高壓直流輸電技術(shù)研究動態(tài)

高壓直流輸電技術(shù)研究動態(tài)

趙成勇

2011年03月新能源電網(wǎng)研究所內(nèi)容提要1高壓直流輸電〔HVDC〕2電壓源換流器直流輸電〔VSC-HVDC)的現(xiàn)狀與開展趨勢3基于VSC-HVDC的風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)4VSC-HVDC應(yīng)用于智能配電網(wǎng)5本課題組開展的直流輸電研究情況21.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展

HVDC是以直流輸電的方式實現(xiàn)電能傳輸?shù)妮旊姺绞?。直流輸電與交流輸電方式的重要補充，構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。概念：3結(jié)構(gòu)：1.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展41.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展世界的HVDC開展：據(jù)統(tǒng)計，1954年至2009年世界上已投入運行的直流輸電工程有100余項。在最近我國云南—廣東直流工程投運前，HVDC工程中線路電壓等級最高(±600kV)、輸送容量最大(6300MW)的是巴西伊泰普直流輸電工程，輸送距離最長(1700km)的是南非英加—沙巴直流工程。

1990年建成的第一個多端直流輸電工程是Quebec-NewEngland五端直流輸電工程。

51.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展中國的HVDC開展：迄今為止，我國已投運的直流輸電工程有15項，舟山直流工程已于2003年退出運行，現(xiàn)在運行的直流工程有14項，包括3項背靠背直流工程和2項特高壓直流工程。正建的HVDC工程有

6項，包括2項特高壓直流工程。到2020年，我國將建成18項特高壓直流工程，并成為世界上擁有直流輸電工程最多、輸送線路最長、容量最大的國家。63000MW2500MW7200MW3000MW9000MW10000MW1800MW2000MWHydroPowerBaseThermalBaseACMapofinterconnectionpowernetworksin2010DC71.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展工程竣工時間輸送容量/MW直流電壓/kV線路長度/km舟山直流工程1987100±10054葛洲壩—南橋19901200±5001045天生橋—廣州20011800±500960嵊泗直流工程200260±5066.2三峽—常州20033000±500860三峽—廣東20043000±500960中國已建成投運的〔特〕高壓直流輸電工程〔15項〕8竣工時間輸送功率/MW直流電壓/kV線路長度/km貴州—廣東20043000±500880寶靈背靠背直流工程一期：2005二期：2009360；1100（擴建后）±120；±166.70三峽—上海20063000±5001048.6貴廣二回20073000±5001194高嶺背靠背直流工程20081500±1250中國已建成投運的〔特〕高壓直流輸電工程〔15項〕1.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展9竣工時間輸送功率/MW直流電壓/kV線路長度/km中俄黑河背靠背直流工程2008750±1250寶雞—德陽2010.33000±500574云南—廣東2010.65000±8001373向家壩—上海2010.76400±8001907中國已建成投運的〔特〕高壓直流輸電工程〔15項〕1.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展10開工時間輸送容量/MW直流電壓/kV線路長度/km呼倫貝爾—沈陽20083000±500916格爾木—拉薩20081500±4001030寧東—山東20084000±6601348山西—江蘇20093000±500858錦屏—蘇南20097200±8002100溪洛渡—浙西2010(計劃)6400±8001751中國在建的〔特〕高壓直流輸電工程〔6項〕1.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展11未來我國電網(wǎng)建設(shè)將依據(jù)交、直流輸電相輔相成、共同開展的原那么，到2020年我國將建成“強交強直”的特高壓混合電網(wǎng)和堅強的送、受端電網(wǎng)。經(jīng)過多方面研究比選，直流工程總計達38項。世界交流輸電的焦點在中國世界直流輸電的市場在中國1.1HVDC的概念、結(jié)構(gòu)與開展121.2HVDC與HVAC的比較直流輸電時兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運行而交流輸電必須同步運行交流遠距離輸電，電流的相位差在交流輸電系統(tǒng)的兩端會產(chǎn)生明顯的相位差，并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電必須同步運行，否那么可能在設(shè)備中環(huán)流而損壞設(shè)備，或造成不同步運行的停電事故，而直流輸電線路互連時，其兩端的交流電網(wǎng)可以按照用各自的頻率和相位運行，不需進行同步調(diào)整。131.2HVDC與HVAC的比較

交直流輸電的等價距離

由于HVDC的線路造價較低，而變電站設(shè)備較HVAC昂貴，在某一輸電距離下，交、直流兩種輸電方式的造價費用相等，這一距離成為等價距離。141.2HVDC與HVAC的比較

