柔性直流輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)介與損耗分析

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1、word資料下載可編輯柔性直流輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)介及損耗分析2012-8-29專(zhuān)業(yè)技術(shù)資料word資料下載可編輯摘要隨著可關(guān)斷器件性能的改進(jìn)以及容量的提升，基于電壓源換流器(VSCVoltageSourceConverter)和脈寬調(diào)制(PWMPulseWidthModular)技術(shù)的新一代高壓直流輸電(VSC-HVDC)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。VSC-HVDC是一種新的直流輸電技術(shù)，它具備有功無(wú)功快速獨(dú)立控制、可向遠(yuǎn)距離小功率無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率、易于構(gòu)成多端網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，因此成為解決大容量可再生能源接入、弱交流系統(tǒng)互聯(lián)、城市直流輸配電網(wǎng)、偏遠(yuǎn)地區(qū)

2、供電及提高配網(wǎng)電能質(zhì)量等問(wèn)題的重要手段。目前國(guó)外VSC-HVDC已經(jīng)在海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)、非同步電網(wǎng)互聯(lián)交易等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，而在國(guó)內(nèi)對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制策略等方面也進(jìn)行了大量的研究，并開(kāi)始著手實(shí)際示范工程的建設(shè)。本報(bào)告先簡(jiǎn)要分析了VSC-HVDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理，針對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，闡述了其主要的應(yīng)用領(lǐng)域。然后重點(diǎn)進(jìn)行了VSC-HVDC系統(tǒng)的損耗分析，包括系統(tǒng)損耗的主要構(gòu)成及換流器的損耗計(jì)算方法，同時(shí)分析了PWM調(diào)制方式下的換流器損耗特性。1VSC-HVDC簡(jiǎn)介1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理圖1.1雙端VS

3、C-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖雙端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，兩端換流器通過(guò)直流輸電線路連接，一端運(yùn)行于整流狀態(tài)，另一端運(yùn)行于逆變狀態(tài)，共同實(shí)現(xiàn)兩端交流系統(tǒng)間有功功率的交換。其中的主要部件包括：交流側(cè)換流變壓器、交流濾波器、換流電抗器、全控?fù)Q流器專(zhuān)業(yè)技術(shù)資料word資料下載可編輯以及直流側(cè)電容器。其中全控?fù)Q流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在目前實(shí)際應(yīng)用中主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的三相兩電平或三電平的主電路結(jié)構(gòu)，由于單個(gè)可關(guān)斷器件的耐壓較低，因此每一橋臂均由多個(gè)IGBT或GTO等全控器件串聯(lián)組成，目前ABB公司采用此種方案；另外一種是基于模塊化多電

4、平的主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，其基本的電路單元也稱為子模塊由兩個(gè)全控器件及相應(yīng)的電容器組成，各相橋臂均是通過(guò)一定數(shù)量的具有相同結(jié)構(gòu)的子模塊和閥電抗器構(gòu)成，通過(guò)變化子模塊的數(shù)量即可改變換流器的輸出功率電壓及功率等級(jí)，目前西門(mén)子公司采用此種方案。直流側(cè)電容器為換流器提供電壓支撐、并緩沖橋臂關(guān)斷時(shí)的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。交流側(cè)換流變壓器將系統(tǒng)交流電壓變換到與換流器直流側(cè)電壓相匹配的二次側(cè)電壓，以確保開(kāi)關(guān)調(diào)制度不至于過(guò)小，以減小輸出電壓和電流的諧波量，進(jìn)而可以減小交流濾波裝置的容量。換流電抗器是VSC-HVDC功率傳輸?shù)募~帶，決定了輸送功率的大小及功率控制

5、的性能，兼抑制換流器輸出的電流和電壓中的開(kāi)關(guān)頻率諧波量，以獲得期望的基波電流和基波電壓，同時(shí)能夠抑制短路電流上升速度。交流側(cè)濾波器的作用則是濾除交流側(cè)諧波，由于VSC-HVDC采用了PWM技術(shù)，換流站輸出電壓中的低次諧波很少，主要為開(kāi)關(guān)頻率的整數(shù)倍附近的高次諧波，因此濾波器的體積和容量均大大減小，一般情況下只需配置高通濾波器即可。VSC-HVDC系統(tǒng)根據(jù)主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)及其全控器件的類(lèi)型可以采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)或者脈沖幅值調(diào)制技術(shù)(PAM)。PWM技術(shù)多應(yīng)用于基于IGBT閥的VSC-HVDC換流器控制，而PAM主要應(yīng)用于GTO閥的換流器控

6、制。由于目前VSC-HVDC換流閥主要采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，因此通常采用PWM技術(shù)。以正弦脈寬調(diào)制(SinePulseWidthModulation,SPWM)為例，其控制原理如圖1.2所示。圖中一相SPWM的調(diào)制參考波與三角載波進(jìn)行數(shù)值比較，當(dāng)參考波數(shù)值大于三角載波時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通該相的上橋臂并關(guān)斷該相的下橋臂，反之，當(dāng)參考波數(shù)值小于三角載波時(shí)則觸發(fā)關(guān)斷該相的上橋臂并導(dǎo)通該相的下橋臂。在上下橋臂開(kāi)關(guān)的交替導(dǎo)通和關(guān)斷下，電壓源換流器交流出口電壓是幅值為正負(fù)的脈沖序列，為直流側(cè)電壓。該脈沖系列的基波分量與調(diào)制參考波相位一致，幅值為（，調(diào)制度，為正

7、弦調(diào)制波幅值與三角載波幅值的比值）。因此，從調(diào)制參考波與電壓源換流器交流出口電壓基波分量的關(guān)系看，電壓源換流器可以看成無(wú)相位偏移、增益為的線性放大器。由于調(diào)制參考波的幅值和相位可以通過(guò)PWM的調(diào)制度及移相角度來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，因此電壓源換流器交流輸出電壓的幅值和相位也可通過(guò)這兩個(gè)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。專(zhuān)業(yè)技術(shù)資料word資料下載可編輯(a)VSC單相SPWM控制原理圖(b)VSC交流側(cè)基波等效原理圖圖1.2正弦脈寬調(diào)制原理示意圖如圖1.2(b)所示，當(dāng)忽略換流變壓器和換流電抗器的電阻時(shí)，VSC-HVDC交流系統(tǒng)母線電壓基波分量與電壓源換流器交流出口電壓基波

8、分量共同作用于換流變和電抗器的等效電抗，類(lèi)似于發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)與出口電壓之間的關(guān)系，可以推導(dǎo)出電壓源換流器與交流系統(tǒng)之間交換的有功功率和無(wú)功功率分別式(1-1)和式(1