柔性直流输电技术和上海示范工程简介
柔性直流输电
一、概述（一）柔性直流输电的定义高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。
第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。
器拓扑仍然是6脉动Graetz桥，因而其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年代是1970年代初直到今后一段时间。
输电技术称为传统直流输电技术，其运行原理是电网换相换流理论。
因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“Line Commutated Converter”，缩写是“LCC”。
这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC）与电网换相换流器（LCC）混淆起来，这是不对的。
LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多，基于IGBT构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。
1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等提出。
在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之间进行了首次工业性试验（3 MW，±10kV），标志着第三代直流输电技术的诞生。
这种以可关断器件和脉冲宽度调制（PWM）技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。
2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，会上，与会专家一致建议国内将基于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”。
（二）柔性直流与传统直流的优缺点对比不管是两电平、三电平或MMC换流器，由于都属于电压源换流器，其基波频率下的外特性是完全一致的。
柔性直流输电技术的应用探究
柔性直流输电技术的应用探究柔性直流输电技术（Flexible DC Transmission, FDCT）是一种新型的输电技术，它采用直流电压进行能量传输，可以有效地解决传统交流输电技术的诸多问题，具有输电损耗小、占地面积小、环境污染小等优点。
随着科技的不断进步，柔性直流输电技术已经开始在实际工程中得到广泛应用。
本文将就柔性直流输电技术的应用进行探究，分析其在电力系统中的优势和发展前景。
一、柔性直流输电技术的原理与特点1. 原理柔性直流输电技术是一种通过控制直流电压和电流来实现能量输送和分配的技术。
其核心是采用高性能的功率电子设备对直流电压进行控制，以实现灵活的功率调节、电压调节和频率调节。
通过控制系统可以实现功率的快速响应和精确调节，使得柔性直流输电系统能够适应复杂多变的电网工况。
2. 特点（1）输电损耗小：相比于传统的交流输电技术，柔性直流输电技术在能量传输过程中损耗更小，能够有效节约能源。
（2）占地面积小：柔性直流输电技术所需的设备相对较小，可以在有限的空间内实现高效的能量传输。
（3）环境污染小：柔性直流输电技术的设备采用先进的电力电子元件，不会产生有害的电磁辐射和废气排放，对环境友好。
二、柔性直流输电技术在电力系统中的应用1. 长距离电力输送柔性直流输电技术在长距离的电力输送中具有明显的优势。
传统的交流输电技术在长距离输电过程中会出现较大的输电损耗，而柔性直流输电技术可以通过控制系统实现功率的精确调节，大大减小了输电损耗，提高了输电效率。
2. 大容量电力输送由于柔性直流输电技术具有较高的电压和电流调节能力，能够实现大容量的电力输送。
在大规模工业园区、城市用电中心等场景下，柔性直流输电技术可以有效地满足电力需求，支持电网的高容量输电。
3. 电力系统稳定性改善柔性直流输电技术在电力系统中的应用可以提高系统的稳定性。
通过柔性直流输电技术可以实现快速的电压调节和频率调节，对电网负载波动具有较强的适应能力，有助于降低电网的故障率和提高电网的可靠性。
柔性直流输电工程技术的研究与应用
３ 结 论 与 展 望
随 着 社 会 的 发 展 ， 全 球 应 对 气 候 变 化 的 要 求 及 能 源 供 给 安 全 形 式 日趋 严 峻 ， 迫 切 需 要 构 建 更 为 智 能 、清 洁 、高效 、可 靠 的输 电网 络 ， 因 此 柔 性 直 流 电技 术 也 成 了 世 界 各 国 电力 行 业
孤 岛供电、城市供 电、智能 电网互联等领域 。 用 于风电、太阳能等功率输 出波动较大的可再 生 能 源接 入 ， 可 以缓 解 功 率 波 动 引 起 的 电压 波
动 ， 改善 电 能 质 量 。 用 于 海 岛 、 海 上 钻 井 平 台 供 电 时 ， 可 以 充 分 发 挥 柔 性 直 流 系 统 自换 相 的 技 术 优 势 ， 大 幅减 少 投 资 及 运 行 费 用 。用 于 向
术和建设快速发展的阶段 ，随着装机容量的需
求不断提升 ，某些领域逐步取代传统直流和交 流输 电系统是大势所趋。
世 界范 围内的柔性直流输 电应用将会获得更为
深 远 广 阔 的发 展 。未 来 的十 年 将 是 直 流 电网 技
而模 块化多 电平柔性直流输 电系统则一般采用 交流侧接 地的方式 。这些接点方式都是单极对