交直流輸電的等價距離151.3HVDC的優(yōu)點與應(yīng)用場合

HVDC的優(yōu)點輸電容量不受輸電距離的限制；可以分期建設(shè)和增容擴建，雙極性直流輸電系統(tǒng)的可靠性可與兩回交流輸電系統(tǒng)相當；采用直流輸電可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)網(wǎng)，可以不增加被聯(lián)電網(wǎng)的短路容量，所連的兩側(cè)交流系統(tǒng)可以運行在不同的頻率或同頻不同步；161.3HVDC的優(yōu)點與應(yīng)用場合直流輸電輸送的有功功率和換流器消耗的無功功率均可由控制系統(tǒng)進行控制，可利用這種快速可控性來改善交流系統(tǒng)的運行性能，必要時可實現(xiàn)潮流的快速反轉(zhuǎn)；

直流線路本身不消耗和發(fā)出無功功率，換流站要消耗無功功率，但與線路長度無關(guān)；架空或電纜線路的造價要比交流輸電低，占用的空間也更小。171.3HVDC的優(yōu)點與應(yīng)用場合遠距離大容量輸電電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)直流電纜送電現(xiàn)有交流輸電線路的增容改造直流輸電的應(yīng)用場合有：18內(nèi)容提要1高壓直流輸電〔HVDC〕2電壓源換流器直流輸電〔VSC-HVDC)的現(xiàn)狀與開展趨勢3基于VSC-HVDC的風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)4VSC-HVDC應(yīng)用于智能配電網(wǎng)5本課題組開展的直流輸電研究情況192.1VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)特性VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)20電流源和電壓源換流器的比較電流源換流器電壓源換流器21電流源和電壓源換流器的比較電流源換流器電壓源換流器電抗器L作為直流側(cè)的儲能元件，電容器C作為交流側(cè)的儲能元件電容器C作為直流側(cè)的儲能元件，電抗器L作為交流側(cè)的儲能元件直流電流是單向的，直流電壓極性隨直流潮流而變化直流電壓是單向的，直流電流極性隨直流潮流而變化控制快速準確控制較慢損耗較小損耗較大容量大容量相對小故障承受能力和可靠性較高故障承受能力和可靠性較低電流源和電壓源換流器的比較22HVDC與VSC-HVDC的比較HVDCVSC-HVDC交流側(cè)提供換相電流，受端為有源網(wǎng)絡(luò)，且容量足夠大，否則易發(fā)生換相失敗電流自關(guān)斷，可向無源網(wǎng)絡(luò)供電吸收大量的無功功率，約為輸送直流功率的40％～60％，需要大量的無功功率補償和濾波設(shè)備

不需要交流側(cè)提供無功功率且能起到STATCOM的作用，即動態(tài)補償交流母線的無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。若VSC容量允許，VSC-HVDC系統(tǒng)可向故障系統(tǒng)提供有功功率和無功功率的緊急支援，提高系統(tǒng)功角電壓的穩(wěn)定性。23HVDC與VSC-HVDC的比較潮流翻轉(zhuǎn)時，直流電流方向不變而直流電壓極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，不利于構(gòu)建多端直流輸電系統(tǒng)潮流翻轉(zhuǎn)時直流電流反向，而直流電壓極性不變，有利于構(gòu)成并聯(lián)多端直流系統(tǒng)換流器對于交流系統(tǒng)來說，除了是一個負荷（在整流站）和一個電源（在逆變站）以外，還是一個諧波電流源采用SPWM技術(shù)，開關(guān)頻率較高，經(jīng)低通濾波后就可得到所需的交流電壓，可不用換流變壓器，所需濾波裝置的容量也大大減小控制量只有觸發(fā)角，2個象限運行，不可單獨控制有功功率或無功功率可在4個象限運行，同時且獨立控制有功和無功功率換流站間需要通訊換流站間的通訊不是必需的HVDCVSC-HVDC24HVDC與VSC-HVDC的比較

此外，由于VSC交流側(cè)電流可以控制，所以不會增加系統(tǒng)的短路容量。這意味著增加新的輕型HVDC線路后，交流系統(tǒng)的保護整定無需改變。VSC-HVDC能夠提高系統(tǒng)阻尼，因此不但不會引起發(fā)電機組的次同步振蕩，而且會提高發(fā)電機組的次同步振蕩阻尼

VSC-HVDC換流站設(shè)備小型化和標準模塊化模塊化設(shè)計，占地面積小，設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短，并具有更高的可靠性。25VSC-HVDC的運行原理一般的，假設(shè)交流系統(tǒng)電壓的相位是δs，換流器交流電壓與直流電壓Ud存在如下關(guān)系：可見，對于交流系統(tǒng)而言，VSC可等效于一個端電壓幅值、相角均可控，無旋轉(zhuǎn)慣量的同步發(fā)電機。11:4326VSC-HVDC的控制原理采用PWM調(diào)制時，

