(精品)柔性直流输电技术

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。

柔性直流输电技术的应用探究柔性直流输电技术（Flexible DC Transmission, FDCT）是一种新型的输电技术，它采用直流电压进行能量传输，可以有效地解决传统交流输电技术的诸多问题，具有输电损耗小、占地面积小、环境污染小等优点。

随着科技的不断进步，柔性直流输电技术已经开始在实际工程中得到广泛应用。

本文将就柔性直流输电技术的应用进行探究，分析其在电力系统中的优势和发展前景。

一、柔性直流输电技术的原理与特点1. 原理柔性直流输电技术是一种通过控制直流电压和电流来实现能量输送和分配的技术。

其核心是采用高性能的功率电子设备对直流电压进行控制，以实现灵活的功率调节、电压调节和频率调节。

通过控制系统可以实现功率的快速响应和精确调节，使得柔性直流输电系统能够适应复杂多变的电网工况。

2. 特点（1）输电损耗小：相比于传统的交流输电技术，柔性直流输电技术在能量传输过程中损耗更小，能够有效节约能源。

（2）占地面积小：柔性直流输电技术所需的设备相对较小，可以在有限的空间内实现高效的能量传输。

（3）环境污染小：柔性直流输电技术的设备采用先进的电力电子元件，不会产生有害的电磁辐射和废气排放，对环境友好。

二、柔性直流输电技术在电力系统中的应用1. 长距离电力输送柔性直流输电技术在长距离的电力输送中具有明显的优势。

传统的交流输电技术在长距离输电过程中会出现较大的输电损耗，而柔性直流输电技术可以通过控制系统实现功率的精确调节，大大减小了输电损耗，提高了输电效率。

2. 大容量电力输送由于柔性直流输电技术具有较高的电压和电流调节能力，能够实现大容量的电力输送。

在大规模工业园区、城市用电中心等场景下，柔性直流输电技术可以有效地满足电力需求，支持电网的高容量输电。

3. 电力系统稳定性改善柔性直流输电技术在电力系统中的应用可以提高系统的稳定性。

通过柔性直流输电技术可以实现快速的电压调节和频率调节，对电网负载波动具有较强的适应能力，有助于降低电网的故障率和提高电网的可靠性。

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。

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。

电力系统2020.9 电力系统装备丨79Electric System2020年第9期2020 No.9电力系统装备Electric Power System Equipment2006年，中国电力科学研究院组织研讨会将基于电压源换流器（VSC ）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”翻译自单词“Flexible ”，主要指相较于常规直流输电技术。

柔性直流输电技术的控制手段更为灵活[1]，并且具有对交流系统无依赖、运行方式多样等优点，为异步电网互联、新能源接入、电力市场构建等应用场景提供了新的解决方案[2]。

