多端柔性直流综述汇报讲解课件

1、多端柔性直流输电技术综述汇报人：胡益 -2015年*月*日- 保护与控制实验室报告提纲21.VSC-MTDC输电技术概述2.VSC-MTDC发展现状3.VSC-MTDC输电技术的应用前景3VSC-MTDC输电技术概述11. VSC-MTDC输电系统拓扑结构并联VSC-MTDC输电系统拓扑结构：（a）放射式（b）环网式并联型VSC-MTDC输电系统常用与新能源并网、孤岛供电、系统互联等方面，是目前使用最多的VSC-MTDC拓扑结构。4VSC-MTDC输电技术概述1串联VSC-MTDC输电系统拓扑结构：并、串联VSC-MTDC输电系统的优缺点比较：比较项目并联型VSC-MTDC串联型VSC-MTD

2、C调节灵活度较大较小故障恢复能力较快较慢系统绝缘配合较容易较复杂扩建灵活性较容易较复杂功率损耗较小较大串联型VSC-MTDC输电系统适用于低压系统组合成高压直流系统的场合，如风电场并网等，目前使用较少。5VSC-MTDC输电技术概述1混联VSC-MTDC输电系统拓扑结构：（a）串并联式（b）并串联式混联型VSC-MTDC输电系统结合了并联和串联的优点，可用于多个风电场并网。6VSC-MTDC输电技术概述12. VSC-MTDC输电系统控制原则 VSC-MTDC输电系统的各VSC均可独立控制有功功率和无功功率，因此其控制模式分为有功类控制和无功类控制两大类。每一个VSC必须同时在有功功率类控制和

3、无功功率类控制中各选一种物理量进行控制，并且必须要保证系统内至少有一端控制直流侧电压。VSC的有功控制和无功控制类型：VSC控制模式有功功率类控制无功功率类控制定有功功率控制定直流电压控制定频率控制定无功功率控制定交流电压控制7VSC-MTDC输电技术概述1VSC的有功控制和无功控制原则：有功类控制定有功功率控制定直流电压控制定频率控制对于交流侧为有源系统，非定直流电压控制的VSC一般会采用有功功率控制模式。正常运行时，VSC-MTDC输电系统必须保证有一个VSC作为主导换流站，采用定直流侧电压控制。处于孤岛供电区域或者承担局部电网调频任务的VSC就应该采用定频率控制模式。无功类控制定无功功率

4、控制定交流电压控制正常运行情况下，各VSC的无功类控制均可以选择定交流无功功率控制。处于孤岛供电区域或者承担局部电网调频任务的VSC就应该采用定交流电压控制模式。8VSC-MTDC发展现状21. 国内VSC-MTDC工程实例南澳多端柔性直流输电工程系统参数：端数：3端 直流电压： 160 kV 额定容量：200MW拓扑结构：放射式并联型换流器类型：MMC主要用途：风电并网2013年12月25日，南方电网公司建设的世界第一个多端柔性直流输电示范工程。9VSC-MTDC发展现状2南澳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、15万

5、千瓦和20万千瓦，建设直流电缆混合输电线路40.7公里。其示意图如下：南澳多端柔性直流工程示意图10VSC-MTDC发展现状2舟山多端柔性直流输电工程系统参数：端数：5端 直流电压： 200 kV 额定容量：400MW拓扑结构：放射式并联型换流器类型：MMC主要用途：海岛供电2014年7月4日，由国家电网公司建设的舟山多端柔性直流输电示范工程正式投运。它是世界首个五端柔性直流输电工程，同时也是目前世界上已投运的端数最多、同级电压中容量最大、运行最复杂的海岛供电网络。 11VSC-MTDC发展现状2舟山多端柔性直流输电工程工程主要包括五站五线四缆一基地，工程在定海、岱山、衢山、洋山、泗礁各建设一

6、座换流站，容量分别为40万千瓦、30万千瓦、10万千瓦、10万千瓦、10万千瓦，建设直流电缆输电线路141千米、交流220千伏输电线路22.5千米、交流110千伏输电线路15.2千米。该工程的拓扑示意图如下所示。舟山多端柔性直流工程示意图12VSC-MTDC发展现状22. 国外VSC-MTDC工程实例北美Tres Amigas超导体输电工程北美Tres Amigas超导体输电工程是目前在建最大的三端柔性直流输电工程，用来连接美国东部互联电网、西部互联电网和德克萨斯电网3个大电网，如图所示。北美Tres Amigas超导体输电工程示意图13VSC-MTDC发展现状2该超级电力中转站的设计输电容量

7、预计达5GW，直流电压等级为345kV，共占地约58km2。3个AC/DC换流站均采用VSC，在每个换流站内还安装有大型电能存储设备，除作备用外，还可以用来平衡相连交流系统中的间歇性能源发电及向系统提供辅助服务。该项目预计2016年投运，建成后将进一步促进北美的电网互联及现有3个互联电网内的交流高压网络建设。14VSC-MTDC发展现状2瑞典-挪威的South-West Scheme三端柔性直流输电工程瑞典国家电网公司在瑞典南部启动了“南西柔性直流工程”，该工程主要用于大容量输电。在Oslo、Barkeryd、Hurva这3地各建2个换流站，为保证运行可靠，该工程采用两条独立的线路，每条直流线

