电压源变流器的高压直流输电教学内容

摘要HVDc-Vsc系统是一种基于电压型自换相换流器即电压源换流器(vsc)和由PwM 控制的串联绝缘栅双极晶体管IGBT)或门极可关断晶闸管(GTO)的新型直流输电技术。

由于是一种新的技术，与其相关的许多技术问题还没有解决或解决的不够好，特别是换流器拓扑结构和控制策略等方面。

本文首先对高压直流输电技术的发展应用进行了综述，研究了适用于HVDc-Vsc的电压源换流器的基本特点。

其次，分析了电压源换流器的基本原理，对两电平换流器的拓扑结构进行的了详细的分析，并且由两电平换流器基本结构出发，给出了基于两电平换流器多脉波换流器的组成结构。

然后分析了多电平换流器的拓扑结构，主要包括二极管钳位式多电平换流器、飞跨电容式多电平换流器及级联式多电平换流器。

并且详细讨论了三相三电平换流器的拓扑结构．再次，对目前应用较为广泛的两电平换流器的正弦SPWM调制策略原理进行了详细的分析，建立了基于开关桥臂函数的两电平换流器数学模型。

在此基础上，建立了三电平换流器的正弦sPwM控制策略并且建立了三电平换流器的数学模型．介绍了换流器空间矢量调制策略的基本方法。

详细分析了电压合成矢量的空闻调制算法，通过矢量在坐标轴上投影的内在联系，实现了开关矢量快速识别．通过与sPwM算法的比较，证明了空间矢量调制算法的快速性与高效性。

最后采用MA TLab／simulink对各种控制方法进行了仿真，验证了控制算法的正确性，并且建立了基于vSC的直流输电系统的稳态模型，给出了定直流电压和定直流电流控制端控制量与被控制量之间的关系．并且进行了HVDc-Vsc 的系统仿真，获得了较理想的输出波形．HVDC．VSC的基本原理轻型直流输电技术(基于电压源换流器的输电技术)，其核心是采用适用于高压大容量输变电的全控型电力电子期间如GTO、IGBT、IGCT等及脉宽调制(PwM)技术的直流输电。

目前在HvDc一VSC中应用较多的是可关断器件IGBT，相对于GTO与IGCT，其通断容量小，开关频率高，通断损耗较小，且驱动电路简单。

一、教学目的高压直流输电系统的运行和控制是电力系统及其自动化、电力电子等专业的一门重要技术基础课程。

高压直流输电系统主要研究的内容是如何依靠电力电子变流技术以直流的形式实现电能的远距离传递的系统。

通过本课程的学习，学生应掌握高压直流输电系统的基本原理、在实际电能生产系统中的运行特性、控制特性及其结构和元件等理论知识，为从事实际工作打下坚实的基础。

本课程具有较强的综合性和实用性，与工程实际联系密切，对培养学生联系工程实际，提高科学的思维能力具有重要的促进作用。

二、教学内容与要求第一章绪论（讲课2学时）了解课程的主要内容，重点了解高压直流输电系统的发展概况、基本组成及与交流输电相比第二章换流器理论及特性方程（讲课4学时）换流器的主要功能是完成交－直流转换，并通过HVDC联络线来控制潮流，是直流输电系统中完成电能传递的关键设备。

通过本章的学习，了解掌握换流器的阀特性以及实际换流电路的结构和运行情况，掌握换相、触发延迟角、换相角、熄弧角等基本概念，整流器和逆变器的工作方式。

具体教学内容和学时安排如下：2.1、阀特性（讲课1学时）2.2、换流器电路分析（讲课1学时）2.3、整流器和逆变器工作方式（讲课1学时）2.4、交流量和直流量之间的关系（讲课0.5学时）2.5、多桥换流器（讲课0.5学时）重点：整流器和逆变器工作方式。

难点：多桥换流器的工作方式。

作业：什么是整流器和逆变器，其各自的工作方式是怎样的？第三章谐波及其抑制（讲课4学时）谐波及其抑制是高压直流输电中的重要技术问题之一。

通过本篇学习，了解高压直流输电系统中的谐波来源以及类型、谐波的影响和危害、滤波装置的特性和设计办法,重点掌握换流站交、直流侧的谐波类型以及抑制，了解交流绕组的术语，认识展开图，懂得三相绕组空间对称的道理，掌握相电势有效值公式，知道其中各物理谐波的基本方法。