我国首个柔性直流输电工程于2011年投运。

经过近年来不断发展，在电压等级、系统容量、拓扑结构等方面均取得了长足的进步，已经在柔性直流技术的诸多领域处于世界领先地位[3]。

1 发展历程回顾通过电压源换流器来实现高压直流输电的技术方案最早由加拿大McGill 大学的Boon-Teck 等人于1990年提出。

随着柔性直流技术的发展，国际上多个电力权威学术组织将这种新兴输电方式命名为电压源换流器型直流输电（VSCHVDC ）。

ABB 公司对其投入大量研究力量，取得一系列专利成果，多年来一直在该领域处于世界领先地位，并将这种输电方式称为轻型直流输电（HVDCLight ）。

2006年，中国电力科学研究院经过讨论将其统一命名为“柔性直流输电”。

世界上第一条柔性直流输电工程于1997年投入工业试验运行，由瑞典投资建设，电压等级10 kV ，容量3 MW 。

随后，欧美各国纷纷开始了柔性直流输电技术的理论研究与工程建设，主要应用于新能源并网、电网互联、海上钻井平台供电等领域，早期的柔性直流工程几乎全部由ABB 制造。

国内的柔性直流输电工程最早始于2011年，经历了从无到有，电压等级从低到高，输电容量从小到大，拓扑结构由简单到复杂的发展历程。

2011年7月，亚洲首个具有自主知识产权的柔性直流工程上海南汇风电场工程投运，电压等级±30 kV ；2013年12月，世界上第一个多端柔性直流工程南澳示范工程顺利投产，电压等级±160 kV ；2014年7月，世界范围内首个五端柔性直流输电工程舟山工程建成，电压等级±200 kV ；2015年12月，采用真双极接线的厦门柔性直流输电示范工程正式投运，电压等级±320 kV ，标志着我国在高压大容量柔性直流输电工程设计、设备制造、工程施工调试、运营等关键技术方面达到世界领先水平；2016年8月，位于云南省曲靖市罗平县的鲁西背靠背异步联网工程顺利投运，电压等级±350 kV ，是世界上首次采用大容量柔性直流与常规直流组合的背靠背直流工程；2016年12月，渝鄂直流背靠背联网工程正式核准建设，电压等级±420 kV ，是世界上电压等级最高、规模最大的柔性直流背靠背工程；2019年12月，张北±500 kV 柔性直流示范工程进入全面调试阶段，构建了输送大规模风、光、抽蓄等多种能源的四端环形柔性直流电网，标致着我国柔性直流输电技术迈向新的高度。

柔性直流输电技术介绍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。

自1997年赫尔斯扬试验工程投入运行以来，柔性直流输电技术迅速发展，目前已有13项工程投入商业运行，最高电压等级已达±200kV，最大工程容量达到400MW，最长输电距离为970km。

通过各个领域专家的不断创新和工程建设运行经验的不断积累，柔性直流输电技术作为一种先进的输电技术已具备大规模应用的条件。

图1两端VSC-HVDC系统典型结构图2008年12月，“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。

该工程联接上海南汇风电场与书院变电站，用于上海南汇风电网并网，是中国首条柔性直流输电示范工程。

该工程由中国电力科学研究院开发，负责接入系统设计、设备供货及工程实施等工作。

2柔性直流输电技术的研究现状2.1高压大容量电压源变流器技术2.2.1模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter,MMC）模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图2所示。

