柔性直流输电技术PPT课件
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(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
柔性直流输电技术PPT课件
运行性能比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
换流器产生谐波量大， 噪音较大，需要配备交 流滤波器
需要无功补偿，最大 约为50%输送容量
换流站滤波器小组投 切过程较慢，且引起电 压波动
电网换相，需要交流 系统提供足够的短路容 量。
脉宽调制使换流器谐波 大大降低，只需要容量 约为10～20%的高通滤 波器
• 变压器损耗大，占地大，逐渐淘汰
• 通过功率模块串联，实现多电平换 流器结构
• 成为电网应用的主流 31
➢ 器件串联
ABB公司的两电平换流器的串联IGBT阀，HVDC Light/SVC Light
基于ABB公司StakPakTM IGBT器件，器件不单独 出售
...
引自ABB参考资料
32
➢ 器件串联
换流站无需无功补偿， 且可为交流系统提供紧 急无功支援
无功调节平滑、快速
换流器完成自换相，无 需电网提供换相帮助， 对短路容量没有要求。
8
工程应用比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
换流站占地面积大， 辅助设备较多
同等容量下，设计较 为复杂、建设工期长、 运行维护投入较大
4）美国ETO
22
SCFM-短路失效模式
SCFM（Short-Circuit Failure Mode)
器件发生失效后器件处于短路 模式，并能够继续安全流过工 作电流，直至装置检修时更换
ABB StakPakTM IGBT在 SCFM方面的技术资料公开 比较充分，东芝IEGT也有 相关试验数据
故障后处于短路状态
结构上易于串联
散热性能好
柔性直流输电基本控制原理[优质ppt]
![柔性直流输电基本控制原理[优质ppt]](https://img.taocdn.com/s3/m/38aa131f27d3240c8547ef5f.png)
超高压输电公司
柔性直流输电系统的基
请播放幻灯本片控，制然原后理点击此处
学习时长：60分钟
对应培训规范课程单元：请输入对应课程单元名称 对应培训规范课程编码：请输入课程单元对应编码
.
超高压输电公司
课程内容目录
1 abc坐标系下MMC的数学模型 2 坐标系的变换 3 dq坐标系下的数学模型
4
瞬时无功理论
三相abc坐标下数学模型
L
c
d ia dt
R ia
u conv_a
usa
L
c
d ib dt
R ib
u conv_b
usb
L
c
d ic dt
R ic
u conv_c
usc
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
dia
dt
SM 1
Ud
2
uan
SM 2
……
SM N
- ian
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
Ud (napnan)E
Usa-LcddaitpnaE p U2d Usa-Lcddait n-naE n -U2d
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
Id
iap
SM 1
uap
SM 2
Usa-LcddaitpnaE p U2d
Id
iap
ibp
icp
SM 1
SM 1
SM 1
ubrg_ap
SM 2
SM 2
柔性直流输电系统的基
请播放幻灯本片控，制然原后理点击此处
学习时长：60分钟
对应培训规范课程单元：请输入对应课程单元名称 对应培训规范课程编码：请输入课程单元对应编码
.
超高压输电公司
课程内容目录
1 abc坐标系下MMC的数学模型 2 坐标系的变换 3 dq坐标系下的数学模型
4
瞬时无功理论
三相abc坐标下数学模型
L
c
d ia dt
R ia
u conv_a
usa
L
c
d ib dt
R ib
u conv_b
usb
L
c
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R ic
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usc
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
dia
dt
SM 1
Ud
2
uan
SM 2
……
SM N
- ian
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
Ud (napnan)E
Usa-LcddaitpnaE p U2d Usa-Lcddait n-naE n -U2d
.