是調(diào)制波相角，Uc正比于調(diào)制度m。故利用調(diào)制波相角

和調(diào)制度m能同時控制有功功率P和無功功率Q。11:4327VSC-HVDC的穩(wěn)態(tài)特性交流系統(tǒng)換流變壓器換流器交流系統(tǒng)和換流器之間基波潮流的等效電路VSC與交流系統(tǒng)基波潮流的相量圖由變壓器的交流系統(tǒng)端看進去的有功和無功功率11:4328VSC-HVDC的穩(wěn)態(tài)特性保持恒定而改變K時，得到一系列的直線，如邊界值min和max；保持K恒定而改變時，能得到一系列曲線，如Kmin=1-x,Ki=1.0,Kmax=1+x等；當使換流站傳輸能力恒定將得到|P+Q|=1的圓;調(diào)整參數(shù)和K，可使VSC連續(xù)運行在圓內(nèi)的任意一點。因此，它能獨立控制有功功率和無功功率的交換。假設(shè)不需要傳輸有功功率，換流站可以作為STATCOM運行，為交流系統(tǒng)提供容性或感性無功支持VSC的PQ圖11:4329換流橋換流變壓器換流電抗器交流濾波器直流電容器直流電纜控制與保護系統(tǒng)2.2VSC-HVDC的設(shè)備主要由七局部構(gòu)成：3031VSC-HVDC的設(shè)備1—換流橋換流橋每個橋臂是由假設(shè)干個IGBT級聯(lián)而成。對于大容量換流器，每臂可能有上百個IGBT級聯(lián)而成。IGBT旁邊都反并聯(lián)一個二極管，它不僅是負載向直流側(cè)反響能量的通道，同時也起續(xù)流的作用。32VSC-HVDC的設(shè)備2—換流變壓器不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的換流變壓器或移相變壓器，其所用換流變壓器與常規(guī)的單相或三相變壓器大體類似。33VSC-HVDC的設(shè)備3—換流電抗器換流電抗器是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，決定有功功率與無功功率的控制性能作用濾除換流器所產(chǎn)生的特征諧波，以獲得期望的基波電流和基波電壓；抑制直流過電流的上升速度。34VSC-HVDC的設(shè)備4—直流電容器作用：為逆變器提供電壓支撐；緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流；減小直流側(cè)諧波。35VSC-HVDC系統(tǒng)簡介--直流電容器36VSC-HVDC的設(shè)備5—交流濾波器換流站在較高的開關(guān)頻率下，其輸出的交流電壓和電流中含有的低次諧波很少。換流電抗器的濾波作用使得電流的諧波較容易符合標準。然而，在沒有任何濾波裝置的情況下，輸出的交流電壓中還含有一定量的高次諧波，且其總的諧波畸變率并不能到達相關(guān)的諧波標準。故裝設(shè)小容量濾波器。作用：濾去交流側(cè)電壓諧波分量；對系統(tǒng)提供局部無功補償?shù)淖饔谩５?，交流濾波器的設(shè)計需要與換流電抗器配合。37VSC-HVDC的設(shè)備5—交流濾波器從交流系統(tǒng)側(cè)看過去，VSC-HVDC等效為一個諧波電壓源(圖a)。其中，Lc是換流電抗，Ls是系統(tǒng)等效電抗。圖b是h次諧波電壓等效網(wǎng)絡(luò)，使交流濾波器的h次諧波阻抗近似為零，那么其與交流系統(tǒng)的等效阻抗Xeq便遠遠小于換流電抗器的阻抗Xc(圖c)。于是，h次諧波電壓uh便近乎全部地降落在Xc上，系統(tǒng)所分得的那局部電壓就很少。這就是VSC系統(tǒng)中濾波器的工作原理。38中國龍泉換流器站交流濾波器組瑞典5次諧波濾波器36Mvar,145kVVSC-HVDC的設(shè)備5—交流濾波器392.3VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)兩電平電壓源換流器拓撲結(jié)構(gòu)及其輸出交流波形拓撲結(jié)構(gòu)1—兩電平結(jié)構(gòu)402.3VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)三電平電壓源換流器拓撲結(jié)構(gòu)及其輸出交流波形拓撲結(jié)構(gòu)2—三電平結(jié)構(gòu)412.3VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)多電平電壓源換流器拓撲結(jié)構(gòu)及其輸出交流波形拓撲結(jié)構(gòu)3—多電平結(jié)構(gòu)422.4VSC-HVDC的開展1954年，連接Gotland與瑞典大陸之間的世界上第一條高壓直流輸電線路建成，標志著HVDC進入了商業(yè)化時代。1990年，加拿大McGill大學的Boon-TeckOoi等首次提出使用PWM技術(shù)控制的VSC進行直流輸電的概念。1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之間建成首條的工業(yè)試驗工程。從此VSC-HVDC作為一種新興的輸電技術(shù)開始進入大開展的商業(yè)應(yīng)用階段。Prof.Boon-TeckOoiPh.D.(McGill)McGillUniversity

