厦门双极柔性直流输电工程系统设计
柔性直流输电
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。
第二代直流输电技术采用的换流元件是晶闸管，所用的换流器拓扑仍然是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。
通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流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”。
浅析柔性直流输电技术特点、应用及挑战
浅析柔性直流输电技术特点、应用及挑战摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。
本文分析了柔性直流输电技术的特点及发展现状，总结了柔性直流输电技术的使用范围，简要介绍了厦门柔性直流工程的技术特点，并对柔性直流发电技能发展前景及挑战进行了展望分析。
关键词：柔性直流；技术特点；应用前景引言McGill大学的Boon-TeckOoi等专家在1990年初次提出依据电压源换流器（VSC）的直流输电概念，标志着第三代直流输电技能的诞生。
其技能创新点在于选用大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的换流器，经过使用脉宽调制技能（PWM），可完成有功功率和无功功率的独立控制，有利于提高系统稳定性、增加动态无功容量、改进电能质量，在新能源并网、孤岛供电、异步电网互联、城市电网供电等方面具有广阔的使用前景。
国际权威电力学术组织将其学术名称定义为“VSC-HVDC”，即“基于电压源换流器的高压直流输电”。
我国为了简化、形象地描述此技术，将该技术简称为“柔性直流输电（HVDC Flexible）”，以区别于采用晶闸管的常规直流输电技术。
1柔性直流技术的发展历程前期由ABB公司建造投产的换流器拓扑主要为两电平VSC以及二极管钳位型三电平VSC。
两电平及三电平换流器电路构造简单、所需电子器材电容器数量少，但因为输出电平数少，须选用高频PWM调制，对开关器材的一致性和均压性要求较高，而且损耗较大，变成制约VSC-HVDC发展的首要问题。
2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquart和A.Lesnicar提出了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。
MMC经过子模块（SM）级联而成，选用阶梯波的方法逼近正弦波，使得IGBT的开关频率从lkHz以上下降至100~300Hz左右，具有损耗低、输出波形质量高、制作难度下降、故障处理能力强的特点，极大地提升了柔性直流输电工程的运转效益。
柔性直流输电系统的设计与分析
柔性直流输电系统的设计与分析近年来，随着电力需求的不断增加和清洁能源的广泛应用，柔性直流输电系统作为一种新型的能源输送技术，受到了广泛关注和应用。
本文将对柔性直流输电系统的设计原理和分析方法进行探讨，旨在为相关领域的研究人员和工程师提供参考。
第一部分：柔性直流输电系统的基本原理柔性直流输电系统是一种基于直流电的高效、可靠的能源输送技术。
它通过将交流电转换为直流电，减少输电损耗和电网压力，并能够实现灵活的电力调度和能量存储。
柔性直流输电系统主要由三部分组成：直流输电线路、换流站和电力电子设备。
在柔性直流输电系统中，直流输电线路是实现能量传输的重要部分。
根据输电距离和电流负载的不同，可以选择不同的输电线路类型。
常见的输电线路类型有海底电缆、空中输电线路和地下电缆等。
直流输电线路的设计需要考虑输电效率和成本，保证能量的有效传输和电网的可靠运行。
换流站是柔性直流输电系统中的核心设备，其作用是将交流电转换为直流电，并实现直流到交流的逆变。
换流站主要由换流器、滤波器和控制器等组件组成。
换流器由可控硅和可逆晶闸管构成，能够使直流电的极性和电压保持稳定。
滤波器能够过滤电网中的谐波和干扰信号，保证直流电的纯净度。
控制器则通过运行算法和反馈控制，实现对换流站的工作状态和电力调度的控制。
电力电子设备是柔性直流输电系统中的核心技术之一。
它采用了先进的电力电子器件和控制技术，能够实现高效、可靠的能量转换和传输。
电力电子设备主要包括变流器、逆变器和控制系统等。
变流器能够将直流电转换为交流电，并按需调整频率和电压。
逆变器则将交流电转换为直流电，供给直流设备使用。
控制系统通过实时监测和分析电力数据，实现对电力设备和输电线路的监控和故障检测。
第二部分：柔性直流输电系统的设计与优化柔性直流输电系统的设计需要综合考虑输电距离、电流负载、环境影响、成本效益等多个因素。
为了提高输电效率和降低成本，可以采用以下几种设计与优化方法。
首先，选择合适的输电线路类型和参数是柔性直流输电系统设计的基础。
含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法
