柔性直流输电技术.ppt

柔性直流输电技术基本特征 目 录柔性直流换流器技术柔性直流换流器技术32柔性直流输电换流器的控制柔性直流输电换流器的控制4柔性直流输电系统柔性直流输电系统5柔性直流输电的定义柔性直流输电的定义1柔性直流输电功率器件柔性直流输电功率器件2柔性直流输电技术的发展柔性直流输电技术的发展6柔性直流输电的定义柔性直流输电的定义 目 录13柔性直流输电技术VSC-HVDC基于可关断器件和电压源换流器（Voltage Source Converter,VSC）的高压直流输电技术（VSC-HVDC），换流器自换向，能够独立调节有功功率和无功功率，可控性和灵活性强，被誉为新一代的直流输电技术命名情况：IEEE/CIGRE等国际组织：基于电压源型换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（HVDC-Light）”西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDC-PLUS）”中国：柔性直流输电n常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)高压直流输电（LCC-HVDC）柔性直流输电（VSC-HVDC）柔性直流输电与常规直流比较p 晶闸管p 相位角控制p 晶闸管通过脉冲信号控制开通，但不能控制关断，电网换相。当承受电压反向时，自动关断。p 开关频率50/60 Hz p IGBT或其他可关断功率器件p 脉宽调节控制p 可关断器件，可以通过控制信号关断，完全可控，自换相。p 强迫换相频率上百赫兹。高压直流输电（LCC-HVDC）柔性直流输电（VSC-HVDC）运行性能比较p 换流器产生谐波量大，噪音较大，需要配备交流滤波器p 需要无功补偿，最大约为50%输送容量p 换流站滤波器小组投切过程较慢，且引起电压波动p 电网换相，需要交流系统提供足够的短路容量。p 脉宽调制使换流器谐波大大降低，只需要容量约为1020%的高通滤波器p 换流站无需无功补偿，且可为交流系统提供紧急无功支援p 无功调节平滑、快速p 换流器完成自换相，无需电网提供换相帮助，对短路容量没有要求。高压直流输电（LCC-HVDC）柔性直流输电（VSC-HVDC）工程应用比较p 换流站占地面积大，辅助设备较多p 同等容量下，设计较为复杂、建设工期长、运行维护投入较大p 电压已达800kV以上，传输功率6400MW，适合大系统间大规模功率传输，适合能源的优化配置p结构紧凑、功率密度高，换流站面积约小40%p 同等容量下，设计相对简单、主要设备在工厂生产、现场安装和维护较为简单p 能为弱系统、无源网络供电，如岛屿供电、海上油气平台供电、风电联网等。p 可实现黑启动工程应用比较节节约约空空间间VSC-HVDCVSC-HVDCLCC-HVDCLCC-HVDC工程应用比较柔性直流换流站柔性直流换流站常规直流换流站常规直流换流站柔性直流输电功率器件柔性直流输电功率器件 目 录211电力电子开关机械开关高压大电流Power+=Electronics高速电子控制低损耗长寿命Power ElectronicsV/mAkV/kAkV/kAV/mA电力电子开关（功率器件）是装置的基础12电力电子技术的三要素电力和能源系统和控制电力电子技术电子和设备p电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件（电力半导体器件）对电能进行变换和控制的技术，变换的电力从W级到百MW，甚至GWp电力电子技术已广泛用于电气工程学科，其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网电能质量补偿与控制、高性能交直流电源等领域p近年来，能源成为当今人类面临的重大问题，电力电子装置是能源变换的功能性装置，电力电子技术已成为能源变换与传输的关键技术13交流和直流变换半控器件，全控器件低电压、小电流，高电压、大电流低电平，多（高）电平高损耗，低损耗器件脉宽调制先进功率理论拓扑控制技术内容关注点通过换流器（Converter）实现变换14功率器件的开通和关断过程门极控制电压集电极和发射极电压导通电流导通和关断由门极信号控制导通和关断过程快速，但非理想导通和关断存在尖峰电流和电压实际关断和导通波形15功率器件的发展ThyristorGTOIGCTIGBT/IEGT由半控型到全控型开关速度由低到高（50/60Hz 