柔性直流輸電

1、柔性直流輸電、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?6 脈動 Graetz 橋， 其主要應(yīng)用年代是 1970 年代以圖 1.1：汞弧閥圖 1.2： 6 脈動 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?6 脈動 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 間。圖 1.

2、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 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(gòu)成的 CSC 目前也是業(yè)界研究的

3、一個熱點(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 （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) ， 國際權(quán)威學(xué)術(shù)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

4、 年 5 月， 由中國電力科學(xué)研究院組織國內(nèi)權(quán)威專家在北京召開“輕型直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(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(dǎo)通而不 能控制關(guān)斷 ，因此 LCC

5、的控制自由度只有 1 個，就是觸發(fā)角 ， 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(dǎo)通 ， 也可以控制關(guān)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(jī)或發(fā)電機(jī)， 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(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

6、統(tǒng)直流輸電的技術(shù)優(yōu) 勢如下 ：（1）沒有無功補(bǔ)償問題 ： 傳統(tǒng)直流輸電由于存在換流器的 觸發(fā)延時角 （一般為 10-15 度）和關(guān)斷角 （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(bǔ)償及濾波設(shè)備 ， 而且在甩負(fù)荷時會出現(xiàn)無功功率過剩 ， 容易導(dǎo)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(bǔ)償器的作用，可以動態(tài)補(bǔ)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

7、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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(guān)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(yán)重故障 ， 只要換流站交流母線仍然有電壓 ，

8、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(dāng)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(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）可同時獨(dú)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

9、制自由度 ， 不能同時獨(dú)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(dú)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(dāng)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(shù) ，開關(guān)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(gòu)成多端直流系統(tǒng) ：傳統(tǒng)直流輸電電流只能單向

10、 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(gòu) 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(gòu)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）占地面積小 ： 柔性直流輸電換流站沒有大量的無功補(bǔ) 償和濾波裝置 ， 交流場設(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）

11、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 ： 現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步提高 ； 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（3） 容量相對較小 ：由于目前可關(guān)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(guān)斷器件并聯(lián) ， VSC 的電 流額

12、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(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 沒有問題的 ， 技術(shù)上并不存在根本性的困難 。可以預(yù)見 ，在不 遠(yuǎn)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(dāng) 。（4） 不太適合長距離架空線路輸電 ：目前

13、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(guān)斷 ， 換流站通過與 IGBT反并聯(lián)的二極管 ， 仍然會向故障點(diǎn)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(shù)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(guān) 。 這樣 ， 故障清除和直流系統(tǒng)再恢復(fù)的時間就比較 長。 當(dāng)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(yīng)該停電 ，因此跳交流側(cè)開 關(guān)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(shù)的一

14、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(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 / 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、柔直工程列表序號工程名稱直流電壓容量換流器輸電線路投運(yùn)時間備注1He?llsj?n10 kV3MW2 電平架空線 10km1997試驗性工程2Gotland80kV50MW2 電平電纜 70km1999風(fēng)電并網(wǎng)3Tjaereborg9kV7.2MW2 電平電纜 4.4km2000風(fēng)電并網(wǎng)示范4Directlink80kV3

15、*60MW2 電平電纜 665km2000電網(wǎng)互聯(lián)5EaglePassB2B15.9kV36MW3 電平背靠背2000背靠背聯(lián)4Fokk O90076CrossS oundCa bleW 咯OIAIIAI2毋2毋2毋2毋2毋2毋3毋3毋|電纜88km|海纜186km 陸纜70km2 O _k O2 O _k O2 O92 O92 O72 O52 OSH 知N毋斗口卜弟鬪 毋N毋國卅s a毋一口卜毋毋H國泓 N毋毋H國泓N15上海南匯工程30kV18MWMMC電纜小于14km2011風(fēng)電并網(wǎng)200/1516南澳三端160kV0/50MMMC電纜2013風(fēng)電并網(wǎng)W17DolWin1320kV800

16、MWCTL（MMC）海纜 75km 、陸纜 90km2014風(fēng)電并網(wǎng)18INELFE320kV21000MWMMC陸纜 65km2014法西聯(lián)網(wǎng)19BorWin2300kV800MWCTL（MMC）海纜 125km 、陸纜 75km2014風(fēng)電并網(wǎng)20HelWin1259kV576MWMMC海底電纜 85km2014風(fēng)電并網(wǎng)21HelWin2320kV690MWMMC電纜 131km2014風(fēng)電并網(wǎng)22Skagerrak4500kV700MWMMC海纜 140km 、陸纜 104km2014跨海聯(lián)網(wǎng)23SylWin1320kV864MWMMC海纜 160km 、陸纜 45km2014風(fēng)電并網(wǎng)2

17、4DolWin2320kV900MWCTL海纜 135km2015風(fēng)電并網(wǎng)（MMC）CTL25TrollA 二期60kV100MW（MMC）海纜 4x70km2015海上平臺供電26NordBalt300kV700MWMMC海纜 400km 、陸纜 50km2015北波互聯(lián)工程27北海德國聯(lián)網(wǎng)工程320kV900MWMMC電纜 135km2015風(fēng)電并網(wǎng)28SuperStation345kV750MWMMC背靠背2015電網(wǎng)互聯(lián)29South-West link300kV700MWMMC陸纜 200km2016地下輸電400/300/130舟山多端200kV00/100/10MMC電纜 134

18、km2014海島聯(lián)網(wǎng)0MW31廈門供電320kV1000MWMMC電纜 15km2015城市供電32云南魯西背靠背工程350kV1000MWMMC背靠背2016電網(wǎng)互聯(lián)二、柔性直流輸電的分類與結(jié)構(gòu)組成（一） 柔性直流輸電的分類及優(yōu)缺點(diǎn)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(yīng)用的技術(shù) 。 兩電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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

19、。 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(guān)器件的通流能力與耐壓強(qiáng)度決定。 相對于接地點(diǎn)， 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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單個橋臂結(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(jié)構(gòu)圖 2.

