1、This template is the internal standard courseware template of the enterprise柔性直流输电的发展补充内 容 提 要1柔性直流输电的发展2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4柔性直流输电典型工程及一次设备5柔性直流输电RTDS仿真建模6我国柔性直流输电发展现状柔性直流输电的发展1954年，连接Gotland与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流输电线路建成，标志着以电流源换流器为基础的直流输电（LCC-HVDC）进入了商业化时代。1990年，加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等首次提出使用
2、脉宽调制技术（PWM）进行控制的电压源换流器直流输电（VSC-HVDC）的概念。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首条工业试验VSC-HVDC工程。从此VSC-HVDC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。柔性直流输电的发展不同的称谓ABB公司称之为轻型直流输电（HVDC Light）并作为商标注册；Siemens公司将其注册为新型直流HVDCPLUS；国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为VSC-HVDC，即“电压源换流器型高压直流输电”。国内很多专家称之为“柔性直流（HVDC-Flexible）”。柔性直流
3、输电的技术特点能对有功和无功进行独立控制，能给无源网络提供电源；能为交流侧提供无功支持，起到STATCOM的作用，对电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，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。向城市中心送电连接分布电源非同步联网提高配电网电能质量促进电力市场发展向远方孤立负荷点送电方便地调节有功和无功，改善系统的运行性能风电场、小型水电厂、太阳能电站及其它新能源发电系统用电量急增，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，增加运行灵活性和可靠性快速控制有功
4、无功，使电压、电流满足电能质量标准要求如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等柔性直流输电的应用场合MTDC投运 输送功 直流电 两侧交 直流电 线路长用途年率/MW压/kV流电压流/A度/kmHellsjon199731010/1015010工业试验Gotland1999548080/80350270风力发电，地下电缆Directlink200018080132/110342659电力交易，系统TjaerebogEagle PassCross Sound CahleMurray Link20007.2910.5/10.35824.35200036 15.9132/13211000(B-B)2
5、001330 150345/13811752402002200 150132/22014002180互联，地下电缆风力发电，示范工程电力交易，系统互联，电压控制电力交易，系统互联，海底电缆电力交易，系统互联，地下电缆世界上已投运的柔性直流输电工程工程投运年 输送功 直流电 两侧交 直流电 电缆长用途率/MW 压/kV流电压流/A度/kmTrollA20052426056/132400470绿色环保，海底电缆Estlink2006350150400/3301230电力交易，272系统互联，地下电缆Valhall201078150300/11-292绿色环保，海底电缆世界上已投运的柔性直流输电工程
6、工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途Nord E.ON 12009400150170/380-203风电并网Caprivi Link2009300350400/330-970弱电网互联Trans Bay Cable2010400200400-88大城市供电南汇工程201118303530010风电并网世界上已投运的柔性直流输电工程工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途East West Interconnector，UK2012500200-1250-电网互联，黑启动DolWin12013800320150/
7、380125075,90风电并网Skagerrak HVDCInterconnectio ns（Pole 4）20147005004001400140,104电网互联世界上在建的部分柔性直流输电工程工程投运年输送功率/MW直流电压/kV两侧交流电压直流电流/A电缆长度/km用途INELFE（法-西）201321000320400/400156060电网互联HelWin1(德国)2013576250150/380115085,45风电并网BorWin22013800300155/1330140,风电并(德国)400104网世界上在建的部分柔性直流输电工程从世界上第一个试验性的工程赫尔斯扬（Hel
8、lsjion）工程至今，VSC-HVDC最大输电容量由3MW发展到21000MW，直流电压由10kV提升到500kV。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备应用于大规模输电网的能力。柔性直流输电的发展趋势内 容 提 要1柔性直流输电的发展2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4柔性直流输电典型工程5柔性直流输电RTDS仿真建模6我国柔性直流输电发展现状传统直流输电系统（LCC-HVDC）的拓扑柔性直流与传统直流的比较柔性直流输电系统（VSC-HVDC）的拓扑（二电平为例）柔性直流与传统直流的比较电流源换流器电压源换流器柔性直流