到几kHz)电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA)半控器件开通可控关断不可控ETO全控器件开通可控关断可控16大功率开关器件的分类晶闸管类器件（GTO,IGCT）晶体管类器件(IGBT,IEGT)门极驱动电流控制，所需功率较大电压控制，所需功率较小导通压降低高允许开关频率低高电压/电流能力较大相对低电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT)17晶闸管(Thyristor)晶体管类(Transistor)n门极电流控制开通关断n关断时所需门极负脉冲电流较大n可承受开关频率较低n导通压降较低n所能实现的电压、电流等级较高n门极电压控制开通关断n门极驱动功率小，开关速度快，n可承受开关频率高n导通压降大n所能实现的电压、电流相对不高18GTO和IGCT集成门极n缓冲层n透明阳极n逆导技术GTOIGCT上海50MVAr STATCOM采用IGCT目前只有ABB公司供应最早的全控器件开关频率低，已很少使用19IGBT和PP IGBT(IEGT)IGBTPP IGBT(IEGT)n电子注入增强n低导通电压降n宽安全工作区压接式封装，双面散热失效后处于短路状态主要供应商有东芝、ABB和Westcode模块塑封应用最广的全控器件三菱、英飞凌、日立、ABB等多个供应商20功率器件封装模式n模块式封装(PMI)n技术成熟n安装工艺简单n器件制造商多n损坏时可能发生爆炸n串联不易实现n器件容量相对较小n压接式封装（Press-Pack)n器件故障后不会爆炸n故障后处于短路状态n结构上易于串联n散热性能好n封装难度大n供应商少压接式封装可靠性更高主要有以下几类1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT2）日本东芝IEGT3）英国西玛码PP IGBT4）美国ETO两种封装模式均有柔直应用ABB工程全部采用 StatkPak西门子 Transbay工程用PMI IGBT21SCFM-短路失效模式nSCFM（Short-Circuit Failure Mode)n器件发生失效后器件处于短路模式，并能够继续安全流过工作电流，直至装置检修时更换nABB StakPakTM IGBT在SCFM方面的技术资料公开比较充分，东芝IEGT也有相关试验数据 22功率器件的电压电流水平n主流型号IGBT 4500V/1200AIGBT 4500V/1500AIEGT 4500V/1500AIEGT 4500V/2100AStakPak IGBT 4500V/2000AStakPak IGBT 2500V/2000AIGCT 4500V/4000AETO 4500V/4000A备注：IGCT和ETO的标称电流为峰值，约与IGBT的2000A相等23柔性直流输电功率器小结n柔性直流输电采用的功率器件一般容量较大n电压等级在3300V以上，有3300V，4500Vn通流能力在1000A以上，有1200A，1500An良好的开通、关断特性，导通特性n开通关断过程尖峰电压和电流n开通、关断过程快速，限制开关损耗n导通压降低，限制通态损耗n器件类型和封装n已经使用：压接式IGBT，模块式IGBTn其他器件：IGCT，ETOn压接式封装散热较好，损坏带来的影响较小，是发展趋势备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如STATCOM等24柔性直流换流器技术柔性直流换流器技术3目 录25基于全控器件的换流器n自换相换流器 Self-Commutated Converter VSC(Voltage Source Converter)CSC(Current Source Converter)STATCOM,SSSCVSC-HVDC直流侧为电容，视作电压源直流侧为电抗，视作电流源主流方式较少采用全控器件全控器件26电压源换流器原理0Vdc脉冲宽度调制脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)(Pulse