高压直流输电技术

摘要柔性直流输电技术是基于电压源换流器的高压直流输电技术，是随着PWM控 制技术和电力电子技术发展而来的新型直流输电技术。相较于传统直流输电技 术，柔性直流输电技术具有更高的可控性，能够对扰动有更快速的响应，更加方 便地控制线路潮流，同时更适合中小功率和远距离输电，因此柔性直流输电技术 在城市电网供电、新能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、异步交流电网互联 等方面具有很强的应用价值和应用前景。本文介绍了柔性直流输电的技术原理和 控制策略，指出当前控制方法研究成果中存在的问题，比较了柔性直流输电技术 几种发展方向的研究现状，分析了基于模块化多电平换流器的输电方式，根据目 前国内外柔性直流输电示范工程，说明了柔性直流输电技术在新能源、城市电网 和智能电网中的应用前景。关键字：柔性直流输电技术；电压源换流器；控制策略；模块化多电平；智能电 网柔性直流输电技术，是采用电压源换流器(VSC)和脉宽调制技术(PWM)的直流 输电技术，在我国“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”中，将此技术 统一命名为“柔性直流输电”(VSCHVDC)。柔性直流输电解决了传统方式向无交 流电源的负荷点输电难的问题，控制方式灵活，有助于提高电网电能质量。现有 大城市电网存在结构薄弱、动态无功不足等问题，需要新型的灵活、经济、环保 的输电方式来解决。在国家智能电网发展纲要中，提出要充分利用可再生能源， 提高供电效率，因此需要合适的并网与输电方式。对于一些远距离负荷供电，如 向偏远地区、孤岛和海上钻井平台供电，其输电距离和输电容量均不符合交流输 电和传统高压直流输电的经济性要求。目前，我国对于柔性直流输电技术的研究 和运行，仍处于起步发展阶段。因此，研究柔性直流输电技术，对于我国实施智 能电网发展规划以及高压大电网区域互联供电，具有重要意义，本文结合现状对 其研究成果和发展方向进行了分析。1. 柔性直流输电技术原理两端VSC-HVDC输电系统的原理如图1所示，其两侧换流器VSC1和VSC2分别起整 流和逆变作用，VSC由全控换流桥、直流侧电容器、换流电抗器和交流滤波器组 成。VSC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GT O等可关 断器件组成，换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，也可发挥滤波的作用, 直流侧电容则可以提供电压支撑，缓冲桥臂关断时的冲击电流，减小直流侧谐波 而交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。其中，VSC的交流侧输出电压是由直流 电压通过换流阀的通断形成，不需要交流系统提供换相电压。交疣系统一交疣系统二图1双端VSC-HVDC输电系统VSC-HVDC的技术特点概括如下：(1) VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，受端系统可为无源网络，能 够向小容量系统和不含旋转电机的系统供电，使得远距离的孤立直流负荷输电成 为可能；(2) VSC可以同时且独立地控制有功和无功功率，控制更加灵活方便，不需要交流 侧提供无功功率就能够起到静止同步补偿器STATCOM的作用，提高了系统的功角 和电压稳定性；(3) 潮流反转时，柔性直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统的高压直 流输电恰好相反，克服了常规直流输电系统并联运行时潮流控制不便的缺点；(4) VSC通常采用PWM技术，开关频率相对较高，使得所需滤波装置的容量大大减 小，相关设备采用模块化设计，工程建设周期短，维护工作量大为减少，有效提 高了生产效率。经过上述分析，说明VSC-HVDC的关键技术是换流器电路、控制及 保护等系统的设计。换流器的电路拓扑、电压等级、电力电子器件数量、开关调 制方式等因素对于整体的性能有着重要的影响。