柔性直流輸電系統(tǒng)簡介與損耗分析

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1、柔性直流輸電系統(tǒng)簡介及損耗分析2012-8-29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。VSC-HVDC是一種新的直流輸電技術(shù)，它具備有功無功快速獨(dú)立控制、可向遠(yuǎn)距離小功率無源網(wǎng)絡(luò)供電、向系統(tǒng)發(fā)出無功功率、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)供電及提高配網(wǎng)電

2、能質(zhì)量等問題的重要手段。目前國外VSC-HVDC已經(jīng)在海上風(fēng)電場并網(wǎng)、非同步電網(wǎng)互聯(lián)交易等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，而在國內(nèi)對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，并開始著手實際示范工程的建設(shè)。本報告先簡要分析了VSC-HVDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理，針對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算方法，同時分析了PWM調(diào)制方式下的換流器損耗特性。1VSC-HVDC簡介1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和

3、基本原理圖1.1雙端VSC-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)，由于單個可關(guān)斷器件的耐壓較低，因此每一橋臂均由多個IGBT或GTO等全控器件串聯(lián)組成，目前ABB公司采用此種

4、方案；另外一種是基于模塊化多電平的主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，其基本的電路單元也稱為子模塊由兩個全控器件及相應(yīng)的電容器組成，各相橋臂均是通過一定數(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，目前西門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，以確保開關(guān)調(diào)制度不至于過小，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

5、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的性能，兼抑制換流器輸出的電流和電壓中的開關(guān)頻率諧波量，以獲得期望的基波電流和基波電壓，同時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)

6、(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閥的換流器控制。由于目前VSC-HVDC換流閥主要采用IGBT作為開關(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

7、開關(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PWM的調(diào)制度及移相角度來實現(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這兩個變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。(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

8、.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，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分量共同作用于換流變和電抗器的等效電抗，類似于發(fā)電機(jī)電動勢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功功率分別式(1-1)和式(1-2)。(1-1)(1-2)由式(1-1)可知，VSC-HVDC有功功率的傳送主要取決于相對于的相位角度。當(dāng)小于零時，換流站