Width Modulation,PWM)27正弦载波PWM(Sine PWM,SPWM)载波频率fs：三角载波频率三角载波参考波参考波频率f1载波比：fs/f1换流器输出电压（基波）波形与参考波一致28换流器四象限运行（有功和无功独立控制）UcUsULUC US时,Q 为容性IULIUSUCUSUCULUC 0,整流模式IUcUsULP3时的直流电容电压平衡控制十分困难在电力系统中少采用+Vdc/2+Vdc/40-Vdc/4-Vdc/2二极管钳位多电平换流器40模块串联换流器全H桥结构n 所需主开关器件数目 2(N-1)n 所需钳位电容数目(N-1）/2需要直流电压平衡控制直流侧无法实现端对端连接已是大容量STATCOM主要采用的结构上海50MVA，东莞200MVA STATCOM均是这种结构41Modular Multilevel Converter,MMC(模块化多电平换流器）模块串联换流器半H桥结构需要直流电压平衡控制直流侧能够实现端对端连接柔性直流输电主流结构42MMC换流器工作原理S1=On,S2=Off:Vx=VcS1=Off,S2=On:Vx=0直流电压控制 Vd=nVC 交流电压控制 VAC=V1+V2+Vn43MMC换流器工作原理等效为可控电压源直流电压约束交流电压约束44MMC换流器桥臂等效电路桥臂电流存在交流和直流分量45MMC换流器的调制策略两种主要调制策略最近电平逼近调制(NLM)载波移相调制（CPSM）46多电平换流器谐波特性好2电平10电平50电平谐波性能大大改善多电平换流器的优点不需要装设滤波器47多电平换流开关频率大大降低两电平换流器多电平换流器等效开关频率器件开关次数器件开关频率大大降低器件开关频率很高器件开关频率从几千Hz降低到250Hz到300Hz48Losses in Power DevicesLosses in Magnetic ComponentsConducting LossSwitching Loss提高器件性能降低开关频率降低开关频率等于降低损耗49例子：换流器技术对损耗的影响注：引自ABB参考资料Gen.1 是两电平换流器，损耗3.3%Gen.2和Gen.3 是三电平换流器，损耗2.0%左右Gen.4 是多电平换流器，损耗1.0%常规直流50两电平（三电平）多电平换流器谐波高低dv/dt高低滤波器需要不需要器件动态均压措施需要不需要PWM控制简单复杂直流电容电压均衡控制不需要需要模块化结构不易实现容易实现冗余运行能力器件冗余模块冗余不同拓扑换流器比较注：1、多电平换流器指几十电平以上的换流器 2、多电平换流器控制难题能够解决51柔性直流输电换流器小结n主要采用模块化多电平换流器拓扑n基本单元为功率模块，功率模块串联实现高电压n模块化多电平换流器特点n一般电平数达到100以上n无需安装滤波器n通过模块实现换流器冗余n器件开关频率几百赫兹，换流器损耗较低n能够采用的功率器件种类多，选择广备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如STATCOM等52柔性柔性直流输电换流器的控制直流输电换流器的控制 目 录453定定P、Q控制控制定直流电压控制定直流电压控制定交流电压控制定交流电压控制VSC-HVDC的主要控制方式类别实现系统级控制目标实现系统级控制目标产生补偿参考电流产生补偿参考电流i irefref（谐波、无功等）（谐波、无功等）i irefrefv vrefref使换流器输出使换流器输出电流得到控制电流得到控制产生产生v vrefref指令指令生成生成PWMPWM控制脉冲控制脉冲基于VSC系统的控制层次VSC-HVDC中换流器的控制不考虑拓扑结构，只考虑外部变量特性不考虑拓扑结构，只考虑外部变量特性dq坐标系下的VSC数学模型线性化后的控制环线性化后的控制环引入新的变量引入新的变量 