线路短路故障、换流器闭锁故障。

在单个 MMC 中，因直流侧采用单级输电，所以直流侧线路故障以单极接地故障为主。

而在真双极系统中，单级接地故障则相当于伪双极系统中的级间短路故障，通常由树枝接触或雷电引发，多属于暂时性故障，但因其故障传播速度快、影响范围广、解决难度大，成为阻碍柔性直流电网发展的技术难题。

真双极系统的双极短路故障则更为严重，相当于交流系统的三相短路故障。

二、柔性直流输电线路保护技术在处理柔性直流线路常见故障时，主要依赖保护技术对故障具有的科学、高效判别。

当前，应用在柔性直流输电工程中对直流线路进行保护的策略基础，是对高压直流进行保护的策略，即以微分欠压与行波保护作为主要策略，辅以必要电流差动保护，此外，还对直流电压不平衡及直流过电压所对应的保护措施进行相应配置。

广角镜90多端柔性直流输电电网冰灾防治柔性直流输电是高压直流输电领域的“新生代”。

目前，柔性直流的关键技术仅被少数发达国家掌握，国内的研究刚刚起步。

由于适用分散能源介入的多端柔性直流系统复杂、技术难度大，迄今世界上已投运的柔性直流工程都是两端系统，还没有多端工程的先例。

多端柔性直流输电系统模块化多电平(MMC)技术，可灵活接入多个站点的风能、太阳能、地热能、小水电等清洁能源，通过一个大容量、长距离的电力传输通道，到达多个城市的负荷中心。

这为新能源并网、大型城市供电以及孤岛供电等场合提供了一种有效的解决方案。

为突破多端柔性直流输电关键技术难题，占领世界先进输电技术制高点，国家科技部将“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”列入国家863计划重大项目课题，由南方电网公司牵头承担该课题研究，并选取广东南澳岛作为应用基地。

据介绍，这是由于南澳岛已建的多个风电场在岛上相对分散，采用多端柔性直流技术，可以很好地解决分散风电场接入问题，同时也可方便地实施多端柔性直流技术的探索和示范。

电网冰冻灾害遍及100多个国家及我国南方10多个省份。

冰灾引发跳闸、倒塔，严重时导致电网大面积瘫痪，是电网安全运行的最大灾害之一。

由于国内外缺乏系统的冰灾防治技术和高效的融除冰装备，2008年初我国电网因冰灾遭受了最严重的损害，严重影响了正常的社会秩序。

在国家科技支撑计划等支持下，国家电网公司集中大量科研人员投入到“电网大范围冰冻灾害预防与治理关键技术及成套装备”项目中，夜以继日，奋力攻关，取得集理论、技术和装备于一体的系列成果，实现重大突破和实质性创新。

一是创建了电网覆冰预报技术，揭示了电网覆冰成因，提出了电网覆冰长、中、短期预报方法，开发了世界首套电网覆冰预报预警系统，准确的预测为抗冰赢得宝贵多端柔性直流输电工程的特点就在于“柔性”和“多端”。

“柔”主要体现在系统的可控性上，该系统可以快速跟踪交直流电网各类参数的变化并根据指定的控制策略迅速做出相应的调整。

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 basedmulti-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。

直流配电网的关键技术未来配电网的形态将是多个电压等级构成多层次环网状、交直流混联、具备统一规范的互联接口、基于复杂网络理论灵活自组网的架构模式。

直流配电网是未来能源互联网的基本支撑环节，以柔性直流技术为代表的中压配用电网也会是未来的发展趋势。

本期的主题为《直流配电网的关键技术》。

目前，直流配电网各项技术尚不成熟，需要进行更深入的研究。

(一)直流配电网的规划与设计1、直流配电网接地方式：无论是单极还是双极系统，都要对直流配电网VSC 换流器直流侧的接地问题进行研究。

若直流侧不接地，接地电位将因VSC的开关频率而发生振荡，影响直流传输线上的电压。

因此，对于单极系统而言，直流侧多采用线路接地方式，而双极系统则采用分裂电容接地的方式。

此外，交流侧的联接变压器多数采用Yo/A或YdY接线方式，以避免构成零序回路对低压直流配电网影响。

2、直流配电网电压等级的选择：直流配电网电压等级是直流配电网研究的重要内容：①直流配电网的供电距离(供电半径)；②电气绝缘和保护；③系统成本和设计。

若考虑将交流配网改造为直流配网，直流电缆允许直流电压为交流额定线电压峰值，因此可据此对直流配电网的电压等级进行初步选择，即将现有中压交流配电网线电压的峰值选择为直流配网的额定电压。

在直流配网低压侧，过大的直流电压不利于负荷接入，且会引起较为严重的安全问题，因此需将电压中点接地成为双极系统，并利用线电压对大功率负载供电，小功率负载则利用单极对地电压供电，即每个极所接入的负荷并不完全平衡。

在目前欧洲230V交流配电网平台上，采用截面积分别为1.5mm2和2.5mm2的交流导线，对326V、230V、120V、48V四种直流电压进行了研究。

研究结果表明，当直流电压降低时，压降、电流和损耗快速增高，当直流电压下降至48V 时，直流电流和直流压降均超出允许值。

当前，直流配网电压等级的选择方法尚未有定论，还需进一步的探索研究。

3、直流配电网储能设备的优化布点及其容量配置：在直流配网中配置蓄电池、超级电容等储能设备，可以达到提升网络运行稳定性，抑制直流电压闪变以及提高故障穿越能力的目的。