柔性直流输电的发展与运行原理_华北电力大学

1、柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展与运行原理与运行原理新能源电网研究所新能源电网研究所2内内 容容 提提 要要1 柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程及一次设备柔性直流输电典型工程及一次设备5 柔性直流输电柔性直流输电rtds仿真建模仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状31954年年，连接，连接gotland与瑞典大陆之间的世界上第一条高与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流输电线路建成，标志着压直流输电线路建成，标志着以电流源换流器为

2、基础的直以电流源换流器为基础的直流输电（流输电（lcc-hvdc）进入了商业化时代进入了商业化时代。1990年年，加拿大，加拿大mcgill大学的大学的boon-teck ooi等等首次提出首次提出使用使用脉宽调制技术（脉宽调制技术（pwm）进行）进行控制的控制的电压源换流器电压源换流器直流直流输电输电（vsc-hvdc）的概念的概念。1997年年，abb公司在瑞典中部的公司在瑞典中部的hallsjon和和grangesberg之间建成首条工业试验之间建成首条工业试验vsc-hvdc工程工程。 从此从此vsc-hvdc作为一种新兴的输电技术开始作为一种新兴的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段

3、进入大发展的商业应用阶段。 4 abb公司称之为公司称之为轻型直流输电轻型直流输电（hvdc light）并作）并作为商标注册；为商标注册； siemens公司将其注册为公司将其注册为新型直流新型直流hvdcplus； 国际上电力方面的权威学术组织国际上电力方面的权威学术组织cigre和和ieee将其将其正式称为正式称为vsc-hvdc，即，即“电压源换流器型高压直电压源换流器型高压直流输电流输电”。 国内很多专家称之为国内很多专家称之为“柔性直流（柔性直流（hvdc-flexible）”。5 能对能对有功和无功进行独立控制有功和无功进行独立控制，能给，能给无源网络无源网络提供电源；提供电源；

4、 能为交流侧提供无功支持，起到能为交流侧提供无功支持，起到statcom的作用，对电的作用，对电压质量和电压问题提供支撑；压质量和电压问题提供支撑； 换流站标准化、小型化，整体式的设计以及可以进行出厂换流站标准化、小型化，整体式的设计以及可以进行出厂前的调试，有利于缩短施工时间，并保证其可靠性；前的调试，有利于缩短施工时间，并保证其可靠性； 无需架设架空线无需架设架空线，并在噪音水平、谐波畸变、电话干扰和，并在噪音水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面满足环境保护的要求。电磁场等方面满足环境保护的要求。6向城市中心送电向城市中心送电连接分布电源连接分布电源非同步联网非同步联网提高配电网电能质量

5、提高配电网电能质量促进电力市场发展促进电力市场发展 向远方孤立负荷点送电向远方孤立负荷点送电 方便地调节有功和无功，改善方便地调节有功和无功，改善系统的运行性能系统的运行性能 风电场、小型水电厂、太阳能风电场、小型水电厂、太阳能电站及其它新能源发电系统电站及其它新能源发电系统 用电量急增，线路走廊困难用电量急增，线路走廊困难 构建地区电力供应商交换电力的可行性平台，构建地区电力供应商交换电力的可行性平台，增加运行灵活性和可靠性增加运行灵活性和可靠性快速控制有功无功，使电压、电流满足电能质量快速控制有功无功，使电压、电流满足电能质量标准要求标准要求 如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等如沿海

6、小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等 mtdc7投运投运年年输送功输送功率率/mw直流电直流电压压/kv两侧交两侧交流电压流电压直流电直流电流流/a线路长线路长度度/km用途用途hellsjon199731010/1015010工业试验工业试验gotland1999548080/80350270风力发电，地下风力发电，地下电缆电缆directlink200018080132/110342659电力交易，系统电力交易，系统互联，地下电缆互联，地下电缆tjaerebog20007.2910.5/10.535824.3风力发电，示范风力发电，示范工程工程eagle pass200036 15.9 13

7、2/132 11000(b-b)电力交易，系统电力交易，系统互联，电压控制互联，电压控制cross sound cahle2001330 150 345/138 1175240电力交易，系统电力交易，系统互联，海底电缆互联，海底电缆murray link 2002200 150 132/220 14002180电力交易，系统电力交易，系统互联，地下电缆互联，地下电缆世界上已投运的柔性直流输电工程世界上已投运的柔性直流输电工程8工程工程投运年投运年输送功输送功率率/mw直流电直流电压压/kv两侧交两侧交流电压流电压直流电直流电流流/a电缆长电缆长度度/km用途用途trolla2005242605

8、6/132400470绿色环保，绿色环保，海底电缆海底电缆estlink2006350150 400/330 1230272电力交易，电力交易，系统互联，系统互联，地下电缆地下电缆valhall201078150300/11-292绿色环保，绿色环保，海底电缆海底电缆世界上已投运的柔性直流输电工程世界上已投运的柔性直流输电工程9工程工程投运年投运年输送功输送功率率/mw直流电直流电压压/kv两侧交两侧交流电压流电压直流直流电流电流/a电缆电缆长度长度/km用途用途nord e.on 12009400150170/380-203风电并网风电并网caprivi link2009300350400/

