柔性直流輸電.doc

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柔性直流輸電 一、 概述 （一）柔性直流輸電的定義 高壓直流（HVDC）輸電技術始于1920年代，到目前為止，經(jīng)歷了3次技術上的革新，其主要推動力是組成換流器的基本元件發(fā)生了革命性的重大突破。 第一代直流輸電技術采用的換流元件是汞弧閥，所用的換流器拓撲是6脈動Graetz橋，其主要應用年代是1970年代以前。 圖1.1：汞弧閥 圖1.2：6脈動Graetz橋 第二代直流輸電技術采用的換流元件是晶閘管，所用的換流器拓撲仍然是6脈動Graetz橋，因而其換流理論與第一代直流輸電技術相同，其應用年代是1970年代初直到今后一段時間。 圖1.3：電觸發(fā)晶閘管 圖1.4：光觸發(fā)晶閘管 通常我們將基于Graetz橋式換流器的第一代和第二代直流輸電技術稱為傳統(tǒng)直流輸電技術，其運行原理是電網(wǎng)換相換流理論。因此我們也將傳統(tǒng)直流輸電所采用的Graetz橋式換流器稱為“電網(wǎng)換相換流器”，英文是“Line Commutated Converter”，縮寫是“LCC”。這里必須明確一個概念，有人將電流源換流器（CSC）與電網(wǎng)換相換流器（LCC）混淆起來，這是不對的。LCC屬于CSC，但CSC的范圍要比LCC寬廣得多，基于IGBT構成的CSC目前也是業(yè)界研究的一個熱點。 1990年，基于電壓源換流器的直流輸電概念首先由加拿大McGill大學的Boon-Teck Ooi等提出。在此基礎上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之間進行了首次工業(yè)性試驗（3 MW，10kV），標志著第三代直流輸電技術的誕生。這種以可關斷器件和脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術為基礎的第三代直流輸電技術，國際權威學術組織國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）和美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE），將其正式命名為“VSC-HVDC”，即“電壓源換流器型直流輸電”。2006年5月，由中國電力科學研究院組織國內(nèi)權威專家在北京召開“輕型直流輸電系統(tǒng)關鍵技術研究框架研討會”，會上，與會專家一致建議國內(nèi)將基于電壓源換流器技術的直流輸電（第三代直流輸電技術）統(tǒng)一命名為“柔性直流輸電”。 （二）柔性直流與傳統(tǒng)直流的優(yōu)缺點對比 不管是兩電平、三電平或MMC換流器，由于都屬于電壓源換流器，其基波頻率下的外特性是完全一致的。 圖1.5：柔性直流系統(tǒng)外特性圖 柔性直流系統(tǒng)外特性公式如下 VSC與LCC相比，具有的根本性優(yōu)勢是多了一個控制自由度。LCC因為所用的器件是晶閘管，晶閘管只能控制導通而不能控制關斷，因此LCC的控制自由度只有1個，就是觸發(fā)角α，這樣LCC實際上只能控制直流電壓的大小。而VSC因為所用的器件是雙向可控的，既可以控制導通，也可以控制關斷，因而VSC有2個控制自由度，反映在輸出電壓的基波相量Uvsc上，就表現(xiàn)為Uvsc的幅值和相位都是可控的。因此從交流系統(tǒng)的角度看，VSC可以等效成一個無轉(zhuǎn)動慣量的電動機或發(fā)電機，幾乎可以瞬時地在PQ平面的4個象限內(nèi)實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制，這就是電壓源換流器的基本特性。而柔性直流輸電系統(tǒng)的卓越性能在很大程度上就依賴于電壓源換流器的基本特性。 1、可以歸納出柔性直流輸電相對于傳統(tǒng)直流輸電的技術優(yōu)勢如下： （1）沒有無功補償問題：傳統(tǒng)直流輸電由于存在換流器的觸發(fā)延時角α（一般為10-15度）和關斷角γ（一般為15度或更大）以及波形的非正弦，需要吸收大量的無功功率，其數(shù)值約為換流站所通過的直流功率的40%-60%。