含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法宋少群【摘要】提出了一种含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法,根据厦门柔性直流输电工程现场运行特点,分析了福建电网不同运行方式下柔性直流输电通道与相关交流输电通道之间的潮流耦合关系,建立了交直流通道的传输功率约束,在保障电网安全的前提下,尽可能地降低电网的有功损耗.该方法在福建省调EMS系统中得到应用,能够实现对含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制,提高电网运行安全性、经济性.【期刊名称】《能源工程》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】5页(P25-29)【关键词】柔性直流输电系统;EMS系统;潮流优化控制【作者】宋少群【作者单位】福建电力调度控制中心,福建福州350003【正文语种】中文【中图分类】TM7610 引言柔性直流输电系统(以下简称柔直系统)可独立控制有功和无功功率，具有可控性好、运行方式灵活的特点[1-3]，使其在城市电网互联[4-5]、新能源并网[6-7]、无功补偿[8]以及无源负荷供电[9]等领域有着极其广泛的应用前景，也为电网调度运行提供了灵活、高效的控制手段[10-11]。
文献[4]通过对比多端直流输电系统与传统交流输电系统，并通过仿真指出前者在城市供电中能更好地解决电能质量和接地故障的问题，而文献[5]也进一步说明多端柔直系统能够给予城市电网互联中的敏感负荷以更大的稳定保证。
面对新能源并网问题，文献[6]和文献[7]分别以两个实际工程案例，展示了柔直系统在海上风电输送与利用方面的作用。
2015年建成投运的福建厦门柔直系统采用模块化多电平电压源换流器，直流额定电压±320 kV，输送容量1000 MVA，是世界上首个采用真双极接线的柔性直流工程，电压等级和输送容量均达到国际前列。
厦门柔直系统与现有厦门地区220 kV交流电网形成环网运行。
在电网实际运行控制中为充分发挥柔直工程优点，需要解决的问题有：(1)由于环网中不同输电通道潮流具有非同向性特点，调节柔直系统有功功率在减轻某些通道负载的同时，势必会加重其他通道负载，需要从均衡全网负载的角度对柔直系统有功功率进行优化控制；(2)柔直系统无功控制能力有利于电网电压控制和降低网损，但柔直系统无功调节能力受有功功率、换流变档位、调制比等因素制约。
柔性直流输电
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。
第二代直流输电技术采用的换流元件是晶闸管，所用的换流器拓扑仍然是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。
通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流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”。
柔性直流输电启动充电过电流分析及改进
187环境技术/Environmental TechnologyＡｂｓｔｒａｃｔ：This paper firstly researches on the overcurrent problem of charging resistance in the start-up process of Ludao Staion of Xiamen MMC-HVDC project. The research results indicates that the overcurrent problem during start-up process is due to the gradual saturation of transformer caused by its remanence. In order to reproduce the overcurrent phenomena, a detailed Xiamen flexible DC model is built in the electromagnetic transient simulation program PSCAD/EMTDC. Since the original transformer model in the simulation software cannot simulate the initial remanence, an improved method is proposed, with which the overcurrent phenomena is correctly reproduced by comparing with the on-site recorded waveforms. Furthermore, several measures are put forward to improve the start-up process of MMC-HVDC and avoid the overcurrent problem.Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：flexible HVDC; charging resistance; charging overcurrent; excitation saturation; remanence simulation摘要：本文首先对厦门柔性直流工程鹭岛站出现的充电电阻过流问题进行了深入研究，研究结果表明充电电阻过流是由于变压器剩磁导致充电过程中变压器渐进饱和引起的。
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2011/11/23
hfliang@
20
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
3 VSC-HVDC的发展与现状（续）
（3）2000年4月，澳大利亚建成投运Directlink VSC-HVDC工程 （4）2000年8月，丹麦修建的第1个用于风力发 电的VSC-HVDC示范工程－Tjæreborg 工程正式 投运 （5）2000年9月，美国的Eagle Pass建设了世界 上第1个采用VSC-HVDC技术实现电网背靠背异 步互联的工程 （6）2002年7月美国Cross Sound VSC-HVDC工 程投运