9、330-970弱电网互联弱电网互联trans bay cable2010400200400-88大城市供电大城市供电南汇工程南汇工程201118303530010风电并网风电并网世界上已投运的柔性直流输电工程世界上已投运的柔性直流输电工程10工程工程投运年投运年输送输送功率功率/mw直流直流电压电压/kv两侧两侧交流交流电压电压直流直流电流电流/a电缆电缆长度长度/km用途用途east west interconnector，uk2012500200-1250-电网互电网互联，黑联，黑启动启动2013800320150/380125075,90风电并风电并网网skagerrak hvdc in

10、terconnections（pole 4）20147005004001400140,104电网互电网互联联世界上在建的部分柔性直流输电工程世界上在建的部分柔性直流输电工程11工程工程投运年投运年输送功输送功率率/mw直流直流电压电压/kv两侧两侧交流交流电压电压直流直流电流电流/a电缆电缆长度长度/km用途用途inelfe（法（法-西）西）201321000320400/400156060电网互电网互联联helwin1(德国德国)2013576250150/380115085,45风电并风电并网网borwin2(德国德国)2013800300155/4001330140,104风电并风电并网

11、网世界上在建的部分柔性直流输电工程世界上在建的部分柔性直流输电工程12 从世界上第一个试验性的工程从世界上第一个试验性的工程赫尔斯扬赫尔斯扬（hellsjion）工程至今，）工程至今，vsc-hvdc最大输电容量最大输电容量由由3mw发展到发展到21000mw，直流电压由，直流电压由10kv提升提升到到500kv。 随着直流电缆制造水平和半导体器件制造工艺的随着直流电缆制造水平和半导体器件制造工艺的快速提升，高电压大容量的柔性直流输电系统将具快速提升，高电压大容量的柔性直流输电系统将具备应用于大规模输电网的能力。备应用于大规模输电网的能力。13内内 容容 提提 要要1 柔性直流输电的发展柔性直

12、流输电的发展2 柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电柔性直流输电rtds仿真建模仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状14传统直流输电系统（传统直流输电系统（lcc-hvdc）的拓扑）的拓扑15柔性直流输电系统（柔性直流输电系统（vsc-hvdc）的拓扑）的拓扑（二电平为例）（二电平为例） 电抗器 滤波器 us vsc 滤波器 电抗器 vsc uc 直流输电线 16电流源换流器电流源换流器 电压源换流器电压源换流器晶闸管（晶闸管（thyris

13、tor） 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 (igbt)17电流源和电压源换流器的比较电流源和电压源换流器的比较电流源换流器电流源换流器电压源换流器电压源换流器电抗器电抗器l作为直流侧的储能元作为直流侧的储能元件，电容器件，电容器c作为交流侧的储作为交流侧的储能元件能元件电容器电容器c作为直流侧的储能元作为直流侧的储能元件，电抗器件，电抗器l作为交流侧的储作为交流侧的储能元件能元件直流电流是单向的，直流电压直流电流是单向的，直流电压极性随直流潮流而变化极性随直流潮流而变化直流电压是单向的，直流电流直流电压是单向的，直流电流极性随直流潮流而变化极性随直流潮流而变化控制快速准确控制快速准确控制

14、较慢控制较慢损耗较小损耗较小损耗较大损耗较大容量大容量大容量相对小容量相对小故障承受能力和可靠性较高故障承受能力和可靠性较高故障承受能力和可靠性较低故障承受能力和可靠性较低18hvdcvsc-hvdc交流侧提供换相电流，交流侧提供换相电流，受端受端为有源网络为有源网络，且容量足够大，且容量足够大，否则易发生换相失败否则易发生换相失败电流自关断，可向电流自关断，可向无源网络无源网络供电供电吸收大量的无功功率，约为吸收大量的无功功率，约为输送直流功率的输送直流功率的4060，需要大量的无功功率补偿和需要大量的无功功率补偿和滤波设备滤波设备 不需要交流侧提供无功功率且能不需要交流侧提供无功功率且能起

15、到起到statcom的作用，即动态的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。交流母线电压。若若vsc容量允许，容量允许，vsc-hvdc 系统可向故障系统提系统可向故障系统提供有功功率和无功功率的紧急支供有功功率和无功功率的紧急支援，提高系统功角电压的稳定性援，提高系统功角电压的稳定性。19hvdcvsc-hvdc潮流翻转时，直流电流方向不潮流翻转时，直流电流方向不变而直流电压极性发生翻转，变而直流电压极性发生翻转，不利于构建多端直流输电系统不利于构建多端直流输电系统 潮流翻转时直流电流反向，而潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性不变，直流电压极性不

16、变，有利于构有利于构成并联多端直流系统成并联多端直流系统换流器对于交流系统来说，除换流器对于交流系统来说，除了是一个负荷（在整流站）和了是一个负荷（在整流站）和一个电源（在逆变站）以外，一个电源（在逆变站）以外，还是一个谐波电流源还是一个谐波电流源 采用采用spwm技术，开关频率较技术，开关频率较高，经低通滤波后就可得到所高，经低通滤波后就可得到所需的交流电压，可不用换流变需的交流电压，可不用换流变压器，所需滤波装置的容量也压器，所需滤波装置的容量也大大减小大大减小控制量只有触发角，控制量只有触发角，2个象限运个象限运行，不可单独控制有功功率或行，不可单独控制有功功率或无功功率无功功率 可在可