432.4VSC-HVDC的開展ABB公司稱之為輕型直流輸電〔HVDCLight〕并作為商標注冊；Siemens公司將其注冊為新型直流HVDCPLUS；國際上電力方面的權(quán)威學術(shù)組織CIGRE和IEEE將其正式稱為VSC-HVDC，即“電壓源換流器型高壓直流輸電”。國內(nèi)很多專家稱之為“柔性直流〔HVDC-Flexible〕”。不同的稱謂44投運年輸送功率/MW直流電壓/kV兩側(cè)交流電壓直流電流/A線路長度/km用途Hellsjon19973±1010/1015010工業(yè)試驗Gotland199954±8080/803502×70風力發(fā)電，地下電纜Directlink2000180±80132/1103426×59電力交易，系統(tǒng)互聯(lián)，地下電纜Tjaerebog20007.2±910.5/10.53582×4.3風力發(fā)電，示范工程EaglePass200036±15.9132/13211000(B-B)電力交易，系統(tǒng)互聯(lián)，電壓控制CrossSoundCahle2001330±150345/13811752×40電力交易，系統(tǒng)互聯(lián)，海底電纜MurrayLink2002200±150132/22014002×180電力交易，系統(tǒng)互聯(lián)，地下電纜世界上已投運的VSC-HVDC工程45投運年輸送功率/MW直流電壓/kV兩側(cè)交流電壓直流電流/A電纜長度/km用途TrollA20052×42±6056/1324004×70綠色環(huán)保，海底電纜Estlink2006350±150400/33012302×72電力交易，系統(tǒng)互聯(lián)，地下電纜Valhall201078±150300/11-292綠色環(huán)保，海底電纜世界上已投運的VSC-HVDC工程〔續(xù)〕46工程投運年輸送功率/MW直流電壓/kV兩側(cè)交流電壓直流電流/A電纜長度/km用途NordE.ON12009400±150170/380-203風電并網(wǎng)CapriviLink2009300350400/330-970弱電網(wǎng)互聯(lián)TransBayCable2010400±200400-88大城市供電南匯工程201018±303530010風電并網(wǎng)世界上在建的VSC-HVDC工程47世界上在建的VSC-HVDC工程工程投運年輸送功率/MW直流電壓/kV兩側(cè)交流電壓直流電流/A電纜長度/km用途EastWestInterconnector，UK2012500±2001250電網(wǎng)互聯(lián)，黑啟動DolWin12013800±320150/380125075,90風電并網(wǎng)SkagerrakHVDCInterconnections2014700±500400700140,104電網(wǎng)互聯(lián)48從世界上第一個試驗性的工程——赫爾斯揚〔Hellsjion〕工程至今，VSC-HVDC最大輸電容量由3MW開展到了800MW，直流電壓由10kV提升到±500kV。BoPaajarvi在ABB創(chuàng)新技術(shù)研討會上指出VSC-HVDC的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)到達1100MW，這就使其具備應(yīng)用于輸電網(wǎng)的能力。2.4VSC-HVDC的開展49VSC-HVDC在容量上的突破主要歸功于四個領(lǐng)域取得的進展：換流閥——換流電流可達1740A直流電纜——新型交聯(lián)聚乙烯直流電纜能夠承受300kV的直流電壓且敷設(shè)深度超過2000米主電路和控制系統(tǒng)——保持低損耗的情況下保持良好的控制特性和簡化控制結(jié)構(gòu)，其開展的過程涉及到換流站的拓撲結(jié)構(gòu)、IGBT的開關(guān)頻率以及脈沖觸發(fā)模式的選擇。換流站的主電路2.4VSC-HVDC的開展502.4VSC-HVDC相比HVDC具備的技術(shù)特點能對有功和無功進行獨立控制，能給無源網(wǎng)絡(luò)提供電源；能為交流側(cè)提供無功支持，起到STATCOM的作用，對電壓質(zhì)量和電壓問題提供支撐；換流站標準化、小型化，整體式的設(shè)計以及可以進行出廠前的調(diào)試，有利于縮短施工時間，并保證其可靠性；無需架設(shè)架空線，并在噪音水平、諧波畸變、干擾和電磁場等方面滿足環(huán)境保護的要求。512.5VSC-HVDC的應(yīng)用場合522.5VSC-HVDC的應(yīng)用場合向城市中心送電連接分布電源非同步聯(lián)網(wǎng)提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量促進電力市場發(fā)展向遠方孤立負荷點送電

