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(shù)始于1920年代，到目前為止，經(jīng)歷了3次技術(shù)上的革新，其主要推動(dòng)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(shù)采用的換流元件是汞弧閥，所用的換流器拓?fù)涫?脈動(dòng)Graetz橋，其主要應(yīng)用年代是1970年代以前。 圖1.1：汞弧閥 圖1.2：6脈動(dòng)Graetz橋 第二代直流輸電技術(shù)采用的換流元件是晶閘管，所用的換流器拓?fù)淙匀皇?脈動(dòng)Graetz橋，因而其換流理論與第一代直流輸電技術(shù)相同，其應(yīng)用年代是1970年代初直到今后一段時(shí)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(shù)稱(chēng)為傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，其運(yùn)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(chēng)為“電網(wǎng)換相換流器”，英文是“Line Commutated Converter”，縮寫(xiě)是“LCC”。這里必須明確一個(gè)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(lái)，這是不對(duì)的。LCC屬于CSC，但CSC的范圍要比LCC寬廣得多，基于IGBT構(gòu)成的CSC目前也是業(yè)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 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(xué)的Boon-Teck Ooi等提出。在此基礎(chǔ)上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之間進(jìn)行了首次工業(yè)性試驗(yàn)（3 MW，10kV），標(biāo)志著第三代直流輸電技術(shù)的誕生。這種以可關(guān)斷器件和脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的第三代直流輸電技術(shù)，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)組織國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（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(guó)電力科學(xué)研究院組織國(guó)內(nèi)權(quán)威專(zhuān)家在北京召開(kāi)“輕型直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架研討會(huì)”，會(huì)上，與會(huì)專(zhuān)家一致建議國(guó)內(nèi)將基于電壓源換流器技術(shù)的直流輸電（第三代直流輸電技術(shù)）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(diǎn)對(duì)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?xún)?yōu)勢(shì)是多了一個(gè)控制自由度。LCC因?yàn)樗玫钠骷蔷чl管，晶閘管只能控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷，因此LCC的控制自由度只有1個(gè)，就是觸發(fā)角α，這樣LCC實(shí)際上只能控制直流電壓的大小。而VSC因?yàn)樗玫钠骷请p向可控的，既可以控制導(dǎo)通，也可以控制關(guān)斷，因而VSC有2個(gè)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(gè)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，幾乎可以瞬時(shí)地在PQ平面的4個(gè)象限內(nèi)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)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(lài)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(duì)于傳統(tǒng)直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下： （1）沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題：傳統(tǒng)直流輸電由于存在換流器的觸發(fā)延時(shí)角α（一般為10-15度）和關(guān)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(wú)功功率，其數(shù)值約為換流站所通過(guò)的直流功率的40%-60%。因而需要大量的無(wú)功功率補(bǔ)償及濾波設(shè)備，而且在甩負(fù)荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)功功率過(guò)剩，容易導(dǎo)致過(guò)電壓。而柔性直流輸電的VSC不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率，而且本身能夠起到靜止同步補(bǔ)償器的作用，可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流系統(tǒng)無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線(xiàn)電壓。