v1、v2dq坐标系下的VSC反馈线性化解耦控制VSC-HVDC的dq解耦控制器n优点优点n一种较为经典的控制方法一种较为经典的控制方法n控制量、反馈量均为直流量，比较容易稳定控制量、反馈量均为直流量，比较容易稳定n对控制速度的要求较低对控制速度的要求较低n可以与各种可以与各种PWM方法配合工作，对开关频率要求较低方法配合工作，对开关频率要求较低n缺点缺点n暂态过程中，暂态过程中，dq轴上的量存在波动，给控制带来困难轴上的量存在波动，给控制带来困难n尤其在系统不对称故障时，对控制效果的影响较大尤其在系统不对称故障时，对控制效果的影响较大dq解耦控制的优缺点MMC换流器的直流电压均衡控制柔性柔性直流输电系统直流输电系统 目 录562柔性直流输电系统构成系统研究成套设计换流器技术控制保护系统63主要关键技术换流站系统柔直系统控制保护系统柔性直流输电换流站系统换流站主要一次功能设备包括：换流阀联接变压器桥臂电抗器启动电阻接地电阻阀冷系统换流站换流站交流侧接线交流侧接线联接变压器启动回路桥臂电抗器电流测量装置换流阀u匹配交流系统和换流器之间电压u在交流侧设置接地系统（也可在直流侧设置接地系统）u根据换流站P/Q输出范围和系统暂态特性，选取设备参数u无交流滤波器和无功补偿设备柔性直流输电换流站系统换流阀直流侧电抗器直流侧线路直流侧接线直流侧接线u直流电压电流测量装置u直流侧电抗器限制雷电u无直流滤波器柔性直流输电换流站系统柔性直流输电换流站系统柔性直流输电换流站系统联接变压器主要作用：（1）在交流系统和柔直换流站间提供电抗连接（2）对交流电网与直流输电系统的直流电压等级进行匹配（3）提供中性接地点连接变压器启动电阻阀电抗柔性直流输电换流站系统启动电阻主要作用：限制阀侧电网对于功率模块直流储能电容的充电电流，使换流器相关设备免受冲击电流与冲击电压影响，保证设备安全运行；限制充电速度，避免充电过程中功率模块电容器电压不平衡桥臂电抗主要作用：柔性直流换流站与交流系统之间功率传输的纽带限制桥臂环流限制故障电流上升率阀冷系统分为内冷水系统和外部空气/喷淋水冷却器两部分。内冷系统主要是迅速吸收换流阀散发热量，外冷系统主要降低循环水温。内冷水系统的主要设备由主循环回路、去离子回路、定压系统、补水回路、自动排气阀构成。外部空气冷却器由换热翅片管束和变频调速风机构成。内冷水系统外部空气冷却器冷却水系统回路图柔性直流输电换流站系统序号 名称1阻水铜导体2半导电尼龙带3导体屏蔽4北欧DC XLPE绝缘5绝缘屏蔽6半导电缓冲带7合金铅套8HDPE护套9PE填充条10 不锈钢光单元11 PP内垫层12 钢丝铠装13 沥青+PP外被层柔性直流输电换流站系统XLPE 绝缘柔性直流输电电缆绝缘材料为交联聚乙烯，其通过超净高纯度工艺或在交联交流电缆绝缘中添加纳米材料解决了交联直流电缆的空间电荷问题。软化点高、热变形小,在高温下的机械强度高、抗热老化性能好与传统直流电缆相比,柔性直流输电中不要求直流电缆承受电压极性翻转序号 名称1铜导体2半导电阻水带+导体屏蔽3绝缘4绝缘屏蔽5半导电阻水缓冲带6皱铝套7沥青8护套（HDPE+退灭虫层）9半导电层海缆陆缆柔性直流输电换流站系统优点：阀交直流侧电压水平较低双极/单极运行缺点：设备较多，占地面积大阀侧设备耐受直流电压优点：设备少，占地面积小阀侧设备不需要耐受直流缺点：阀交直流侧电压水平高单极运行对称双极接线对称单极接线n串并联方式n灵活配置多个落点n技术挑战受端并联、串联多端的控制模式多样化串联并联受端多落点混合多端直流柔性直流输电控制保护系统 换流站控制保护系统总体分层结构为远方调度中心通信层、集控中心层、换流站监控层、控制保护层、现场I/O 层。75柔性直流输电控制保护系统 目 录76柔性直流输电技术的发展柔性直流输电技术的发展6应用背景 柔性直流输电系统是构建智能化电网的重要部分，具有绿色环保，控制灵活，适用场合广的突出优点。新能源接入城市配电网供电电网互联/电力市场交易孤岛/钻井平台供电 柔性直流输电是采用全控电力电子器件组成的电压源换流器构成的直流输电系统。77国内外柔性直流发展概况78美国已投运3项柔性直流输电工程，在建1项，2025年前规划40余项。欧洲已投运7项柔性直流输电工程，在建7项，2025年前规划50余项。中国于2011年投运了南汇风电和中海油文昌两个柔直工程，2013年投运南澳工程，2014年投运舟山工程，正在建设厦门工程、云南电网异步联网工程。