理想的VSC主回路拓扑结构应从 能够降低电力电子器件直接串联数目及器件开关频率、简化系统电路拓扑、降低 开关损耗等方面出发，在确定合理控制系统的前提下，有效抑制VSC装置的过电 压和过电流问题，保证系统在故障条件下不间断运行。2. 柔性直流输电控制策略对于柔性直流输电系统的控制策略，目前多从稳定运行和故障时两种情况进 行研究。当VSCHVDC稳定运行时，又分为间接电流控制和直接电流控制两种。间 接电流控制通过对VSC交流侧基波电压的幅值和相位进行调整，而直接控制则采 用电流闭环方式，因此比较而言，间接控制结构简单易行，但无法实现对电流的 直接控制，而直接电流控制具有快速的动态响应能力，易于实现有功和无功分量 的解耦控制，鲁棒性能较好。在dq坐标系下VSC-HVDC的连续时间域状态空间模 型，针对向有源和无源系统供电设计了解耦控制器、电压控制器和功率控制器。 在dq坐标系下建立了十二脉冲三电平VSC结构的系统数学模型，功率控制器采用 PID调节，直流电压、交流母线电压采用PI调节，采用参数优化算法设计了不同 运行方式下的控制器参数，有效改善了动态品质。同时研究了并网VSC的不同矢 量控制器的小信号性能，研究了非理想阀、开关死区和抗混叠滤波器对控制性能 的影响。在电力系统中参数不对称、系统短路等情况，会造成VSC-HVDC交流接入 点三相电压不平衡，直流侧电压波动，从而影响电能质量和控制稳定性。推导了 电网不平衡条件下VSC功率传输直角坐标方程，消除了功率脉动时输出电压正序 分量与负序分量之间的幅值及相位约束条件。采用了正序、负序两套旋转坐标系 下独立电流控制方案，将正、负序电流分别变换为直流量，利用PI控制器实现对 电流的无静差跟踪控制。可以看到，VSC-HVDC的控制方法多针对连续时域模型分 析，控制器也基于PI设计，不符合实际工程中的离散化模型需求，同时如何增强 送端站与受端站之间的通信，加强保护系统的研究，也是VSCHVDC控制策略必须 要解决的问题。3. 柔性直流输电研究现状柔性直流输电技术涉及输配电工程、现代电力电子技术、控制理论、电力系 统运行与控制、系统建模、仿真技术、数字信号处理等诸多领域，由于其发展时 间不长，仍有许多关键问题值得探索，为此也涌现出了不同的发展方向。ABB、 西门子等公司均将VSC-HVDC技术纳入重点研究计划中。3.1模块化多电平换流器型直流输电MMC-HVDC模块化多电平换流器型输电技术(MMC-HVDC)由西门子公司提出，MMC拓扑最早 于2002年由德国学者R.Marquar t和A.Lesnicar共同提出，并于2004年研制成功了 17电平的2MW样机，2009年，国际大电网会议(CIGRE)B4.48工作组将其正式命名 为MMC,在高压大功率场合有良好的应用前景。MMC拓扑结构的每个桥臂由多个子 模块(SM)串联组合，典型的SM结构多为全桥或者半桥结构，通过合适的算法，可 以使得换流器工作于整流或者逆变状态，实现四象限运行，从而得到稳定的直流 输出电压或畸变率小的交流输出电压图2为双极MMC-HVDC系统接线图，可以采用三绕组变压器的第3个绕组将交流 系统电压引入后为辅助装置和控制保护系统等进行供电。另外，可以在变压器的 二次侧加装交流断路器来清除永久性直流故障下的电流o MMC-HVDC系统的接地支 路与两电平VSC-HVDC系统有显著的区别，由于直流侧省去了两电平拓扑中所必需 的大容量高压电容器组，以MMC-HVDC系统接地支路的安装是一个难题，通常将接 地支路安装在变压器二次侧与换流器交流侧之间，接地支路结构可以采用星型电 抗器，从而为所在站点提供接地参考点。为了使得换流器在不输送有功功率及直 流线路开路的情况下，两端换流器可以独立地发出或者吸收无功功率，这时两端 换流站应同时安装接地支路。11图2双极M MC-HVDC系统接线图为提高M MC-HVDC输电系统的运行可靠性，需要限制各个控制环节故障对整个 系统造成的影响。MMC柔性直流输电系统主要分为三个层次，从高层到低层分别 为系统级控制、变流器控制和阀控制，各层的主要功能不同：系统级控制为MMC 柔性直流输电系统的最高控制层次，主要完成电力通信、潮流控制的功能；变流 器控制是MMC柔性直流输电系统的核心控制，通常采用双环控制，分别为外环功 率控制和内环电流控制；阀控主要包括同步锁相技术、电流平衡控制和直流侧电 容器电压平衡控制等。