這意味著交流系統(tǒng)故障時(shí)，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(wú)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(méi)有換相失敗問(wèn)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(shí)，很容易發(fā)生換相失敗，導(dǎo)致輸送功率中斷。通常只要逆變站交流母線(xiàn)電壓因交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致瞬間跌落10%以上幅度，就會(huì)引起逆變器換相失敗，而在換相失敗恢復(fù)前，傳統(tǒng)直流系統(tǒng)無(wú)法輸送功率。而柔性直流輸電的VSC采用的是可關(guān)斷器件，不存在換相失敗問(wèn)題，即使受端交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，只要換流站交流母線(xiàn)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(wú)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(gè)電流實(shí)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(dāng)受端交流電網(wǎng)比較弱時(shí)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(wú)源逆變方式，不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)直流輸電受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用直流輸電為孤立負(fù)荷送電成為可能。 （4）可同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率：傳統(tǒng)直流輸電的換流器只有1個(gè)控制自由度，不能同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。而柔性直流輸電的VSC具有2個(gè)控制自由度，可以同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。 （5）諧波水平低：傳統(tǒng)直流輸電的換流器會(huì)產(chǎn)生特征諧波和非特征諧波，必須配置相當(dāng)容量的交流側(cè)濾波器和直流側(cè)濾波器才能滿(mǎn)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(shù)，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)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(wèn)題；對(duì)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(mǎn)足諧波要求。 （6）適合構(gòu)成多端直流系統(tǒng)：傳統(tǒng)直流輸電電流只能單向流動(dòng)，潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，電壓極性反轉(zhuǎn)而電流方向不動(dòng)；因此在構(gòu)成并聯(lián)型多端直流系統(tǒng)時(shí)，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(dòng)，直流電壓極性不能改變；因此構(gòu)成并聯(lián)型多端直流系統(tǒng)時(shí)，在保持多端直流系統(tǒng)電壓恒定的前提下，通過(guò)改變單端電流的方向，單端潮流可以在正、反兩個(gè)方向上調(diào)節(jié)，更能體現(xiàn)出多端直流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。 （7）占地面積?。喝嵝灾绷鬏旊姄Q流站沒(méi)有大量的無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置，交流場(chǎng)設(shè)備很少，因此比傳統(tǒng)直流輸電占地面積少得多。 2、當(dāng)然，柔性直流輸電相對(duì)于傳統(tǒng)直流輸電也存在不足，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)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(gè)方面：①現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步提高；②采用新的可關(guān)斷器件。柔性直流輸電單站損耗降低到1%以下是可以預(yù)期的。 （2）設(shè)備成本較高：就目前的技術(shù)水平，柔性直流輸電單位容量的設(shè)備投資成本高于傳統(tǒng)直流輸電。同樣，柔性直流輸電的設(shè)備投資成本降低到與傳統(tǒng)直流輸電相當(dāng)也是可以預(yù)期的。 （3）容量相對(duì)較?。河捎谀壳翱申P(guān)斷器件的電壓、電流額定值都比晶閘管低，如不采用多個(gè)可關(guān)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(gè)兩電平或三電平換流器或單個(gè)MMC）的容量比LLC基本單元（單個(gè)6脈動(dòng)換流器）的容量低。。目前已投運(yùn)或正在建設(shè)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(shù)，柔性直流輸電達(dá)到傳統(tǒng)直流輸電的容量水平是沒(méi)有問(wèn)題的，技術(shù)上并不存在根本性的困難?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，柔性直流輸電也會(huì)采用特高壓電壓等級(jí)，其輸送容量會(huì)與傳統(tǒng)特高壓直流輸電相當(dāng)。 （4）不太適合長(zhǎng)距離架空線(xiàn)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(shí)，即使IGBT全部關(guān)斷，換流站通過(guò)與IGBT反并聯(lián)的二極管，仍然會(huì)向故障點(diǎn)饋入電流，從而無(wú)法像傳統(tǒng)直流輸電那樣通過(guò)換流器自身的控制來(lái)清除直流側(cè)的故障。所以，目前的柔性直流輸電技術(shù)在直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，清除故障的手段是跳換流站交流側(cè)開(kāi)關(guān)。這樣，故障清除和直流系統(tǒng)再恢復(fù)的時(shí)間就比較長(zhǎng)。當(dāng)直流線(xiàn)路采用電纜時(shí)，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(lái)就應(yīng)該停電，因此跳交流側(cè)開(kāi)關(guān)并不影響整個(gè)系統(tǒng)的可用率。針對(duì)此缺陷，目前柔性直流輸電技術(shù)的一個(gè)重要研究方向就是開(kāi)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(yīng)用領(lǐng)域及目前工程列表 1、應(yīng)用領(lǐng)域 柔性直流輸電目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域有異步電網(wǎng)互聯(lián)、小型發(fā)電廠(chǎng)/新能源/分布式能源并網(wǎng)、偏遠(yuǎn)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(hào) 工程名稱(chēng) 直流電壓 容量 換流器 輸電線(xiàn)路 投運(yùn)時(shí)間 備注 1 Hellsjn 10kV 3MW 2電平 架空線(xiàn)10km 1997 試驗(yàn)性工程 2 Gotland 80kV 50MW 2電平 電纜70km 1999 風(fēng)電并網(wǎng) 3 Tjaereborg 9kV 7.2MW 2電平 電纜4.4km 2000 風(fēng)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(tái)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(fēng)電并網(wǎng) 11 CapriviLink 350kV 300MW 2電平 架空線(xiàn)970km 2009 弱電網(wǎng)互聯(lián) 12 Valhall 150kV 78MW 2電平 電纜292km 2010 鉆井平臺(tái)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(fēng)電并網(wǎng) 16 南澳三端 160kV 200/150/50MW MMC 電纜 2013 風(fēng)電并網(wǎng) 17 DolWin1 320kV 800MW CTL（MMC） 海纜75km、陸纜90km 2014 風(fēng)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(fēng)電并網(wǎng) 20 HelWin1 259kV 576MW MMC 海底電纜85km 2014 風(fēng)電并網(wǎng) 21 HelWin2 320kV 690MW MMC 電纜131km 2014 風(fēng)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(fēng)電并網(wǎng) 24 DolWin2 320kV 900MW CTL（MMC） 海纜135km 2015 風(fēng)電并網(wǎng) 25 TrollA二期 60kV 100MW CTL（MMC） 海纜4x70km 2015 海上平臺(tái)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(guó)聯(lián)網(wǎng)工程 320kV 900MW MMC 電纜135km 2015 風(fēng)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(mén)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(lèi)與結(jié)構(gòu)組成 （1） 柔性直流輸電的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)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(yīng)用的技術(shù)。 兩電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，如圖2.1所示。他有六個(gè)橋臂，每個(gè)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(jí)，每個(gè)橋臂由多個(gè)IGBT及其相并聯(lián)的二極管相互串聯(lián)來(lái)獲得，其串聯(lián)的個(gè)數(shù)由換流器的額定功率、電壓等級(jí)和電力電子開(kāi)關(guān)器件的通流能力與耐壓強(qiáng)度決定。相對(duì)于接地點(diǎn)，兩電平換流器每相可輸出兩個(gè)電平，顯然兩電平換流器需通過(guò)PWM逼近正弦波。 圖2.1：兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單個(gè)橋臂結(jié)構(gòu) 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(gè)電平，也是通過(guò)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(jié)構(gòu) 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(gè)開(kāi)關(guān)器件直接串聯(lián)構(gòu)成的，而是采用了子模塊（Sub-Module，SM）級(jí)聯(lián)的方式。 