因而需要大量的無功功率補償及濾波設備，而且在甩負荷時會出現(xiàn)無功功率過剩，容易導致過電壓。而柔性直流輸電的VSC不僅不需要交流側(cè)提供無功功率，而且本身能夠起到靜止同步補償器的作用，可以動態(tài)補償交流系統(tǒng)無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著交流系統(tǒng)故障時，如果VSC容量允許，那么柔性直流輸電系統(tǒng)既可向交流系統(tǒng)提供有功功率的緊急支援，還可向交流系統(tǒng)提供無功功率的緊急支援，從而既能提高所連接系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性，還能提高所連接的電壓穩(wěn)定性。 （2）沒有換相失敗問題：傳統(tǒng)直流輸電受端換流器（逆變器）在受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，很容易發(fā)生換相失敗，導致輸送功率中斷。通常只要逆變站交流母線電壓因交流系統(tǒng)故障導致瞬間跌落10%以上幅度，就會引起逆變器換相失敗，而在換相失敗恢復前，傳統(tǒng)直流系統(tǒng)無法輸送功率。而柔性直流輸電的VSC采用的是可關斷器件，不存在換相失敗問題，即使受端交流系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障，只要換流站交流母線仍然有電壓，就能輸送一定的功率，其大小取決于VSC的電流容量。 （3）可以為無源系統(tǒng)供電：傳統(tǒng)直流輸電需要交流電網(wǎng)提供換相電流，這個電流實際上是相間短路電流，因此要保證換相的可靠性，受端交流系統(tǒng)必須具有足夠的容量，即必須有足夠的短路比（SCR），當受端交流電網(wǎng)比較弱時便容易發(fā)生換相失敗。而柔性直流輸電的VSC能夠自換相，可以工作在無源逆變方式，不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡，克服了傳統(tǒng)直流輸電受端必須是有源網(wǎng)絡的根本缺陷，使利用直流輸電為孤立負荷送電成為可能。 （4）可同時獨立調(diào)節(jié)有功和無功功率：傳統(tǒng)直流輸電的換流器只有1個控制自由度，不能同時獨立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。而柔性直流輸電的VSC具有2個控制自由度，可以同時獨立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。 （5）諧波水平低：傳統(tǒng)直流輸電的換流器會產(chǎn)生特征諧波和非特征諧波，必須配置相當容量的交流側(cè)濾波器和直流側(cè)濾波器才能滿足將諧波限定在換流站內(nèi)的要求。柔性直流輸電的兩電平或三電平VSC，采用PWM技術，開關頻率相對較高，諧波落在較高的頻段，可以采用較小容量的濾波器解決諧波問題；對于采用MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)，通常電平數(shù)較高，不需要采用濾波器已能滿足諧波要求。 （6）適合構成多端直流系統(tǒng)：傳統(tǒng)直流輸電電流只能單向流動，潮流反轉(zhuǎn)時，電壓極性反轉(zhuǎn)而電流方向不動；因此在構成并聯(lián)型多端直流系統(tǒng)時，單端潮流難以反轉(zhuǎn)，控制很不靈活。而柔性直流輸電的VSC電流可以雙向流動，直流電壓極性不能改變；因此構成并聯(lián)型多端直流系統(tǒng)時，在保持多端直流系統(tǒng)電壓恒定的前提下，通過改變單端電流的方向，單端潮流可以在正、反兩個方向上調(diào)節(jié)，更能體現(xiàn)出多端直流系統(tǒng)的優(yōu)勢。 （7）占地面積?。喝嵝灾绷鬏旊姄Q流站沒有大量的無功補償和濾波裝置，交流場設備很少，因此比傳統(tǒng)直流輸電占地面積少得多。 