高压直流输电总结

高压直流输电总结内容摘要：

）。 注意 ：逆变站附近的汽轮发电机组不会受到由 HVDC 引起的 SSO 危害。 因为它们并不向 HVDC 提供任何功率，而只是与逆变站并列运行，供电给常 规的随频率而变化的负荷。 注意 ： SSO 基本只涉及大容量汽轮发电机组（ 30 万 kW 以上），其轴系结构特点引起。 注意 ：水轮机不易发生次同步振荡：转子惯量大，功率扰动不易引起轴系扭振；机组对扭振固有阻尼很高。 10. 多直流馈入问题： （ 1） 概念：多直流馈入就是在受端电网的一个区域中集中落点多回直流线路。 （ 2） 只采用基本控制的 HVDC 通常会导致交流系统和直流系统间产生负面的相互作用；采用附加控制可以避免这种负面相互作用，甚至产生正面的影响。 11. 单双极闭锁： （ 1） 整流站闭锁相当于突甩负荷，系统频率上升； （ 2） 逆变站闭锁相当于突然切机，系统频率 下降； （ 3） 极闭锁会使双侧交流系统突甩无功负荷，使电压升高。 12. 直流制动： （ 1） 交流系统不能过于薄弱，否则不能起到制动作用； （ 2） 交流系统能快速提供无功，否则由于直流吸收无功的增加，会导致交流系统电压大幅度下降，从而抵消吸收有功的作用或起反作用； （ 3） 发电机与 HVDC 之间电气距离长（机端升压变和换流变），直流制动效果不会有电气制动效果明显； （ 4） 快速无功调节、快速励磁、 HVDC 快投电容器和滤波器等，直流制动可以替代（或减少）切机切负荷； 13. VDC 直流线路故障（短路）： 由于 HVDC 故障电流能持续一定时间但换流阀可快速关断 10ms， 所以HVDC 故障电流在交流系统中影响不明显。 14. 交流系统故障（短路）： 引起的大幅电压下降在逆变侧可能会导致换相失败。 15. 紧急功率支援： 如交流电网出现大幅度功率缺额：联络线跳开、某些大电厂跳开等， HVDC可以快速增加输送功率或者快速潮流反转。 八、 VSCHVDC 1. 基本概念： （ 1） 定义：以基于全控器件的电压源变换器（ VSC）为基础的直流输电技术。 （电压源换流器高压直流输电或柔性直流输电） （ 2） 特征：全控型电力电子器件、电压源换流器、大多数采用脉宽调制（ PWM）技术。 （ 3） 常规直流输电面临的挑战： a) 两侧换流站无功消耗大（每侧 40~60%）； b) 存在大量低次谐波，滤波器容量大； c) 不能向无源网络供电； d) 存在换相失败风险，会威胁电网安全稳定； e) 难以形成多端直流网络。 注意 ：根本问题在于使用的开关器件是半控型器件晶闸管，只能控制开通而不能控制其关断，换向必须靠交流侧电源。 2. VSCHVDC 的特点及应用场合： （ 1） 优点： a) 结构紧凑占地小； b) 无源系统供电 /黑启动； c) 可联络弱交流系统； d) 独立的有功和无功控制； e) 站间不用通讯； f) 无换相失败问题； g) 谐波小； h) 易于实现多端直流。 （ 2） 缺点： a) 系统损耗较大，每端 %（常规 %）； b) 无法控制直流侧故障电流 （直流侧故障只能跳交流侧断路器）； c) 运行经验尚不足，系统稳定性、可靠性仍有待检验。 （ 3） 应用场合： a) 可再生能源并网：连接风力发电场和电力网； b) 孤岛供电：海岛或海上石油 /天然气的钻井平台； c) 城市中心供电； d) 地下电力输送； e) 连接异步交流电网。 3. VSCHVDC 主要设备： （ 1） 主要设备及其作用： a) 电压源换流器：实现整流和逆变； b) 直流电容：电压支撑、抑制直流电压波动降低直流谐波； c) 换流电感： Boost 控制、影响输送能力、功率调节； d) 交流滤波器：滤除交流侧的谐波； e) 直流电缆：传输电能； f) 测控与保护系统：测量、控制、保护； g) 开 关设备：投切 VSCHVDC 系统； h) 冷却系统：冷却半导体、变压器、电抗器等。 （ 2） 换流器： a) 两电平换流器（以 PWM 波形逼近正弦波）： 图 8 1 两电平换流器（采用 IGBT 直接串联阀实现） i. 优点：电路结构简单；所有阀容量相同；控制简单，易扩展。 ii. 