圖2.5 模塊化多電平換流器（MMC）的基本結(jié)構(gòu) 2.6：MMC單個(gè)子模塊（SM）的結(jié)構(gòu) MMC的每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和一個(gè)串聯(lián)電抗器Lo組成，同相的上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元，如圖2.5所示。MMC的子模塊一般采用半個(gè)H橋結(jié)構(gòu)，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(gè)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?jiàn)，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(lái)逼近正弦波，而是采用階梯波的方式來(lái)逼近正弦波。 圖2.7 MMC的單相輸出電壓波形 1、相對(duì)于兩電平和三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)： （1） 制造難度下降：不需要采用基于IGBT直接串聯(lián)而構(gòu)成的閥，這種閥在制造上有相當(dāng)?shù)碾y度，只有離散性非常小的IGBT才能滿(mǎn)足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓的要求，一般市售的IGBT是難以滿(mǎn)足要求的。因而MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大降低了制造商進(jìn)入柔性直流輸電領(lǐng)域的技術(shù)門(mén)檻。 （2） 損耗成倍下降：MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大降低了IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，從而使換流器的損耗成倍下降。因?yàn)镸MC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用階梯波逼近正弦波的調(diào)制方式，理想情況下，一個(gè)工頻周期內(nèi)開(kāi)關(guān)器件只要開(kāi)關(guān)2次，考慮了電容電壓平衡控制和其他控制因素后，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率通常不超過(guò)150Hz，這與兩電平和三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率在1kHz以上形成了鮮明的對(duì)比。 （3） 階躍電壓降低：由于MMC所產(chǎn)生的電壓階梯波的每個(gè)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(kāi)關(guān)器件承受的應(yīng)力大為降低，同時(shí)也使產(chǎn)生的高頻輻射大為降低，容易滿(mǎn)足電磁兼容指標(biāo)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(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，不需要安裝交流濾波器。 （5） 故障處理能力強(qiáng)：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(guò)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(méi)有高壓電容器組，并且橋臂上的Lo與分布式的儲(chǔ)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(dāng)然，MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與兩電平或三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，也有不足的地方： （1）所有器件數(shù)量多：對(duì)于同樣的直流電壓，MMC采用的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量較大，約為兩電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的2倍。 （2）MMC雖然避免了兩電平和三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須采用IGBT直接串聯(lián)閥的困難，但卻將技術(shù)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(duì)于表2.1進(jìn)行分析可得表2.2，表中對(duì)于T1、T2、D1和D2，開(kāi)關(guān)狀態(tài)1對(duì)應(yīng)導(dǎo)通，0對(duì)應(yīng)關(guān)斷。從表2.2可以看出，對(duì)應(yīng)每一個(gè)模式，T1、T2、D1和D2中有且僅有1個(gè)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此可以認(rèn)為，SM進(jìn)入穩(wěn)態(tài)模式后，有且僅有1個(gè)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，其余3個(gè)管子都處于關(guān)斷狀態(tài)。另一方面，若將T1與D1、T2與D2分別集中起來(lái)作為開(kāi)關(guān)S1和S2看待，那么對(duì)應(yīng)投入狀態(tài)，S1是導(dǎo)通的，電流可以雙向流動(dòng)，而S2是斷開(kāi)的；對(duì)應(yīng)切除狀態(tài)，S2是導(dǎo)通的，電流可以雙向流動(dòng)，而S1是斷開(kāi)的；而對(duì)應(yīng)閉鎖狀態(tài)，S1和S2中哪個(gè)導(dǎo)通、哪個(gè)斷開(kāi)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(jié)論，只要對(duì)每個(gè)SM上下兩個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)投入或者切除該SM。 