柔性直流輸電.doc

柔性直流輸電一、 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(dòng)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?脈動(dòng)Graetz橋，其主要應(yīng)用年代是1970年代以前。圖1.1：汞弧閥圖1.2：6脈動(dòng)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?脈動(dòng)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(shí)間。圖1.3：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(gè)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(lái)，這是不對(duì)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)界研究的一個(gè)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(yàn)（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(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)組織國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE），將其正式命名為“VSC-HVDC”，即“電壓源換流器型直流輸電”。2006年5月，由中國(guó)電力科學(xué)研究院組織國(guó)內(nèi)權(quán)威專家在北京召開(kāi)“輕型直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架研討會(huì)”，會(huì)上，與會(huì)專家一致建議國(guó)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(duì)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(shì)是多了一個(gè)控制自由度。LCC因?yàn)樗玫钠骷蔷чl管，晶閘管只能控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷，因此LCC的控制自由度只有1個(gè)，就是觸發(fā)角，這樣LCC實(shí)際上只能控制直流電壓的大小。而VSC因?yàn)樗玫钠骷请p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(gè)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(gè)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，幾乎可以瞬時(shí)地在PQ平面的4個(gè)象限內(nèi)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)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(duì)于傳統(tǒng)直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：（1）沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題：傳統(tǒng)直流輸電由于存在換流器的觸發(fā)延時(shí)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(wú)功功率，其數(shù)值約為換流站所通過(guò)的直流功率的40%-60%。因而需要大量的無(wú)功功率補(bǔ)償及濾波設(shè)備，而且在甩負(fù)荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)功功率過(guò)剩，容易導(dǎo)致過(guò)電壓。而柔性直流輸電的VSC不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流系統(tǒng)無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著交流系統(tǒng)故障時(shí)，如果VSC容量允許，那么柔性直流輸電系統(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(wú)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(méi)有換相失敗問(wèn)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(shí)，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(huì)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(wú)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(wèn)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，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(wú)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(gè)電流實(shí)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(shí)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(wú)源逆變方式，不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無(wú)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(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率：傳統(tǒng)直流輸電的換流器只有1個(gè)控制自由度，不能同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。而柔性直流輸電的VSC具有2個(gè)控制自由度，可以同時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。（5）諧波水平低：傳統(tǒng)直流輸電的換流器會(huì)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(kāi)關(guān)頻率相對(duì)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(wèn)題；對(duì)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流動(dòng)，潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，電壓極性反轉(zhuǎn)而電流方向不動(dòng)；因此在構(gòu)成并聯(lián)型多端直流系統(tǒng)時(shí)，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(dòng)，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(shí)，在保持多端直流系統(tǒng)電壓恒定的前提下，通過(guò)改變單端電流的方向，單端潮流可以在正、反兩個(gè)方向上調(diào)節(jié)，更能體現(xiàn)出多端直流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。