17、在4个象限运行，同时且独立个象限运行，同时且独立控制有功和无功功率控制有功和无功功率换流站间需要通讯换流站间需要通讯换流站间的通讯不是必需的换流站间的通讯不是必需的20此外，由于此外，由于vsc交流侧电流可以控制，同交流侧电流可以控制，同hvdc，不会增不会增加系统的短路容量加系统的短路容量，也即增加柔性直流输电线路后，交流系统，也即增加柔性直流输电线路后，交流系统的保护整定无需改变。的保护整定无需改变。vsc-hvdc能够提高系统阻尼，能够提高系统阻尼，通常情况下通常情况下不会引起发电不会引起发电机组的次同步振荡，而且会机组的次同步振荡，而且会提高发电机组的次同步阻尼提高发电机组的次同步阻尼

18、。vsc-hvdc换流站设备小型化和标准模块化模块化设计，换流站设备小型化和标准模块化模块化设计，占地面积小，设计、生产、安装和调试占地面积小，设计、生产、安装和调试周期大大缩短周期大大缩短，并具有，并具有更高的可靠性更高的可靠性。21 电压源换流器有多种拓扑结构，但换流器基本运行原理大致相同，假设交流系统电压us相位是s，换流器出口电压uc相位滞后us角度为，双极直流母线电压差为ud,则 其中，为直流电压利用率，当vsc采用spwm调制时，=0.816；m为调制比，定义为vsc输出相电压峰值与单极直流电压的比值。可见，对于交流系统而言，vsc可等效于一个端电压幅值、相角均可控，无旋转惯量的同

19、步发电机。cdd3()()222ssmmuuu22 2sinsinscssu uk upxx2(cos )(1cos )sscssu uuukqxxcsuku其中，由上图可得，从交流系统看进去的有功和无功功率为：换流站输出电压增益k定义为vsc输出电压与交流系统电压的比值；之前调制比m定义为vsc输出电压与直流电压的比值。二者定义不同，但均可以反应vsc输出电压幅值的变化。23 保持恒定而改变k时，得到一系列的直线，如边界值 min和 max； 保持k恒定而改变时，能得到一系列曲线，如kmin=1-x, ki=1.0, kmax=1+x等； 当使换流站传输能力恒定将得到|p+q|=1的圆; m

20、in vn=1.0 q (p,u) inductive kmin=1-x kmax=1+x |pn+qn|=1 ki=1.0 capacitive p（p,u） max vsc的pq图24 通过以上分析可知，改变vsc输出电压的幅值和相位可以使其连续运行在功率圆内的任意一点。因此，它能完全独立解耦地控制有功功率和无功功率的交换。 若不需要传输有功功率，换流站可以作为statcom运行，为交流系统提供容性或感性无功支持，这与传统hvdc需要消耗大量无功功率是有本质区别的。25内内 容容 提提 要要1 柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电

21、换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电柔性直流输电rtds仿真建模仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状26现在世界范围内已投运的柔性直流输电大多为两电平结构27三电平结构也有工程投运，比两电平结构开关频率低，损耗小。_ 0.3150 0.3200 0.3250 0.3300 0.3350 0.3400 0.3450 0.3500 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 _ c 1 _ c 2 _ aa -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 _ 28模块化多电平换流器（

22、mmc）由西门子公司首先实施29正常工作状态下，子模块（sm）可以输出0或电容电压30mmc各相任意时刻导通子模块数相同，以维持直流电压恒定。31电压谐波畸变率小电压谐波畸变率小 mmc输出的多电平波形输出的多电平波形 两、三电平两、三电平vsc输出波形输出波形mmc的技术优势：的技术优势：mmc32 mmc调制策略的本质是使调制策略的本质是使mmc输出所期望的多电平波形，输出所期望的多电平波形，工程中主要采用工程中主要采用载波移相正弦脉宽调制（载波移相正弦脉宽调制（cps-spwm）和和最近电最近电平逼近调制（平逼近调制（nlm），其中，其中cps-spwm适用于电平数较低的场适用于电平数较

23、低的场合，合，nlm适用于具有极高电平数的场合。适用于具有极高电平数的场合。cps-spwm调制示意图33 nlm调制示意图 已建成的美国已建成的美国tbc工程以及上海南汇风电场都采用工程以及上海南汇风电场都采用nlm结合电容电压排序均压方法。结合电容电压排序均压方法。34abb公司提出的级联两电平（cascaded two level, ctl）结构35ctl结构本质上与mmc类似，输出电压仍为多电平，但由于abb公司具有igbt直接串联的技术优势，ctl结构中子模块耐压提高，在相同直流电压和容量下，其电平数可大大降低，简化了控制系统以及所需i/o接口数目。abb公司正在建设以ctl结构为换