具体教学内容和学时安排如下：3.1、高压直流输电系统的谐波（讲课1学时）3.2、谐波抑制装置的选择（讲课1学时）3.3、交流滤波器的设计（讲课0.5学时）3.4、直流侧滤波器设计（讲课1学时）3.5、增加脉波数来抑制谐波的办法（讲课1学时）重点：抑制谐波的办法。

电压源变流器的高压直流输电（VSC-HVDC ）1.引言晶闸管的应用领域主要是在整流（交流-直流）、逆变 (直流-交流)、变频 (交流-交流)、斩波（直流-直流）。

传统的高压直流输电采用晶闸管变流器，而新型的直流输电技术（VSC-HVDC ）采用IGBT 、IGCT 等全控器件组成电压源变流器(VSC)完成交流-直流-交流的变换。

两个VSC 分别作整流器和逆变器，一个工作在定直流电压模式，另一个工作在定有功功率模式。

两个变流器的无功功率都可以单独调节。

其核心是利用由全控型电力电子器件构成并基于脉宽调制 ( P WM)技术控制的VS C 代替了常规 HVDC 中的可控硅换流器。

该输电技术可向无源网络供电．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。

如图 1 所示，常用的两端 VSC —HVDC 的主要部件包括：电压源换流器( v s c )、绝缘栅双极晶体管( I G B T )、脉宽调制( P WM)、控制系统。

VSC —HVDC 的基本控制原理：δsin TS C X U U P = Q=)cos (S C T C U U X U —δ 其中：Uc 为换流器输出电压的基波分量，Us 为交流母线电压基波分量，δ为Uc 和 Us 之间的相角差，T X 为换流电抗器的电抗。

2. VSC-HVDC的基本控制方式及特点定直流电压控制方式，用以控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率，定直流电流( 功率) 控制方式，用以控制直流电流(功率)和输送到交流侧的无功功率，定交流电压控制方式，仅控制交流侧母线电压，适用于向无源网络供电，通常对于一个两端VSCHVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式。

3. VSC-HVDC的仿真将两个230KV，2000MVA的交流系统通过VSC-HVDC相连，进行功率传输。

图为仿真电路图：图中的station1和station2为两个VSC，分别做整流器和逆变器运行。

引言电力电子技术是以电力变换为主要研究内容的一门工程技术。

对电能进行变换和控制的目的是为了更方便，更有效的使用电能，使电能更好的为人们服务。

按照美国IEEE电力电子协会的定义，电力电子技术是有效地使用功率半导体器件，应用电路和控制理论以及分析开发工具，实现对电能高效的变换和控制的一门技术，包括电压，电流，频率，和波形等方面的变换。

高压直流输电是电力电子技术的一个重要应用领域，与其他应用技术相比，其实用化较早，电压与功率等级最高。

高压直流输电是指将发电场发出的交流电通过换流器转变为直流电，然后通过输电线路把直流电送入受电断，再把直流电转变为交流电供用户使用（逆变）。

因此相控整流及有源逆变是其理论基础与核心技术。

高压直流输电具有功率大，线路造价低，控制性能好等优点是目前解决高压电大容量，长距离输电和异步连网的重要手段。

随着全国联网、西电东送的步伐加快，可再生能源的开发利用, 为扩大直流输电技术的应用创造了良好的条件；而电力电子技术的进步和直流输电设备价格的下降，使HVDC 输电在未来的电力系统中将会更具竞争力。

高压直流输电具有明显的经济性。

直流输电采用两线制，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线路导线截面和电流密度相同的条件下，若不考虑趋肤效应，输送相同的电功率，输电线和绝缘材料可节省约1／3。

如果考虑到趋肤效应和各种损耗，输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线截面积的1.33倍。

因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半。

另外，线损小。

但是，直流输电系统中的换流站的造价和运行费用要比交流输电系统变电站的高，当输电距离增加到一定值后，直流输电线路所节省的费用刚好抵偿了换流站所增加的费用，此时这个输电距离即被称为交流输电与直流输电的等价距离高压直流输电可以实现额定频率不同(如50Hz、60Hz)的电网的互联，也可以实现额定频率相同但非同步运行的电网的互联。

采用高压直流输电易于实现地下或海底电缆输电。

《高压直流输电》课程教学大纲课程名称：高压直流输电(High Voltage DC Transmission)课程编号：CN115130B学分：2总学时：32适用专业：电气工程及其自动化先修课程：电路原理，电机学，电力系统分析。