方便地調(diào)節(jié)有功和無功，改善系統(tǒng)的運行性能

風電場、小型水電廠、太陽能電站及其它新能源發(fā)電系統(tǒng)

用電量急增，線路走廊困難

構(gòu)建地區(qū)電力供應(yīng)商交換電力的可行性平臺，增加運行靈活性和可靠性快速控制有功無功，使電壓、電流滿足電能質(zhì)量標準要求如沿海小島、海上鉆井平臺、偏僻地區(qū)負荷等532.6模塊化多電平直流輸電技術(shù)MMC-HVDC的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點模塊化多電平換流器〔ModularMultilevelConverter，MMC〕是西門子公司提出的在HVDC應(yīng)用中的一種新型的多電平VSC拓撲，是由一系列串聯(lián)的子模塊組成換流器。模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)54模塊化多電平VSC由六個橋臂組成，其中每個橋臂由假設(shè)干個相互連接且結(jié)構(gòu)相同的子模塊與一個電抗器串聯(lián)組成。與以往的VSC拓撲結(jié)構(gòu)不同，模塊化多電平VSC在直流側(cè)沒有儲能電容。每個子模塊由一個IGBT的半橋和一個直流儲能電容器組成。每個子模塊都是一個兩端器件，它可以同時在兩種電流方向的情況下進行全模塊電壓(IGBT1=ON,IGBT2=OFF)和零模塊電壓(IGBT1=OFF,IGBT2=ON)之間的切換。2.6模塊化多電平直流輸電技術(shù)MMC-HVDC的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點55子模塊的構(gòu)造

每個子模塊有三種工作狀態(tài)：兩個IGBT模塊都是關(guān)斷的；IGBT1是導(dǎo)通的，IGBT2是關(guān)斷的；IGBT1是關(guān)斷的，IGBT2是導(dǎo)通的。2.6模塊化多電平直流輸電技術(shù)MMC-HVDC的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點56每個子模塊的開關(guān)都是獨立控制的，所以MMC換流器產(chǎn)生的輸出電壓非常平滑并且?guī)缀跏抢硐胝也ㄐ危哂休^優(yōu)的波形品質(zhì)及較低的諧波含量。這樣就大大降低了對濾波器支路的要求。另外，子模塊的開關(guān)頻率大大降低，因而降低了換流器的運行損耗。2.6模塊化多電平直流輸電技術(shù)MMC-HVDC的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點572.6模塊化多電平直流輸電技術(shù)MMC-HVDC的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點MMC本身的特殊優(yōu)點：改善的損耗情況〔improvedlosses〕；很低的電壓變化率〔lowdv/dtswitching〕；采用標準元件的模塊化設(shè)計〔modulardesignwithstandarddevices〕；靈活性〔flexibility〕；提高的電能儲存能力〔increasedenergystorage〕

不平衡情況下的運行能力；改善的故障情況下運行性能。58內(nèi)容提要1高壓直流輸電〔HVDC〕2電壓源換流器直流輸電〔VSC-HVDC)的現(xiàn)狀與開展趨勢3基于VSC-HVDC的風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)4VSC-HVDC應(yīng)用于智能配電網(wǎng)5本課題組開展的直流輸電研究情況593.1風力發(fā)電的特點風力發(fā)電具有隨機性、不可控性，風電場裝機容量的增加的同時，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也越來越大。當系統(tǒng)側(cè)發(fā)生瞬時故障時，造成發(fā)電機端電壓低于額定電壓時，發(fā)電機的功率不能低電壓穿越，而是立即與電網(wǎng)跳開，隨后又快速并網(wǎng)，對電網(wǎng)的沖擊較大。從保證電能的供電質(zhì)量來看，認為風電穿透功率不宜超過10％，這就成為了限制風力發(fā)電開展的一個瓶頸。603.1風力發(fā)電的特點另外，由于風電的隨機性、不可控性、分散性和小型化，以及地理條件等因素的限制，相當一局部風電場位于遙遠地區(qū)，使得利用現(xiàn)有交流輸電技術(shù)將這些孤立的電源與電網(wǎng)連接的經(jīng)濟性和環(huán)保壓力很大。613.2現(xiàn)有風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)存在的問題當風電場采用電纜接入時，隨著電纜長度增加，電纜的電容越來越大，所以當電纜長度較長時必須在兩端安裝無功補償裝置。而當電纜容性電流將接近電纜的額定電流，采用交流方式輸送電將不再經(jīng)濟。這種情況對離岸風電場尤為嚴重。由于風電場與本地電網(wǎng)電氣連接緊密，任何一方的故障都會迅速涉及另一方，嚴重時會引起整個系統(tǒng)的電壓大幅振蕩、功角失穩(wěn)以及風電場失速現(xiàn)象。為了提高系統(tǒng)的低壓穿越能力，需要在并網(wǎng)點裝設(shè)大量的動態(tài)無功補償裝置。采用交流線路聯(lián)網(wǎng)存在的問題：62采用常規(guī)直流輸電并網(wǎng)可以有效隔離故障，但由于其自身固有的技術(shù)劣勢，如對系統(tǒng)SCR的要求、較長的故障去除恢復(fù)時間，影響了風電場的并網(wǎng)性能和暫態(tài)穩(wěn)定性能。無法同時控制連接點處電壓的幅值和頻率，并且在實現(xiàn)大功率輸電的情況下需要補償大量的無功。