24、流器拓扑的柔性直流输电工程，预计2013年投运。36alstom公司提出的全桥多电平结构（a)全桥多电平结构（b）子模块结构37alstom公司提出的新型混合级联多电平结构38与与2、3电平电平vsc相比，相比，mmc的储能电容分布在桥臂中，桥的储能电容分布在桥臂中，桥臂可等效为可控电压源，因此子模块臂可等效为可控电压源，因此子模块电容电压平衡控制电容电压平衡控制和和相相间环流抑制间环流抑制使其控制系统变得复杂。使其控制系统变得复杂。与与2、3电平电平vsc相同，相同，mmc也无法穿越直流故障，必须采也无法穿越直流故障，必须采用可靠性较高的直流电缆，直流故障时必须闭锁换流器同时用可靠性较高的直

25、流电缆，直流故障时必须闭锁换流器同时跳开交流断路器来保护换流器，电力传输被迫中断。跳开交流断路器来保护换流器，电力传输被迫中断。39基于基于mmc所具备的优点，以及为了打破所具备的优点，以及为了打破abb公司在公司在igbt串联技术上的垄断，世界范围内在建的柔性直流工程，大多串联技术上的垄断，世界范围内在建的柔性直流工程，大多采用采用mmc结构。结构。40u2000mw换流器将在不远的将来投入市场；换流器将在不远的将来投入市场；u基于基于mmc换流器拓扑的柔性直流输电是未来直流输电换流器拓扑的柔性直流输电是未来直流输电领域的发展趋势；领域的发展趋势；u多端直流多端直流输电以及输电以及直流断路器

26、直流断路器是研究热点。是研究热点。u会议得到的其他信息会议得到的其他信息2011年电力系统及能源国际会议（年电力系统及能源国际会议（epec2011）在加拿大）在加拿大曼尼托巴省温尼伯市举行，会上曼尼托巴省温尼伯市举行，会上transgrid solutions (tgs) 公司总裁公司总裁mohamed rashwan指出指出：41内内 容容 提提 要要1 柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电柔性直流输电rtds仿真建模仿

27、真建模6 我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状42 西门子公司建设的世界上第一个采用西门子公司建设的世界上第一个采用mmc结构的柔性结构的柔性直流输电工程：直流输电工程：hvdc plus工程工程“trans bay cable project （tbc）”，已于，已于2010年投运。工程的目的是用来消年投运。工程的目的是用来消除加利福尼亚州匹兹堡到旧金山之间的输电瓶颈并增强系统除加利福尼亚州匹兹堡到旧金山之间的输电瓶颈并增强系统的安全性和可靠性。工程投运初期前的安全性和可靠性。工程投运初期前6个月曾遇到一些问题，个月曾遇到一些问题，现在运行正常（现在运行正常（epec2011会议

28、会议alstom工程师提到）。工程师提到）。43“trans bay cable project”传输容量：传输容量： 400mw直流电压：直流电压：200kv桥臂子模块数：桥臂子模块数：216“trans bay cable project”44tbc工程系统结构示意图工程系统结构示意图45tbc工程电缆的铺设工程电缆的铺设46tbc工程阀厅的布置工程阀厅的布置u建成后把匹兹堡富余电力送到旧金山，避免在旧金山新建建成后把匹兹堡富余电力送到旧金山，避免在旧金山新建电厂；电厂；u两端换流站均位于市区，基于多电平换流器的换流站占地两端换流站均位于市区，基于多电平换流器的换流站占地面积小，噪声低；面

29、积小，噪声低；u工程总体造价约为工程总体造价约为40亿美金，西门子订单约为亿美金，西门子订单约为15亿美金；亿美金；u西门子第一个柔性直流输电工程，同时也是第一个采用多西门子第一个柔性直流输电工程，同时也是第一个采用多电平换流器的柔性直流输电工程，已在电平换流器的柔性直流输电工程，已在2010年年4月份正式月份正式投运投运跨湾项目工程概况及参数跨湾项目工程概况及参数额定输送容量：额定输送容量： 400 mw额定直流电压：额定直流电压： 200 kv额定直流电流：额定直流电流： 1000 a传输电缆长度：传输电缆长度： 2 88 km跨湾项目工程概况及参数跨湾项目工程概况及参数与常规直流方案换流

30、站相比减少了占地与常规直流方案换流站相比减少了占地比较项目比较项目hvdchvdc plus 方案方案换流站建筑物高度换流站建筑物高度19.8米米10.7米米旧金山伊利诺伊街道噪音旧金山伊利诺伊街道噪音72db48db避雷针高度避雷针高度26米米20米米覆盖区域覆盖区域20,200平方米平方米 12,100平方米平方米交流滤波器交流滤波器需要需要不需要不需要布局大量设备导致布局布局大量设备导致布局受限受限可以较为灵活布置，美观可以较为灵活布置，美观变压器变压器换流变压器换流变压器可使用常规变压器，体积较小可使用常规变压器，体积较小无功支持无功支持无无两换流站能够提供两换流站能够提供170至至-

31、300mvar无功无功受端电源受端电源需要需要不需要不需要hvdc plus 与与hvdc的比较的比较换流桥换流桥换流变压器换流变压器换流电抗器换流电抗器交流滤波器交流滤波器直流电容器直流电容器直流电缆直流电缆控制与保护系统控制与保护系统换流桥每个桥臂是由若干个换流桥每个桥臂是由若干个igbt级联而成。对于大容量换流级联而成。对于大容量换流器，每臂可能有上百个器，每臂可能有上百个igbt级联而成。级联而成。igbt旁边都反并联旁边都反并联一个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时一个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起续流的作用。也起续流的作用。不同于不同于csc-h