称系 统， 正 常 情 况 下 不 需要 单 独 设 置 专 门接 地 ， 但 当直 流 线 路 或 换 流 器 发 生 故 障 后 ，整 个 系 统 将 无 法 运 行 。在 相 同 系 统 参 数 下 ，单 极 不 对 称 系 统 换 流 阀所 耐 受 电压 水 平 是 单 极 对 称 系 统 的
自上世纪 ８ Ｏ年 代 柔 性 直 流 输 电技 术 概 念
性 、选 择 性 、灵 敏 性 、快 速 性 、 可控 性 、 安 全
柔性直流输电技术概述
电力系统2020.9 电力系统装备丨79Electric System2020年第9期2020 No.9电力系统装备Electric Power System Equipment2006年，中国电力科学研究院组织研讨会将基于电压源换流器（VSC ）技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”。
“柔性”翻译自单词“Flexible ”，主要指相较于常规直流输电技术。
柔性直流输电技术的控制手段更为灵活[1]，并且具有对交流系统无依赖、运行方式多样等优点，为异步电网互联、新能源接入、电力市场构建等应用场景提供了新的解决方案[2]。
我国首个柔性直流输电工程于2011年投运。
经过近年来不断发展，在电压等级、系统容量、拓扑结构等方面均取得了长足的进步，已经在柔性直流技术的诸多领域处于世界领先地位[3]。
1 发展历程回顾通过电压源换流器来实现高压直流输电的技术方案最早由加拿大McGill 大学的Boon-Teck 等人于1990年提出。
随着柔性直流技术的发展，国际上多个电力权威学术组织将这种新兴输电方式命名为电压源换流器型直流输电（VSCHVDC ）。
ABB 公司对其投入大量研究力量，取得一系列专利成果，多年来一直在该领域处于世界领先地位，并将这种输电方式称为轻型直流输电（HVDCLight ）。
2006年，中国电力科学研究院经过讨论将其统一命名为“柔性直流输电”。
世界上第一条柔性直流输电工程于1997年投入工业试验运行，由瑞典投资建设，电压等级10 kV ，容量3 MW 。
随后，欧美各国纷纷开始了柔性直流输电技术的理论研究与工程建设，主要应用于新能源并网、电网互联、海上钻井平台供电等领域，早期的柔性直流工程几乎全部由ABB 制造。
国内的柔性直流输电工程最早始于2011年，经历了从无到有，电压等级从低到高，输电容量从小到大，拓扑结构由简单到复杂的发展历程。
2011年7月，亚洲首个具有自主知识产权的柔性直流工程上海南汇风电场工程投运，电压等级±30 kV ；2013年12月，世界上第一个多端柔性直流工程南澳示范工程顺利投产，电压等级±160 kV ；2014年7月，世界范围内首个五端柔性直流输电工程舟山工程建成，电压等级±200 kV ；2015年12月，采用真双极接线的厦门柔性直流输电示范工程正式投运，电压等级±320 kV ，标志着我国在高压大容量柔性直流输电工程设计、设备制造、工程施工调试、运营等关键技术方面达到世界领先水平；2016年8月，位于云南省曲靖市罗平县的鲁西背靠背异步联网工程顺利投运，电压等级±350 kV ，是世界上首次采用大容量柔性直流与常规直流组合的背靠背直流工程；2016年12月，渝鄂直流背靠背联网工程正式核准建设，电压等级±420 kV ，是世界上电压等级最高、规模最大的柔性直流背靠背工程；2019年12月，张北±500 kV 柔性直流示范工程进入全面调试阶段，构建了输送大规模风、光、抽蓄等多种能源的四端环形柔性直流电网，标致着我国柔性直流输电技术迈向新的高度。
柔性输电技术简介
柔性输电之直流输电内容简介轻型直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流。
这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为轻型直流输电，其系统原理如图2-1所示。
图2.1 柔性直流输电系统原理示意图其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。
由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。
1引言随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。
早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。
19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。
大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。
直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，自从20世纪50年代联接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电（HVDC）线路建成以来，HVDC在很多工程实践中得到了广泛的应用，如远距离大功率输电、海底电缆输电、两个交流系统之间的非同步联络等等。
目前，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网：未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。
电力系统中的柔性直流输电技术研究