8、路传输容量为720MW，直流电压等级为300kV，该柔性直流工程计划的输电总量为1440MW，预计在2016年投入运行。其结构如图所示。瑞典-挪威的西南三端柔性直流输电工程15VSC-MTDC发展现状23. VSC-MTDC研究现状VSC-MTDC的拓扑结构分析VSC-MTDC系统的拓扑结构直接关系到其控制策略的可靠性和实用性。目前关于VSC-MTDC输电系统的拓扑结构研究主要集中在拓扑结构的设计和对比分析方面，而对VSC-MTDC输电网络可靠性和经济性方面的研究却很少。参考文献： 1吴瀚俊,刘海涛. 大型风电基地多端VSC-HVDC系统综述J. 南京工程学院学报(自然科学版),2014,04

9、:16-21.文献1针对大型风电场并网的多端柔性直流输电系统拓扑结构问题进行了详细的讨论，综合经济性和技术性两方面的分析，对比了点到点式拓扑、环形拓扑、星形拓扑以及星形-中心环形拓扑等拓扑结构的优缺点，认为大型风电基地应该选择星型-中心环型拓扑结构。 16VSC-MTDC发展现状22 Bucher M K, Wiget R, Andersson G, et al. Multi-terminal HVDC networkswhat is the preferred topology?J. IEEE Transactions on Power Delivery . 2014, 29(1): 406

10、-413.文献2指出在评价拓扑结构时必须要考虑稳态损耗和故障电流两个方面的影响。3文劲宇, 陈霞, 姚美齐, 等. 适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究J. 电力系统保护与控制, 2013, 41(2): 55-61.文献3针对海上风电并网的需求，提出了采用VSC换流器连接海上风场和弱受端交流系统，LCC换流器连接较强交流系统的混合多端直流输电系统拓扑结构，并对一个混合5端直流输电系统进行了详细研究。17VSC-MTDC发展现状2VSC-MTDC的控制保护策略研究VSC-MTDC系统的控制保护可分为系统级控制、换流站级控制和换流阀级控制3个层面。与两端柔性直流输电控制不同，VSC-MT

11、DC输电系统需要协调并集中控制多个换流站，要考虑多个换流站控制系统间的配合问题，VSC-MTDC输电系统协调控制的关键是对直流侧电压的控制。直流电压的稳定会直接影响到直流潮流的稳定，从而影响到VSC-MTDC输电系统的运行稳定性。VSC-MTDC的基本控制策略分类18VSC-MTDC发展现状2参考文献： 1任敬国,李可军,张春辉,赵建国,梁永亮. 基于直流电压有功功率特性的VSC-MTDC协调控制策略J. 电力系统自动化,2015,11:8-15.文献1主要是考虑到了直流电压偏差控制策略和直流电压斜率控制策略各自的优点，将两种控制策略结合在一起，在定有功功率控制换流站的直流电压有功功率控制特性

12、中引入了斜率控制和定直流电压控制，有效解决了主导站过载时系统功率不平衡和直流电压失稳的问题。2朱瑞可,王渝红,李兴源,贺之渊,应大力. VSC-MTDC系统直流电压自适应斜率控制策略J. 电力系统自动化,2015,04:63-68.文献2 提出了一种直流电压自适应斜率控制策略。该控制策略考虑了换流站运行工况及功率裕度，将稳定直流电压的任务分配给多个换流站，保证了功率裕度较少的换流站分担较少的不平衡功率，功率裕度较大的换流站则承担较多的不平衡功率，实现了不平衡功率的合理分配，避免换流站在按照固定直流电压斜率运行时因满载无法对直流网络潮流变化进行响应的情况。 19VSC-MTDC发展现状2VSC-

13、MTDC的建模仿真研究VSC-MTDC输电系统的建模仿真研究，是深入研究和分析多端柔性直流输电系统的工作机理、特性、以及提高系统控制性能的基础和必要手段。在这方面已经有了很多研究，主要集中在换流器自身的详细建模、两端VSC-HVDC的建模仿真分析等方面。而对于VSC-MTDC输电系统的动态建模和仿真平台研究相对较少。参考文献： 1梁君君,夏成军,李创煌,陈瑜丰,陈中飞. 基于MMC的三端柔性直流输电系统建模与仿真J. 电网与清洁能源,2014,12:78-83+90.文献1详细的研究了基于MMC的三端柔性直流输电系统的结构、原理及控制策略，并且在PSCAD仿真平台搭建了基于MMC的三端柔性直流