2、當然，柔性直流輸電相對于傳統(tǒng)直流輸電也存在不足，主要表現(xiàn)在如下幾個方面： （1）損耗較大：傳統(tǒng)直流輸電的單站損耗已低于0.8%，兩電平和三電平VSC的單站損耗在2%左右，MMC的單站損耗可以低于1.5%。柔性直流輸電損耗下降的前景包括兩個方面：①現(xiàn)有技術的進一步提高；②采用新的可關斷器件。柔性直流輸電單站損耗降低到1%以下是可以預期的。 （2）設備成本較高：就目前的技術水平，柔性直流輸電單位容量的設備投資成本高于傳統(tǒng)直流輸電。同樣，柔性直流輸電的設備投資成本降低到與傳統(tǒng)直流輸電相當也是可以預期的。 （3）容量相對較?。河捎谀壳翱申P斷器件的電壓、電流額定值都比晶閘管低，如不采用多個可關斷器件并聯(lián)，VSC的電流額定值就比LCC的低，因此VSC基本單元（單個兩電平或三電平換流器或單個MMC）的容量比LLC基本單元（單個6脈動換流器）的容量低。。目前已投運或正在建設的柔性直流輸電工程的最大容量在1000MW左右，與傳統(tǒng)直流輸電的6000MW以上還存在一定的距離。但是，如果采用VSC基本單元的串、并聯(lián)組合技術，柔性直流輸電達到傳統(tǒng)直流輸電的容量水平是沒有問題的，技術上并不存在根本性的困難?？梢灶A見，在不遠的將來，柔性直流輸電也會采用特高壓電壓等級，其輸送容量會與傳統(tǒng)特高壓直流輸電相當。 （4）不太適合長距離架空線路輸電：目前柔性直流輸電采用的兩電平和三電平VSC或多電平MMC，在直流側(cè)發(fā)生短路時，即使IGBT全部關斷，換流站通過與IGBT反并聯(lián)的二極管，仍然會向故障點饋入電流，從而無法像傳統(tǒng)直流輸電那樣通過換流器自身的控制來清除直流側(cè)的故障。所以，目前的柔性直流輸電技術在直流側(cè)發(fā)生故障時，清除故障的手段是跳換流站交流側(cè)開關。這樣，故障清除和直流系統(tǒng)再恢復的時間就比較長。當直流線路采用電纜時，由于電纜故障率低，且如果發(fā)生故障，通常是永久性故障，本來就應該停電，因此跳交流側(cè)開關并不影響整個系統(tǒng)的可用率。針對此缺陷，目前柔性直流輸電技術的一個重要研究方向就是開發(fā)具有直流側(cè)故障自清除能力的VSC。 （三）柔性直流輸電應用領域及目前工程列表 1、應用領域 柔性直流輸電目前主要的應用領域有異步電網(wǎng)互聯(lián)、小型發(fā)電廠/新能源/分布式能源并網(wǎng)、偏遠山區(qū)/海上供輸電、城市輸配電、電能質(zhì)量改善等方面 2、柔直工程列表 序號 工程名稱 直流電壓 容量 換流器 輸電線路 投運時間 備注 1 Hellsjn 10kV 3MW 2電平 架空線10km 1997 試驗性工程 2 Gotland 80kV 50MW 2電平 電纜70km 1999 風電并網(wǎng) 3 Tjaereborg 9kV 7.2MW 2電平 電纜4.4km 2000 風電并網(wǎng)示范 4 Directlink 80kV 3*60MW 2電平 電纜665km 2000 電網(wǎng)互聯(lián) 5 EaglePassB2B 15.9kV 36MW 3電平 背靠背 2000 背靠背聯(lián)網(wǎng) 6 MurrayLink 150kV 220MW 3電平 電纜180km 2002 電網(wǎng)互聯(lián),電力交易 7 CrossSoundCable 150kV 330MW 3電平 電纜40km 2002 電網(wǎng)互聯(lián),電力交易 8 TrollA 60kV 2*41MW 2電平 電纜67km 2005 海上平臺供電 9 Estlink 150kV 350MW 2電平 電纜105km 2007 非同步聯(lián)網(wǎng) 10 NordE.ON1 150kV 400MW 2電平 電纜406km 2009 風電并網(wǎng) 11 CapriviLink 350kV 300MW 2電平 架空線970km 2009 弱電網(wǎng)互聯(lián) 12 Valhall 150kV 78MW 2電平 電纜292km 2010 鉆井平臺供電 13 EastWest 200kV 500MW 2電平 海纜186km 陸纜70km 