3.2現(xiàn)有風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)存在的問題采用高壓直流輸電聯(lián)網(wǎng)存在的問題：63VSC-HVDC的控制結(jié)構(gòu)靈活，易組成多端直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，適合海上風電場的聯(lián)網(wǎng)和擴建。VSC-HVDC技術(shù)對系統(tǒng)可以提供無功支撐，實現(xiàn)變頻運行，維持電網(wǎng)接入點電壓的穩(wěn)定，保證風電場不脫網(wǎng)運行，提高供電質(zhì)量。

3.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)VSC-HVDC用于風電場聯(lián)網(wǎng)的可行性：64隨著電力電子技術(shù)的開展，VSC-HVDC的輸電容量已經(jīng)到達了1100MW，完全適用于大型風電場聯(lián)網(wǎng)“十一五”期間，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司已經(jīng)著手進行風電場通過VSC-HVDC聯(lián)網(wǎng)方面的評估，并在華東電網(wǎng)東海大橋〔南匯段〕建設(shè)相關(guān)的示范工程。3.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)65工程投運時間電壓等級(kV)容量（MW）輸電距離（km）Gotland1999±805040Tjaereborg2000±974.3Norde.ON12009±150400203南匯風電2010±25174～14現(xiàn)有VSC-HVDC用于風電場聯(lián)網(wǎng)工程3.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)663.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)1)換流站可以進行自換相，運行不需借助外部電壓源，不需要同步調(diào)相機(或其他方案)來支持其電能傳輸。2)每側(cè)交流電網(wǎng)的無功潮流可獨立控制，負荷改變時不需投切濾波器和其他無功補償設(shè)備。VSC-HVDC用于風電場聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)越性：673.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)3)對有功和無功可獨立進行控制?？梢跃徑庥娠L電場輸出功率波動而引起的電壓波動問題，改善電能質(zhì)量。與交流聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)運行時，通過快速控制有功功率和無功功率能夠提高整個輸電通道的傳輸極限。當交流系統(tǒng)發(fā)生短路時，VSC-HVDC系統(tǒng)能有效地隔離故障，保證風電場的穩(wěn)定運行，并在系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障情況下，風電場可通過VSC-HVDC系統(tǒng)為系統(tǒng)提供“黑啟動”能力。

VSC-HVDC用于風電場聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)越性：68工程實例1—德國瑙德〔NordeE.ON1〕工程3.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

Norde

E.ON1風電場位于德國的北海，距離德國西部海岸大約130km，該風電場總發(fā)電容量為400MW。該聯(lián)網(wǎng)工程選擇直流輸電聯(lián)網(wǎng)的原因有：

陸地和地下電纜的總長達203km；

VSC-HVDC可以獨立控制有功和無功潮流，并且在不投入濾波器的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)零到全功率的控制，保證風電場連續(xù)可靠地運行。69工程實例2—DolWin1HVDCLight3.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)70工程實例2—DolWin1HVDCLight3.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)MaindataCommissioningyear:2013Powerrating:800MWNoofcircuits:1ACVoltage:155kV(PlatformDolWinAlpha),