32、vdc，vsc-hvdc并不需要特殊的换并不需要特殊的换流变压器或移相变压器，其所用换流变压器与流变压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规常规的单相或三相变压器大体类似的单相或三相变压器大体类似。换流电抗器是换流电抗器是vsc与交流侧能量交换的纽带，决定与交流侧能量交换的纽带，决定有功功率与无功功率的控制性能有功功率与无功功率的控制性能作用作用滤除换流器所产生的特征谐波，以滤除换流器所产生的特征谐波，以获得期望的基波电流和基波电压；获得期望的基波电流和基波电压；抑制直流过电流的上升速度。抑制直流过电流的上升速度。作用作用：为逆变器提供电压支撑；为逆变器提供电压支撑；缓冲桥臂关断时的冲击电流；

33、缓冲桥臂关断时的冲击电流；减小直流侧谐波。减小直流侧谐波。vsc-hvdc系统简介-直流电容器换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少。有的低次谐波很少。换流电抗器的滤波作用使得电流的谐波较容易符合标准。然换流电抗器的滤波作用使得电流的谐波较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。故装设小容量滤波器。的谐波标准。故装设小容

34、量滤波器。作用作用：滤去交流侧电压谐波分量；滤去交流侧电压谐波分量；对系统提供部分无功补偿的作用。对系统提供部分无功补偿的作用。但是，交流滤波器的设计需要与换流电抗器配合。从交流系统侧看过去，从交流系统侧看过去，vsc-hvdc等等效为一个谐波电压源效为一个谐波电压源 (图图a)。其中，。其中，lc是换流电抗，是换流电抗，ls是系统等效电抗。是系统等效电抗。图图b是是h次谐波电压等效网络，使交流次谐波电压等效网络，使交流滤波器的滤波器的h次谐波阻抗近似为零，则次谐波阻抗近似为零，则其与交流系统的等效阻抗其与交流系统的等效阻抗xeq便远远小便远远小于换流电抗器的阻抗于换流电抗器的阻抗xc (图图

35、c)。于是，于是，h次谐波电压次谐波电压uh便近乎全部地便近乎全部地降落在降落在xc上，系统所分得的那部分电上，系统所分得的那部分电压就很少。这就是压就很少。这就是vsc系统中滤波器系统中滤波器的工作原理。的工作原理。60内内 容容 提提 要要1 柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电数字物理闭环仿真柔性直流输电数字物理闭环仿真6 我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状61柔性直流输电系统在投运前非常有必要对所采用的

36、柔性直流输电系统在投运前非常有必要对所采用的控制保护策略以及物理控制器进行控制保护策略以及物理控制器进行实时仿真验证实时仿真验证，以，以保证工程投运后的可靠性。保证工程投运后的可靠性。2、3电平电平vsc-hvdc在在rtds下建模较容易实现，下建模较容易实现，mmc-hvdc在在rtds中全中全数字建模以及数字物理混合仿真往往受限于数字建模以及数字物理混合仿真往往受限于rtds中中板卡数目以及板卡数目以及i/o接口数目，是当前国内外研究热点。接口数目，是当前国内外研究热点。课题组课题组2010年与网联公司合作项目年与网联公司合作项目“多电平柔性直多电平柔性直流输电系统流输电系统rtds模型研

37、究模型研究”，对，对mmc-hvdc在在rtds中建模进行了基础研究。中建模进行了基础研究。62（1）需要在）需要在rtds小步长环境下建模小步长环境下建模 mmc开关频率低，可以考虑在开关频率低，可以考虑在rtds大步长下建模，但大步长下建模，但大步长下没有大步长下没有igbt及二极管的现成模型，受硬件资源限制，及二极管的现成模型，受硬件资源限制，mmc与两、三电平与两、三电平vsc一样必须在一样必须在小步长下建模小步长下建模，则需要研，则需要研究其与外部变压器、电缆线路及其它部分的接口设计原理。究其与外部变压器、电缆线路及其它部分的接口设计原理。（2）mmc与两、三电平与两、三电平vsc建

38、模的不同点建模的不同点 两、三电平两、三电平vsc可以直接使用可以直接使用rtds小步长下已有模型建模；小步长下已有模型建模；mmc必须使用必须使用rtds公司新近开发的公司新近开发的chainv3模块模块进行建进行建模，其使用方法相对较复杂。模，其使用方法相对较复杂。 63（3） rtds硬件资源限制硬件资源限制 mmc的电平数越高，利用的电平数越高，利用chainv3模块对其进行建模模块对其进行建模时所需时所需gpc卡数量卡数量也越多。例如对双端也越多。例如对双端17电平电平mmc-hvdc在在rtds下建模时，共需两个下建模时，共需两个rack，10块块gpc卡。卡。 为了研究为了研究r