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“LineCommutatedConverter”,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-TeckOoi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3MW,±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”;二柔性直流与传统直流的优缺点对比不管是两电平、三电平或MMC换流器,由于都属于电压源换流器,其基波频率下的外特性是完全一致的;柔性直流系统外特性公式如下VSC与LCC相比,具有的根本性优势是多了一个控制自由度;LCC因为所用的器件是晶闸管,晶闸管只能控制导通而不能控制关断,因此LCC的控制自由度只有1个,就是触发角α,这样LCC实际上只能控制直流电压的大小;而VSC因为所用的器件是双向可控的,既可以控制导通,也可以控制关断,因而VSC有2个控制自由度,反映在输出电压的基波相量Uvsc上,就表现为Uvsc的幅值和相位都是可控的;因此从交流系统的角度看,VSC可以等效成一个无转动惯量的电动机或发电机,几乎可以瞬时地在PQ平面的4个象限内实现有功功率和无功功率的独立控制,这就是电压源换流器的基本特性;而柔性直流输电系统的卓越性能在很大程度上就依赖于电压源换流器的基本特性;1、可以归纳出柔性直流输电相对于传统直流输电的技术优势如下：1没有无功补偿问题：传统直流输电由于存在换流器的触发延时角α一般为10-15度和关断角γ一般为15度或更大以及波形的非正弦,需要吸收大量的无功功率,其数值约为换流站所通过的直流功率的40%-60%;因而需要大量的无功功率补偿及滤波设备,而且在甩负荷时会出现无功功率过剩,容易导致过电压;而柔性直流输电的VSC不仅不需要交流侧提供无功功率,而且本身能够起到静止同步补偿器的作用,可以动态补偿交流系统无功功率,稳定交流母线电压;这意味着交流系统故障时,如果VSC容量允许,那么柔性直流输电系统既可向交流系统提供有功功率的紧急支援,还可向交流系统提供无功功率的紧急支援,从而既能提高所连接系统的功角稳定性,还能提高所连接的电压稳定性;2没有换相失败问题：传统直流输电受端换流器逆变器在受端交流系统发生故障时,很容易发生换相失败,导致输送功率中断;通常只要逆变站交流母线电压因交流系统故障导致瞬间跌落10%以上幅度,就会引起逆变器换相失败,而在换相失败恢复前,传统直流系统无法输送功率;而柔性直流输电的VSC采用的是可关断器件,不存在换相失败问题,即使受端交流系统发生严重故障,只要换流站交流母线仍然有电压,就能输送一定的功率,其大小取决于VSC的电流容量;3可以为无源系统供电：传统直流输电需要交流电网提供换相电流,这个电流实际上是相间短路电流,因此要保证换相的可靠性,受端交流系统必须具有足够的容量,即必须有足够的短路比SCR,当受端交流电网比较弱时便容易发生换相失败;而柔性直流输电的VSC能够自换相,可以工作在无源逆变方式,不需要外加的换相电压,受端系统可以是无源网络,克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷,使利用直流输电为孤立负荷送电成为可能;4可同时独立调节有功和无功功率：传统直流输电的换流器只有1个控制自由度,不能同时独立调节有功功率和无功功率;而柔性直流输电的VSC具有2个控制自由度,可以同时独立调节有功功率和无功功率;5谐波水平低：传统直流输电的换流器会产生特征谐波和非特征谐波,必须配置相当容量的交流侧滤波器和直流侧滤波器才能满足将谐波限定在换流站内的要求;柔性直流输电的两电平或三电平VSC,采用PWM技术,开关频率相对较高,谐波落在较高的频段,可以采用较小容量的滤波器解决谐波问题；对于采用MMC的柔性直流输电系统,通常电平数较高,不需要采用滤波器已能满足谐波要求;6适合构成多端直流系统：传统直流输电电流只能单向流动,潮流反转时,电压极性反转而电流方向不动；因此在构成并联型多端直流系统时,单端潮流难以反转,控制很不灵活;而柔性直流输电的VSC电流可以双向流动,直流电压极性不能改变；因此构成并联型多端直流系统时,在保持多端直流系统电压恒定的前提下,通过改变单端电流的方向,单端潮流可以在正、反两个方向上调节,更能体现出多端直流系统的优势;7占地面积小：柔性直流输电换流站没有大量的无功补偿和滤波装置,交流场设备很少,因此比传统直流输电占地面积少得多;2、当然,柔性直流输电相对于传统直流输电也存在不足,主要表现在如下几个方面：1损耗较大：传统直流输电的单站损耗已低于0.8%,两电平和三电平VSC的单站损耗在2%左右,MMC的单站损耗可以低于1.5%;柔性直流输电损耗下降的前景包括两个方面：①现有技术的进一步提高；②采用新的可关断器件;柔性直流输电单站损耗降低到1%以下是可以预期的;2设备成本较高：就目前的技术水平,柔性直流输电单位容量的设备投资成本高于传统直流输电;同样,柔性直流输电的设备投资成本降低到与传统直流输电相当也是可以预期的;3容量相对较小：由于目前可关断器件的电压、电流额定值都比晶闸管低,如不采用多个可关断器件并联,VSC的电流额定值就比LCC的低,因此VSC基本单元单个两电平或三电平换流器或单个MMC的容量比LLC基本单元单个6脉动换流器的容量低;;目前已投运或正在建设的柔性直流输电工程的最大容量在1000MW左右,与传统直流输电的6000MW以上还存在一定的距离;但是,如果采用VSC基本单元的串、并联组合技术,