3.1柔性直流输电系统概述在线视频

本章所讲述的模块化多电平流换器原理

是结合柔性直流输电工程背景展开论述的

模块化多电平换流器的提出

正是为了解决

直流输电中高压大功率变换的问题

并且随着柔性直流输电技术的发展

在不断完善之中

所以本节首先简单介绍一下柔性直流输电的概念

发展、特点及构成

电力系统是世界上最大的人造控制系统

其安全稳定运行问题非常复杂

现在的电网是以交流为主

但是交流电网规模越大、线路越长

稳定性问题就越突出

任何一处故障都可能波及整个同步交流电网

引起大停电的风险

世界上最严重的电网大停电

都发生在复杂自由联网的同步交流系统中

如2003年的美加大停电和2012年的印度大停电

为此

我国一直以来都是坚持分层分区原则

发展六大区域电网

通过直流互联来发挥全国联网的效益

包括错峰、调峰、水火和新能源互济等

直流输电是交流输电的有益补充

为大容量电源的远距离功率输送

海底输电、大区域电网的非同步互联

不同频率电网互联等提供了有效手段

在这些领域

直流输电明显优于交流输电

此外

直流输电不受交流同步电网失稳振荡的影响

通过直流联网

可避免同步网运行出现的很多技术问题

通过控制还可进一步实现功率紧急援助

低频振荡抑制

提高交流系统动态稳定性等作用

显然

直流输电在未来的电力系统

将会发挥越来越重要的的作用

下面介绍一下直流输电的概念

高压直流输电是将送端电源

发出的交流电通过换流站转变为直流电（即整流）

通过直流输电线路传输功率

受端换流站再把接收到的功率

从直流侧传递到交流用户侧（即逆变）

根据采用电力电子器件及换流器的不同

直流输电分为传统直流输电和柔性直流输电

在传统直流输电（HVDC Classic）中

换流站采用由半控型器件晶闸管构成的相控电路

而柔性直流输电系统中

换流站采用由全控型器件

IGBT构成的电压源型电路

这项技术最早由加拿大学者于1990年提出

最早将其工程化的ABB公司称之为HVDC light

最早采用模块化

多电平结构的西门子公司称之为HVDC plus

我国则习惯称之为柔性直流输电

HVDC Flexible

而在学术领域

IEEE和CIGRE则称之为VSC-HVDC

实际上最早的输电形式就是直流输电

但是高压大容量的直流电机换向困难

没有变压手段

19世纪末三相交流发电机

感应电动机、变压器相继问世

交流系统很快占据了统治地位

随着电力系统的迅速发展

交流输电带来远距离输电同步稳定性

电缆输电容性电流

异步联网等方面的一系列问题

而直流输电是解决这些问题最有效的手段

高压直流输电自20世纪50年代兴起至今

目前全世界有130余项高压直流输电系统投入运行

最早的高压直流输电采用的是汞弧阀换流器

1954年在瑞典哥特兰岛

投入了世界上第一个高压直流输电工程

之后一共有12个汞弧阀直流输电工程投运

20世纪70年代后

晶闸管阀技术已经成熟

取代了汞弧阀

但仍沿用整流电路的拓扑

构成了传统高压直流输电

1972年在加拿大的伊尔河

投运了第一个晶闸管阀的高压直流输电工程

目前世界上绝大部分高压直流输电

都是采用晶闸管阀换流器

最新一代高压直流输电技术

采用的是IGBT构成的电压型换流器

解决了晶闸管换流器的换流失败、

无功和谐波等问题

1997年ABB在瑞典

进行第一个VSC-HVDC的工业试验

1999年在哥特兰岛投入商业运行

我国传统高压直流输电起步较晚

第一条真正意义上的高压直流输电

是1989年的葛洲坝—上海高压直流输电工程

但近期发展非常迅速

世界上长距离架空直流输电项目

多一半建在中国

尤其是±800kV以上特高压HVDC项目

大多建在中国

我国已经是世界上直流输电工程最多

线路最长、容量最大的国家

而对于新一代柔性直流输电技术

我国电网公司没有错过其发展的机遇

坚持走自主创新的道路

目前在柔性直流输电技术领域

处于世界领先地位

可以实现核心设备100%国产化

近十年

我国的柔性直流输电技术突飞猛进

2011年

上海南汇35kV示范工程正式投运

国网公司成为继ABB、西门子之后

世界上第三家完全掌握柔性直流输电

成套设备设计核心技术的企业

2015年12月

世界上首次采用双极拓扑结构的柔性直流输电工程

厦门±320千伏

100万千瓦柔性直流输电工程

示范工程正式投运

标志着我国

实现柔性直流输电技术领域的国际引领

而即将投运的张北±500kV

3000MW四端柔性直流输电示范工程

是世界首个

柔性直流电网工程

也是世界上电压等级最高

输送容量最大的多端柔性直流输电工程

将为北京冬奥输送清洁能源

柔性直流输电技术

是继交流输电

常规直流输电之后的新一代输电技术

基于柔性直流输电技术的直流电网

是未来电网的重要组成部分

首先

柔性直流输电技术具有传统高压直流输电的优点

1.输电架空线路的造价低、损耗小

2.不存在交流输电的功角、频率等稳定性问题

允许输送功率不受线路电感限制

有利于远距离大容量送电

3. 可实现不同频率电网互联

(如50Hz、60Hz电网互联)

也可实现同频但非同步运行的电网的互联

4. 采用高压直流输电

易于实现地下或海底电缆输电

5.容易进行潮流控制

并且响应速度快、调节精确、操作方便

此外

由于采用电压源型换流器

相对于采用相控电路的传统直流输电技术

柔性直流输电还有以下优点

1.不存在换相失败问题

可向孤岛等无源网络供电

2. 可实现有功无功快速独立控制

可以四象限运行

无需无功补偿装置

滤波也较为简单

3.易于构建多端直流网络

是可再生能源接入的理想组网方式

但作为发展时间尚短的新技术

柔性直流输电也具有以下缺点：

1. 换流站的造价高、结构复杂、运行维护费用高

2.直流电流没有电流的过零点

灭弧较难

而电压型换流器短路电流大且上升快

因此高压直流断路器制造困难

造价极高

3. 不能像传统直流输电那样

直接控制直流侧故障时的故障电流

一旦直流侧发生短路故障

故障电流迅速增加

如果该电流在较短时间内不能得到抑制

换流站设备可能会损坏

柔性直流输电的结构与传统直流输电类似

主要有换流站和直流输电线路组成

各端换流站结构相同

根据系统需求

可方便地进行整流 /逆变运行状态转换

换流站的核心设备是电压源型换流器

其交流侧有换流变压器、电抗器和滤波器

其直流侧需大电容滤波

简单了解了柔性直流系统的工程应用背景后

本章将结合其工程需求

主要阐述模块化多电平换流器拓扑结构

调制方法和潮流控制三方面的理论问题

包括如何采用新的模块多电平拓扑

构成柔直系统中可靠性高的高压大功率换流装置

如何采用新的调制方法

选择多电平来逼近正弦波

减少柔直系统的谐波和损耗

如何独立调节系统的有功和无功

使柔直系统灵活可控、电网适应性好