一、课程的性质、目的与任务：本课程是“电气工程及其自动化”专业的一门专业课，是一门理论性和实践性很强的课程。

本课程的目的在于向学生介绍高压直流输电技术的发展及其特点，换流电路的工作原理，换流站及其主设备，高压直流输电线路，谐波及滤波器，高压直流系统的控制及高压直流输电技术的发展前景。

完成本课程的学习后，能够认识有关高压直流输电技术的基本问题和现象，并为以后从事本专业的工作打下基础。

二、教学基本要求：熟悉和掌握直流输电的基本原理、整流器及逆变器的工作原理、换流站主设备的工作原理、直流架空线路等值参数的计算、换流装置交流侧和直流侧特征谐波产生原因以及减少换流器谐波的方法、高压直流系统控制的基本方式及其实际应用。

理解和掌握整流器与逆变器的工作原理、换流站主要设备的工件原理大地回路的工作原理、交流滤波器和直流滤波器的原理、直流输电系统主要控制方式的基本原理了解高压直流输电的发展历史及发展前景、直流输电的优缺点、直流输电的分类、换流电路的组成及功能、换流站的平面布置、高压直流线路的额定电压与分裂导线、高压直流架空线路的电晕效应及直流电缆线路；三、教学内容：（一）高压直流输电的基本概念3学时1.高压直流输电的发展历史，包括国外的发展概况以及我国高压直流输电的发展情况2.直流输电的基本原理3.直流输电系统的分类：单极线路方式；双极线路方式4.直流输电的优缺点a.输送相同功率时，线路造价低b.线路有功损耗小c.适宜于海下输电d.没有系统的稳定问题e.能限制系统的短路电流f.调节速度快，运行可靠5.交流输电与直流输电比较的等价距离6.直流输电的发展前景（二）换流电路的工件原理6学时1. 整流器的工作原理a.理想情况下的工作原理b.考虑延迟角（即α＞0）的情况c.考虑延迟角（α＞0），又考虑换相电感（μ＞0）的情况2. 逆变器的工作原理a.逆变的基本概念b.逆变器的工作原理（三）换流站及其主设备3学时1.晶闸管换流器a.对晶闸管元件的基本要求b.晶闸管元件的分类及选择c.晶闸管阀的结构2.换流变压器a.换流变压器的特点b.换流变压器容量和电抗值的选择c.对换流变压器分接头高压的要求3.直流电抗器4.换流站的平面布置（四）高压直流输电线路4学时1.高压直流架空线路的额定电压与分裂导线2.高压直流架空线路的电晕效应a.直流电晕的基本特点b.直流电晕损耗的计算方法c.无线电干扰3.直流架空线路的等值参数4.直流电缆线路5.大地回路（五）谐波和滤波器6学时1.换流装置交流侧的特征谐波a.换流变压器阀侧线电流b.换流变压器交流侧线电流c.双桥12脉波时换流变压器交流侧线电流2.换流装置直流侧的特征谐波a.换流器直流侧的谐波电压b.直流侧的谐波电流3.交流滤波器a.滤波器的分类b.交流滤波器的阻抗特性c.调谐滤波器的参数d.交流滤波器的选择设计e.交流滤波器的配置及评定准则4.直流滤波器5.阻尼型滤波器6.消除谐波的其它方法a.磁通补偿法b.谐波注入法c.直流纹波注入法（六）高压直流系统的控制6学时1.引言a.控制系统的配置b.控制系统的基本要求2.控制的基本方式3.定电流控制：控制特征、控制原理4.定电压控制5.定触发角控制6.定熄弧角控制：定熄弧角控制系统的控制特性、定熄弧角控制的基本原理7.功率控制和频率控制：定功率调节器的工作原理、频率控制8.控制系统的实际应用：联合控制特性、直流输电的快速相位控制（七）高压直流输电技术的发展前景4学时1.引言2.高压直流断路器3.多端直流输电4.发电机-整流器单元5.发电机-二极管整流器单元6.强迫换相7.现有交流输电设备变为直流的应用8.紧凑型换流站四、教学参考书：1.李兴源编著，高压直流输电系统的运行与控制，1998第一版，科学出版社，19982.赵畹君主编，高压直流输电工程技术，2005年第二版，中国电力出版社3.(新西兰)J.阿律莱加著，任震等译，高压直流输电，1987第一版，重庆大学出版，19874.林永生等编著，高压直流输电，1982第一版，上海科学技术出版社，1982六、考核说明：1．考核方式：考查。