20、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(guān)器件直接串聯(lián)構(gòu)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(jié)構(gòu)2.6：MMC 單個子模塊 （ SM）的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(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

21、示 。 可見 ， 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 。1、相對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(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?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)門檻 。（2）損耗成倍下降 ：MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大降低了 IGBT 的開 關(guān)頻率 ，從而使換流器的損耗成

22、倍下降 。 因為 MMC 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 ，一個工頻周 期內(nèi)開關(guān)器件只要開關(guān) 2 次， 考慮了電容電壓平衡控制和其他 控制因素后 ，開關(guān)器件的開關(guān)頻率通常不超過150Hz ， 這與兩電平和三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)器件的開關(guān)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(guān)器件承受的應(yīng)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(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

23、 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(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(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 ：對于同樣的直

24、流電壓 ，MMC 采用 的開關(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 。（二） 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(jìn)行分析可得表 2.2，表中對于 T1、T2、D1 和 D2 ，開關(guān)狀態(tài) 1對應(yīng)導(dǎo)通 ， 0對應(yīng)關(guān)斷 。從表 2.2 可以看出 ， 對應(yīng)每一個模式 ， T1、 T2、 D1 和 D2 中有且僅有 1 個管子處于 導(dǎo)通狀態(tài) 。因此可以認(rèn)為 ，S

25、M 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)模式后 ，有且僅有 1 個 管子處于導(dǎo)通狀態(tài) ， 其余 3 個管子都處于關(guān)斷狀態(tài) 。 另一方 面，若將 T1 與 D1、T2 與 D2 分別集中起來作為開關(guān) S1 和 S2 看待 ，那么對應(yīng)投入狀態(tài) ，S1 是導(dǎo)通的 ， 電流可以雙向流動 ，而 S2 是斷開的 ；對應(yīng)切除狀態(tài) ，S2 是導(dǎo)通的 ，電流可以雙向流 動，而 S1 是斷開的 ；而對應(yīng)閉鎖狀態(tài) ，S1 和 S2 中哪個導(dǎo)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(jié)論 ， 只要對每個 SM 上下兩個IGBT 的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)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

26、作狀態(tài)和 6 個工作模式（三）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(jié)構(gòu)， 該主接線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)備布置圖 2.11 敞開式換流站設(shè)備布置圖 2.12 敞開式換流站設(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

27、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 ；（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(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 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)

28、 ； 啟動電阻僅在系統(tǒng)啟動時工作 ， 啟動結(jié)束后由旁路開關(guān)將 啟動電阻旁路 ；啟動電阻應(yīng)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(yīng)具有足夠的短時電流耐受能力 ； 電阻應(yīng)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

29、 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(hù)的關(guān)鍵設(shè)備 ，它對過電壓進(jìn)行限制 ， 對設(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）測量設(shè)備 電子式電壓互感器和電子式電流互感器 柔直測量設(shè)備難點(diǎn) ： 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(hù)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(zhǔn)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

30、要求采樣頻率10kHz50kHz采樣延時0.5ms100us量程6.07.0pu15.0pu（6）換流閥換流閥是柔性直流輸電換流站中的核心設(shè)備 ，用于實現(xiàn)交直和直 交變換 。圖 2.14 半橋式 MMC 子模塊拓?fù)淙鐖D 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 ，通過控制其開通與關(guān)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 ，

31、提供電壓源的核心元圖 2.16 電容實物圖均壓電阻作用 ： 1） 均衡子模塊電壓 2）停運(yùn)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(shè)備的控制信號 ， 對子模塊 進(jìn)行投入和切除操作 、 晶閘管觸發(fā)操作 、旁路開關(guān)合閘操作同時向閥控反饋?zhàn)幽K運(yùn)行狀態(tài) 、故障狀態(tài)信息圖 2.20 子模塊控制器實物圖旁路開關(guān)作用的冗余控制：對故障子模塊進(jìn)行旁路操作 ， 實現(xiàn)子模塊圖 2.21 旁路開關(guān)實物

32、圖晶閘管作用 ： 對故障子模塊進(jìn)行旁路操作進(jìn)行過流保護(hù)圖 2.22 晶閘管關(guān)實物圖圖 2.23 子模塊示意圖圖 2.24 閥塔結(jié)構(gòu)示意圖三、運(yùn)行方式一）舟山工程圖 3.1 舟山柔直地理圖 圖 3.2 舟山柔直拓?fù)鋱D1、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、啟動步驟步驟 1：換流器解鎖前 ， 合上交流進(jìn)線開關(guān) ，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(dāng)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(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 ，其余換流站可維