柔性直流输电的发展(第6章补充)ppt课件.ppt
柔性直流输电的发展与运行原理赵 成 勇2012年3月13日,新能源电网研究所,2,内 容 提 要,1 柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程及一次设备5 柔性直流输电RTDS仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状,3,柔性直流输电的发展,1954年，连接Gotland与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流输电线路建成，标志着以电流源换流器为基础的直流输电（LCC-HVDC）进入了商业化时代。1990年，加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等首次提出使用脉宽调制技术（PWM）进行控制的电压源换流器直流输电（VSC-HVDC）的概念。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首条工业试验VSC-HVDC工程。从此VSC-HVDC作为一种新兴的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段。,4,柔性直流输电的发展,ABB公司称之为轻型直流输电（HVDC Light）并作为商标注册；Siemens公司将其注册为新型直流HVDCPLUS；国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为VSC-HVDC，即“电压源换流器型高压直流输电”。国内很多专家称之为“柔性直流（HVDC-Flexible）”。,不同的称谓,5,柔性直流输电的技术特点,能对有功和无功进行独立控制，能给无源网络提供电源；能为交流侧提供无功支持，起到STATCOM的作用，对电压质量和电压问题提供支撑；换流站标准化、小型化，整体式的设计以及可以进行出厂前的调试，有利于缩短施工时间，并保证其可靠性；无需架设架空线，并在噪音水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面满足环境保护的要求。,6,向城市中心送电,连接分布电源,非同步联网,提高配电网电能质量,促进电力市场发展,向远方孤立负荷点送电,方便地调节有功和无功，改善系统的运行性能,风电场、小型水电厂、太阳能电站及其它新能源发电系统,用电量急增，线路走廊困难,构建地区电力供应商交换电力的可行性平台，增加运行灵活性和可靠性,快速控制有功无功，使电压、电流满足电能质量标准要求,如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等,柔性直流输电的应用场合,MTDC,7,世界上已投运的柔性直流输电工程,8,世界上已投运的柔性直流输电工程,9,世界上已投运的柔性直流输电工程,10,世界上在建的部分柔性直流输电工程,11,世界上在建的部分柔性直流输电工程,12,从世界上第一个试验性的工程赫尔斯扬（Hellsjion）工程至今，VSC-HVDC最大输电容量由3MW发展到21000MW，直流电压由10kV提升到500kV。随着直流电缆制造水平和半导体器件制造工艺的快速提升，高电压大容量的柔性直流输电系统将具备应用于大规模输电网的能力。,柔性直流输电的发展趋势,13,内 容 提 要,1 柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电RTDS仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状,14,传统直流输电系统（LCC-HVDC）的拓扑,柔性直流与传统直流的比较,15,柔性直流输电系统（VSC-HVDC）的拓扑（二电平为例）,柔性直流与传统直流的比较,16,电流源换流器,电压源换流器,柔性直流与传统直流的比较,晶闸管（Thyristor）,绝缘栅双极型晶体管(IGBT),17,电流源和电压源换流器的比较,柔性直流与传统直流的比较,18,柔性直流与传统直流的比较,19,柔性直流与传统直流的比较,20,此外，由于VSC交流侧电流可以控制，同HVDC，不会增加系统的短路容量，也即增加柔性直流输电线路后，交流系统的保护整定无需改变。VSC-HVDC能够提高系统阻尼，通常情况下不会引起发电机组的次同步振荡，而且会提高发电机组的次同步阻尼。VSC-HVDC换流站设备小型化和标准模块化模块化设计，占地面积小，设计、生产、安装和调试周期大大缩短，并具有更高的可靠性。,柔性直流与传统直流的比较,21,电压源换流器有多种拓扑结构，但换流器基本运行原理大致相同，假设交流系统电压Us相位是s，换流器出口电压Uc相位滞后Us角度为，双极直流母线电压差为Ud,则 其中，为直流电压利用率，当VSC采用SPWM调制时，=0.816；M为调制比，定义为VSC输出相电压峰值与单极直流电压的比值。