14、输电系统模型。 20VSC-MTDC发展现状22 Liu S, Xu Z, Hua W, et al. Electromechanical transient modeling of modular multilevel converter based multi-terminal HVDC systemsJ. Power Systems, IEEE Transactions on, 2014, 29(1): 72-83.文献2 提出了适用于大规模MMC-MTDC仿真的MMC机电暂态模型。同时还分别建立了MMC交流侧、d-q双轴控制系统和MMC直流侧的详细机电暂态模型等。3 Cole S, B

15、ccrtcn J, Bclmans R. Generalized dynamic VSC MTDC model for power system stability studies J. IEEE Transactions on Power Systems, 2010, 25(3): 1655-1662.文献3 提出了一种通用型的VSC-MTDC输电系统动态模型，该模型中包含了详细的换流器及其控制器数学方程、直流线路方程以及交直流耦合方程。该模型允许增加或减少换流器及直流线路，因此可以适用于各种拓扑结构的VSC-MTDC输电系统。21VSC-MTDC发展现状2VSC-MTDC的运行特性分析VS

16、C-MTDC输电系统的运行特性会直接影响到与之相连交流系统的稳定性，其动态特性具有其独特性。目前有很多学者在小规模简化网络上研究VSC-MTDC输电系统的运行特性，主要包括 VSC-MTDC输电系统静态特性、 VSC-MTDC输电系统动态特性等。但在大电网背景下VSC-MTDC系统与交流系统的交互影响研究还偏少。参考文献： 1顾益磊, 唐庚, 黄晓明, 等. 含多端柔性直流输电系统的交直流电网动态特性分析J. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 27-34.文献1搭建了MMC-MTDC输电系统的仿真平台，其中包括了详细的MTDC系统模型和交流电网模型。在此平台下分析了MMC-MTDC

17、接入交流电网后的潮流分布情况，并模拟电网事故、冲击负荷、受端电网孤岛运行等多种苛刻运行条件，在此条件下分析了含有MMC-MTDC系统的交直流耦合电网的动态响应特性。 22VSC-MTDC发展现状22任敬国, 李可军, 赵建国, 等. VSC-MTDC 输电系统的直流侧运行特性分析与稳态工作点计算J. 中国电机工程学报, 2015, 35(4): 786-795.文献2 主要分析主导换流站、辅助换流站、定有功功率控制换流站和风电场换流站的直流电压-电流运行特性，推导各换流站在不同控制模式下的特性方程，给出各换流站不同控制模式下的电气量范围。并提出了VSC-MTDC输电系统稳态工作点的计算方法，完

18、善换流站的控制模式修正方法。3杨小磊. 多端柔性直流输电系统接入某海岛电网的研究J. 电气技术, 2015, 16(05): 12-16.文献3 为提高海岛负荷供电和风电传输的可靠性、增强受端电网电压的动态支撑能力。建立了风电场经VSC-MTDC输电系统并网的仿真模型，研究了岛上的风电场经交直流混合线路输电的稳定性，分析了送受端交流电网故障对系统的冲击影响。为多端柔性直流输电工程的顺利实施提供了理论支撑。23VSC-MTDC输电技术应用前景31. 风电、光伏等新能源并网采取交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网相连，需要加大量滤波装置和无功补偿装置，技术难度和运行成本都较高，而传统高压直流输电技

19、术限于容量满足不了经济性要求。 地理位置特殊（处于海岛或内陆较偏远地区），发电规模小，分布区域分散，输出功率具有波动性和间歇性，电能质量较差等。 新能源特点采用交流或传统直流系统特点VSC-MTDC不仅能保证新能源地区供电稳定，同时无需借助外部电源实现电能传输。针对新能源存在的发电容量小、出力不稳定性问题，VSC-MTDC输电还可以起到分布式电源汇集、改善电能质量的作用。当主网发生短路时，可以有效隔离故障，保障风电场稳定运行，并提供“黑启动”能力，帮助系统快速恢复，提高风电场的风能利用率。 采用柔性直流系统特点24VSC-MTDC输电技术应用前景32. 弱系统或孤岛系统供电如果采用常规的交流输

20、电，电压跌落将非常严重。而传统的直流输电要求受端系统必须提供足够的稳定换相电压，否则会出现换相失败的问题，可靠性较低。弱系统供电通常很多偏远地区，受地理环境的限制，无较大电源，地区系统较弱，距离大电网较远，无法提供足够的无功支撑。 弱系统特点采用交流或传统直流系统特点柔性直流输电能实现有功、无功四象限运行，能作为静止无功补偿器使用，能保证受端系统正常可靠的供电。同时它不需外部电源提供的换相电压进行换相，甚至可以工作在交流侧为无源网络中。 采用柔性直流系统特点25VSC-MTDC输电技术应用前景3孤岛系统供电采用交流架空线路不太现实，采用传统直流要求受端系统必须提供足够的稳定换相电压，否则会出现换相失败，同时难以形成多落点供电的直流网络。这些特殊的地区用电负荷偏小、电压波动大，与主网隔海、数量多、也是典型的弱系统。目前绝大部分海岛及海上钻井平台都采用独立的燃油供电体系，这种供电系统不仅燃