柔性直流输电达到传统直流输电的容量水平是没有问题的,技术上并不存在根本性的困难;可以预见,在不远的将来,柔性直流输电也会采用特高压电压等级,其输送容量会与传统特高压直流输电相当;4不太适合长距离架空线路输电：目前柔性直流输电采用的两电平和三电平VSC或多电平MMC,在直流侧发生短路时,即使IGBT全部关断,换流站通过与IGBT反并联的二极管,仍然会向故障点馈入电流,从而无法像传统直流输电那样通过换流器自身的控制来清除直流侧的故障;所以,目前的柔性直流输电技术在直流侧发生故障时,清除故障的手段是跳换流站交流侧开关;这样,故障清除和直流系统再恢复的时间就比较长;当直流线路采用电缆时,由于电缆故障率低,且如果发生故障,通常是永久性故障,本来就应该停电,因此跳交流侧开关并不影响整个系统的可用率;针对此缺陷,目前柔性直流输电技术的一个重要研究方向就是开发具有直流侧故障自清除能力的VSC;三柔性直流输电应用领域及目前工程列表1、应用领域柔性直流输电目前主要的应用领域有异步电网互联、小型发电厂/新能源/分布式能源并网、偏远山区/海上供输电、城市输配电、电能质量改善等方面2、柔直工程列表二、柔性直流输电的分类与结构组成（一）柔性直流输电的分类及优缺点对比已有柔性直流输电工程采用的VSC主要有三种,即两电平换流器、二极管箝位型三电平换流器和模块化多电平换流器MMC,模块化多电平换流器在各种特性上都比较优越,所以模块化多电平为现在普遍应用的技术;两电平换流器的拓扑结构最简单,如图2.1所示;他有六个桥臂,每个桥臂由绝缘栅双极晶体管IGBT和与之反并联的二极管组成;在高压大功率的情况下,为提高换流器容量和系统的电压等级,每个桥臂由多个IGBT及其相并联的二极管相互串联来获得,其串联的个数由换流器的额定功率、电压等级和电力电子开关器件的通流能力与耐压强度决定;相对于接地点,两电平换流器每相可输出两个电平,显然两电平换流器需通过PWM逼近正弦波;二极管箝位性三电平换流器如图2.3所示;三相换流器通常公用直流电容器;三电平换流器每相可以输出三个电平,也是通过PWM逼近正弦波的;模块化多电平换流器MMC的桥臂不是由多个开关器件直接串联构成的,而是采用了子模块Sub-Module,SM级联的方式;MMC的每个桥臂由N个子模块和一个串联电抗器Lo组成,同相的上下两个桥臂构成一个相单元,如图2.5所示;MMC的子模块一般采用半个H桥结构,如图2.6所示;其中,uc为子模块电容电压,usm和ism分别为单个子模块的输出电压和电流;MMC的单相输出电压波形如图2.7所示;可见,MMC 的工作原理与两电平和三电平换流器不同,它不是采用PWM来逼近正弦波,而是采用阶梯波的方式来逼近正弦波;1、相对于两电平和三电平换流器拓扑结构,MMC拓扑结构具有以下几个明显优势：（1）制造难度下降：不需要采用基于IGBT直接串联而构成的阀,这种阀在制造上有相当的难度,只有离散性非常小的IGBT才能满足静态和动态均压的要求,一般市售的IGBT是难以满足要求的;因而MMC拓扑结构大大降低了制造商进入柔性直流输电领域的技术门槛;（2）损耗成倍下降：MMC拓扑结构大大降低了IGBT的开关频率,从而使换流器的损耗成倍下降;因为MMC拓扑结构采用阶梯波逼近正弦波的调制方式,理想情况下,一个工频周期内开关器件只要开关2次,考虑了电容电压平衡控制和其他控制因素后,开关器件的开关频率通常不超过150Hz,这与两电平和三电平换流器拓扑结构开关器件的开关频率在1kHz以上形成了鲜明的对比;（3）阶跃电压降低：由于MMC所产生的电压阶梯波的每个阶梯都不大,MMC桥臂上的阶跃电压和阶跃电流都比较小,从而使得开关器件承受的应力大为降低,同时也使产生的高频辐射大为降低,容易满足电磁兼容指标的要求;（4）波形质量高：由于MMC通常电平数很多,所输出的电压阶梯波已非常接近于正弦波,波形质量高,各次谐波含有率和总谐波畸变率已能满足相关标准的要求,不需要安装交流滤波器;（5）故障处理能力强：由于MMC的子模块冗余特性,使得故障的子模块可由冗余的子模块替换,并且替换过程不需要停电,提高了换流器的可靠性；另外,MMC的直流侧没有高压电容器组,并且桥臂上的Lo与分布式的储能电容器相串联,从而可以直接限制内部故障或外部故障下的故障电流上升率,使故障的清除更加容易;2、当然,MMC拓扑结构与两电平或三电平换流器拓扑结构相比,也有不足的地方：1所有器件数量多：对于同样的直流电压,MMC采用的开关器件数量较大,约为两电平换流器拓扑结构的2倍;2MMC虽然避免了两电平和三电平换流器拓扑结构必须采用IGBT直接串联阀的困难,但却将技术难度转移到了控制方面,主要包括子模块电容电压的均衡控制以及各桥臂之间的环流控制;（二）MMC的工作原理MMC子模块具有如下三种工作模式表中对于表2.1进行分析可得表2.2,表中对于T1、T2、D1和D2,开关状态1对应导通,0对应关断;从表2.2可以看出,对应每一个模式,T1、T2、D1和D2中有且仅有1个管子处于导通状态;因此可以认为,SM进入稳态模式后,有且仅有1个管子处于导通状态,其余3个管子都处于关断状态;另一方面,若将T1与D1、T2与D2分别集中起来作为开关S1和S2看待,那么对应投入状态,S1是导通的,电流可以双向流动,而S2是断开的；对应切除状态,S2是导通的,电流可以双向流动,而S1是断开的；而对应闭锁状态,S1和S2中哪个导通、哪个断开是不确定的;根据上述分析可以得出结论,只要对每个SM上下两个IGBT的开关状态进行控制,就可以实现投入或者切除该SM;（三）柔性直流换流器系统的构成1、柔性直流系统结构柔性直流按照接线方式可分为真双极系统和伪双极系统;舟山五