表2.2 SM的3個(gè)工作狀態(tài)和6個(gè)工作模式 （3） 柔性直流換流器系統(tǒng)的構(gòu)成 1、柔性直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 柔性直流按照接線(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)，該主接線(xiàn)結(jié)構(gòu)包括換流器區(qū)和極區(qū)，無(wú)雙極區(qū)。 圖2.8 舟山偽雙極柔直系統(tǒng)圖 廈門(mén)柔直工程為世界上第一個(gè)真雙極MMC柔性直流工程，直流主接線(xiàn)結(jié)構(gòu)包括換流器區(qū)、極區(qū)和雙極區(qū)。 圖2.9 廈門(mén)真雙極柔直系統(tǒng)圖 圖2.10 戶(hù)內(nèi)式換流站設(shè)備布置 圖2.11 敞開(kāi)式換流站設(shè)備布置 圖2.12 敞開(kāi)式換流站設(shè)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(shè)備 圖2.13 柔性直流系統(tǒng)主要設(shè)備示意圖 如圖2.13，可以看到柔性直流系統(tǒng)主要設(shè)備有換流閥、閥電抗器、聯(lián)接變壓器、啟動(dòng)電阻、交流接地裝置、直流電纜、避雷器、控制保護(hù)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（水冷、空調(diào)）等 （1）聯(lián)結(jié)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(jìn)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(dòng)； （2）啟動(dòng)電阻 系統(tǒng)啟動(dòng)之前，MMC各功率模塊電壓為零，換流閥中電子元器件處于關(guān)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(shí)對(duì)交流系統(tǒng)造成的擾動(dòng)和防止換流器閥上二極管的過(guò)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(dòng)電阻僅在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)工作，啟動(dòng)結(jié)束后由旁路開(kāi)關(guān)將啟動(dòng)電阻旁路； 啟動(dòng)電阻應(yīng)滿(mǎn)足不同的啟動(dòng)要求，包括一端交流電源對(duì)本端換流器功率模塊電容充電和一端交流電源對(duì)兩端換流器功率模塊電容同時(shí)充電； 電阻應(yīng)具有足夠的短時(shí)電流耐受能力； 電阻應(yīng)具有足夠的能量耐受能力； 滿(mǎn)足開(kāi)始充電至換流器解鎖的時(shí)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(dòng)或短路時(shí)，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(gè)換流器配置6個(gè)。 （4）避雷器 柔性直流輸電系統(tǒng)采用無(wú)間隙金屬氧化物避雷器（MOA）作為過(guò)電壓保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，它對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行限制，對(duì)設(shè)備提供保護(hù)； 綜合考慮系統(tǒng)最大持續(xù)運(yùn)行電壓、荷電率、保護(hù)水平和能量要求等因素，選擇避雷器參數(shù)。 （5）測(cè)量設(shè)備 電子式電壓互感器和電子式電流互感器 柔直測(cè)量設(shè)備難點(diǎn)：速度要求高，延時(shí)要求高。為了避免短路故障電流造成IGBT器件損壞，對(duì)于閥控系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)動(dòng)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(hào)傳輸延時(shí)小于100um.準(zhǔn)確測(cè)量故障時(shí)電流上升過(guò)程，高采樣速度、寬量程。 常規(guī)直流測(cè)量要求 柔性直流測(cè)量要求 采樣頻率 10kHz 50kHz 采樣延時(shí) 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(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)交\直和直\交變換。 圖2.14 半橋式MMC子模塊拓?fù)? 如圖2.14所示半橋式MMC子模塊的基本構(gòu)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(kāi)關(guān)。 