模块化多电平MMC的控制结构包括3个：监测单元、中央控 制单元和换流阀单元，监测单元负责整个系统的反馈与监控，根据设定点值，反 馈控制实时向中央控制单元提供数据；中央控制单元的调制器实现子模块电容电 压的平衡和输出状态的控制；换流阀单元由结构相同的子模块串联而成，各模块 的测量量通过光纤与中央控制单元相连。3.2基于两电平级联结构的VSC-HVDCABB公司在多年两电平VSC-HVDC拓扑研究基础上，于2010年提出了一种基于两 电平级联结构的VSC-HVDC,每相拓扑分为两个桥臂，分别与直流母线的正负极相 连，每个桥臂由多个两电平单元构成，每个单元可独立控制，以产生需要的交流 基波电压，实现对于有功功率和无功功率的输出控制，其结构与MMC类似，但区 别在于每个子模块内部的电力电子器件均采用ABB公司的直接串联型压装式 IGBT。 采用两电平或三电平换流器的电压源换流器型直流输电的一个缺点就是，功率损 耗比较大，通常是传统直流输电的23倍，而采用MMC和两电平级联结构，则可 以大大降低VSC-HVDC的损耗，因此具有广阔的应用前景。鉴于上述两项技术的特 点，AREVA公司提出了一种结合两电平拓扑和MMC拓扑的混合式电压源换流器拓 扑，其显著优势在于可以限制和清除直流侧故障带来的故障电流，可以有效解决 柔性直流输电中直流侧故障的问题。3.3 多端直流输电技术由于VSC-HVDC控制的灵活性以及在潮流反转时直流电压极性不变的特点，由 多个VSC换流站构成多端直流网络，可以实现多电源供电、多落点受电，如图3 所示主要研究热点。多端柔性直流输电技术的研究可以参考双端输电系统，在此基础上建立基于不同变流器技术下多端网络的等效数学模型，对比分析不同控制策略 下各换流站特性，设计满足系统稳定运行的多端输电系统协调控制策略，研究多 端系统交直流侧故障特性，选择合适的动作保护机制。我国对于多端柔性直流输 电技术的研究，主要集中在系统控制保护策略及其仿真验证等方面，与国际先进 水平差距较大，对于柔性直流输电保护技术的研究一般限于双端系统，以稳定运 行时离散控制器为基础，当直流侧发生故障时多端柔性直流系统的运行特性分析 研究较少。4. 柔性直流输电示范工程基于VSC-HVDC技术的优越性，国际上对该项技术进行了深入推广和运行，目 前建成和在建工程超过10个，主要应用于系统互联、海上风电场输电、风电并网 以及海上作业供电等，具体如表1所示。表1 柔性直流输电技术应用工程工程名称国家投运年份功率/MW电压等级/KVHellsjon瑞典19973.010.0Gotland瑞典199950.080.0Directlink澳大利亚1999180.080.0Tjaereborg丹麦20007.29.0Eagle Pass美国墨西哥200036.015.9Cross sound cable美国2002330.0150.0Murray link澳大利亚2002200.0150.0Troll挪威200584.060.0Nord E.onl德国2009400.0150.0Valhall挪威201078.0150.0Tans Bay Cable美国2010400.0200.0我国自主研制的一台20 MW、电压等级为50 kV的柔性直流输电系统关键设备， 已经于2010年在上海南汇风电厂挂网运行。5. 柔性直流输电在我国的发展趋势（1）有助于实现新能源并网在全世界不断推进新能源改革的形势下，风能、太阳能等可再生能源开发和 利用的重要性日趋体现。我国具有丰富的风力资源和太阳能资源，域内和沿海都 具有较好的开发价值，但必须要注意的是，由于地理条件、发电规模的制约，采 取交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网相连，技术难度较高，而传统高压直 流输电技术限于容量和距离满足不了经济性要求。所以，基于柔性直流输电联网， 对负荷中心进行供电具有明显的技术优势，无需借助外部电源或者同步调相机即 可实现电能传输，而对于新能源存在的不稳定性问题，柔性输电还可以起到改善 电能质量的作用，当主网发生短路时，可有效隔离故障，保障稳定运行，并提供 “黑启动”能力，帮助系统恢复。