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（VoltageSourcedConverter,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HVDCLight和HVDCPlus。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。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2.2.1模块化多电平变流器（ModularMultilevelConverter,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（HybridMultilevelTechnology,HMT）另一种可被应用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（CascadedTwo-LevelConverter,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-TerminalDirectCurrent，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，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2000MW，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（NGETplc）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/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]CIGREB4-37WorkingGroup．DC