端柔直工程采用伪双极主接线结构,该主接线结构包括换流器区和极区,无双极区;厦门柔直工程为世界上第一个真双极MMC柔性直流工程,直流主接线结构包括换流器区、极区和双极区;2、柔性直流系统主要设备如图2.13,可以看到柔性直流系统主要设备有换流阀、阀电抗器、联接变压器、启动电阻、交流接地装置、直流电缆、避雷器、控制保护系统、辅助系统水冷、空调等1联结变压器：在交流系统和电压源换流站间提供换流电抗的作用；进行交流电压变换,使电压源换流站获得理想的工作电压范围；阻止零序电流在交流系统和换流站间流动；2启动电阻系统启动之前,MMC各功率模块电压为零,换流阀中电子元器件处于关断状态;限制功率模块电容的充电电流,减少柔性直流系统上电时对交流系统造成的扰动和防止换流器阀上二极管的过流;串联安装于联接变压器阀侧或交流系统侧；启动电阻仅在系统启动时工作,启动结束后由旁路开关将启动电阻旁路；启动电阻应满足不同的启动要求,包括一端交流电源对本端换流器功率模块电容充电和一端交流电源对两端换流器功率模块电容同时充电；电阻应具有足够的短时电流耐受能力；电阻应具有足够的能量耐受能力；满足开始充电至换流器解锁的时间要求包括交流侧充电和直流侧充电;3阀电抗器桥臂电抗器是电压源换流阀与交流系统之间传输功率的纽带主要功能：抑制换流阀输出电流、电压中的谐波分量；系统发生扰动或短路时,抑制电流上升率和限制短路电流峰值;抑制桥臂环流；阀电抗器可采用空心电抗器,每个换流器配置6个;4避雷器柔性直流输电系统采用无间隙金属氧化物避雷器MOA作为过电压保护的关键设备,它对过电压进行限制,对设备提供保护；综合考虑系统最大持续运行电压、荷电率、保护水平和能量要求等因素,选择避雷器参数;5测量设备电子式电压互感器和电子式电流互感器柔直测量设备难点：速度要求高,延时要求高;为了避免短路故障电流造成IGBT器件损坏,对于阀控系统的过流保护动作的快速性有着苛刻的要求,要求采集桥臂电流的互感器信号传输延时小于100um.准确测量故障时电流上升过程,高采样速度、宽量程;6换流阀换流阀是柔性直流输电换流站中的核心设备,用于实现交\直和直\交变换;如图2.14所示半桥式MMC子模块的基本构成为：T1：上管IGBT;T2:下管IGBT；T3：晶闸管；R1：均压电阻；C1支撑电容;S1：旁路开关;半桥式MMC子模块核心元件及作用：IGBT作用：核心控制器件,通过控制其开通与关断,从而控制子模块输出电压电容作用：支撑和稳定子模块电压,提供电压源的核心元件均压电阻作用：1均衡子模块电压2停运检修时的泄放回路水冷板散热器作用：IGBT的水冷却高压取能电源作用：从电容取电,为子模块控制器提供控制电源;子模块控制器作用：接收阀控设备的控制信号,对子模块进行投入和切除操作、晶闸管触发操作、旁路开关合闸操作,同时向阀控反馈子模块运行状态、故障状态信息旁路开关作用：对故障子模块进行旁路操作,实现子模块的冗余控制晶闸管作用：对故障子模块进行旁路操作进行过流保护三、运行方式（一）舟山工程1、运行模式舟山工程为伪双极五端柔性直流输电工程,所以有五种运行方式,分别为二三四五端运行模式和STATCOM运行模式;2、启动步骤步骤1：换流器解锁前,合上交流进线开关,通过IGBT模块的反并联二极管对直流电容充电,初步建立直流电压;步骤2：工作在直流电压控制模式下的换流站先解锁,将直流电压上升至额定电压;步骤3：功率控制模式和交流电压模式下的换流站解锁,逐步建立功率;3、注意：1当工作在直流电压模式下的换流站闭锁时,需将原工作在功率控制模式换流站调整为直流电压模式,做为直流电网的平衡节点;2当工作在功率控制模式或交流电压模式下的换流站闭锁时,其余换流站可维持原控制模式不变;（二）厦门工程厦门柔性输电工程为真双极两端柔性输电工程,有如下四种运行方式;四、控制保护系统（一）控制系统柔性直流输电的控制系统分成三个层：系统监视与控制层、控制保护层、现场IO层;根据完成的功能与控制的目标,换流站控制保护可以分为系统级控制、换流站级控制、换流阀级控制、子模块级控制;系统级控制：确定柔性直流工程各个换流站的控制目标与相互配合关系;换流站级控制：确定站内的控制策略;换流阀级控制：产生换流阀基本模块的触发脉冲;换流器子模块级控制：该级控制的任务是接收换流器阀级控制产生的触发脉冲信号,根据触发脉冲信号,对子模块IGBT进行开通和关断控制;外环控制：外环控制包括交流电压控制、无功功率控制、直流电压控制、有功功率控制、频率控制内环控制：内环控制包括内环电流控制、PLL控制阀控功能：实现换流阀的控制、保护、监测；与上层控制保护系统以及换流阀的通信；实现子模块电容电压平衡功能以及环流控制等功能;控制功能统计表如下：1、运行方式控制2、控制模式转换3、启停控制4、多端协调5、交流场控制6、无功功率控制7、交流电压控制8、内环电流控制9、锁相同步控制10、桥臂环流控制11、直流场控制12、指令整定13、有功功率控制14、直流电压控制15、频率控制16、换流器限流控制17、换流器监视（二）保护系统如图4.2所示,保护分区主要分为：1交流线路保护、2交流母线保护、3换流变压器保护、4桥臂电抗器保护、5换流站保护、6直流母线保护、7直流线路保护、8子模块保护;保护功能统计如下：1、联结变保护2、阀保护1阀臂过流暂时性闭锁保护2阀臂过流永久性闭锁保护3子模块过压保护3、换流器保护1交流过流保护2桥臂过流保护3桥臂电抗差动保护4阀侧零序分量保护5阀差动保护6桥臂环流保护4、直流场保护1直流电压不平衡保护2直流欠压过流保护3直流低电压保护4直流过电压保护5直流母线差动保护6直流线路纵差保护5、交流保护1内母线保护2交流系统保护3接地装置保护。