2） 有助于分布式电源开发利用柔性直流输电技术搭建微网，有利于分布式电源接入主网。分布式电源 装机容量小，供电质量不高，若采取交流输电进行并网，则投资较大，而柔性直 流输电接入，在保证地区供电稳定的同时，也可以充分利用这些资源。对于分布 式电源不稳定性质，柔性直流输电可以在分布式电源不足的情况下进行补充供 电，既实现了分布式电源的充分利用，又保障电网兼容各类电源和用户接入退出 的能力，满足多元化需求。（3）有助于提高偏远地区供电我国一些偏远地区，比如新疆戈壁、西藏高原等地，负荷较轻，日负荷波动 较大，输电距离较远，对于这些地区供电采取交流输电和传统高压直流输电技术， 技术和经济实施难度较高。采取柔性直流输电技术，可以通过直流电缆将交流主 网中高效电厂的能源传送到偏远地区和孤岛负荷，在推动当地经济发展的同时， 也彻底消除了电厂自身的环境污染问题。（4）有助于城市电网改造随着我国现代化进程的加快，城市发展日益迅速，用电负荷与用电质量的需 要不断提高，这对于以交流输电为主的城市电网用电提出了新的挑战。目前，大 型城市供电多采取大量电力外地输入的方式，这使得城市电网对于区域电网的依 赖性较强，电网稳定运行压力较大；由于环境保护和土地面积的压迫，城市线路 走廊日益紧张，采取地下电缆等新型输电方式尤为迫切。地埋式直流电缆输电方 式，既可以避免输电线路走廊问题，又能够有效控制短路容量，提高输送效率。 利用柔性直流输电技术对城市电网进行改造，在快速控制系统有功和无功、解决 电压闪变、改善供电电能质量的同时，可以灵活控制交流侧的电流，解决城市电 网短路电流超标的问题，提高电网安全性能。（5）有助于智能电网发展伴随着科学技术和信息水平的提高，电网智能化已经是现代电力工业的必然 趋势。2009年5月，在“特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式发布 了“坚强智能电网”发展战略，其中提出必须以特高压电网为骨干网架，连接大 型能源基地及主要负荷中心，充分利用新能源等资源。柔性直流输电，有利于满 足上述高压输电的要求，直流输电的方式有利于解决目前推广的电动汽车充电能 量损失问题，减轻充电谐波对电网的不利影响。随着分布式电源的大量接入，现 有配电网结构和潮流分布都会引起改变，对交流配电网的无功平滑、电压调节、 控制技术等均有挑战。基于柔性直流输电技术灵活的潮流控制特点，可推进智能 电网建设。6. 结语柔性直流输电技术作为基于电压源换流器的新型输电技术，在未来的发展中 具有广阔前景。对于柔性直流输电技术的推广，应根据实际情形合理选择，确立 在分布式电源、城市电网以及智能电网中的可行经济效益。通过建立示范工程的 方法，不断改进柔性直流输电的控制结构和控制策略，并建立规范标准，以促进 该项技术在我国正式应用参考文献1 石新春，周国梁，王娟，等.VSC-HVDC大功率拓扑结构研究J.高电压技术, 2008， 34(8)：1622-1627.2 王凤川电压源变流器式轻型高压直流输电J.电网技术，1999, 23(4)： 71-76.3 徐政，陈海荣电压源换流器型直流输电技术综述J.高电压技术，2007， 33(1)： 110.4 胡兆庆，毛承雄，陆继明，等.一种新型的直流输电技术一一VDCLightJ. 电工技术学报， 2005， 20(7) ： 1216.5 赵成勇，孙营，李广凯双馈入直流输电系统中VSCHVDC的控制策略J.中 国电机工程学报， 2008， 28(7) ： 97103.6 胡航海，李敬如，杨卫红，等柔性直流输电技术的发展与展望J.电力建 设， 2011， 32(5)： 6266.7 刘隽，何维国，包海龙柔性直流输电技术及其应用前景研究J.供用电， 2008， 25(1)： 69.8 潘武略，徐政，张静.基于电压源变流器的高压直流输电系统混合调制方式 J.电力系统自动化，2008，32(5) : 54-58.9 梁海峰柔性直流输电系统控制策略研究及其实验系统的实现D.北京：华 北电力大学，2009.10 尹明，李庚银，牛同义，等.VSC-HVDC连续时间状态空间模型及其控制策略 研究J.中国电机工程学报，2005，25(18)： 34-39.