可见，对于交流系统而言，VSC可等效于一个端电压幅值、相角均可控，无旋转惯量的同步发电机。,柔性直流输电运行原理,22,柔性直流输电运行原理,由上图可得，从交流系统看进去的有功和无功功率为：,换流站输出电压增益K定义为VSC输出电压与交流系统电压的比值；之前调制比M定义为VSC输出电压与直流电压的比值。二者定义不同，但均可以反应VSC输出电压幅值的变化。,23,保持恒定而改变K时，得到一系列的直线，如边界值 min和 max；保持K恒定而改变时，能得到一系列曲线，如Kmin=1-x,Ki=1.0,Kmax=1+x等；当使换流站传输能力恒定将得到|P+Q|=1的圆;,VSC的PQ图,柔性直流输电运行原理,24,通过以上分析可知，改变VSC输出电压的幅值和相位可以使其连续运行在功率圆内的任意一点。因此，它能完全独立解耦地控制有功功率和无功功率的交换。若不需要传输有功功率，换流站可以作为STATCOM运行，为交流系统提供容性或感性无功支持，这与传统HVDC需要消耗大量无功功率是有本质区别的。,柔性直流输电运行原理,25,内 容 提 要,1 柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电RTDS仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状,26,柔性直流输电换流器拓扑及调制策略,拓扑结构1两电平结构,现在世界范围内已投运的柔性直流输电大多为两电平结构,27,三电平结构也有工程投运，比两电平结构开关频率低，损耗小。,拓扑结构2三电平结构,柔性直流输电换流器拓扑及调制策略,28,模块化多电平换流器（MMC）由西门子公司首先实施,拓扑结构3多电平结构1（半桥）,柔性直流输电换流器拓扑及调制策略,29,正常工作状态下，子模块（SM）可以输出0或电容电压,MMC的子模块工作状态,30,MMC各相任意时刻导通子模块数相同，以维持直流电压恒定。,MMC的多电平波形生成机制,31,MMC与2、3电平VSC对比,投资成本较低,模块化设计,输出滤波器容量小,开关频率低损耗小,电压谐波畸变率小,MMC输出的多电平波形,两、三电平VSC输出波形,MMC的技术优势：MMC,32,适合于MMC的调制策略,MMC调制策略的本质是使MMC输出所期望的多电平波形，工程中主要采用载波移相正弦脉宽调制（CPS-SPWM）和最近电平逼近调制（NLM），其中CPS-SPWM适用于电平数较低的场合，NLM适用于具有极高电平数的场合。,CPS-SPWM调制示意图,33,适合于MMC的调制策略,NLM调制示意图 已建成的美国TBC工程以及上海南汇风电场都采用NLM结合电容电压排序均压方法。,34,ABB公司提出的级联两电平（Cascaded Two Level,CTL）结构,拓扑结构4多电平结构2（CTL）,柔性直流输电换流器拓扑及调制策略,35,CTL结构本质上与MMC类似，输出电压仍为多电平，但由于ABB公司具有IGBT直接串联的技术优势，CTL结构中子模块耐压提高，在相同直流电压和容量下，其电平数可大大降低，简化了控制系统以及所需I/O接口数目。ABB公司正在建设以CTL结构为换流器拓扑的柔性直流输电工程，预计2013年投运。,拓扑结构4多电平结构2（CTL）,柔性直流输电换流器拓扑及调制策略,36,ALSTOM公司提出的全桥多电平结构,拓扑结构5多电平结构3（全桥）,柔性直流输电换流器拓扑及调制策略,（a)全桥多电平结构,（b）子模块结构,37,全桥多电平结构,课题组正与韩国LSIS公司合作“全控H桥多电平换流器直流输电控制与保护策略研究”项目。全桥多电平结构与半桥MMC相比，调制和均压策略大体相同，但全桥结构具有穿越直流故障能力，故障时无需跳开交流断路器，便于故障恢复，适用于多端HVDC场合。,38,ALSTOM公司提出的新型混合级联多电平结构,拓扑结构6多电平结构4（新型混合级联）,柔性直流输电换流器拓扑及调制策略,39,MMC与2、3电平的比较,与2、3电平VSC相比，MMC的储能电容分布在桥臂中，桥臂可等效为可控电压源，因此子模块电容电压平衡控制和相间环流抑制使其控制系统变得复杂。与2、3电平VSC相同，MMC也无法穿越直流故障，必须采用可靠性较高的直流电缆，直流故障时必须闭锁换流器同时跳开交流断路器来保护换流器，电力传输被迫中断。,40,MMC存在问题及发展趋势,基于MMC所具备的优点，以及为了打破ABB公司在IGBT串联技术上的垄断，世界范围内在建的柔性直流工程，大多采用MMC结构。,41,MMC存在问题及发展趋势,2000MW换流器将在不远的将来投入市场；基于MMC换流器拓扑的柔性直流输电是未来直流输电领域的发展趋势；多端直流输电以及直流断路器是研究热点。