1 VSC-HVDC的基本原理（续）
VSC
直流输电线
VSC
U&S 电抗器
U&C
滤 波 器
电抗器
滤 波 器
图1 两端接有源网络的VSC-HVDC系统原理图
P = U SU C sin δ
X1
Q = U S (U S − U C cosδ )
X1
2011/11/23
hfliang@
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。
2011/11/23
hfliang@
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柔性直流输电(VSC-HVDC)技术
2 VSC-HVDC的技术特点（续）
VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够 起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线无 功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果VSC 容量允许，故障时VSC-HVDC系统既可向故障区 域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功 率的紧急支援，从而提高系统的电压和功角稳定 性。
技术
UC由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控
世界首个柔性直流输电科技工程在厦门投运
世界首个柔性直流输电科技工程在厦门投运佚名【摘要】2015年12月17日,世界上首个采用真双极接线、额定电压和输送容量双双达到国际之最的福建厦门±320 k V柔性直流输电科技示范工程正式投运,标志着我国全面掌握高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套能力,实现了柔性直流输电技术领域的国际引领。
厦门柔直工程调试副总指挥、博士邓超平表示：“柔性直流输电是以电压源换流器（VSC）为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件（IGBT），可在传输能量的同时，灵活调节与之相连的交流电网电压，具有可控性好、运行方式灵活、适用场合多等显著优势”。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2015(000)024【总页数】2页(P105-106)【关键词】直流输电;科技工程;柔性;厦门;投运;世界;电压源型换流器;科技示范工程【正文语种】中文【中图分类】TM721.12015年12月17日，世界上首个采用真双极接线、额定电压和输送容量双双达到国际之最的福建厦门±320 kV柔性直流输电科技示范工程正式投运，标志着我国全面掌握高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套能力，实现了柔性直流输电技术领域的国际引领。
厦门柔直工程调试副总指挥、博士邓超平表示：“柔性直流输电是以电压源换流器(VSC)为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件(IGBT)，可在传输能量的同时，灵活调节与之相连的交流电网电压，具有可控性好、运行方式灵活、适用场合多等显著优势”。
据介绍，厦门柔性直流工程于2013年12月完成项目核准，2014年7月21日开工建设。
工程额定电压±320 kV，输送容量1 000 MW，工程新建岛外浦园、鹭岛两座±320 kV换流站工程及±320 kV彭厝～湖边柔性直流线路工程，直流线路总长10．7 km，全部为陆缆，采用1 800 mm2大截面绝缘直流电缆敷设，通过厦门翔安海底遂道与两座换流站连接。
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研究背景
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。
目前，世界X围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛;国内已有5项MMC工程投运，同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中，并可能成为我国未来大区域电网互联的重要手段。
与交流输变电工程不同，柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。
（来源：电力系统自动化ID：AEPS-1977）
±320kV/1000MWXX柔性直流输电工程(以下简称XX工程)是世界X围内第一个采用双极接线的柔性直流工程，也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程，两端换流站鸟瞰示意图如图1所示。
与以往对称单极柔性直流工程相比，首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。
本文对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，研究结论在XX工程得到成功应用，验证了设计方案和技术参数的正确性。
(a) 彭厝换流站
(b) 湖边换流站
图1 XX工程换流站鸟瞰示意图
1 主接线及运行方式