9、与传统直流的比较晶闸管（Thyristor）绝缘栅双极型晶体管(IGBT)电流源和电压源换流器的比较电流源换流器电压源换流器电抗器L作为直流侧的储能元件，电容器C作为交流侧的储电容器C作为直流侧的储能元件，电抗器L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较慢损耗较小损耗较大容量大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低柔性直流与传统直流的比较HVDCVSC-HVDC交流侧提供换相电流，受端 为有源网络，且容量足够大，否则易发生换相失败电流自关断，可向无源网络供电吸收大量的无功功率，
10、约为 输送直流功率的4060，需要大量的无功功率补偿和 滤波设备不需要交流侧提供无功功率且能起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。若VSC容量允许，VSC-HVDC 系统可向故障系统提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。柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较HVDCVSC-HVDC潮流翻转时，直流电流方向不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潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性不变，有利于构成并联多端直流系统换流器对于交流系统来说，除了是一个负荷（在整流站）和一个电源（在逆变站）以外，还是一个谐波电流源采用
11、SPWM技术，开关频率较高，经低通滤波后就可得到所需的交流电压，可不用换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小控制量只有触发角，2个象限运行，不可单独控制有功功率或无功功率可在4个象限运行，同时且独立控制有功和无功功率换流站间需要通讯换流站间的通讯不是必需的此外，由于VSC交流侧电流可以控制，同HVDC，不会增加系统的短路容量，也即增加柔性直流输电线路后，交流系统的保护整定无需改变。VSC-HVDC能够提高系统阻尼，通常情况下不会引起发电机组的次同步振荡，而且会提高发电机组的次同步阻尼。VSC-HVDC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、安装和调试周期大大缩短，并具
12、有更高的可靠性。柔性直流与传统直流的比较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，无旋转惯量的同步发电机。柔性直流输电运行原理21柔性直流输电运行原理由上图可得，从交流系统看进去的有功和无功功率为：22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
13、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。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;VSC的PQ图23柔性直流输电运行原理通过以上分析可知，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。2
14、4柔性直流输电运行原理内 容 提 要1柔性直流输电的发展2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4柔性直流输电典型工程5柔性直流输电RTDS仿真建模6我国柔性直流输电发展现状柔性直流输电换流器拓扑及调制策略拓扑结构1两电平结构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。拓扑结构2三电平结构柔性直流输电换流器拓扑及调制策略模块化多电平换流器（MMC）由西门子公司首先实施拓扑结构3多电平结构1（半桥）柔性直流输电换流器拓扑及调制策略正常工作状态下，子模块（SM）可以输出0或电容电压MMC的子模块工作状态MMC各相任意时刻
15、导通子模块数相同，以维持直流电压恒定。MMC的多电平波形生成机制MMC与2、3电平VSC对比模块化设计开关频率低损耗小输出滤波器容量小电压谐波畸变率小投资成本较低MMC输出的多电平波形两、三电平VSC输出波形MMC的技术优势：MMC适合于MMC的调制策略MMC调制策略的本质是使MMC输出所期望的多电平波形，工程中主要采用载波移相正弦脉宽调制（CPS-SPWM）和最近电平逼近调制（NLM），其中CPS-SPWM适用于电平数较低的场合，NLM适用于具有极高电平数的场合。CPS-SPWM调制示意图适合于MMC的调制策略NLM调制示意图已建成的美国TBC工程以及上海南汇风电场都采用NLM结合电容电压排
16、序均压方法。ABB公司提出的级联两电平（Cascaded Two Level,CTL）结构拓扑结构4多电平结构2（CTL）柔性直流输电换流器拓扑及调制策略拓扑结构4多电平结构2（CTL）CTL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结构为换流器拓扑的柔性直流输电工程，预计2013年投运。柔性直流输电换流器拓扑及调制策略ALSTOM公司提出的全桥多电平结构拓扑结构5多电平结构3（全桥）柔性直流输电换流器拓扑及调
17、制策略（a)全桥多电平结构（b）子模块结构ALSTOM公司提出的新型混合级联多电平结构拓扑结构6多电平结构4（新型混合级联）柔性直流输电换流器拓扑及调制策略MMC与2、3电平的比较与2、3电平VSC相比，MMC的储能电容分布在桥臂中，桥臂可等效为可控电压源，因此子模块电容电压平衡控制和相间环流抑制使其控制系统变得复杂。与2、3电平VSC相同，MMC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跳开交流断路器来保护换流器，电力传输被迫中断。38MMC存在问题及发展趋势基于MMC所具备的优点，以及为了打破ABB公司在IGBT串联技术上的垄断，世界范围内在建的柔性直流