2013 東西互聯(lián)工程 14 TransBayCable 200kV 400MW MMC 電纜88km 2010 電網(wǎng)互聯(lián),城市供電 15 上海南匯工程 30kV 18MW MMC 電纜小于14km 2011 風電并網(wǎng) 16 南澳三端 160kV 200/150/50MW MMC 電纜 2013 風電并網(wǎng) 17 DolWin1 320kV 800MW CTL（MMC） 海纜75km、陸纜90km 2014 風電并網(wǎng) 18 INELFE 320kV 21000MW MMC 陸纜65km 2014 法西聯(lián)網(wǎng) 19 BorWin2 300kV 800MW CTL（MMC） 海纜125km、陸纜75km 2014 風電并網(wǎng) 20 HelWin1 259kV 576MW MMC 海底電纜85km 2014 風電并網(wǎng) 21 HelWin2 320kV 690MW MMC 電纜131km 2014 風電并網(wǎng) 22 Skagerrak4 500kV 700MW MMC 海纜140km、陸纜104km 2014 跨海聯(lián)網(wǎng) 23 SylWin1 320kV 864MW MMC 海纜160km、陸纜45km 2014 風電并網(wǎng) 24 DolWin2 320kV 900MW CTL（MMC） 海纜135km 2015 風電并網(wǎng) 25 TrollA二期 60kV 100MW CTL（MMC） 海纜4x70km 2015 海上平臺供電 26 NordBalt 300kV 700MW MMC 海纜400km、陸纜50km 2015 北波互聯(lián)工程 27 北海德國聯(lián)網(wǎng)工程 320kV 900MW MMC 電纜135km 2015 風電并網(wǎng) 28 SuperStation 345kV 750MW MMC 背靠背 2015 電網(wǎng)互聯(lián) 29 South-Westlink 300kV 700MW MMC 陸纜200km 2016 地下輸電 30 舟山多端 200kV 400/300/100/100/100MW MMC 電纜134km 2014 海島聯(lián)網(wǎng) 31 廈門供電 320kV 1000MW MMC 電纜15km 2015 城市供電 32 云南魯西背靠背工程 350kV 1000MW MMC 背靠背 2016 電網(wǎng)互聯(lián) 二、 柔性直流輸電的分類與結構組成 （1） 柔性直流輸電的分類及優(yōu)缺點對比 已有柔性直流輸電工程采用的VSC主要有三種，即兩電平換流器、二極管箝位型三電平換流器和模塊化多電平換流器（MMC），模塊化多電平換流器在各種特性上都比較優(yōu)越，所以模塊化多電平為現(xiàn)在普遍應用的技術。 兩電平換流器的拓撲結構最簡單，如圖2.1所示。他有六個橋臂，每個橋臂由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和與之反并聯(lián)的二極管組成。在高壓大功率的情況下，為提高換流器容量和系統(tǒng)的電壓等級，每個橋臂由多個IGBT及其相并聯(lián)的二極管相互串聯(lián)來獲得，其串聯(lián)的個數(shù)由換流器的額定功率、電壓等級和電力電子開關器件的通流能力與耐壓強度決定。相對于接地點，兩電平換流器每相可輸出兩個電平，顯然兩電平換流器需通過PWM逼近正弦波。 圖2.1：兩電平拓撲結構和單個橋臂結構 圖2.2：兩電平換流器的單相輸出波形 二極管箝位性三電平換流器如圖2.3所示。三相換流器通常公用直流電容器。三電平換流器每相可以輸出三個電平，也是通過PWM逼近正弦波的。 圖2.3 二極管箝位型三電平換流器的基本結構 圖2.4 三電平換流器的單相輸出波形 模塊化多電平換流器（MMC）的橋臂不是由多個開關器件直接串聯(lián)構成的，而是采用了子模塊（Sub-Module，SM）級聯(lián)的方式。 圖2.5 模塊化多電平換流器（MMC）的基本結構 2.6：MMC單個子模塊（SM）的結構 MMC的每個橋臂由N個子模塊和一個串聯(lián)電抗器Lo組成，同相的上下兩個橋臂構成一個相單元，如圖2.5所示。