电力系统中的柔性直流输电技术研究随着人类社会的快速发展和工业化进程的不断加速，电力的重要性已经愈发凸显。
然而，传统的交流输电方式存在众多的缺陷，因此柔性直流输电技术应运而生。
柔性直流输电技术是指通过直流电进行电力输送、流量控制和系统稳定控制的一种新型电力传输技术。
这项技术早在上世纪80年代就已经开始研究，近年来也得到了快速发展和广泛应用。
在电力系统中，柔性直流输电技术主要被应用于高压直流输电、大容量输电等领域。
相比于传统的交流输电方式，柔性直流输电技术显然具有更多的优势。
首先，柔性直流输电技术可以实现电力的快速传输和高效控制。
由于它采用了直流电进行输送，可以有效减少电力传输过程中的功率损耗，同时也可以灵活控制电流、电压等参数，以达到更高的电力输送效率。
其次，柔性直流输电技术还可以提高电力系统的可靠性和稳定性。
传统的交流输电方式容易受到电压、频率等不稳定因素的影响，从而导致电网的故障、停电等问题。
而柔性直流输电技术则可以通过精密的控制系统，实现对电力流量的调节和系统稳定的控制，提高电网的可靠性和抗干扰能力。
最后，柔性直流输电技术还具有更小的空间占用和环保优势。
随着城市的快速发展和人口的不断膨胀，传统的交流输电方式不仅需要占用大量的土地和空间，而且还会对周围环境造成一定的噪音和辐射污染。
而柔性直流输电技术可以通过更紧密的线路布局和更先进的电力传输技术，实现更小的空间占用和更低的环境影响。
总的来说，柔性直流输电技术的应用和发展对于电力系统的优化和升级具有重要的意义。
未来，在技术不断迭代和创新的基础上，柔性直流输电技术还将逐步实现更加智能化、高效化和可持续化的电力传输体系，在为经济社会的发展和人民生活的改善做出更多贡献的同时，也为推进能源革命和全球环保事业做出应有的贡献。
(完整版)柔性直流输电技术
柔性直流输电与常规直流比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
晶闸管
相位角控制
晶闸管通过脉冲信号控 制开通，但不能控制关断 ，电网换相。当承受电压 反向时，自动关断。
开关频率50/60 Hz
IGBT或其他可关断功 率器件
脉宽调节控制
可关断器件，可以通 过控制信号关断，完全 可控，自换相。
DC
技术内容
关注点
14
功率器件的开通和关断过程
门极控制电压 导通电流
• 导通和关断由门极信号控制 • 导通和关断过程快速，但非
理想 • 导通和关断存在尖峰电流和
电压
集电极和发射 极电压
实际关断和导通波形
15
功率器件的发展
半控器件
• 开通可控 • 关断不可控
全控器件
• 开通可控 • 关断可控
IGBT/IEGT
GTO和IGCT
GTO
IGCT
集成门极
缓冲层 透明阳极 逆导技术
• 最早的全控器件 • 开关频率低，已很少使用
• 上海50MVAr STATCOM
采用IGCT
19
• 目前只有ABB公司供应
IGBT IGBT和PP IGBT(IEGTP)P IGBT(IEGT)
电子注入增强 低导通电压降 宽安全工作区
• 模块塑封 • 应用最广的全控器件 • 三菱、英飞凌、日立、
ABB等多个供应商
• 压接式封装，双面散热
• 失效后处于短路状态
• 主要供应商有东芝、ABB和
Westcode
20
模块式封装(PMI) 功率器件封装模式
技术成熟 安装工艺简单 器件制造商多 损坏时可能发生爆炸 串联不易实现 器件容量相对较小
智能电网特色技术之一：柔性直流输电
智能电网特色技术之一：柔性直流输电柔性直流输电(以下简称“柔直”)技术于上个世纪90年代提出，但一直是关注者多，而追随者少。
许多跨国企业早早着手该项研究，但大多“流产”。
究其根源，还是因为涉及的专业领域太多，技术难度太大。
中国的柔直技术研究同样艰难。
2006年，当国家电网公司几乎与西门子同步启动柔直研究时，全球只有ABB一家有实际工程应用经验，且其采用的是传统的类似于高压变频器的技术路线，可供借鉴的经验不多，加之我国在该领域技术基础薄弱，技术难度巨大。
随后6年时间里，普瑞工程公司科研团队不言放弃，系统研究了基础理论与前期技术，较终全面掌握了核心技术。
2006年~2008年，主要是打深、打实“地基”阶段，科研团队在国内首次建立了柔直研究的基础理论体系。
2008年~2010年，科研人员着眼于适应高压大容量的新技术路线，全面掌握了较先进的MMC—HVDC(模块化多电平柔性直流)系统的机理、设计和控制方法，并通过样机研制，验证了理论的正确性与技术路线的可行性。
汤广福回忆说，样机研制阶段不但工作繁重，还充满难以想象的危险。
样机研制的关键——IGBT是一种高频率器件，在实际科研中，IGBT发生爆炸的情形很普遍。
IGBT爆炸时，如果碎片射到人体，与中枪无异。
2008年冬天的一个周末，在IGBT驱动短路测试中，突然“轰”的一声巨响，IGBT发生爆炸。
科研人员就在被测设备周围，所幸没有人员受伤。
快速处理后，来不及后怕的科研人员迅速更换了零部件，继续工作。
经历爆炸的极度危险，通过几十次、几百次试验的不断优化、检验，IGBT数字驱动器百炼成金，研制取得成功。
在全面突破关键技术瓶颈并成功研制出样机的基础上，他们经过6版设计，3代样机研制，40余次专家技术评审会，较终成功研制出柔直换流阀、MMC阀基控制器等成套设备，并在上海南汇风电场柔性直流输电示范工程中得到成功应用。
“我们深知其中的艰难。
但是，过去6年一步一个脚印，一步一个跨越，让我们始终充满信心。
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柔性直流输电技术和上海示范工程简介
摘要：柔性直流输电技术是一种适用于小功率传输的新型直流输电技术。