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(guò)控制其開(kāi)通與關(guān)斷，從而控制子模塊輸出電壓 圖2.15 IGBT符號(hào)及實(shí)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(shí)物圖 均壓電阻作用：1）均衡子模塊電壓2）停運(yùn)檢修時(shí)的泄放回路 圖2.17 均壓電阻實(shí)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(shí)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(shí)物圖 子模塊控制器作用：接收閥控設(shè)備的控制信號(hào)，對(duì)子模塊進(jìn)行投入和切除操作、晶閘管觸發(fā)操作、旁路開(kāi)關(guān)合閘操作，同時(shí)向閥控反饋?zhàn)幽K運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)信息 圖2.20 子模塊控制器實(shí)物圖 旁路開(kāi)關(guān)作用：對(duì)故障子模塊進(jìn)行旁路操作，實(shí)現(xiàn)子模塊的冗余控制 圖2.21 旁路開(kāi)關(guān)實(shí)物圖 晶閘管作用：對(duì)故障子模塊進(jìn)行旁路操作進(jìn)行過(guò)流保護(hù) 圖2.22 晶閘管關(guān)實(shí)物圖 圖2.23 子模塊示意圖 圖2.24 閥塔結(jié)構(gòu)示意圖 三、 運(yùn)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?fù)鋱D 1、運(yùn)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(yùn)行方式，分別為二三四五端運(yùn)行模式和STATCOM 運(yùn)行模式。 2、啟動(dòng)步驟 步驟1：換流器解鎖前，合上交流進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，通過(guò)IGBT模塊的反并聯(lián)二極管對(duì)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(dāng)工作在直流電壓模式下的換流站閉鎖時(shí)，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(diǎn)。 （2）當(dāng)工作在功率控制模式或交流電壓模式下的換流站閉鎖時(shí)，其余換流站可維持原控制模式不變。 （2） 廈門(mén)工程 廈門(mén)柔性輸電工程為真雙極兩端柔性輸電工程，有如下四種運(yùn)行方式。 圖3.3 方式一：雙極帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行 圖3.4 方式二：?jiǎn)螛O帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行 圖3.5 方式三：雙極不帶金屬返回線(xiàn)雙端接地運(yùn)行 圖3.6 方式四：?jiǎn)蝹€(gè)換流站獨(dú)立作為STATCOM運(yùn)行 四、 控制保護(hù)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(gè)層：系統(tǒng)監(jiān)視與控制層、控制保護(hù)層、現(xiàn)場(chǎng)IO層。 根據(jù)完成的功能與控制的目標(biāo)，換流站控制保護(hù)可以分為系統(tǒng)級(jí)控制、換流站級(jí)控制、換流閥級(jí)控制、子模塊級(jí)控制。 圖4.1 控制系統(tǒng)示意圖 系統(tǒng)級(jí)控制：確定柔性直流工程各個(gè)換流站的控制目標(biāo)與相互配合關(guān)系。 換流站級(jí)控制：確定站內(nèi)的控制策略。 換流閥級(jí)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(jí)控制：該級(jí)控制的任務(wù)是接收換流器閥級(jí)控制產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號(hào)，根據(jù)觸發(fā)脈沖信號(hào)，對(duì)子模塊IGBT進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷控制。 外環(huán)控制：外環(huán)控制包括交流電壓控制、無(wú)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(shí)現(xiàn)換流閥的控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)；與上層控制保護(hù)系統(tǒng)以及換流閥的通信；實(shí)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(jì)表如下： 1、運(yùn)行方式控制 2、控制模式轉(zhuǎn)換 3、啟?？刂? 4、多端協(xié)調(diào) 5、交流場(chǎng)控制 6、無(wú)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(chǎng)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(hù)系統(tǒng) 圖4.2 保護(hù)系統(tǒng)示意圖 如圖4.2所示，保護(hù)分區(qū)主要分為：1）交流線(xiàn)路保護(hù)、2）交流母線(xiàn)保護(hù)、3）換流變壓器保護(hù)、4)橋臂電抗器保護(hù)、5)換流站保護(hù)、6)直流母線(xiàn)保護(hù)、7)直流線(xiàn)路保護(hù)、8)子模塊保護(hù)。 保護(hù)功能統(tǒng)計(jì)如下： 1、聯(lián)結(jié)變保護(hù) 2、閥保護(hù) （1）閥臂過(guò)流暫時(shí)性閉鎖保護(hù) （2）閥臂過(guò)流永久性閉鎖保護(hù) （3）子模塊過(guò)壓保護(hù) 3、換流器保護(hù) （1）交流過(guò)流保護(hù) （2）橋臂過(guò)流保護(hù) （3）橋臂電抗差動(dòng)保護(hù) （4）閥側(cè)零序分量保護(hù) （5）閥差動(dòng)保護(hù) （6）橋臂環(huán)流保護(hù) 4、直流場(chǎng)保護(hù) （1）直流電壓不平衡保護(hù) （2）直流欠壓過(guò)流保護(hù) （3）直流低電壓保護(hù) （4）直流過(guò)電壓保護(hù) （5）直流母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù) （6）直流線(xiàn)路縱差保護(hù) 5、交流保護(hù) （1）內(nèi)母線(xiàn)保護(hù) （2）交流系統(tǒng)保護(hù) （3）接地裝置保護(hù)