柔性直流输电技术和上海示范工程简介摘要：柔性直流输电技术是一种适用于小功率传输的新型直流输电技术。

本文阐述了柔性直流的工作原理和应用优势，并简要介绍了上海南汇风电厂柔性直流输电示范工程。

关键词：柔性直流传统直流上海示范工程1、引言柔性直流输电（VSC-HVDC）技术是一种以电压源换流器（VSC）、可控关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。

与传统直流输电相比，具有控制灵活方便、提高系统稳定性，增加系统动态无功储备，改善电能质量、节约建设用地等技术优势，适用于可再生能源并网、孤岛供电、非同步互联、城市电网供电等多方面。

2、柔性直流输电技术原理与特点2.1 柔性直流输电原理轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管（GTO）及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC，换流器的单相电路如图1所示。

1——直流电容器；2——IGBT；3——续流二极管；4——换流电抗器；5——换流电容器图1 换流器单相图其工作原理是：把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。

工频正弦波控制信号经与三角波载波信号比较产生触发信号，见图2。

VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。

有功功率计算公式：无功功率计算公式：式中、分别为VSC输出电压和母线电压基频分量的有效值，为与的相位差，X为换流电抗器的电抗。

2.2 柔性直流输电特点与传统直流输电相比，柔性直流输电主要有以下技术特点：(1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用直流输电为远距离的孤立负荷送电成为可能。