39、tds与外部物理控制器的接口设计方法，使用与外部物理控制器的接口设计方法，使用gtdo和和gtdi卡实现卡实现mmc的控制脉冲经的控制脉冲经rtds外部循环。外部循环。mmc的电平数越高，所需板卡数量也越多。目前只能实现单的电平数越高，所需板卡数量也越多。目前只能实现单端端17电平电平mmc-hvdc控制脉冲的外部循环。控制脉冲的外部循环。 64多电平柔性直流输电的主回路建模多电平柔性直流输电的主回路建模。利用。利用rtds专门为仿真专门为仿真高频动作的全控型电力电子器件而设计的小步长（高频动作的全控型电力电子器件而设计的小步长（1.42.5s）仿真模型，建立多电平柔性直流输电换流阀组及触发脉

40、冲发仿真模型，建立多电平柔性直流输电换流阀组及触发脉冲发生装置的仿真模型，并采用具有高速运算能力的生装置的仿真模型，并采用具有高速运算能力的gpc处理器处理器对小步长模型进行求解，研究柔性直流输电的换流特性。对小步长模型进行求解，研究柔性直流输电的换流特性。多电平柔性直流输电换流器模型与外部控制器的接口设计多电平柔性直流输电换流器模型与外部控制器的接口设计。研究研究rtds与外部控制设备的连接和板卡配置方案，以满足实与外部控制设备的连接和板卡配置方案，以满足实时性要求。时性要求。小步长换流器模型与外部电路的接口设计小步长换流器模型与外部电路的接口设计。利用。利用rtds研究研究小步长子系统模块

41、封装技术及其与大、小步长变压器、电缆小步长子系统模块封装技术及其与大、小步长变压器、电缆线路及其它部分的接口设计方法。线路及其它部分的接口设计方法。65u 利用利用rtds中中已有已有开关开关器件建模器件建模一个一个bridge box无法实现无法实现所需要的所需要的mmc仿真仿真规模规模。考虑使用小线路模型考虑使用小线路模型（vsc cross card bergeron tline model ）增加增加仿真仿真规模规模。66使用使用一块一块gpc卡卡对对mmc-hvdc的的两相建两相建模，可以达到的仿真模，可以达到的仿真规模规模如右图所示：如右图所示： 利用利用rtds自带的自带的元件采

42、用元件采用vsc cross card bergeron tline model可以在一定程度可以在一定程度上增大仿真规模，但上增大仿真规模，但是仍是仍无法无法从根本上解从根本上解决仿真决仿真规模受限规模受限的问的问题。题。67u 考虑利用考虑利用cbuilder在大步长下在大步长下建模建模 大步长下没有大步长下没有igbt及二极管的现成模型，需要及二极管的现成模型，需要利用利用rtds中中cbuilder自定义；自定义； 一个一个gpc处器只可以处理处器只可以处理5个自定义元件；个自定义元件； 限于硬件资源无法实现限于硬件资源无法实现mmc在大步长下建模在大步长下建模 。68u 利用利用ch

43、ainv3对对mmc拓扑结构建模拓扑结构建模 rscad 2.015从从2009年年11月开始可以下载使用月开始可以下载使用chainv3模块模块，如下图所示：，如下图所示：69（1）一块）一块gpc处理器可以处理的模块数（半桥数）处理器可以处理的模块数（半桥数）每个每个gpc处理器可以容纳处理器可以容纳56个半桥。经过测试，在个半桥。经过测试，在bridge box中不包括变压器时，一个中不包括变压器时，一个gpc处理器上的半桥处理器上的半桥数不超过数不超过48个时可以成功编译；半桥数超过个时可以成功编译；半桥数超过48不超过不超过54编编译时会有警告，但可以通过。在译时会有警告，但可以通过

44、。在bridge box中包括变压器中包括变压器（如下图）时，一个（如下图）时，一个gpc处理器上的半桥数不超过处理器上的半桥数不超过48个时个时可以成功编译；半桥数超过可以成功编译；半桥数超过48时编译出现错误，无法通过。时编译出现错误，无法通过。 70（2）一块）一块gpc处理器处理一相桥臂的能力处理器处理一相桥臂的能力 如果将两个如果将两个chainv3模块分配到一个处理器上，每模块分配到一个处理器上，每个模块最多只能容纳个模块最多只能容纳19个个sm模块。模块。（3）三块）三块gpc卡处理三相卡处理三相mmc电路的能力电路的能力 建立三相的建立三相的mmc模型，通过小步长线路模型进行互

45、联。模型，通过小步长线路模型进行互联。经过测试，有如下结论：经过测试，有如下结论： 采用小步长线路模型联接时，采用小步长线路模型联接时，mmc模型可达到每个桥臂模型可达到每个桥臂37个子模块的规模；但是小步长传输线需增长来使个子模块的规模；但是小步长传输线需增长来使传输时间传输时间大于大于最大的最大的小步长时间小步长时间（3s）。）。71测试电路如下图、右图：测试电路如下图、右图：主电路主电路vb1中中a相拓扑图相拓扑图72 采用小步长线路模型可以扩大仿真规模，达到所需要采用小步长线路模型可以扩大仿真规模，达到所需要的的mmc的电平数。但引入小步长线路模型后不能使的电平数。但引入小步长线路模型