南汇柔性直流输电工程换流站南澳柔性多端直流示范工程示意图舟山多端柔性直流输电工程世界上已投运和在建工程79已投运和在建工程特点80n1997年-2013年已投运工程20个，总容量5336MWn2014年-2015年在建工程12个，总容量9109MWn在建工程美国1个，中国2个，欧洲9个n在建工程换流器拓扑均为模块化多电平结构n在建工程主要为风电接入和系统联网n在建工程有2个是多端系统1.换流器结构多样化从两电平到多电平多电平已成为柔性直流的主流换流阀所需大功率电力电子器件选择多样化换流器输出谐波含量少，无需交直流滤波器开关频率大大降低，运行损耗减少，运行成本降低结构更加紧凑，更适合不利环境下建设、运行技术发展趋势8110kV3MW19972010200kV400MW2015700kV1500MW技术发展趋势2.电压容量增长快目前在建工程电压等级到达500kV，容量1000MW2015单换流器将达到700kV/1500MW未来可能用于替换常规直流输电，解决受端换向失败，增强电网控制能力82n欧洲超级电网技术发展趋势3.向网络化和多端化发展国内外都已开始建设多端柔性直流输电工程新能源接入和城市供电发展需要n基于柔性直流系统的城市供配电网8384典型工程Trans Bay Cable工程位于美国旧金山，2010年建成，世界上首个采用模块化多电平换流器技术的柔性直流输电工程。直流电压200kV，功率400MW。*From SiemensSkagerrak 4挪威-丹麦联网=Sk 1 常规直流/Classic Sk 2 常规直流/Classic Sk 3 常规直流/Classic Sk 4 柔性直流/VSC-HVDC与常规直流构成双极电压等级达到500kV解决多直流馈入问题提供黑启动功能2014年投产*From ABB 典型工程85INELFE法国-西班牙联网容量达到2*1000MW换流站为系统提供无功支持提供黑启动功能计划2015年投产*From SIEMENS典型工程8687应用设想欧洲北海风电接入电网n欧洲新能源并网，总共6200MW风电，大部分（9回直流线路，3回交流线路）通 过 VSC-HVDC接入欧洲电网。nVSC-HVDC电 压 在200kV到 320kV之 间，容 量 在 400MW到900MW之间。*来自TenneT 主页88应用设想德国北电南送n德国规划三回通道，将北部风电向南输送n分别2GW，2GW，4GW，计划第一回采用VSC-HVDC*from SIEMENS规划两回1400MW的联网工程，一回是挪威南部Tonstad到德国北部Wilster，使用长度超过500公里海底电缆；另一回是挪威南部到英国东部，长度达到800公里左右，将会是世界上最长的海底电缆。预计电压500kV，两回直流计划2018年投产。*From SIEMENS应用设想挪威到英国和德国联网工程89将三个60Hz异步电网美国东部电网，西部电网和德克萨斯州电网连接起来。规划采用三个750MW电压源换流器技术，首回750MW柔性直流将于2014年投产。*来自CIGRE会议论文应用设想美国Tres Amigas超级变电站9091应用设想广东受端电网背靠背柔直91n背靠背柔性直流（比如750MW，300kV）；柔直占地小、无直流线路，布置灵活；多回直流换相失败问题大大减轻，没有6回以上同时失败BtB VSC HVDCBtB VSC HVDC92应用设想高电压大容量远距离柔直n20152030年广东电网还将新增4回大容量直流输电n柔性直流实现大容量、高电压、远距离输电，不加剧运行困难，而且对电网稳定性有极大改善；根本上解决多回直流集中馈入问题新的大容量常规直流New large HVDC柔性直流VSC HVDC单落点93应用设想未来电网中的多端柔直n以柔性直流实现多端、直流网络n可以降低大规模同步电网的运行风险，不降低电网运行灵活性n需研发直流断路器、直流变压器等关键设备n目前我国正在进行多端柔性直流研究和试点MTDC，DC grid(Multi-terminal VSC HVDC)AC grid94直流配电的提出和应用n城市交流配电遇到瓶颈，输送通道不足，无法提供定制电力n新能源入网需求，直流用电负荷增加，采用直接接入可以大大减少DC/AC变换环节采用直流系统的大型船只（来源 ABB）应用设想柔性直流配电网