超高压输电公司
MMC换流器控制策略
Id
iap
SM 1
uap
SM 2
Usa-LcddaitpnaE p U2d
Id
iap
ibp
icp
SM 1
SM 1
SM 1
ubrg_ap
SM 2
SM 2
多端柔性直流综述汇报PPT课件
3
VSC3 VSC4
（a）放射式
（b）环网式
并联型VSC-MTDC输电系统常用与新能源并网、孤岛供电、 系统互联等方面，是目前使用最多的VSC-MTDC拓扑结构。
1 VSC-MTDC输电技术概述
4
串联VSC-MTDC输电系统拓扑结构：
VSC1
VSC2
VSC3
串联型VSCMTDC输电系统适用 于低压系统组合成高 压直流系统的场合， 如风电场并网等，目 前使用较少。
北美Tres Amigas超导体输电工程示意 图
2 VSC-MTDC发展现状
13
该超级电力中转站的设计输电容量预计达5GW，直流电 压等级为345kV，共占地约58km2。3个AC/DC换流站均 采用VSC，在每个换流站内还安装有大型电能存储设备，除 作备用外，还可以用来平衡相连交流系统中的间歇性能源发 电及向系统提供辅助服务。该项目预计2016年投运，建成 后将进一步促进北美的电网互联及现有3个互联电网内的交 流高压网络建设。
2 VSC-MTDC发展现状
14
瑞典-挪威的South-West Scheme三端柔性直流输电 工程
瑞典国家电网公司在瑞典南部启动了“南西柔性直流工程”， 该工程主要用于大容量输电。在Oslo、Barkeryd、Hurva这3地 各建2个换流站，为保证运行可靠，该工程采用两条独立的线路， 每条直流线路传输容量为720MW，直流电压等级为±300kV，该 柔性直流工程计划的输电总量为1440MW，预计在2016年投入运 行。其结构如图所示。
VSC1 VSC2
VSC3
VSC4 VSC5
VSC1
VSC3
VSC2
VSC4
VSC5
（a）串并联式
(精品)柔性直流输电技术
晶体管类(Transistor)
门极电流控制开通关断 关断时所需门极负脉冲电流较大 可承受开关频率较低 导通压降较低 所能实现的电压、电流等级较高
门极电压控制开通关断 门极驱动功率小，开关速度快， 可承受开关频率高 导通压降大 所能实现的电压、电流相对不高
18
• 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
换流站占地面积大， 辅助设备较多
同等容量下，设计较 为复杂、建设工期长、 运行维护投入较大
电压已达±800kV以上， 传输功率6400MW，适 合大系统间大规模功率站面积约小40%
同等容量下，设计相对 简单、主要设备在工厂 生产、现场安装和维护 较为简单
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
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
电力电子技术已广泛用于电气工程学科， 其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网 电能质量补偿与控制、高性能交直流电源 等领域
柔性直流输电技术
备注：IGCT和ETO的标称电流为峰值，约与IGBT的2000A相等
23
柔性直流输电柔采性用的直功流率输器电件功一率般容器量小较结大
电压等级在3300V以上，有3300V，4500V 通流能力在1000A以上，有1200A，1500A
良好的开通、关断特性，导通特性
开通关断过程尖峰电压和电流 开通、关断过程快速，限制开关损耗 导通压降低，限制通态损耗
电力电子技术已广泛用于电气工程学科， 其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网 电能质量补偿与控制、高性能交直流电源 等领域
近年来，能源成为当今人类面临的重大问 题 ，电力电子装置是能源变换的功能性装置， 电力电子技术已成为能源变换与传输的关 键技术
13
交流和直流变换
AC
通过换流器（Converter）实现变换
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
故障后处于短路状态
结构上易于串联
散热性能好
封装难度大
供应商少
• 压接式封装可靠性更高
两种封装模式均有柔直应用 • ABB工程全部采用 StatkPak • 西门子 Transbay工程用PMI
IGBT
• 主要有以下几类
1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT
器件串联
换流器输出电平数低，正弦度不高，谐波和损耗大 实现中存在多方面困难
串联器件静、动态均压技术 杂散参数控制、安装、运行维护
ABB的StakPakTMIGBT模块
32
两电平换流器的PWM控制
1
SPWM
0
1
脉冲
0
Vdc (Vdc ) 2
输出电压
(0) Vdc 2
23
柔性直流输电柔采性用的直功流率输器电件功一率般容器量小较结大
电压等级在3300V以上，有3300V，4500V 通流能力在1000A以上，有1200A，1500A
良好的开通、关断特性，导通特性
开通关断过程尖峰电压和电流 开通、关断过程快速，限制开关损耗 导通压降低，限制通态损耗
电力电子技术已广泛用于电气工程学科， 其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网 电能质量补偿与控制、高性能交直流电源 等领域
近年来，能源成为当今人类面临的重大问 题 ，电力电子装置是能源变换的功能性装置， 电力电子技术已成为能源变换与传输的关 键技术
13
交流和直流变换
AC
通过换流器（Converter）实现变换
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
故障后处于短路状态
结构上易于串联
散热性能好
封装难度大
供应商少
• 压接式封装可靠性更高
两种封装模式均有柔直应用 • ABB工程全部采用 StatkPak • 西门子 Transbay工程用PMI