本文阐述了柔性直流的工作原理和应用优势，并简要介绍了上海南汇风电厂柔性直流输电示范工程。
关键词：柔性直流传统直流上海示范工程
1、引言
柔性直流输电（VSC-HVDC）技术是一种以电压源换流器（VSC）、可控关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。
与传统直流输电相比，具有控制灵活方便、提高系统稳定性，增加系统动态无功储备，改善电能质量、节约建设用地等技术优势，适用于可再生能源并网、孤岛供电、非同步互联、城市电网供电等多方面。
2、柔性直流输电技术原理与特点
2.1 柔性直流输电原理
轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管（GTO）及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC，换流器的单相电路如图1所示。
1——直流电容器；2——IGBT；3——续流二极管；
4——换流电抗器；5——换流电容器
图1 换流器单相图
其工作原理是：把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。
通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。
工频正弦波控制信号经与三角波载波信号比较产生触发信号，见图2。
VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。
有功功率计算公式：
无功功率计算公式：
式中、分别为VSC输出电压和母线电压基频分量的有效值，为与的相位差，X为换流电抗器的电抗。
2.2 柔性直流输电特点
与传统直流输电相比，柔性直流输电主要有以下技术特点：
(1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用直流输电为远距离的孤立负荷送电成为可能。
(2)正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。
(3)VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到静止无功补偿器(STATCOM)的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。
这意味着在VSC容量允许的情况下，一旦系统发生故障，轻型HVDC系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，也可提供无功功率的紧急支援，从而提高系统得稳定性。
(4)由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。
这意味着增加新的轻型HVDC线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。
(5)VSC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。
(6)控制器可根据交流系统的需要实现自动调节，因此两侧的VSC换流器不需要通信联络。
同时，换流站内的主设备较传统直流输电大为简化，使正常维护工作量大大减少，为实现无人或少人值守创造了有利条件。
3、上海南汇柔性直流示范工程
上海是我国最大的经济中心城市之一，但是受一次能源缺乏和环境保护要求的限制，为满足地区经济长远发展对电力的需求，除了接收区外来电外，上海电网积极引进清洁能源，发展清洁能源发电。
上海位于我国东部沿海中间的突出部位，风能资源丰富，因此非常适合于大力发展风力发电。
上海电网在上世纪末就开始着手风力发电建设工作。
按上海电网新能源及可再生能源规划，至2020年，全市风力发电总装机容量可达到约1000MW。
鉴于上海风电建设的现状和发展规划，未来将有较大容量的风电接入系统，在提高电网供电能力的同时也将给系统在频率、电压调整以及动态稳定性等方面带来诸多影响。
由于柔性直流输电技术的诸多优点使其能够在一定程度上解决风电并网后给系统带来的诸多问题。
因此，将上海南汇风电场并网方案作为柔性直流输电技术的示范工程。
3.1 接入系统方案
上海南汇风电场是上海电网已建的规模最大的风电场。
本工程将南汇风电场至大治站现有一回35kV线路治风3993线改造为柔性直流输电线路，并在南汇风电场和大治站附近各新建一个换流站，大治站侧换流站（书柔站）至大治站还需新建一段交流线路。
直流输电电压采用±30kV，两端交流侧维持接入系统方案现状。
3.2 柔性直流输电系统基本工作特性
两个换流站间有功功率的平衡是通过选择一端换流器控制直流侧电压，另一端换流器控制有功功率来实现的。
定电压控制可以使各换流站间有功功率传输自动平衡。
换流站无功功率的控制，由两个换流站完全独立完成，无功功率指令的期望值可以由交流侧电压产生，也可以手动设置。
由于换流器额定容量的限制，每个换流站有功功率和无功功率的独立控制被限制在一个确定运行范围内。
柔性直流输电工程换流站控制系统是在各自换流站内独立运行的，不依赖于站间通信。
4、结语
作为国网公司“十一五”重大科技项目，上海示范工程是柔性直流输电技术应用于风电场与主网并网的一次探索和研究，将为以后的风电场、孤岛电网并网及柔性直流输电技术的推广应用提供技术支撑和运行经验，极具实践意义。
参考文献
[1]王兆安,黄俊.《电力电子技术》第四版.西安交通大学.
[2]《柔性直流输电示范工程初步设计》.上海电力设计院有限公司.。