当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线，存在如下问题：
1)与同容量双极柔性系统相比，可靠性较低。
2)换流单元采用三台单相双绕组变压器，导致变压器容量大，运输困难。
3)换流站设备的绝缘水平要求较高。
考虑到上述因素，XX工程采用双极带金属回线的主接线，主接线设计如图2所示。
图2 双极柔性直流换流站接线示意图
根据主接线设计特点和转换开关配置方案，XX工程存在以下3种运行方式：
方式1：双极带金属回线单端接地运行(见图3(a))。
其中，接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。
双极不平衡电流通过金属回线返回。
方式2：单极带金属回线单端接地运行(见图3(b))。
接地点的作用同方式1，且单极极线电流通过金属回线返回。
方式3：双极不带金属回线双端接地运行(见图3(c))。
双极不平衡电流通过大地回路返回。
该方式为运行方式转换过程中出现的临时方式，且必须保证直流系统处于双极对称状态。
图3 XX工程三种典型运行方式
2 主回路参数计算
2.1 主设备参数计算
与小容量柔性直流工程相比，高压大容量柔性直流工程中可供选择的可关断器件有限。
这样，可关断器件的过压、过流裕度极小。
此时，需要精确核算可关断器件的电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值等。
由于与传统高压直流的原理不同，换流变压器和桥臂电抗器的主要参数设计考虑的因素不同，需要对此进行重新梳理和分析。
本文给出了可关断器件电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值、换流变变压器和桥臂电抗器等主设备关键参数的计算方法和设计原则，如图4所示。
其中换流阀的实物图如5所示。
图4 主设备参数计算原则和流程
图5 换流阀实物图
2.2 PQ运行区间计算
PQ运行区间表征了换流器有功功率和无功功率输出能力，是系统设计的关键内容之一。
PQ运行区间的计算需要考虑换流变压器容量的约束、调制比的稳态X围约束、直流电缆的通流限制、桥臂热稳定电流约束、交流母线电压的稳态运行X围以及直流端口电压的稳态运行X围。
图6为XX 工程中换流变压器配置分接头(On-Load Tap Changer，OLTC)前后换流站的PQ运行区间，本文通过优化分接头X围拓展了PQ运行区间。
(a)未配置OLTC
(b)配置OLTC
图6 配置OLTC前后换流站PQ运行区间
3 暂态电流和过电压计算
由于采用双极接线的柔性直流工程直流侧有零电位参考点，与对称单极接线相比各故障下的暂态电流和过电压的表现特征不同。
如表1所示，根据位置和类型不同本文将换流站内考虑的典型故障分为9大类23种故障，分析不同故障机理和特征，对比分析了采用对称单极接线和双极接线柔性直流工程的暂态电流特性和暂态过电压特性，分别如表2和表3所示。
从分析结果看，①双极接线的工程比单极接线的工程暂态电流严苛;②双极接线的工程比单极接线的工程暂态过电压较低，有利于降低绝缘水平。
表1 双极接线柔性直流工程换流站内的典型故障
表2 两种接线方式下各故障下的暂态电流比较
表3 两种接线方式下各故障下的暂态过电压比较
双极接线下直流侧单极接地故障类似于单极接线下的双极短路故障，故障发生后，工程中仅阀控过流保护来得及动作，是决定设备暂态电流应力的关键故障，本文对此故障机理和过程进行了重点分析，提出暂态电流精确解析计算方法。
从实际桥臂电流达到保护启动值，中间经过电流测量装置的阶跃延时和测量延时、阀控过流保护的判断时间、阀控到子模块的链路延时，直到子模块成功关断的总延时(以下简称换流阀闭锁总延时)约为百微秒级。
在这段时间内，子模块电容迅速放电，IGBT在极短时间内闭锁。
故障发生后，桥臂暂态电流主要由三部分组成：①子模块电容的放电电流。
由于短路故障发生时直流极母线为低电压，若IGBT管触发则子模块电容迅速放电;②由于故障发生到换流器闭锁的时间较短，子模块电容电压跌落很小且控制系统来不及响应，从而使得换流变压器阀侧电流和桥臂电流的基波分量依然按照正弦规律变化;③桥臂电流的初值。
由于桥臂电抗器的作用，故障发生时刻桥臂电流不能突变。
最苛刻故障的筛选需要考虑2个因素：①故障发生前换流器满功率整流运行且无功功率最大，使得稳态时IGBT管具有的最大电流初值;②由于子模块电容电压基本不变，故障发生最苛刻的时刻为阀控过流保护启动后，交流电流的分量剧烈变化的时刻。
在实际工程中，需要计算故障发生后，在阀控过流保护的电流启动定值和总延时时间下，桥臂实际暂态电流不能超过IGBT可关断的最大电流。
以送端站出口发生接地故障为例，阀控过流保护的动作定值取Iset=2.1kA，换流阀闭锁时的桥臂电流随换流阀闭锁总延时的变化如图7所示。
可见，解析计算结果和电磁暂态仿真结果几乎完全吻合。
图7 单极接地故障不同保护动作延时下换流阀闭锁电流
4 结论
本文以XX工程为背景对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，在如下方面取得了进展：
1)通过主接线优化设计使得采用双极接线的柔性直流工程具备3种运行方式，提高了系统的可靠性。
2)高压大容量柔性直流工程中设备裕度通常较小，通过对主回路参数开展精确计算从而实现小容量可关断器件支撑工程大功率传输。
3)柔性直流工程采用双极接线时，暂态电流更苛刻。
通过提出暂态电流精确解析计算方法以及优化布置等方法，确保工程可关断器件的安全性。
4)柔性直流工程通过采用双极接线有效地降低了工程的绝缘水平。
本文所做工作对X北柔性直流电网工程及后续高压大容量柔性直流工程的系统设计具有较好的指导意义。