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1、柔性直流输电技术简述柔性直流输电技术介绍摘要：柔性直流输电技术是一种以电压源变流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术。与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比， 柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。比较了几种新型的高压大容量电压源变流器的特点；分析了大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术的现状和难点；指出了柔性直流输电技术在多端直流输电领域应用的特点和难点。介绍了欧洲、美国以及我国在柔性直流输电技术领域的应用规划。分析表明发达国家对于柔性直流输电在可

2、再生能源利用和智能电网发展中所起作用的极为重视，多条柔性直流输电线路在建或规划建设。关键词：柔性直流，模块化多电平，变流器，风电场并网1 引言柔性直流输电技术（Voltage Sourced Converter, VSC）是一种以电压源变流器、可关断器件（如门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。国外学术界将此项输电技术称为 VSC-HVDC，国内学术界将此项输电技术称为柔性直流输电，制造厂商 ABB 公司与西门子公司分别将该项输电技术命名为 HVDC Light 和 HVDC Plus。 与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术

3、相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，柔性直流输电技术在高压直流输电领域受到越来越广泛的关注及应用。 传统的低电平 VSC 具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器等缺点，而且存在串联器件的动态均压问题；多电平变流器提供了一种新的 VSC 实现方案。它通过电平叠加输出高电压，逼近理想正弦波，输出电压谐波含量少，无需滤波设备。自 1997年赫尔斯扬试验工程投入运行以来，柔性直流输电技术迅速发展，目前已有 13 项工

4、程投入商业运行，最高电压等级已达200kV，最大工程容量达到 400MW，最长输电距离为 970km。通过各个领域专家的不断创新和工程建设运行经验的不断积累，柔性直流输电技术作为一种先进的输电技术已具备大规模应用的条件。图1 两端VSC-HVDC系统典型结构图2008 年 12 月，“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。该工程联接上海南汇风电场与书院变电站，用于上海南汇风电网并网，是中国首条柔性直流输电示范工程。该工程由中国电力科学研究院开发，负责接入系统设计、设备供货及工程实施等工作。2柔性直流输电技术的研究现状 2.1 高压大容量电压源变流器技术 2

5、.2.1 模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC） 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 2 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。图2 模块化多电平变流器拓扑示意图2.2.2 混合多电平技术（Hybrid Multilevel Technology, HMT） 另一种可被应用

6、于柔性直流输电系统的变流器叫混合多电平变流器。该技术将开关器件和半桥或全桥构成的多电平单元组合构成一种新的变流器拓扑；由多电平单元产生电压波形，再由串联的开关器件将电压波形接入交流或直流网络。混合多电平变流器的一种典型的电路拓扑如图 3 所示，每一相由 IGBT 与多电平单元串联构成桥臂。该拓扑可以实现串联 IGBT 的零电压动作，同时多电平单元可以降低串联 IGBT的电压应力，从而减少 IGBT 的串联个数。图3 混合多电平变流器拓扑示意图2.2.3 两电平级联型变流器（Cascaded Two-Level Converter, CSL） 两电平级联型变流器的原理和模块化多电平变流器类似，使

7、用另一个名称是为了强调换流阀中使用了串联压接式 IGBT。两电平级联型变流器利用 IGBT 压接技术将两电平电压源型变流器扩展到级联型多电平变流器。典型的拓扑如图 4 所示，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，实现对有功功率和无功功率的输出控制。图4两电平级联型变流器2.2.4大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术 实时数字仿真系统已广泛应用于传统超高压系统的在线仿真研究，这类数字仿真系统硬件通常采用基于共享存储器的多 CPU 并行计算机，核心程序包含丰富的电力系统及控制系统元器件模型。以 RTDS

8、为例，其仿真步长为20-70微秒，包含的数据转换软件能将PSS/E和EMTDC格式的数据和模型转化为RSCAD格式，可实时仿真大型交直流混合系统的电磁和机电暂态现象。 但对基于 MMC 的柔性直流输电系统来说，由于其变流器由数百甚至数千个独立控制的电压源子模块组成，在运行过程中，每个子模块的投切都是随机的，难以对其出口特性进行等值，且求解等值网络变量的导纳矩阵规模过大,精度难以保证。此外，变流器每个子模块与阀基控制设备之间通过独立的光纤进行通信，信道多、数据量大，难以通过现有的仿真接口进行转换，因此需要开发新的仿真系统。 在此背景下，中国电力科学研究院开发了双站多电平 MMC-HVDC 系统的