（7）占地面積小：柔性直流輸電換流站沒(méi)有大量的無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置，交流場(chǎng)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(duì)于傳統(tǒng)直流輸電也存在不足，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）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(gè)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)期的。（3）容量相對(duì)較?。河捎谀壳翱申P(guān)斷器件的電壓、電流額定值都比晶閘管低，如不采用多個(gè)可關(guān)斷器件并聯(lián)，VSC的電流額定值就比LCC的低，因此VSC基本單元（單個(gè)兩電平或三電平換流器或單個(gè)MMC）的容量比LLC基本單元（單個(gè)6脈動(dòng)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(méi)有問(wèn)題的，技術(shù)上并不存在根本性的困難。可以預(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，柔性直流輸電也會(huì)采用特高壓電壓等級(jí)，其輸送容量會(huì)與傳統(tǒng)特高壓直流輸電相當(dāng)。（4）不太適合長(zhǎng)距離架空線路輸電：目前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(shí)，即使IGBT全部關(guān)斷，換流站通過(guò)與IGBT反并聯(lián)的二極管，仍然會(huì)向故障點(diǎn)饋入電流，從而無(wú)法像傳統(tǒng)直流輸電那樣通過(guò)換流器自身的控制來(lái)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(shí)，清除故障的手段是跳換流站交流側(cè)開(kāi)關(guān)。這樣，故障清除和直流系統(tǒng)再恢復(fù)的時(shí)間就比較長(zhǎng)。當(dāng)直流線路采用電纜時(shí)，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(lái)就應(yīng)該停電，因此跳交流側(cè)開(kāi)關(guān)并不影響整個(gè)系統(tǒng)的可用率。針對(duì)此缺陷，目前柔性直流輸電技術(shù)的一個(gè)重要研究方向就是開(kāi)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(hào)工程名稱直流電壓容量換流器輸電線路投運(yùn)時(shí)間備注1Hellsjn10kV3MW2電平架空線10km1997試驗(yàn)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*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)網(wǎng)6MurrayLink150kV220MW3電平電纜180km2002電網(wǎng)互聯(lián),電力交易7CrossSoundCable150kV330MW3電平電纜40km2002電網(wǎng)互聯(lián),電力交易8TrollA60kV2*41MW2電平電纜67km2005海上平臺(tái)供電9Estlink150kV350MW2電平電纜105km2007非同步聯(lián)網(wǎng)10NordE.ON1150kV400MW2電平電纜406km2009風(fēng)電并網(wǎng)11CapriviLink350kV300MW2電平架空線970km2009弱電網(wǎng)互聯(lián)12Valhall150kV78MW2電平電纜292km2010鉆井平臺(tái)供電13EastWest200kV500MW2電平海纜186km陸纜70km2013東西互聯(lián)工程14TransBayCable200kV400MWMMC電纜88km2010電網(wǎng)互聯(lián),城市供電15上海南匯工程30kV18MWMMC電纜小于14km2011風(fēng)電并網(wǎng)16南澳三端160kV200/150/50MWMMC電纜2013風(fēng)電并網(wǎng)17DolWin1320kV800MWCTL（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)24DolWin2320kV900MWCTL（MMC）海纜135km2015風(fēng)電并網(wǎng)25TrollA二期60kV100MWCTL（MMC）海纜4x70km2015海上平臺(tái)供電26NordBalt300kV700MWMMC海纜400km、陸纜50km2015北波互聯(lián)工程27北海德國(guó)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-Westlink300kV700MWMMC陸纜200km2016地下輸電30舟山多端200kV400/300/100/100/100MWMMC電纜134km2014海島聯(lián)網(wǎng)31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（1） 柔性直流輸電的分類及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)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(jiǎn)單，如圖2.1所示。他有六個(gè)橋臂，每個(gè)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。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(jí)，每個(gè)橋臂由多個(gè)IGBT及其相并聯(lián)的二極管相互串聯(lián)來(lái)獲得，其串聯(lián)的個(gè)數(shù)由換流器的額定功率、電壓等級(jí)和電力電子開(kāi)關(guān)器件的通流能力與耐壓強(qiáng)度決定。相對(duì)于接地點(diǎn)，兩電平換流器每相可輸出兩個(gè)電平，顯然兩電平換流器需通過(guò)PWM逼近正弦波。