MMC的子模塊一般采用半個H橋結構，如圖2.6所示。其中，uc為子模塊電容電壓，usm和ism分別為單個子模塊的輸出電壓和電流。MMC的單相輸出電壓波形如圖2.7所示?？梢?，MMC的工作原理與兩電平和三電平換流器不同，它不是采用PWM來逼近正弦波，而是采用階梯波的方式來逼近正弦波。 圖2.7 MMC的單相輸出電壓波形 1、相對于兩電平和三電平換流器拓撲結構，MMC拓撲結構具有以下幾個明顯優(yōu)勢： （1） 制造難度下降：不需要采用基于IGBT直接串聯(lián)而構成的閥，這種閥在制造上有相當?shù)碾y度，只有離散性非常小的IGBT才能滿足靜態(tài)和動態(tài)均壓的要求，一般市售的IGBT是難以滿足要求的。因而MMC拓撲結構大大降低了制造商進入柔性直流輸電領域的技術門檻。 （2） 損耗成倍下降：MMC拓撲結構大大降低了IGBT的開關頻率，從而使換流器的損耗成倍下降。因為MMC拓撲結構采用階梯波逼近正弦波的調(diào)制方式，理想情況下，一個工頻周期內(nèi)開關器件只要開關2次，考慮了電容電壓平衡控制和其他控制因素后，開關器件的開關頻率通常不超過150Hz，這與兩電平和三電平換流器拓撲結構開關器件的開關頻率在1kHz以上形成了鮮明的對比。 （3） 階躍電壓降低：由于MMC所產(chǎn)生的電壓階梯波的每個階梯都不大，MMC橋臂上的階躍電壓和階躍電流都比較小，從而使得開關器件承受的應力大為降低，同時也使產(chǎn)生的高頻輻射大為降低，容易滿足電磁兼容指標的要求。 （4） 波形質(zhì)量高：由于MMC通常電平數(shù)很多，所輸出的電壓階梯波已非常接近于正弦波，波形質(zhì)量高，各次諧波含有率和總諧波畸變率已能滿足相關標準的要求，不需要安裝交流濾波器。 （5） 故障處理能力強：由于MMC的子模塊冗余特性，使得故障的子模塊可由冗余的子模塊替換，并且替換過程不需要停電，提高了換流器的可靠性；另外，MMC的直流側(cè)沒有高壓電容器組，并且橋臂上的Lo與分布式的儲能電容器相串聯(lián)，從而可以直接限制內(nèi)部故障或外部故障下的故障電流上升率，使故障的清除更加容易。 2、當然，MMC拓撲結構與兩電平或三電平換流器拓撲結構相比，也有不足的地方： （1）所有器件數(shù)量多：對于同樣的直流電壓，MMC采用的開關器件數(shù)量較大，約為兩電平換流器拓撲結構的2倍。 （2）MMC雖然避免了兩電平和三電平換流器拓撲結構必須采用IGBT直接串聯(lián)閥的困難，但卻將技術難度轉(zhuǎn)移到了控制方面，主要包括子模塊電容電壓的均衡控制以及各橋臂之間的環(huán)流控制。 （2） MMC的工作原理 MMC子模塊具有如下三種工作模式 表中對于表2.1進行分析可得表2.2，表中對于T1、T2、D1和D2，開關狀態(tài)1對應導通，0對應關斷。從表2.2可以看出，對應每一個模式，T1、T2、D1和D2中有且僅有1個管子處于導通狀態(tài)。因此可以認為，SM進入穩(wěn)態(tài)模式后，有且僅有1個管子處于導通狀態(tài)，其余3個管子都處于關斷狀態(tài)。另一方面，若將T1與D1、T2與D2分別集中起來作為開關S1和S2看待，那么對應投入狀態(tài)，S1是導通的，電流可以雙向流動，而S2是斷開的；對應切除狀態(tài)，S2是導通的，電流可以雙向流動，而S1是斷開的；而對應閉鎖狀態(tài)，S1和S2中哪個導通、哪個斷開是不確定的。 表2.1 子模塊的三種工作狀態(tài) 根據(jù)上述分析可以得出結論，只要對每個SM上下兩個IGBT的開關狀態(tài)進行控制，就可以實現(xiàn)投入或者切除該SM。 表2.2 SM的3個工作狀態(tài)和6個工作模式 （3） 柔性直流換流器系統(tǒng)的構成 1、柔性直流系統(tǒng)結構 柔性直流按照接線方式可分為真雙極系統(tǒng)和偽雙極系統(tǒng)。 舟山五端柔直工程采用偽雙極主接線結構，該主接線結構包括換流器區(qū)和極區(qū)，無雙極區(qū)。 圖2.8 舟山偽雙極柔直系統(tǒng)圖 廈門柔直工程為世界上第一個真雙極MMC柔性直流工程，直流主接線結構包括換流器區(qū)、極區(qū)和雙極區(qū)。 