会议得到的其他信息,2011年电力系统及能源国际会议（EPEC2011）在加拿大曼尼托巴省温尼伯市举行，会上TransGrid Solutions(TGS)公司总裁Mohamed Rashwan指出：,42,内 容 提 要,1 柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电RTDS仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状,43,西门子公司建设的世界上第一个采用MMC结构的柔性直流输电工程：HVDC PLUS工程“Trans Bay Cable Project（TBC）”，已于2010年投运。工程的目的是用来消除加利福尼亚州匹兹堡到旧金山之间的输电瓶颈并增强系统的安全性和可靠性。工程投运初期前6个月曾遇到一些问题，现在运行正常（EPEC2011会议ALSTOM工程师提到）。,柔性直流输电典型工程,44,柔性直流输电典型工程,“Trans Bay Cable Project”传输容量：400MW直流电压：200kV桥臂子模块数：216,“Trans Bay Cable Project”,45,柔性直流输电典型工程,TBC工程系统结构示意图,46,柔性直流输电典型工程,TBC工程电缆的铺设,47,柔性直流输电典型工程,TBC工程阀厅的布置,建成后把匹兹堡富余电力送到旧金山，避免在旧金山新建电厂；两端换流站均位于市区，基于多电平换流器的换流站占地面积小，噪声低；工程总体造价约为40亿美金，西门子订单约为15亿美金；西门子第一个柔性直流输电工程，同时也是第一个采用多电平换流器的柔性直流输电工程，已在2010年4月份正式投运,3.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例,跨湾项目工程概况及参数,额定输送容量：400 MW额定直流电压：200 kV额定直流电流：1000 A传输电缆长度：2 88 km,3.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例,跨湾项目工程概况及参数,与常规直流方案换流站相比减少了占地,3.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例,3.4 基于VSC-HVDC城市中心供电案例,HVDC PLUS 与HVDC的比较,换流桥换流变压器换流电抗器交流滤波器直流电容器直流电缆控制与保护系统,VSC-HVDC的设备,主要由七部分构成：,VSC-HVDC的设备1换流桥,换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。对于大容量换流器，每臂可能有上百个IGBT级联而成。IGBT旁边都反并联一个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起续流的作用。,VSC-HVDC的设备2换流变压器,不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的换流变压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规的单相或三相变压器大体类似。,VSC-HVDC的设备3换流电抗器,换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，决定有功功率与无功功率的控制性能作用滤除换流器所产生的特征谐波，以获得期望的基波电流和基波电压；抑制直流过电流的上升速度。,VSC-HVDC的设备4直流电容器,作用：为逆变器提供电压支撑；缓冲桥臂关断时的冲击电流；减小直流侧谐波。,VSC-HVDC系统简介-直流电容器,VSC-HVDC的设备5交流滤波器,换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少。换流电抗器的滤波作用使得电流的谐波较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。故装设小容量滤波器。作用：滤去交流侧电压谐波分量；对系统提供部分无功补偿的作用。,但是，交流滤波器的设计需要与换流电抗器配合。,VSC-HVDC的设备5交流滤波器,从交流系统侧看过去，VSC-HVDC等效为一个谐波电压源(图a)。其中，Lc是换流电抗，Ls是系统等效电抗。图b是h次谐波电压等效网络，使交流滤波器的h次谐波阻抗近似为零，则其与交流系统的等效阻抗Xeq便远远小于换流电抗器的阻抗Xc(图c)。于是，h次谐波电压uh便近乎全部地降落在Xc上，系统所分得的那部分电压就很少。这就是VSC系统中滤波器的工作原理。,61,内 容 提 要,1 柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电数字物理闭环仿真6 我国柔性直流输电发展现状,62,柔性直流输电数字物理闭环仿真,柔性直流输电系统在投运前非常有必要对所采用的控制保护策略以及物理控制器进行实时仿真验证，以保证工程投运后的可靠性。