IGBT
• 主要有以下几类
1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT
器件串联
换流器输出电平数低，正弦度不高，谐波和损耗大 实现中存在多方面困难
串联器件静、动态均压技术 杂散参数控制、安装、运行维护
ABB的StakPakTMIGBT模块
32
两电平换流器的PWM控制
1
SPWM
0
1
脉冲
0
Vdc (Vdc ) 2
输出电压
(0) Vdc 2
upc柔性电力技术(电力电子技术在电力系统中的应用)课件第四章
与交流输电相比，高压直流输电的优点：
1、经济方面：
(1) 线路造价低。
对于架空输电线，交流用三根导线，而直流一般用两根采用大地或 海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆， 由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆， 直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。
电压等级的划分：
交流：
330kV、500kV 和 750kV – 超高压；
1000kV- 特高压。
直流：
±500kV、±600kV– 超高压；
±660kV、±800kV 和 ±1000kV- 特高压。
西部能源基地与东部负荷中心距离在800-3000公 里左右，远距离、大容量输电是我国未来电网发展的必 然趋势。
2004年
2005年 2006年
葛洲坝换流站
南桥换流站
• （2003-04-29 ）三常直流工程（三峡至常州±500千伏 ）创下 两项世界记录：一项是在29个月的时间内，按计划完成全部 工程建设任务，世界其他类似工程没有一个工程能按期完成； 一项是单级输送功率160万千瓦，超过单级输送功率150万千 瓦的世界记录。” • （2006年12月15日）世界上首个最高电压等级的±800千伏特 高压直流输电工程：云南至广东±800千伏特高压直流输电工 程，西起云南楚雄州禄丰县，东至广州增城市，输电距离 1438公里，动态总投资137亿元，额定输电容量500万千瓦， 是我国在建单条输电容量最大的工程之一，是云电送粤的主 力通道。该条线路的输电能力相当于目前云南省全省用电负 荷的80％。据了解，此前世界上已有的直流输电最高电压等 级为±600千伏。 • （2009年11.17） ±800千伏特高压向家坝－上海直流输电示 范工程，被誉为迄今为止世界上电压等级最高、输送容量最 大、输电距离最长等18项世界纪录的直流输电工程。
柔性直流输电技术与标准
意见，其中成员国英国提出10条修订意见，11个成员国未提出意 见，2个成员国未对本标准草案作出响应。
四、柔性直流输电技术标准
1）IEC 62501:2009 HVDC系统用VSC阀-电气试验 ▪ 适用范围
本标准适用于柔性高压直流输电三相桥式电压源，或背靠背系统 的自换相换流阀。试验内容仅限于电气型式和生产试验。
三、柔直技术研发与关键问题
❖ 2. 柔性直流输电控制保护系统设计关键技术
系统的故障类型与保护分类； 系统的起、停策略研究； 多端柔直系统协调控制研究； 控保系统对测量装置与故障录波的要求。
三、柔直技术研发与关键问题
❖ 3. 柔性直流输电换流阀关键元器件国产化
▪ 柔性直流输电换流阀是柔直工程最为关键的设备，但目前换流阀中的 关键元器件主要来自进口，如：IGBT/IGET、直流电容器、驱动板 、晶闸管等，这对我国柔直工程造价、工程建设周期、售后服务等都 造成一定影响。
2
而变化
化
3
损耗较小（1%）
损耗较大（2%）
4
容量大（数千MW）
容量相对小（数百MW）
5
故障承受能力和可靠性较高
故障承受能力和可靠性较低
二、柔性直流输电的特点及应用
❖ LCC-HVDC与VSC-HVDC的比较
序号
1 2
3 4 5
电流源换流器LCC-HVDC
电压源换流器VSC-HVDC
交流侧提供换相电流，受端为有源网络，且 电流自关断，可向无源网络供电。
该标准列出的试验是基于空气绝缘的换流阀。对于其他绝缘型式 的换流阀，其测试要求和接受标准需要经过进一步协商确定。
四、柔性直流输电技术标准
1）IEC 62501:2009 HVDC系统用VSC阀-电气试验
四、柔性直流输电技术标准
1）IEC 62501:2009 HVDC系统用VSC阀-电气试验 ▪ 适用范围
本标准适用于柔性高压直流输电三相桥式电压源，或背靠背系统 的自换相换流阀。试验内容仅限于电气型式和生产试验。
三、柔直技术研发与关键问题
❖ 2. 柔性直流输电控制保护系统设计关键技术
系统的故障类型与保护分类； 系统的起、停策略研究； 多端柔直系统协调控制研究； 控保系统对测量装置与故障录波的要求。
三、柔直技术研发与关键问题
❖ 3. 柔性直流输电换流阀关键元器件国产化
▪ 柔性直流输电换流阀是柔直工程最为关键的设备，但目前换流阀中的 关键元器件主要来自进口，如：IGBT/IGET、直流电容器、驱动板 、晶闸管等，这对我国柔直工程造价、工程建设周期、售后服务等都 造成一定影响。
2
而变化
化
3
损耗较小（1%）
损耗较大（2%）
4
容量大（数千MW）
容量相对小（数百MW）
5
故障承受能力和可靠性较高
故障承受能力和可靠性较低
二、柔性直流输电的特点及应用
❖ LCC-HVDC与VSC-HVDC的比较
序号
1 2
3 4 5
电流源换流器LCC-HVDC
电压源换流器VSC-HVDC
交流侧提供换相电流，受端为有源网络，且 电流自关断，可向无源网络供电。
该标准列出的试验是基于空气绝缘的换流阀。对于其他绝缘型式 的换流阀，其测试要求和接受标准需要经过进一步协商确定。
四、柔性直流输电技术标准
1）IEC 62501:2009 HVDC系统用VSC阀-电气试验
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17
大功率开关器件的分类
大功率开关器件
晶闸管类
晶体管类
发射极关断晶闸管
GTO
ETO IGCT
可关断晶闸管 集成门极换相晶闸管
模块式IGBT