圖2.9 廈門真雙極柔直系統(tǒng)圖 圖2.10 戶內(nèi)式換流站設備布置 圖2.11 敞開式換流站設備布置 圖2.12 敞開式換流站設備布置（閥廳透視版） 圖2.13 柔性直流系統(tǒng)示意圖 2、 柔性直流系統(tǒng)主要設備 圖2.13 柔性直流系統(tǒng)主要設備示意圖 如圖2.13，可以看到柔性直流系統(tǒng)主要設備有換流閥、閥電抗器、聯(lián)接變壓器、啟動電阻、交流接地裝置、直流電纜、避雷器、控制保護系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（水冷、空調(diào)）等 （1）聯(lián)結變壓器： 在交流系統(tǒng)和電壓源換流站間提供換流電抗的作用； 進行交流電壓變換，使電壓源換流站獲得理想的工作電壓范圍； 阻止零序電流在交流系統(tǒng)和換流站間流動； （2）啟動電阻 系統(tǒng)啟動之前，MMC各功率模塊電壓為零，換流閥中電子元器件處于關斷狀態(tài)。 限制功率模塊電容的充電電流，減少柔性直流系統(tǒng)上電時對交流系統(tǒng)造成的擾動和防止換流器閥上二極管的過流; 串聯(lián)安裝于聯(lián)接變壓器閥側(cè)或交流系統(tǒng)側(cè)； 啟動電阻僅在系統(tǒng)啟動時工作，啟動結束后由旁路開關將啟動電阻旁路； 啟動電阻應滿足不同的啟動要求，包括一端交流電源對本端換流器功率模塊電容充電和一端交流電源對兩端換流器功率模塊電容同時充電； 電阻應具有足夠的短時電流耐受能力； 電阻應具有足夠的能量耐受能力； 滿足開始充電至換流器解鎖的時間要求（包括交流側(cè)充電和直流側(cè)充電）。 （3）閥電抗器 橋臂電抗器是電壓源換流閥與交流系統(tǒng)之間傳輸功率的紐帶主要功能：抑制換流閥輸出電流、電壓中的諧波分量； 系統(tǒng)發(fā)生擾動或短路時，抑制電流上升率和限制短路電流峰值。 抑制橋臂環(huán)流； 閥電抗器可采用空心電抗器，每個換流器配置6個。 （4）避雷器 柔性直流輸電系統(tǒng)采用無間隙金屬氧化物避雷器（MOA）作為過電壓保護的關鍵設備，它對過電壓進行限制，對設備提供保護； 綜合考慮系統(tǒng)最大持續(xù)運行電壓、荷電率、保護水平和能量要求等因素，選擇避雷器參數(shù)。 （5）測量設備 電子式電壓互感器和電子式電流互感器 柔直測量設備難點：速度要求高，延時要求高。為了避免短路故障電流造成IGBT器件損壞，對于閥控系統(tǒng)的過流保護動作的快速性有著苛刻的要求，要求采集橋臂電流的互感器信號傳輸延時小于100um.準確測量故障時電流上升過程，高采樣速度、寬量程。 常規(guī)直流測量要求 柔性直流測量要求 采樣頻率 10kHz 50kHz 采樣延時 0.5ms 100us 量程 6.0～7.0pu 15.0pu (6)換流閥 換流閥是柔性直流輸電換流站中的核心設備，用于實現(xiàn)交\直和直\交變換。 圖2.14 半橋式MMC子模塊拓撲 如圖2.14所示半橋式MMC子模塊的基本構成為：T1：上管IGBT; T2:下管IGBT ；T3：晶閘管；R1：均壓電阻；C1 支撐電容; S1：旁路開關。 半橋式MMC子模塊核心元件及作用： IGBT作用：核心控制器件，通過控制其開通與關斷，從而控制子模塊輸出電壓 圖2.15 IGBT符號及實物圖 電容作用：支撐和穩(wěn)定子模塊電壓，提供電壓源的核心元件 圖2.16 電容實物圖 均壓電阻作用：1）均衡子模塊電壓2）停運檢修時的泄放回路 圖2.17 均壓電阻實物圖 水冷板（散熱器）作用：IGBT的水冷卻 圖2.18 水冷板（散熱器）實物圖 高壓取能電源作用：從電容取電，為子模塊控制器提供控制電源。 圖2.19 高壓取能電源實物圖 子模塊控制器作用：接收閥控設備的控制信號，對子模塊進行投入和切除操作、晶閘管觸發(fā)操作、旁路開關合閘操作，同時向閥控反饋子模塊運行狀態(tài)、故障狀態(tài)信息 圖2.20 子模塊控制器實物圖 旁路開關作用：對故障子模塊進行旁路操作，實現(xiàn)子模塊的冗余控制 圖2.21 旁路開關實物圖 晶閘管作用：對故障子模塊進行旁路操作進行過流保護 圖2.22 晶閘管關實物圖 圖2.23 子模塊示意圖 圖2.24 閥塔結構示意圖 三、 運行方式 （1） 舟山工程 圖3.1舟山柔直地理圖 圖3.2 舟山柔直拓撲圖 1、運行模式 舟山工程為偽雙極五端柔性直流輸電工程，所以有五種運行方式，分別為二三四五端運行模式和STATCOM 運行模式。 