380kV(D?rpen/West)DCVoltage:±320kVLengthofDCsubmarinecable:2x75kmLengthofDCundergroundcable:2x90kmMainreasonforchoosingHVDCLight:Lengthoflandandseacables.71已運行工程的成功經(jīng)驗說明VSC-HVDC用于風電聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在不斷的進步和成熟。運行經(jīng)驗說明：大規(guī)模風電場通過VSC-HVDC并網(wǎng)最具優(yōu)勢，不僅能夠為風電場提供優(yōu)異的并網(wǎng)性能和較強的抗擾性能，而且還能有效改善低電壓穿越能力、滿足并網(wǎng)系統(tǒng)對暫穩(wěn)態(tài)性能的要求。隨著現(xiàn)有用于風力發(fā)電的HVDC運行經(jīng)驗的積累，必將有更多的大型風電場通過VSC-HVDC與電網(wǎng)聯(lián)接。3.3基于VSC-HVDC風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)72美國跨灣工程–多電平換流器3.4基于VSC-HVDC城市中心供電案例732004年1月決定修建輸電工程，經(jīng)過三年多的規(guī)劃、設(shè)計、方案比較、環(huán)評、與政府部門的協(xié)商等，2007年6月決定采用基于多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù)三種方案：交流輸電方案，常規(guī)400MW/600MW直流，400MW柔性直流。降低了對環(huán)境的影響多電平換流器的優(yōu)勢，并已具備了在直流輸電中應(yīng)用的條件整體工程造價有優(yōu)勢3.4基于VSC-HVDC城市中心供電案例跨灣工程工程背景柔性直流輸電換流站能夠提供緊急無功支持，省去動態(tài)無功補償設(shè)備投入，提升電網(wǎng)平安性和可靠性74建成后把匹茲堡充裕電力送到舊金山，防止在舊金山新建電廠；兩端換流站均位于市區(qū)，基于多電平換流器的換流站占地面積小，噪聲低；工程總體造價約為40億美金，西門子訂單約為15億美金；西門子第一個柔性直流輸電工程，同時也是第一個采用多電平換流器的柔性直流輸電工程，已在2010年4月份正式投運3.4基于VSC-HVDC城市中心供電案例跨灣工程工程概況及參數(shù)75額定輸送容量：400MW額定直流電壓：±200kV額定直流電流：1000A傳輸電纜長度：2×88km3.4基于VSC-HVDC城市中心供電案例跨灣工程工程概況及參數(shù)76與常規(guī)直流方案換流站相比減少了占地3.4基于VSC-HVDC城市中心供電案例773.4基于VSC-HVDC城市中心供電案例比較項目HVDCHVDCPLUS方案換流站建筑物高度19.8米10.7米舊金山伊利諾伊街道噪音72dB48dB避雷針高度26米20米覆蓋區(qū)域20,200平方米12,100平方米交流濾波器需要不需要布局大量設(shè)備導(dǎo)致布局受限可以較為靈活布置，美觀變壓器換流變壓器可使用常規(guī)變壓器，體積較小無功支持無兩換流站能夠提供＋170至-300Mvar無功受端電源需要不需要HVDCPLUS與HVDC的比較78內(nèi)容提要1高壓直流輸電〔HVDC〕2電壓源換流器直流輸電〔VSC-HVDC)的現(xiàn)狀與開展趨勢3基于VSC-HVDC的風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)4VSC-HVDC應(yīng)用于智能配電網(wǎng)5本課題組開展的直流輸電研究情況794.1現(xiàn)有配電網(wǎng)存在的問題某些地區(qū)〔例如蘇州〕配電網(wǎng)中存在經(jīng)過比較長的配電線路供電的情況〔農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部、局部城中村等地區(qū)〕，由于線徑小、供電半徑大、無功需求大等原因，低電壓現(xiàn)象時有發(fā)生。另外，國家啟動家電下鄉(xiāng)政策后，蘇州農(nóng)村用電增幅超過了6%，負荷增加導(dǎo)致的低電壓問題更加嚴重。據(jù)統(tǒng)計江蘇省有2774條線路存在低電壓問題。配電網(wǎng)中某些線路存在低電壓現(xiàn)象：804.1現(xiàn)有配電網(wǎng)存在的問題據(jù)對蘇州東渚、鎮(zhèn)湖、東山三條線路的監(jiān)測，用電頂峰時段測得的變壓器低壓出口電壓為201V，在居民家中測得電壓為169V。低電壓會導(dǎo)致空調(diào)電扇不能正常啟動，冰箱不能制冷，嚴重影響居民生活用電，還會引起變壓器、線路損耗增加，不利于節(jié)能減排，這些都會直接影響到供電企業(yè)的社會形象，因此供電企業(yè)都非常重視。814.1現(xiàn)有配電網(wǎng)存在的問題解決電壓過低的傳統(tǒng)方法就是縮短供電半徑，加強電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這就需要興建高一電壓等級的電網(wǎng)，但這是電網(wǎng)公司需要統(tǒng)籌考慮的，且資金投入很大，建設(shè)周期長，短時間內(nèi)不易實現(xiàn)；另一措施就是在負荷端進行無功補償，但當電壓低至額定值80%時，多數(shù)無功補償設(shè)備將不能發(fā)揮作用，所以急需一種從技術(shù)上能解決電壓過低而且投入相對不高的手段來解決這個問題。824.2配電網(wǎng)直流化的結(jié)構(gòu)與方案由于電壓源換流器〔VSC〕可以靈活地控制交流電壓，用它可以解決由于采用長線路而造成的電壓損耗過大問題，同時為了降低本錢，將VSC-HVDC簡化，提出一種用于配電線路的電壓源換流器的直流供電方式。對距離過長的線路Ln進行改造，在送端采用二極管整流，經(jīng)直流送到負荷端之后再通過VSC逆變成交流電壓供給負荷，這樣就可以保證負荷端的電壓滿足要求。834.2配電網(wǎng)直流化的結(jié)構(gòu)與方案配電線路直流供電結(jié)構(gòu)圖由于采用直流線路進行供電，可以減少線路的電壓降落約60%。由于送端采用的是二極管整流，這就極大的降低了本錢，使得從價格上能夠接受。844.3VSC-HVDC應(yīng)用于智能配電網(wǎng)所具有的優(yōu)點