2、3电平VSC-HVDC在RTDS下建模较容易实现，MMC-HVDC在RTDS中全数字建模以及数字物理混合仿真往往受限于RTDS中板卡数目以及I/O接口数目，是当前国内外研究热点。课题组2010年与网联公司合作项目“多电平柔性直流输电系统RTDS模型研究”，对MMC-HVDC在RTDS中建模进行了基础研究。,63,MMC在RTDS下建模难点,（1）需要在RTDS小步长环境下建模 MMC开关频率低，可以考虑在RTDS大步长下建模，但大步长下没有IGBT及二极管的现成模型，受硬件资源限制，MMC与两、三电平VSC一样必须在小步长下建模，则需要研究其与外部变压器、电缆线路及其它部分的接口设计原理。（2）MMC与两、三电平VSC建模的不同点 两、三电平VSC可以直接使用RTDS小步长下已有模型建模；MMC必须使用RTDS公司新近开发的CHAINV3模块进行建模，其使用方法相对较复杂。,64,MMC在RTDS下建模难点,（3）RTDS硬件资源限制 MMC的电平数越高，利用CHAINV3模块对其进行建模时所需GPC卡数量也越多。例如对双端17电平MMC-HVDC在RTDS下建模时，共需两个RACK，10块GPC卡。为了研究RTDS与外部物理控制器的接口设计方法，使用GTDO和GTDI卡实现MMC的控制脉冲经RTDS外部循环。MMC的电平数越高，所需板卡数量也越多。目前只能实现单端17电平MMC-HVDC控制脉冲的外部循环。,65,网联公司多电平建模项目研究内容,多电平柔性直流输电的主回路建模。利用RTDS专门为仿真高频动作的全控型电力电子器件而设计的小步长（1.42.5s）仿真模型，建立多电平柔性直流输电换流阀组及触发脉冲发生装置的仿真模型，并采用具有高速运算能力的GPC处理器对小步长模型进行求解，研究柔性直流输电的换流特性。多电平柔性直流输电换流器模型与外部控制器的接口设计。研究RTDS与外部控制设备的连接和板卡配置方案，以满足实时性要求。小步长换流器模型与外部电路的接口设计。利用RTDS研究小步长子系统模块封装技术及其与大、小步长变压器、电缆线路及其它部分的接口设计方法。,66,MMC在RTDS下建模方法,利用RTDS中已有开关器件建模,一个Bridge Box无法实现所需要的MMC仿真规模。考虑使用小线路模型（VSC Cross Card Bergeron TLine model）增加仿真规模。,67,MMC在RTDS下建模方法,使用一块GPC卡对MMC-HVDC的两相建模，可以达到的仿真规模如右图所示：,利用RTDS自带的元件采用VSC Cross Card Bergeron Tline Model可以在一定程度上增大仿真规模，但是仍无法从根本上解决仿真规模受限的问题。,68,MMC在RTDS下建模方法,考虑利用CBuilder在大步长下建模,大步长下没有IGBT及二极管的现成模型，需要利用RTDS中CBuilder自定义；一个GPC处器只可以处理5个自定义元件；限于硬件资源无法实现MMC在大步长下建模。,69,MMC在RTDS下建模方法,利用CHAINV3对MMC拓扑结构建模,RSCAD 2.015从2009年11月开始可以下载使用CHAINV3模块，如下图所示：,70,MMC在RTDS下建模方法,（1）一块GPC处理器可以处理的模块数（半桥数）,每个GPC处理器可以容纳56个半桥。经过测试，在Bridge Box中不包括变压器时，一个GPC处理器上的半桥数不超过48个时可以成功编译；半桥数超过48不超过54编译时会有警告，但可以通过。在Bridge Box中包括变压器（如下图）时，一个GPC处理器上的半桥数不超过48个时可以成功编译；半桥数超过48时编译出现错误，无法通过。,71,MMC在RTDS下建模方法,（2）一块GPC处理器处理一相桥臂的能力,如果将两个CHAINV3模块分配到一个处理器上，每个模块最多只能容纳19个SM模块。,（3）三块GPC卡处理三相MMC电路的能力 建立三相的MMC模型，通过小步长线路模型进行互联。,经过测试，有如下结论：采用小步长线路模型联接时，MMC模型可达到每个桥臂37个子模块的规模；但是小步长传输线需增长来使传输时间大于最大的小步长时间（3s）。,72,MMC在RTDS下建模方法,测试电路如下图、右图：,主电路,VB1中A相拓扑图,73,小步长线路模型对MMC模型的影响,采用小步长线路模型可以扩大仿真规模，达到所需要的MMC的电平数。但引入小步长线路模型后不能使MMC换流器的运行特性发生改变，因此要分析小步长线路模型对MMC换流器运行性能的影响。在RTDS中小步长线路模型有两种形式，一种是由TLine元件形成的小步长线路模型，另一种是基于TLines数据文件的小步长线路模型。将两者分别称为小步长线路模型（TLine元件）与小步长线路模型（TLines数据文件）。,74,小步长线路模型对MMC模型的影响,测试方法：,建立简单的测试电路，对小步长线路模型的基本使用方法及对电路性能的影响进行简单的测试和验证。