2、啟動步驟 步驟1：換流器解鎖前，合上交流進線開關，通過IGBT模塊的反并聯(lián)二極管對直流電容充電，初步建立直流電壓。 步驟2 ：工作在直流電壓控制模式下的換流站先解鎖，將直流電壓上升至額定電壓。 步驟3 ：功率控制模式和交流電壓模式下的換流站解鎖，逐步建立功率。 3、注意： （1）當工作在直流電壓模式下的換流站閉鎖時，需將原工作在功率控制模式換流站調(diào)整為直流電壓模式，做為直流電網(wǎng)的平衡節(jié)點。 （2）當工作在功率控制模式或交流電壓模式下的換流站閉鎖時，其余換流站可維持原控制模式不變。 （2） 廈門工程 廈門柔性輸電工程為真雙極兩端柔性輸電工程，有如下四種運行方式。 圖3.3 方式一：雙極帶金屬返回線單端接地運行 圖3.4 方式二：單極帶金屬返回線單端接地運行 圖3.5 方式三：雙極不帶金屬返回線雙端接地運行 圖3.6 方式四：單個換流站獨立作為STATCOM運行 四、 控制保護系統(tǒng) （1） 控制系統(tǒng) 柔性直流輸電的控制系統(tǒng)分成三個層：系統(tǒng)監(jiān)視與控制層、控制保護層、現(xiàn)場IO層。 根據(jù)完成的功能與控制的目標，換流站控制保護可以分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制、換流閥級控制、子模塊級控制。 圖4.1 控制系統(tǒng)示意圖 系統(tǒng)級控制：確定柔性直流工程各個換流站的控制目標與相互配合關系。 換流站級控制：確定站內(nèi)的控制策略。 換流閥級控制：產(chǎn)生換流閥基本模塊的觸發(fā)脈沖。 換流器子模塊級控制：該級控制的任務是接收換流器閥級控制產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號，根據(jù)觸發(fā)脈沖信號，對子模塊IGBT進行開通和關斷控制。 外環(huán)控制：外環(huán)控制包括交流電壓控制、無功功率控制、直流電壓控制、有功功率控制、頻率控制 內(nèi)環(huán)控制：內(nèi)環(huán)控制包括內(nèi)環(huán)電流控制、PLL控制 閥控功能：實現(xiàn)換流閥的控制、保護、監(jiān)測；與上層控制保護系統(tǒng)以及換流閥的通信；實現(xiàn)子模塊電容電壓平衡功能以及環(huán)流控制等功能。 控制功能統(tǒng)計表如下： 1、運行方式控制 2、控制模式轉(zhuǎn)換 3、啟停控制 4、多端協(xié)調(diào) 5、交流場控制 6、無功功率控制 7、交流電壓控制 8、內(nèi)環(huán)電流控制 9、鎖相同步控制 10、橋臂環(huán)流控制 11、直流場控制 12、指令整定 13、有功功率控制 14、直流電壓控制 15、頻率控制 16、換流器限流控制 17、換流器監(jiān)視 （2） 保護系統(tǒng) 圖4.2 保護系統(tǒng)示意圖 如圖4.2所示，保護分區(qū)主要分為：1）交流線路保護、2）交流母線保護、3）換流變壓器保護、4)橋臂電抗器保護、5)換流站保護、6)直流母線保護、7)直流線路保護、8)子模塊保護。 保護功能統(tǒng)計如下： 1、聯(lián)結變保護 2、閥保護 （1）閥臂過流暫時性閉鎖保護 （2）閥臂過流永久性閉鎖保護 （3）子模塊過壓保護 3、換流器保護 （1）交流過流保護 （2）橋臂過流保護 （3）橋臂電抗差動保護 （4）閥側(cè)零序分量保護 （5）閥差動保護 （6）橋臂環(huán)流保護 4、直流場保護 （1）直流電壓不平衡保護 （2）直流欠壓過流保護 （3）直流低電壓保護 （4）直流過電壓保護 （5）直流母線差動保護 （6）直流線路縱差保護 5、交流保護 （1）內(nèi)母線保護 （2）交流系統(tǒng)保護 （3）接地裝置保護