46、后不能使mmc换流器的运行特性发生改变，因此要分析换流器的运行特性发生改变，因此要分析小步长线路模型小步长线路模型对对mmc换流器运行性能的影响换流器运行性能的影响。 在在rtds中小步长线路模型有两种形式，一种是由中小步长线路模型有两种形式，一种是由tline元件形成的小步长线路模型，另一种是基于元件形成的小步长线路模型，另一种是基于tlines数据文件的小步长线路模型。将两者分别称为数据文件的小步长线路模型。将两者分别称为小步长线路小步长线路模型（模型（tline元件）元件）与与小步长线路模型（小步长线路模型（tlines数据文数据文件）件）。73测试方法测试方法：1. 建立简单的测试电路

47、，对小步长线路模型的基本使用方建立简单的测试电路，对小步长线路模型的基本使用方法及对电路性能的影响进行简单的测试和验证。法及对电路性能的影响进行简单的测试和验证。测试所用电路：测试所用电路： 主电路拓扑结构的主电路拓扑结构的电平数为电平数为3。 子模块中的电容器用理想电源来代替，目的只是为了简子模块中的电容器用理想电源来代替，目的只是为了简单测试控制系统的正确性。单测试控制系统的正确性。 控制系统为采用控制系统为采用cbuilder自定义的三电平脉冲控制系统。自定义的三电平脉冲控制系统。 742. 利用利用rtds原有模型原有模型以及以及chainv3模块搭建三电平模块搭建三电平mmc整流器，

48、对整流器，对采用采用小步长线路模型和小步长线路模型和未采用小步长未采用小步长线路线路的整流器特性进行对比分析。的整流器特性进行对比分析。75 研究确定了采用研究确定了采用rtds中中chainv3模块对模块对mmc换流阀建模换流阀建模 研究并掌握了小步长换流器模型与外部电路的接口设计方法研究并掌握了小步长换流器模型与外部电路的接口设计方法 研究发现，当变压器选择三角形研究发现，当变压器选择三角形/星型接地的联接组别且采星型接地的联接组别且采用小步长线路模型时，单个用小步长线路模型时，单个chainv3模块最多可以实现模块最多可以实现38电平。电平。将若干个将若干个chainv3模块串联仿真一个

49、桥臂，可以扩大仿真规模，模块串联仿真一个桥臂，可以扩大仿真规模，但对但对rtds的硬件资源有更高要求的硬件资源有更高要求 研究并掌握了多电平柔性直流输电模型触发脉冲外部循环的研究并掌握了多电平柔性直流输电模型触发脉冲外部循环的板卡配置方法，分别建立了控制脉冲经板卡配置方法，分别建立了控制脉冲经rtds外部循环及内部直外部循环及内部直接触发的双端接触发的双端17电平电平mmc-hvdc小步长仿真模型小步长仿真模型761购买了两块购买了两块gtdi板卡，与一块板卡，与一块pxi-7813r，投，投资资12.7万元。万元。2依托依托rtds，建立，建立了一个包括外置了一个包括外置控制器的闭环控制器的

50、闭环11电平电平mmc-hvdc系统，实现基本系统，实现基本闭环控制功能。闭环控制功能。3基于基于pxi虚拟仪虚拟仪器系统，投入器系统，投入14万元。万元。1117711rtdsrtds（mmc-hvdcmmc-hvdc一次系统）一次系统）pxipxi（mmc-hvdcmmc-hvdc监控系统）监控系统）触发脉冲11.006671.013331.021.026671.033331.04-6-4-20246kvvcz1 vaz1 vbz111电平开环触发阶梯波波形图n一次系统中换流器没有与交流系统相连；n开环系统主要用于解决信号采集、传输、基本处理等问题78111触发脉冲触发脉冲一次系统中，换流

51、器已与交流系统相连；一次系统中，换流器已与交流系统相连；闭环系统主要解决基本控制功能程序的搭建和相关参数闭环系统主要解决基本控制功能程序的搭建和相关参数的调试的调试系统状态量系统状态量rtdsrtds（mmc-hvdcmmc-hvdc一次系统）一次系统）pxipxi（mmc-hvdcmmc-hvdc监控系统）监控系统）79111rtdsgtaogtdipxido接线盒接线盒ai接线盒接线盒80111电平闭环触发信号传输装置电平闭环触发信号传输装置81111电平闭环运行实际装置电平闭环运行实际装置82100.016670.033330.050.066670.083330.1-6-4-20246k

52、vvaz1vbz1vcz111电平闭环触发换流器出口电压波形图电平闭环触发换流器出口电压波形图83100.016670.033330.050.066670.083330.10.150.159090.168180.177270.186360.195450.204550.213640.222730.231820.240910.25ps00.016670.033330.050.066670.083330.11.011.010831.011671.01251.013331.014171.015vrms定有功控制下有功波形定有功控制下有功波形定交流电压控制下电压有效值定交流电压控制下电压有效值84内内

53、容容 提提 要要1 柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电柔性直流输电rtds仿真建模仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状85 1-上海南汇风电场柔性直流输电工程：上海南汇风电场柔性直流输电工程：投运时间：投运时间： 2011年年7月月传输功率：传输功率： 18mw直流电压直流电压: 30kvmmc电平数电平数: 4986 1-上海南汇风电场柔性直流输电工程：上海南汇风电场柔性直流输电工程： 2011年