(2)正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。

柔性直流输电在中国电网中的应用前景柔性直流输电（Flexible Direct Current Transmission，简称FDCT）是一种新型电力传输技术。

近年来，这种技术在全球范围内被广泛应用，成为国际上一种流行的高压直流输电技术。

FDCT是将柔性电力电子技术与现有的直流输电技术相结合，可以实现高效、高稳定性、高控制能力的电力传输，被誉为新一代电力传输技术的代表之一。

FDCT在中国的应用前景广阔。

在中国，FDCT在跨境、远距离输电等方面的应用前景非常广泛。

比如，FDCT可以实现中国与亚洲、欧洲、非洲等地区的跨国互联互通。

通过FDCT，我们可以将中国的绿色能源有效地输送到世界各地，实现中国的可再生能源出口。

此外，FDCT还可以帮助中国通过远距离输电解决负荷不足、能源“输送+销售”等问题。

在我国“十四五”规划和“2060碳达峰”目标的背景下，FDCT也将成为我国能源转型的中流砥柱。

FDCT技术在中国可以由国内厂商自主研发，并降低设备成本。

随着FDCT技术的不断成熟，它将成为解决中国能源锁定的关键技术之一。

FDCT的应用前景也非常广泛。

比如，在我国北方的水大地少问题较为突出，FDCT技术可以将南方丰富的水能投送北方，缓解水资源缺乏等问题。

此外，在我国西部地区，特别是新疆等地的风能、太阳能资源丰富，FDCT技术可以通过构建柔性直流输电通道，将这些可再生能源高效输送到东部和中部地区，真正实现当地可再生能源的产业化。

总之，FDCT在中国的应用前景非常广阔。

这种技术可以在西部地区缓解能源短缺问题，并将中国的绿色能源出口到世界各地。

随着日益增长的能源消耗压力和环保意识的加强，FDCT 技术将会在中国发展得更快、更广泛。

柔性直流输电（Flexible Direct Current Transmission，简称FDCT）是未来电力传输领域的热门技术之一，具有高效、高稳定性和高可控性的优势。

自1997年FDCT实验开始以来，该技术已取得了不俗的进展。

柔性直流输电技术目录简介 (1)原理 (2)战略意义 (3)应用前景展望 (4)常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5)一、常规直流输电技术 (5)二、柔性直流输电技术 (6)三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7)四.运行方式 (8)简介柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。

基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、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优点。

李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。

概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。

柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。

其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。

系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。

UPFC1 UPFC（统一潮流控制器）UPFC（统一潮流控制器）是一种功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电装置，也是迄今为止通用性最好的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，它包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力，它可以同时并非常快速的独立控制输电线路中有功功率和无功功率。

UPFC可以控制线路的潮流分布,有效地提高电力系统的稳定性。

UPFC的正常工作，依赖于其连接电容上的直流电压控制。

对于UPFC所需要完成的多个控制功能，通常的设计是在UPFC上安排多个控制器，每一个控制器被赋予一个控制功能。

但对于安装在电力系统中，设计者面临的是一个多输入多输出(MIMO)系统，在UPFC上安排多个控制器的设计，是在设计每一个控制器的时候将其当作单输入单输出(SISO)系统，这时UPFC的各个控制功能之间的交互影响不能忽略，即使每个控制器都能成功地单独设计，也不能保证闭环全系统的稳定性。

故UPFC的有功功率控制器与无功功率控制器之间，存在着较强的交互影响。

2 UPFC系统结构统一潮流控制器的系统构成，如图1所示。

它主要包括主电路(串联单元、并联单元)和控制单元两部分。

其中串联单元可以对i处电压进行补偿，使i处敏感负荷端的电压满足要求；并联补偿单元可以对i处的电流进行补偿；控制单元通过适当的控制策略，对串联和并联单元的可控功率器件进行通断控制。

应用中可根据实际情况，确定UPFC主回路拓扑结构和控制策略，合理分配各整流桥的容量，降低整体造价，并使UPFC的功能得到充分发挥。

图1串联变流器直接与串联变压器T2相连，并通过该变压器向系统注入幅值和相角都可变的电压。

通过串联叠加到UPFC所在线路的接入点电压，可以合成一个幅值和相角均可变的串联输出电压。

这就相当于一个交流电压源，改变其幅值和相角就能实现交流电压的移相调节和串联补偿。

并联变流器1的主要功能，是通过直流连接线向换流器2提供有功功率，而这部分有功功率由交流系统通过耦合变压器提供。