可以解決線路過長引起電壓損耗過大的問題；采用交流電壓可以靈活控制的VSC，可以大大提高負荷端的電能質(zhì)量；將現(xiàn)有的交流供電線路進行直流化改造，利用其中兩相線路進行直流供電，另外一相作為備用，在故障的時候進行切換，可減少停電的小時數(shù)，提高供電可靠性，同時還可提高供電能力；采用直流的供電方式，還可以有效地防止竊電現(xiàn)象的發(fā)生。用VSC進行直流供電的意義和作用：854.4配電網(wǎng)直流化面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題線路直流化，提高供電可靠性。將現(xiàn)有的交流輸電線路進行直流化改造，提高供電可靠性，研究并得出相應(yīng)的控制策略。經(jīng)濟性分析。計算改造后的直流供電方式的損耗，包括二極管整流器、線路和電壓源換流器的損耗，并與交流方式供電進行比照分析，最后對配電線路的直流供電方式進行經(jīng)濟性分析。現(xiàn)有配電線路的直流送電改造方案和經(jīng)濟性分析864.4配電網(wǎng)直流化面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題根據(jù)配電線路對換流器的要求，研究換流器拓撲結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計適合配電線路電壓等級的拓撲；研究電壓源型換流器直流送電主電路的組成和主電路中主要的參數(shù)設(shè)計，包括主電路中換流器、變壓器、連接電抗器、濾波器配置、直流電容器等。用于配電線路的電壓源型換流器直流送電的拓撲結(jié)構(gòu)研究及主電路分析和參數(shù)設(shè)計87用于配電線路的簡化的VSC-HVDC只有負荷端有電壓源型換流器，整流側(cè)采用的是二極管整流器，隨著送端節(jié)點電壓的變化以及負荷的波動，直流側(cè)的電壓必然有波動，這就造成了逆變側(cè)控制的困難。采用自適應(yīng)控制方法，使電壓源換流器能夠跟蹤直流側(cè)電壓的波動進行自動控制，保持負荷端交流側(cè)電壓恒定。自適應(yīng)電壓控制策略研究4.4配電網(wǎng)直流化面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題88研究同桿并架雙回線一回直流化后直流線路和另一回交流線路相互電磁感應(yīng)問題，研究直流線路受交流線路工頻電磁感應(yīng)的影響，及考慮工頻感應(yīng)量影響時電壓源換流器調(diào)制策略的研究。4.4配電網(wǎng)直流化面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題89保護系統(tǒng)研究。

線路直流化之后的保護方式與配置將與交流有很大不同，研究線路直流化之后對其他交流保護的影響及相應(yīng)的整定策略，設(shè)計合理有效的直流保護。4.4配電網(wǎng)直流化面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題90保護系統(tǒng)研究。

線路直流化之后的保護方式與配置將與交流有很大不同，研究線路直流化之后對其他交流保護的影響及相應(yīng)的整定策略，設(shè)計合理有效的直流保護。91內(nèi)容提要1高壓直流輸電〔HVDC〕2電壓源換流器直流輸電〔VSC-HVDC)的現(xiàn)狀與開展趨勢3基于VSC-HVDC的風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)4VSC-HVDC應(yīng)用于智能配電網(wǎng)5本課題組開展的直流輸電研究情況92在HVDC方面承擔的課題情況“十一五”國家科技支撐方案重大工程“特高壓輸變電系統(tǒng)開發(fā)與示范”課題十七的子課題：基于RTDS的電磁－機電暫態(tài)混合實時仿真平臺研究與實現(xiàn)實時電網(wǎng)仿真與實際故障狀況的比照研究。中國南方電網(wǎng)有限責任公司。2007年完成直流系統(tǒng)典型故障瞬態(tài)特征分析及對交流保護的