9、动模仿真平台的研究。该系统可用于精确验证具有较多电平数(40 以上)换流阀的 MMC-HVDC 系统及控制保护平台设计，从而检验工程的主电路参数设计、控制器性能和交直流系统的动态特性。动模仿真平台主要由换流站交直流场(包括换流变压器、交直流开关场)、多电平电压源变流器、交直流线路数模转换接口、阀基控制器 VBC 等组成。 动模仿真平台的创新有：以弱功率电子器件实现了对大功率 MMC 子模块的模拟，具有优良的外特性和控制性能； 首次实现了 49 电平调制的模块化多电平变流器； 实现了对 VBC和 PCP的实时闭环在线验证； 实现了对电压电流平衡控制算法的验证；实现了对启停控制流程、运行方式切换的

10、试验；实现了对直流和交流故障控制保护算法的验证。 基于通过对双端柔性直流输电工程的故障态仿真，得出了相应的试验结果，并与电磁暂态仿真软件PSCAD 的仿真结果进行了对比，证明了该系统为 MMC-HVDC 的动态特性和控制保护平台提供实时在线验证的有效性。2.3 多端柔性直流输电技术 多端直流输电系统(Multi-Terminal Direct Current，MTDC)是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统，其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活、快捷的输电方式。传统的 MTDC 输电系统采用基于晶闸管的电流源型变流器，其只能依靠电网电压的过零变化换流，只能工

11、作在有源逆变状态，且需要电提供大量的换相所需无功功率，这些固有缺陷大大影响了整个 MTDC 系统的运行性能，降低整个 MTDC 系统的适用范围。图5 三端柔性直流输电系统示意目前国际上关于多端柔性直流输电系统的研究中，不同应用场合下的变流器设计是一个研究热点,包括：建立多端柔性直流系统的动态模型；多种基于坐标变换的控制器设计和仿真验证；在各种应用场合多端柔性直流的仿真精度的提高和仿真时间缩短等方面。 柔性直流输电技术由电压源型变流器构成， 其对交流侧故障的鲁棒性较强； 当发生交流侧永久故障时，多端柔性直流输电系统在设计时一般已满足 N-1 法则，可以通过故障换流站退运，以达到新的稳定运行状态，

12、此时需要注意的是过渡过程中直流线路的过压抑制。当故障发生在直流侧则有很大不同，由于 IGBT反并联二极管的续流作用，会对换流阀产生很大的冲击。 国内学者对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设计及其仿真验证等方面。与国际先进水平相比，我国对多端柔性直流输电技术的研究尚存在较大差距。一方面，研究内容不够全面；另一方面，已有研究开展不够深入。目前的研究成果鲜有从基本数学模型入手，以建立多端柔性直流输电各子系统模型及整体模型为基础，系统地讨论控制器结构及设计思路。而对柔性直流输电保护技术的研究一般都是基于双端系统，以稳定运行时离散控制器为基础，通过设计双序电流控制器，实现柔性直流换流

13、站在交流侧暂态故障期间的持续运行，然而对直流侧故障时多端柔性直流系统的运行特性的研究并不多见。 多端柔性直流输电技术的研究可以参照双端系统已有成果，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外特性；设计满足系统稳定运行的多端柔性直流输电系统协调控制策略； 系统地研究多端柔性直流输电系统交直流侧故障特性以及相应保护动作机制。3柔性直流输电技术的应用规划 截至 2011 年 8 月，世界上已经投运的柔性直流输电工程共有 13 条，仅 2011 年就已投运 3 条，在建柔性直流输电工程 12 条。而目前在的柔性直流输电工程最大工程输送容量已达到 2000

14、MW，总输送容量超过 10000MW，相当于前十几年已建工程容量的 4 倍多，这些工程均显示了发达国家对于柔性直流输电在可再生能源利用和智能电网发展中所起作用的重视。 3.1国外应用规划 欧洲的多个国家都已经建设和规划了大量的海上风电场，其容量都在数百兆瓦等级，并且已经有部分使用了柔性直流输电技术实现系统的接入。英国国家电网输电公共有限公司（NGET plc）规划到 2025 年建设柔性直流近 50 条，以鼓励和促进新能源的发展。目前德国在建用于海上风电接入的柔性直流输电项目共 4 项，总容量约 2600MW。北欧地区规划到 2030 年通过多端柔性直流（MTDC）实现海上风电的接入，柔性直流

15、输电被认为是最适合的实现手段。图 6 英国柔性直流规划 图7 北欧地区海上直流线路规划美国电科院（EPRI）也推出了其智能电网的发展规划蓝图，在未来 20年，美国计划建设 60 多条柔性直流输电线路。图 8 美国地区发展规划3.2国内应用规划 截止 2010 年我国风电装机容量超过 3000 万千瓦，预计 2020 年将突破 1.5 亿千瓦。这些风能资源集中度高，并且很多都远离负荷中心，需要使用先进的输电技术进行并网接入和电力传输。柔性直流输电技术以其显著的技术特点和优势必将取得越来越广泛的关注，市场应用前景极其广阔。 3.2.1 城市供电应用 国家电网公司规划了用于大型城市供电的300kV/