18、工程，大多采用MMC结构。39MMC存在问题及发展趋势2011年电力系统及能源国际会议（EPEC2011）在加拿大曼尼托巴省温尼伯市举行，会上TransGrid Solutions(TGS)公司总裁Mohamed Rashwan指出：2000MW换流器将在不远的将来投入市场；基于MMC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；多端直流输电以及直流断路器是研究热点。会议得到的其他信息40内 容 提 要1柔性直流输电的发展2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4柔性直流输电典型工程5柔性直流输电RTDS仿真建模6我国柔性直流输电发展现状西门子公司建设的世界上第一个采用
19、MMC结构的柔性直流输电工程：HVDC PLUS工程“Trans Bay Cable Project（TBC）”，已于2010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，现在运行正常（EPEC2011会议ALSTOM工程师提到）。42柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程“Trans Bay Cable Project”传输容量：400MW直流电压：200kV桥臂子模块数：216“Trans Bay Cable Project”43柔性直流输电典型工程TBC工程系统结构示意图44柔性直流输电典型工程TBC
20、工程电缆的铺设45柔性直流输电典型工程TBC工程阀厅的布置463.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例跨湾项目工程概况及参数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；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；工程总体造价约为40亿美金，西门子订单约为15亿美金；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2010年4月份正式投运3.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例跨湾项目工程概况及参数额定输送容量：400 MW额定直流电压：200 kV额定直流电流：1000 A传输电缆长度：2 88 km与常规直流方案换
21、流站相比减少了占地3.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例3.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例比较项目HVDCHVDC PLUS 方案换流站建筑物高度19.8米10.7米旧金山伊利诺伊街道噪音72dB48dB避雷针高度26米20米覆盖区域20,200平方米12,100平方米交流滤波器需要不需要布局大量设备导致布局受限可以较为灵活布置，美观变压器换流变压器可使用常规变压器，体积较小无功支持无两换流站能够提供170至-300Mvar无功受端电源需要不需要HVDC PLUS 与HVDC的比较VSC-HVDC的设备主要由七部分构成：换流桥换流变压器换流电抗器交流滤波器直流电容器直流电缆控制
22、与保护系统VSC-HVDC的设备1换流桥换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。对于大容量换流器，每臂可能有上百个IGBT级联而成。IGBT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，同时也起续流的作用。VSC-HVDC的设备2换流变压器不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC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常规的单相或三相变压器大体类似。VSC-HVDC的设备3换流电抗器换流电抗器是VSC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作用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；抑制直流过电流的上升速度。VSC-HVDC的
23、设备4直流电容器作用：为逆变器提供电压支撑；缓冲桥臂关断时的冲击电流；减小直流侧谐波。VSC-HVDC系统简介-直流电容器VSC-HVDC的设备5交流滤波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的谐波标准。故装设小容量滤波器。作用：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。但是，交流滤波器的设计需要与换流电抗器配合。VSC-HVDC的设备5交流滤波器从交流系统侧看过去，VSC-HVDC等效为一个谐
24、波电压源(图a)。其中，Lc是换流电抗，Ls是系统等效电抗。图b是h次谐波电压等效网络，使交流滤波器的h次谐波阻抗近似为零，则其与交流系统的等效阻抗Xeq便远远小于换流电抗器的阻抗Xc(图c)。于是，h次谐波电压uh便近乎全部地降落在Xc上，系统所分得的那部分电压就很少。这就是VSC系统中滤波器的工作原理。内 容 提 要1柔性直流输电的发展2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4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6我国柔性直流输电发展现状柔性直流输电数字物理闭环仿真61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实时仿真验证，以保
25、证工程投运后的可靠性。2、3电平VSC-HVDC在RTDS下建模较容易实现，MMC-HVDC在RTDS中全数字建模以及数字物理混合仿真往往受限于RTDS中板卡数目以及I/O接口数目，是当前国内外研究热点。课题组2010年与网联公司合作项目“多电平柔性直流输电系统RTDS模型研究”，对MMC-HVDC在RTDS中建模进行了基础研究。MMC在RTDS下建模难点621需要在RTDS小步长环境下建模MMC开关频率低，可以考虑在RTDS大步长下建模，但大步长下没有IGBT及二极管的现成模型，受硬件资源限制，MMC与两、三电平VSC一样必须在小步长下建模，则需要研究其与外部变压器、电缆线路及其它部分的接口