圖2.1：兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單個(gè)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(gè)電平，也是通過(guò)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2.4 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(gè)開(kāi)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(jí)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(gè)子模塊（SM）的結(jié)構(gòu)MMC的每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和一個(gè)串聯(lián)電抗器Lo組成，同相的上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元，如圖2.5所示。MMC的子模塊一般采用半個(gè)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(gè)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所示。可見(jiàn)，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(lái)逼近正弦波，而是采用階梯波的方式來(lái)逼近正弦波。圖2.7 MMC的單相輸出電壓波形1、相對(duì)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(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：（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(dòng)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(kāi)關(guān)頻率，從而使換流器的損耗成倍下降。因?yàn)镸MC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(gè)工頻周期內(nèi)開(kāi)關(guān)器件只要開(kāi)關(guān)2次，考慮了電容電壓平衡控制和其他控制因素后，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率通常不超過(guò)150Hz，這與兩電平和三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率在1kHz以上形成了鮮明的對(duì)比。（3） 階躍電壓降低：由于MMC所產(chǎn)生的電壓階梯波的每個(gè)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(kāi)關(guān)器件承受的應(yīng)力大為降低，同時(shí)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(guò)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(méi)有高壓電容器組，并且橋臂上的Lo與分布式的儲(chǔ)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(duì)于同樣的直流電壓，MMC采用的開(kāi)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。（2） MMC的工作原理MMC子模塊具有如下三種工作模式表中對(duì)于表2.1進(jìn)行分析可得表2.2，表中對(duì)于T1、T2、D1和D2，開(kāi)關(guān)狀態(tài)1對(duì)應(yīng)導(dǎo)通，0對(duì)應(yīng)關(guān)斷。從表2.2可以看出，對(duì)應(yīng)每一個(gè)模式，T1、T2、D1和D2中有且僅有1個(gè)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此可以認(rèn)為，SM進(jìn)入穩(wěn)態(tài)模式后，有且僅有1個(gè)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，其余3個(gè)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(lái)作為開(kāi)關(guān)S1和S2看待，那么對(duì)應(yīng)投入狀態(tài)，S1是導(dǎo)通的，電流可以雙向流動(dòng)，而S2是斷開(kāi)的；對(duì)應(yīng)切除狀態(tài)，S2是導(dǎo)通的，電流可以雙向流動(dòng)，而S1是斷開(kāi)的；而對(duì)應(yīng)閉鎖狀態(tài)，S1和S2中哪個(gè)導(dǎo)通、哪個(gè)斷開(kāi)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(duì)每個(gè)SM上下兩個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)投入或者切除該SM。表2.2 SM的3個(gè)工作狀態(tài)和6個(gè)工作模式（3） 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(wú)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(gè)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(kāi)式換流站設(shè)備布置圖2.12 敞開(kāi)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(dòng)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(dòng)；（2）啟動(dòng)電阻系統(tǒng)啟動(dòng)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(shí)對(duì)交流系統(tǒng)造成的擾動(dòng)和防止換流器閥上二極管的過(guò)流;串聯(lián)安裝于聯(lián)接變壓器閥側(cè)或交流系統(tǒng)側(cè)；啟動(dòng)電阻僅在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)工作，啟動(dòng)結(jié)束后由旁路開(kāi)關(guān)將啟動(dòng)電阻旁路；啟動(dòng)電阻應(yīng)滿足不同的啟動(dòng)要求，包括一端交流電源對(duì)本端換流器功率模塊電容充電和一端交流電源對(duì)兩端換流器功率模塊電容同時(shí)充電；電阻應(yīng)具有足夠的短時(shí)電流耐受能力；電阻應(yīng)具有足夠的能量耐受能力；滿足開(kāi)始充電至換流器解鎖的時(shí)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(dòng)或短路時(shí)，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(gè)換流器配置6個(gè)。（4）避雷器柔性直流輸電系統(tǒng)采用無(wú)間隙金屬氧化物避雷器（MOA）作為過(guò)電壓保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，它對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行限制，對(duì)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(cè)量設(shè)備電子式電壓互感器和電子式電流互感器柔直測(cè)量設(shè)備難點(diǎn)：速度要求高，延時(shí)要求高。