16、500MW 柔性直流输电工程，用来提升大连城市电网的供电可靠性与供电质量，保障大连城市用电的安全。大连工程的建成将成为世界范围内最大容量的城市供电柔性直流输电工程，目前已完成工程的可行性研究与工程设计方案。图9 大连城市供电柔性直流输电工程初步设计3.2.2 岛屿供电应用 国家电网公司启动了“柔性直流海岛联网关键技术与示范工程前期研究”，以提高舟山岛屿的风电接入能力和海岛供电的可靠性，有效保障海岛居民的用电质量和生活水平。此工程将成为世界范围内第一个多端柔性直流输电工程。图10 舟山海岛互联柔性直流输电工程接入方案 表1舟山海岛互联柔性直流输电工程初步设计3.2.3 可再生能源接入为了更好的解

17、决海上/陆地风电场发电并网带来的电网安全稳定运行及电能质量等问题， 以江苏、 山东、浙江、福建等海上和岛屿风电场及内蒙、甘肃等陆地风电场的集中式并网技术为研究方向，以百兆瓦和千兆瓦级海上/陆地风电场柔性直流并网工程为重点，全力助推我国经济社会的绿色、环保、可持续发展。 300kV换流站布局 阀厅 图11 高压大容量柔性直流输电换流站建设规划图4 结论 柔性直流输电技术是一种以电压源变流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术。该技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电和城市电网供电等领域具有明显的优势。 发达国家

18、对于柔性直流输电技术在可再生能源利用和智能电网发展中所起作用的极为重视，多条柔性直流输电线路在建或规划建设。参考文献1 CIGRE B4-37 Working Group DC Transmission Using Voltage Sourced Converters R Paris， France: International Council on Large Electric Systems，2004 2 ABB AB Grid Systems - HVDCIts time to connect-Technical description of HVDC Light technologyR

19、 Ludvika, Sweden: ABB AB Grid Systems - HVDC，2007 3 汤广福，贺之渊，腾乐天，等电压源型换流器高压直流输电技术最新研究进展J电网技术，2008，32(22) : 39-44 4 Flourentzou N，Agelidis V G，Demetriades G DVSC-based HVDC power transmission systems an overviewJIEEE Transactions on Power Electronics，2009，24 (3): 592-602 5 Wang Shanshan，Tang Guangfu，a

20、nd He ZhiyuanComprehensive Evaluation of VSC-HVDC Transmission Based on Improved Analytic Hierarchy ProcessC/Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power TechnologiesNanjing，China: Institute of Electrical and Electronics Engineers，2008: 2207-2211 6 L.A.S. Pilotto, A. Bianco, M. Aredes,

21、E.H. Watanabe, W.F. Long. Back-To-Back VSC Devices: A New Solution for the Interconnection of Asynchronous AC SystemsC/CIGRE Session 14-203Paris，France: International Council on Large Electric Systems，2000. 7 Stefan G Johansson, Gunnar Asplund, Erik Jansson, Roberto Rudervall. Power System Stability

22、 Benefits with VSC DC-Transmission SystemsC/CIGRE Session B4-204Paris，France: International Council on Large Electric Systems，2004. 8 Mats Hyttinen, Jan Olof Lamell, Tom F Nestli. New application of voltage source converter (VSC) HVDC to be installed on the gas platform Troll AC/CIGRE Session B4-210

23、Paris，France: International Council on Large Electric Systems，2004. 9 Toshiyuki Hayashi, Noboru Seki, Masatoshi Sampei, Yasuji Sekine. Development and Field Test of a Multi-Terminal DC Link Using Voltage Sourced Converters and New Control and Protection SchemesC/CIGRE Session 14-204Paris，France Inte

24、rnational Council on Large Electric Systems，2000. 10 Dorn J， Huang H， Retzmann D A new multilevel voltage-sourced converter topology for HVDC applicationsC/CIGRE Session B4-304 Paris， France: International Council on Large Electric Systems，2008 1-8 11 Marquardt R, Lesnicar A. A new modular voltage s

25、ource inverter topologyC/Proceeding of European Power Electronics and Applications Conference (EPE)Toulouse，France Institute of Electrical and Electronics Engineers，2003 12 Xu Lie, Williams B W, Yao Liangzhong. Multi-terminal DC transmission systems for connecting large offshore wind farms. IEEE Pow

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27、ion and aggregation of offshore wind power by multiterminal voltage-source hvdc, IEEE Trans. Power Delivery, Jan. 2003, vol. 18, no. 1, pp. 201206. 15 Xu Lie, Andersen B R, Cartwright P. Multilevel-converter-based VSC transmission operating under fault AC conditionsJ. IEE. Proc-Gener.Transm.Distrib, 2005, 152(2) : 185-193.