绝缘栅双极晶体管
压接式IGBT (IEGT)
电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT1)8
晶闸管(Thyristor)
晶体管类(Transistor)
电压
集电极和发射 极电压
实际关断和导通波形
16
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
Thyristor
GTO
IGCT
ETO
• 由半控型到全控型
• 电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA)
• 开关速度由低到高（50/60Hz 到几kHz)
电压已达±800kV以上， 传输功率6400MW，适 合大系统间大规模功率 传输，适合能源的优化 配置
结构紧凑、功率密度高， 换流站面积约小40%
同等容量下，设计相对 简单、主要设备在工厂 生产、现场安装和维护 较为简单
能为弱系统、无源网络 供电，如岛屿供电、海 上油气平台供电、风电 联网等。
故障后处于短路状态
结构上易于串联
散热性能好
封装难度大
供应商少
• 压接式封装可靠性更高
两种封装模式均有柔直应用 • ABB工程全部采用 StatkPak • 西门子 Transbay工程用PMI
可实现黑启动
9
VSC-HVDC
工程应用比较
节 约
空 间
LCC-HVDC
10
工程应用比较
常规直流换流站
柔性直流换流站
11
目录
2
柔性直流输电功率器件
12
电力电子开关
电力电子开关（功率器件）是装置的基础
kV/kA
机械开关
• 高压 • 大电流
Power
+ V/mA
Electronics
• 高速 • 电子控制 • 低损耗 • 长寿命
门极电流控制开通关断 关断时所需门极负脉冲电流较大 可承受开关频率较低 导通压降较低 所能实现的电压、电流等级较高
门极电压控制开通关断 门极驱动功率小，开关速度快， 可承受开关频率高 导通压降大 所能实现的电压、电流相对不高
19
GTO和IGCT
GTO
IGCT
集成门极
缓冲层 透明阳极 逆导技术
换流站无需无功补偿， 且可为交流系统提供紧 急无功支援
无功调节平滑、快速
换流器完成自换相，无 需电网提供换相帮助， 对短路容量没有要求。
8
工程应用比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
换流站占地面积大， 辅助设备较多
同等容量下，设计较 为复杂、建设工期长、 运行维护投入较大
柔性直流输电技术基本特征
1
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总体概述
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2
目录
1
柔性直流输电的定义
2
柔性直流输电功率器件
3
柔性直流换流器技术
4
柔性直流输电换流器的控制
5
柔性直流输电系统
6
柔性直流输电技术的发展
3
目录
• ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电 5
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)
6
柔性直流输电与常规直流比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
近年来，能源成为当今人类面临的重大问 题 ，电力电子装置是能源变换的功能性装置， 电力电子技术已成为能源变换与传输的关 键技术
14
交流和直流变换
通过换流器（Converter）实现变换
15
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
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
21
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
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
=
kV/kA
V/mA
Power Electronics
13
电力电子技术的三要素
电力电子技术是应用于电力领域的电子技 术，使用电力电子器件（电力半导体器件） 对电能进行变换和控制的技术，变换的电 力从W级到百MW，甚至GW
电力电子技术已广泛用于电气工程学科， 其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网 电能质量补偿与控制、高性能交直流电源 等领域
1Hale Waihona Puke 柔性直流输电的定义4
柔性直流输电技术
VSC-HVDC
• 基于可关断器件和电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的高压直流输电技术（VSC-HVDC），换流器自换向，能够 独立调节有功功率和无功功率，可控性和灵活性强，被誉为新一代 的直流输电技术
命名情况：
• IEEE/CIGRE等国际组织：基于电压源型换流器的高压 直流输电技术（VSC-HVDC）
运行性能比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
换流器产生谐波量大， 噪音较大，需要配备交 流滤波器
需要无功补偿，最大 约为50%输送容量
换流站滤波器小组投 切过程较慢，且引起电 压波动
电网换相，需要交流 系统提供足够的短路容 量。
脉宽调制使换流器谐波 大大降低，只需要容量 约为10～20%的高通滤 波器
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。
强迫换相频率上百赫 兹。
7
• 最早的全控器件 • 开关频率低，已很少使用
• 上海50MVAr STATCOM
采用IGCT
20
• 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、