,测试所用电路：主电路拓扑结构的电平数为3。子模块中的电容器用理想电源来代替，目的只是为了简单测试控制系统的正确性。控制系统为采用CBuilder自定义的三电平脉冲控制系统。,75,小步长线路模型对MMC模型的影响,利用RTDS原有模型以及CHAINV3模块搭建三电平MMC整流器，对采用小步长线路模型和未采用小步长线路的整流器特性进行对比分析。,76,MMC在RTDS下建模方法,研究确定了采用RTDS中CHAINV3模块对MMC换流阀建模 研究并掌握了小步长换流器模型与外部电路的接口设计方法 研究发现，当变压器选择三角形/星型接地的联接组别且采用小步长线路模型时，单个CHAINV3模块最多可以实现38电平。将若干个CHAINV3模块串联仿真一个桥臂，可以扩大仿真规模，但对RTDS的硬件资源有更高要求 研究并掌握了多电平柔性直流输电模型触发脉冲外部循环的板卡配置方法，分别建立了控制脉冲经RTDS外部循环及内部直接触发的双端17电平MMC-HVDC小步长仿真模型,77,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,78,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,1,RTDS与PXI开环实验,RTDS（MMC-HVDC一次系统）,PXI（MMC-HVDC监控系统）,触发脉冲,11电平开环触发阶梯波波形图,一次系统中换流器没有与交流系统相连；开环系统主要用于解决信号采集、传输、基本处理等问题,79,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,1,1,RTDS与PXI闭环实验：,触发脉冲,一次系统中，换流器已与交流系统相连；闭环系统主要解决基本控制功能程序的搭建和相关参数的调试,系统状态量,RTDS（MMC-HVDC一次系统）,PXI（MMC-HVDC监控系统）,80,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,1,1,RTDS与PXI闭环实验：,RTDS,GTAO,GTDI,PXI,DO接线盒,AI接线盒,81,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,RTDS与PXI闭环实验：,11电平闭环触发信号传输装置,82,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,RTDS与PXI闭环实验：,11电平闭环运行实际装置,83,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,RTDS与PXI闭环实验：,11电平闭环触发换流器出口电压波形图,84,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,RTDS与PXI闭环实验：,定有功控制下有功波形,定交流电压控制下电压有效值,85,柔性直流输电数字物理闭环仿真,1,下一步研究计划：依托华北电力大学国家重点实验室“柔性直流输电平台”建设项目，搭建混合直流输电动模平台，同时探索对更高电平数MMC-HVDC系统进行实时数字仿真的方法。,86,内 容 提 要,1 柔性直流输电的发展2 柔性直流输电运行原理3 柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4 柔性直流输电典型工程5 柔性直流输电RTDS仿真建模6 我国柔性直流输电发展现状,87,1-上海南汇风电场柔性直流输电工程：投运时间：2011年5月传输功率：18MW直流电压:30kVMMC电平数:49,我国柔性直流输电发展现状,2-大连跨海柔性直流输电重大科技示范工程,系统参数：额定容量：1000MW直流电压:320 kV开工时间:2012预计投运：2013,海底电缆,大连,东北大陆,88,我国柔性直流输电发展现状,89,衢山岛,嵊泗岛,岱山岛,舟山岛,芦潮港,洋山岛,我国柔性直流输电发展现状,3-舟山5端MMC-HVDC直流输电工程即将启动建设,系统参数：额定容量：400MW直流电压:200 kV开工时间:2012预计投运：2013,系统参数：额定容量：200MW直流电压:160 kV,90,我国柔性直流输电发展现状,4-南澳风电场柔性直流863项目示范工程,91,研究所柔性直流输电研究情况-2008年以来完成项目,92,研究所柔性直流输电研究情况-在研项目,混合直流输电实验平台,混合直流输电实验平台,相控换流器直流输电系统,电压源换流器直流输电系统,实验平台拟采用的拓扑结构,新能源电力系统国家重点实验室建设项目高电压大功率电力变换与传输,报告人联系方式：赵成勇教授，博士生导师 华北电力大学电气与电子工程学院TEL:010-51971437Email:,谢谢!,