54、年7月月25日，亚洲首项柔性直流输电日，亚洲首项柔性直流输电示范工程示范工程上海南汇风电场柔性直流输电工上海南汇风电场柔性直流输电工程投入正式运行。这是我国第一条拥有完全自程投入正式运行。这是我国第一条拥有完全自主知识产权、具有世界一流水平的柔性直流输主知识产权、具有世界一流水平的柔性直流输电线路，它的成功投运标志着我国在智能电网电线路，它的成功投运标志着我国在智能电网高端装备方面取得重大突破，国家电网公司成高端装备方面取得重大突破，国家电网公司成为世界上掌握该项技术的少数几家公司之一。为世界上掌握该项技术的少数几家公司之一。 系统参数：系统参数：u额定容量：额定容量：200mw 直流电压直流

55、电压: 160 kv 2013年年12月月25日，南方电网建设的世界第一个多日，南方电网建设的世界第一个多端柔性直流输电示范工程、国家端柔性直流输电示范工程、国家“863”计划项目计划项目广东汕头南澳广东汕头南澳160千伏多端柔性直流输电示范工程千伏多端柔性直流输电示范工程正式投运。这标志着南方电网公司攻克了多端柔性直正式投运。这标志着南方电网公司攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题，成为世界上第一个完流输电控制保护这一世界难题，成为世界上第一个完全掌握多端柔性直流输电成套设备设计、试验、调试全掌握多端柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和运行全系列核心技术的企业。和运行全系列核心技术的

56、企业。该工程分别在广东汕头南澳岛上的青澳、金牛各建设一座换流站，在大陆澄海区建设一座换流站，三个站容量分别为5万千瓦、10万千瓦和20万千瓦，建设直流电缆混合输电线路40.7公里。未来岛上还将建设一座接纳海上风电的换流站。工程每年能输送风电5.6亿千瓦时，以国家能源局公布的最新6000千瓦及以上供电标准煤耗率（326克/千瓦时）计算，相当于减少标煤消耗18.3万吨，减少二氧化碳排放48.6万吨。目前国际上尚无多端柔性直流输电工程实践经验。国家科技部2011年将“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发” 课题列入国家863科技计划重大专项，把南澳多端柔性直流输电工程作为我国第一个自主化示范工程

57、。该工程是我国继800千伏特高压直流输电工程之后，在国际直流输电领域取得的又一重大创新成果，为远距离大容量输电、大规模间歇性清洁电源接入、多直流馈入、海上或偏远地区孤岛系统供电、构建直流输电网络等提供安全高效的解决方案。该项目展示与示范了柔性直流输电在风电接入方面的技术优势，能至少提高风电利用率5%10%。工程所有核心设备以及控制保护系统均为国内首次研发，具有100%自主知识产权。“柔性”是相对于常规直流输电技术而言，采用先进的大功率电力电子器件组成的电压源换流器（vsc），可以依据电网需要，灵活快捷地改变电能输送的大小和方向，并提供更优质的电能质量。多端柔性直流输电系统模块化多电平（mmc）

58、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。872-南澳风电场柔性直流南澳风电场柔性直流863项目示范工程项目示范工程 该工程分别在广东汕头南澳岛上的青澳、金牛各该工程分别在广东汕头南澳岛上的青澳、金牛各建设一座换流站，在大陆澄海区建设一座换流站，三建设一座换流站，在大陆澄海区建设一座换流站，三个站容量分别为个站容量分别为5万千瓦、万千瓦、10万千瓦和万千瓦和20万千瓦，建设万千瓦，建设直流电缆混合输电线路直流电缆混合输电线路40.7公里。

59、未来岛上还将建设公里。未来岛上还将建设一座接纳海上风电的换流站。工程每年能输送风电一座接纳海上风电的换流站。工程每年能输送风电5.6亿千瓦时，以国家能源局公布的最新亿千瓦时，以国家能源局公布的最新6000千瓦及以上千瓦及以上供电标准煤耗率（供电标准煤耗率（326克克/千瓦时）计算，相当于减少千瓦时）计算，相当于减少标煤消耗标煤消耗18.3万吨，减少二氧化碳排放万吨，减少二氧化碳排放48.6万吨。万吨。88 目前国际上尚无多端柔性直流输电工程实践经验。国家科技部2011年将“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发” 课题列入国家863科技计划重大专项，把南澳多端柔性直流输电工程作为我国第一个自

60、主化示范工程。该工程是我国继800千伏特高压直流输电工程之后，在国际直流输电领域取得的又一重大创新成果，为远距离大容量输电、大规模间歇性清洁电源接入、多直流馈入、海上或偏远地区孤岛系统供电、构建直流输电网络等提供安全高效的解决方案。该项目展示与示范了柔性直流输电在风电接入方面的技术优势，能至少提高风电利用率5%10%。工程所有核心设备以及控制保护系统均为国内首次研发，具有100%自主知识产权。8990衢山岛衢山岛嵊泗岛嵊泗岛岱山岛岱山岛舟山岛舟山岛芦潮港芦潮港洋山岛洋山岛3-舟山舟山5端端mmc-hvdc直直流输电工程启动建设流输电工程启动建设系统参数：系统参数：u额定容量：额定容量：400m