缺点：器件直接串联，对于参数一致性要求高，静态均压和动态均压问题严峻，高。 b) NPC 三电平换流器（以 PWM 波形逼近正弦波）： 图 8 2 NPC 三电平换流器 i. 优点：电平数提高有利于提高波 形质量，降低损耗； ii. 缺点：额外的器件（钳位二极管）增加了成本和设计复杂度，存在电容电压不平衡问题。 c) 模块化多电平（ MMC）（以阶梯波逼近正弦波）： 图 8 3 模块化多电平 i. 优点：进一步改善波形质量，降低对滤波系统要求，甚至可以不要滤波器。 ii. 缺点：电容器电压平衡有难度。 d) 变压器组合式（并联型）： 多个变换器并联复合而成，采用曲折变压器并联接入交流系统，较低开关频率获得较好波形质量，可提升换流站容量。 e) 变压器组合式（串联型）： 多个变换器串联复合而成，可提升电压等级和 换流站容量。 f) 变压器组合式（串并联型）： 多个变换器串并联复合而成，可提升电压等级和换流站容量，可以以“搭积木”形式实现所需的电压、电流等级。 4. VSCHVDC 构成形式： （ 1） 换流站接线方式： 图 8 4 （ 2） 两端 VSCHVDC 输电系统：单极系统，双级系统。 注意 ：采用基本 MCC 换流器实现的 VSCHVDC 直流侧没有集中布置的电容器，无法采用直流中点接地方式实现正负极性对称的直流线路。 故一般有以下解决方法：阀交流侧经电抗器构造中性点接地或者阀侧变压器采用 yn 形式。 注意 ：目前已投运的柔直系统绝大多数由 ABB 公司设计制造， VSCHVDC 换流器采用基本 VSC 实现，本身不能单极运行，仅直流线路可以单极运行。 （有文献称为“伪双极”）而由组合式 VSC 构成 VSCHVDC 换流器时，可以实现真正的双 极系统。 （ 3） 多端 VSCHVDC 输电系统： 图 8 5 多端 VSCHVDC 输电系统 5. VSCHVDC 系统稳态特性： （ 1） VSC 变换器特性： 图 8 6 VSC 交流侧稳态矢量关系 1（假设不变） 图 8 7 VSC 交流侧稳态矢量关系 2（假设不变） 图 8 8 等值电路图 由等值电路图可得到交流侧电源输出的有功功率和无功功率分别为： () () () () 调整δ、 k 可使得 VSC 运行于圆内任意一点，故其可独立控制 P、 Q： δ 0，电源相位超前，变换器工作于整流，交流系统向直流系统注入有功功率；δ 0，电源相位滞后，变换器工作于逆变，直流系统向交流系统注入有功功率； ，系统提供无功；，系统吸收无功。 6. VSCHVDC 控制： （ 1） 控制主要功能： 使 VSCHVDC 系统正常工作，保护设备，使系统经济运行，具体包括：VSCHVDC 系统的启动和停止控制， VSCHVDC 系统输送功率潮流大小和方向控制，协调交流系统实现调度中心指令，提高系统稳定性。 （ 2） 分 层控制：系统层控制，装置层控制，器件层控制。 图 8 9 VSCHVDC 分层控制 a) 系统层控制： i. 系统层控制两类物理量： 有功类物理量（有功功率、直流电压 /电流、交流频率）和无功类物理量（无功功率、交流电压幅值）。 换流站必须在有功类物理量和无功类物理量中各挑选一个物理量进行控制。 ii. 系统层三种基本控制方式： ① 定功率（定直流电流）控制（控制功率或直流电流和与交流侧交换的无功功率）： 图 8 10 定功率控制 ② 定直流电压控制（控 制直流母线电压和与交流侧交换的无功功率）： 图 8 11 定直流电压控制 注意 ： VSCHVDC 必须有一个换流站采用 定直流电压 控制。 ③ 定交流电压控制（控制交流母线电压频率和幅值）： 图 8 12 定交流电压控制 b) 装置层控制：根据系统层控制形成的参考值，形成换流器目标输出波形参考信号（ M、δ）。 图 8 13 i. 常用的一般包含两个控制环：功率类外环、电流内环。 电流内环有利于换流器限流。 ii. 换流器直接电流控制： 图 8 14 换流器直接电流控制 iii. 换流器间接电流控制： 图 8 15 换流器间接电流控制 c) 器件层控制： i. PWM 控制原理： 冲量相等而形状（如大小波形）不同的窄脉冲作用于惯性系统，其效果基本相同。 （冲量即指窄脉冲的面积（变量对时间积分）；效果基本相同，是指系统的输出响应波形基本相同） ii. PWM 调制方法： 把希望输出的波形作为调制信号（参考波， Vcontrol），把接受调制的信号作为载波（ Vtri），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。 图 8 16 PWM 调制波的形成 PWM 频率与载波 Vtri 频率相同，输出电压 VA0 幅值由调制波 Vcontrol幅值决定，输出电压基频由 Vcontrol 频率决定。 () iii. 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形也称 SPWM波形。 为了提高直流电压利用率，可注入三次谐波。 图 8 17 单相两电平 VSC 注意 ：单相 VSC 可控运行的前提是直流电压不低于交流侧电压峰值。 图 8 18 三相两电平 VSC 注意 ：三相 VSC 可控运行的前提是直流电压不低于交流线电压倍。 iv. 空间矢量 PWM（ SVPWM）： 图 8 19 图 8 20 SVPWM 的八个开关状态 图 8 21 八个开关状态对应空间矢量位置 ① 步骤：确定 Vd, Vq, Vref, α ；确定时间区域 T1, T2, T0；确定 S1~S6 的开关时间。 ② 优点：谐波小；直流电压利用率高（是 SPWM 的倍）。 注意 ： SVPWM 只是利用矢量概念实现脉冲调制，并不是一般意义上的矢量控制，而仍然属于标量 控制。 v. 特定谐波消除调制方法（ SHEPWM）： ① 目标：满足调制比前提下，消去部分低次谐波。 ② 原理：选择合适触发角，既满足基波输出要求，又满足消除某些低次谐波要求。 vi. 最优 PWM（ OPWM）： ① 目标函数：指定谐波消除、最小化总谐波畸变率、最小化畸变系数、最大转矩。 ② 数值计算方法：牛顿法、人工智能优化算法（ GA、 SA、 CSA、 PSO 等）。 vii. 换流阀触发技术： 图 8 22 采用光电转换触发换流阀 7. VSCHVDC 保护配置： （ 1） 区域划分：外部交流系统，换流站内部，直流侧线路。 图 8 23 VSCHVDC 保护区域划分图 （ 2） 故障形式： a) 外部交流系统故障： 电压不平衡（不对称故障或不对称负荷引起）；过压 /欠压；雷电过电压（近端架空线路遭受雷击引起）；操作过电压投切线路设备引起等。 b) 换流站内部故障： 内部交流母线故障；站内直流母线故障；阀体故障；元件失效等。 c) 直流线路故障： 断线；单极接地；双极短路；架空直流线路雷击过电压。 （ 3） 保护配置原则与特点： a) 可靠性，灵敏性，选择性，快速性，可控性（通过控制换流器等减轻故障的危害），安全性（保障人身安 全和设备安全），可维护性（保护功能及参数便于调整）。 b) 特点：采取分区重叠配置（交流侧保护区，换流器保护区，直流线路保护区）；分层配置（系统级保护，装置级保护，器件级（阀级）保护）。 （ 4） 交流侧保护： a) 交流线路保护； b) 换流变压器保护：差动保护、过流保护、中性点偏移保护、变压器本体保护（油、气、„）； c) 换流电抗器保护； d) 交流开关场和交流滤波器保护。 （ 5） 换流器保护： a) 换流器过电流保护； b) 换流器直流过电压保护； c) 交流侧过电压保护； d) 触发脉冲监控； e) 阀自身保护； f) 辅助设备保护。 （ 6） 直流线路保护： a) 直流欠压保护； b) 直流过压保护 ； c) 直流电压不平衡保护； d) 直流故障再启动逻辑等。 8. VSCHVDC 与 LCCHVDC 比较： （ 1） 结构： 图 8 24 VSCHVDC 与 LCCHVDC 结构比较 （ 2） 对连接的交流电网的要求： a) LCCHVDC：要求保持连接交流电网的电压和频率稳定，且具有足够大短路容量；交流电网需要提供无功功率，否则有换相失败风险。 b) VSCHVDC：对连接系统短路容量没有要求，且可以直接连接无源网络。 （ 3） 谐波： a) LCCHVDC：交流侧 12k177。 1，直流侧 12k 次； b) VS。