26、设计原理。2MMC与两、三电平VSC建模的不同点两、三电平VSC可以直接使用RTDS小步长下已有模型建模；MMC必须使用RTDS公司新近开发的CHAINV3模块进行建模，其使用方法相对较复杂。MMC在RTDS下建模难点63（3）RTDS硬件资源限制MMC的电平数越高，利用CHAINV3模块对其进行建模时所需GPC卡数量也越多。例如对双端17电平MMC-HVDC在RTDS下建模时，共需两个RACK，10块GPC卡。为了研究RTDS与外部物理控制器的接口设计方法，使用 GTDO和GTDI卡实现MMC的控制脉冲经RTDS外部循环。MMC的电平数越高，所需板卡数量也越多。目前只能实现单端17电平MMC
27、-HVDC控制脉冲的外部循环。网联公司多电平建模项目研究内容64多电平柔性直流输电的主回路建模。利用RTDS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（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冲发生装置的仿真模型，并采用具有高速运算能力的GPC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。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RTDS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。小步长换流器模型与外部电路的接口设计。利用RTDS研究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。MMC在RT
28、DS下建模方法利用RTDS中已有开关器件建模一个Bridge Box无法实现所需要的MMC仿真规模。考虑使用小线路模型（VSC Cross Card Bergeron TLine model）增加仿真规模。65MMC在RTDS下建模方法使用一块GPC卡对 MMC-HVDC的两相建模，可以达到的仿真规模如右图所示：利用RTDS自带的元件采用VSC Cross Card Bergeron Tline Model可以在一定程度上增大仿真规模，但是仍无法从根本上解决仿真规模受限的问题。66MMC在RTDS下建模方法67考虑利用CBuilder在大步长下建模大步长下没有IGBT及二极管的现成模型，需要利
29、用RTDS中CBuilder自定义；一个GPC处器只可以处理5个自定义元件；限于硬件资源无法实现MMC在大步长下建模。MMC在RTDS下建模方法利用CHAINV3对MMC拓扑结构建模RSCAD 2.015从2009年11月开始可以下载使用CHAINV3模块，如下图所示：68MMC在RTDS下建模方法（1）一块GPC处理器可以处理的模块数（半桥数）每个GPC处理器可以容纳56个半桥。经过测试，在 Bridge Box中不包括变压器时，一个GPC处理器上的半桥数不超过48个时可以成功编译；半桥数超过48不超过54编译时会有警告，但可以通过。在Bridge Box中包括变压器（如下图）时，一个GPC
30、处理器上的半桥数不超过48个时可以成功编译；半桥数超过48时编译出现错误，无法通过。69MMC在RTDS下建模方法702一块GPC处理器处理一相桥臂的能力如果将两个CHAINV3模块分配到一个处理器上，每个模块最多只能容纳19个SM模块。3三块GPC卡处理三相MMC电路的能力建立三相的MMC模型，通过小步长线路模型进行互联。经过测试，有如下结论：采用小步长线路模型联接时，MMC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传输时间大于最大的小步长时间（3s）。MMC在RTDS下建模方法测试电路如下图、右图：主电路VB1中A相拓扑图71小步长线路模型对MMC模型的影响72采用
31、小步长线路模型可以扩大仿真规模，达到所需要的MMC的电平数。但引入小步长线路模型后不能使MMC换流器的运行特性发生改变，因此要分析小步长线路模型对MMC换流器运行性能的影响。在RTDS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TLines数据文件的小步长线路模型。将两者分别称为小步长线路模型（TLine元件）与小步长线路模型（TLines数据文 件）。小步长线路模型对MMC模型的影响73测试方法：1.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。测试所用电路：主电路拓扑结构的电平数为3。子模块中的电容器用理
32、想电源来代替，目的只是为了简单测试控制系统的正确性。控制系统为采用CBuilder自定义的三电平脉冲控制系统。小步长线路模型对MMC模型的影响742.利用RTDS原有模型以及CHAINV3模块搭建三电平 MMC整流器，对采用小步长线路模型和未采用小步长线路的整流器特性进行对比分析。MMC在RTDS下建模方法75研究确定了采用RTDS中CHAINV3模块对MMC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发现，当变压器选择三角形/星型接地的联接组别且采用小步长线路模型时，单个CHAINV3模块最多可以实现38电平。将若干个CHAINV3模块串联仿真一个桥臂，可以扩大仿真规模
33、，但对RTDS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外部循环及内部直接触发的双端17电平MMC-HVDC小步长仿真模型柔性直流输电数字物理闭环仿真12购买了两块GTDI板卡，与一块 PXI-7813R，投资12.7万元。依托RTDS，建立了一个包括外置控制器的闭环11电平MMC-HVDC系统，实现基本闭环控制功能。31基于PXI虚拟仪器系统，投入114万元。176柔性直流输电数字物理闭环仿真RTDS与PXI开环实验1RTDS（MMC-HVDC一次系统）PXI（MMC-HVDC监控系统）触发脉冲1一次系统中换流器没有与交流系统相连；开环系统主要用于解决信号采集、传输、基本处理等问题11电平开环触发阶梯波波形图77柔性直流输电数字物理闭环仿真RTDS与PXI闭环实验：1触发脉冲一次系统中，换流器已与交流系统相连；闭1环