為了避免短路故障電流造成IGBT器件損壞，對(duì)于閥控系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)動(dòng)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(hào)傳輸延時(shí)小于100um.準(zhǔn)確測(cè)量故障時(shí)電流上升過(guò)程，高采樣速度、寬量程。常規(guī)直流測(cè)量要求柔性直流測(cè)量要求采樣頻率10kHz50kHz采樣延時(shí)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(shí)現(xiàn)交直和直交變換。圖2.14 半橋式MMC子模塊拓?fù)淙鐖D2.14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(kāi)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(guò)控制其開(kāi)通與關(guān)斷，從而控制子模塊輸出電壓圖2.15 IGBT符號(hào)及實(shí)物圖電容作用：支撐和穩(wěn)定子模塊電壓，提供電壓源的核心元件圖2.16 電容實(shí)物圖均壓電阻作用：1）均衡子模塊電壓2）停運(yùn)檢修時(shí)的泄放回路圖2.17 均壓電阻實(shí)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(shí)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(shí)物圖子模塊控制器作用：接收閥控設(shè)備的控制信號(hào)，對(duì)子模塊進(jìn)行投入和切除操作、晶閘管觸發(fā)操作、旁路開(kāi)關(guān)合閘操作，同時(shí)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(shí)物圖旁路開(kāi)關(guān)作用：對(duì)故障子模塊進(jìn)行旁路操作，實(shí)現(xiàn)子模塊的冗余控制圖2.21 旁路開(kāi)關(guān)實(shí)物圖晶閘管作用：對(duì)故障子模塊進(jìn)行旁路操作進(jìn)行過(guò)流保護(hù)圖2.22 晶閘管關(guān)實(shí)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（1） 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(dòng)步驟步驟1：換流器解鎖前，合上交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)，通過(guò)IGBT模塊的反并聯(lián)二極管對(duì)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(shí)，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(shí)，其余換流站可維持原控制模式不變。（2） 廈門工程廈門柔性輸電工程為真雙極兩端柔性輸電工程，有如下四種運(yùn)行方式。圖3.3 方式一：雙極帶金屬返回線單端接地運(yùn)行圖3.4 方式二：?jiǎn)螛O帶金屬返回線單端接地運(yùn)行圖3.5 方式三：雙極不帶金屬返回線雙端接地運(yùn)行圖3.6 方式四：?jiǎn)蝹€(gè)換流站獨(dú)立作為STATCOM運(yùn)行四、 控制保護(hù)系統(tǒng)（1） 控制系統(tǒng)柔性直流輸電的控制系統(tǒng)分成三個(gè)層：系統(tǒng)監(jiān)視與控制層、控制保護(hù)層、現(xiàn)場(chǎng)IO層。根據(jù)完成的功能與控制的目標(biāo)，換流站控制保護(hù)可以分為系統(tǒng)級(jí)控制、換流站級(jí)控制、換流閥級(jí)控制、子模塊級(jí)控制。圖4.1 控制系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)級(jí)控制：確定柔性直流工程各個(gè)換流站的控制目標(biāo)與相互配合關(guān)系。換流站級(jí)控制：確定站內(nèi)的控制策略。換流閥級(jí)控制：產(chǎn)生換流閥基本模塊的觸發(fā)脈沖。換流器子模塊級(jí)控制：該級(jí)控制的任務(wù)是接收換流器閥級(jí)控制產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號(hào)，根據(jù)觸發(fā)脈沖信號(hào)，對(duì)子模塊IGBT進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷控制。外環(huán)控制：外環(huán)控制包括交流電壓控制、無(wú)功功率控制、直流電壓控制、有功功率控制、頻率控制內(nèi)環(huán)控制：內(nèi)環(huán)控制包括內(nèi)環(huán)電流控制、PLL控制閥控功能：實(shí)現(xiàn)換流閥的控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)；與上層控制保護(hù)系統(tǒng)以及換流閥的通信；實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡功能以及環(huán)流控制等功能?？刂乒δ芙y(tǒng)計(jì)表如下：1、運(yùn)行方式控制2、控制模式轉(zhuǎn)換3、啟?？刂?、多端協(xié)調(diào)5、交流場(chǎng)控制6、無(wú)功功率控制7、交流電壓控制8、內(nèi)環(huán)電流控制9、鎖相同步控制10、橋臂環(huán)流控制11、直流場(chǎng)控制12、指令整定13、有功功率控制14、直流電壓控制15、頻率控制16、換流器限流控制17、換流器監(jiān)視（2） 保護(hù)系統(tǒng)圖4.2 保護(hù)系統(tǒng)示意圖如圖4.2所示，保護(hù)分區(qū)主要分為：1）交流線路保護(hù)、2）交流母線保護(hù)、3）換流變壓器保護(hù)、4)橋臂電抗器保護(hù)、5)換流站保護(hù)、6)直流母線保護(hù)、7)直流線路保護(hù)、8)子模塊保護(hù)。保護(hù)功能統(tǒng)計(jì)如下：1、聯(lián)結(jié)變保護(hù)2、閥保護(hù)（1）閥臂過(guò)流暫時(shí)性閉鎖保護(hù)（2）閥臂過(guò)流永久性閉鎖保護(hù)（3）子模塊過(guò)壓保護(hù)3、換流器保護(hù)（1）交流過(guò)流保護(hù)（2）橋臂過(guò)流保護(hù)（3）橋臂電抗差動(dòng)保護(hù)（4）閥側(cè)零序分量保護(hù)（5）閥差動(dòng)保護(hù)（6）橋臂環(huán)流保護(hù)4、直流場(chǎng)保護(hù)（1）直流電壓不平衡保護(hù)（2）直流欠壓過(guò)流保護(hù)（3）直流低電壓保護(hù)（4）直流過(guò)電壓保護(hù)（5）直流母線差動(dòng)保護(hù)（6）直流線路縱差保護(hù)5、交流保護(hù)（1）內(nèi)母線保護(hù)（2）交流系統(tǒng)保護(hù)（3）接地裝置保護(hù)