基于电压源换流器的高压直流输电技术研究综述_徐忻

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２９０Ｘ．２０１２．０５．００２收稿日期：２０１２－０２－１４基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１４７００６）基于电压源换流器的高压直流输电技术研究综述徐忻１，胡靖２，石辉３，张勇军４（１．云南电网公司红河供电局，云南红河６６１１００；２．湖北电网公司武汉供电局，湖北武汉４３００１３；３．湖南省电力公司调度通信局，湖南长沙４１０００７；４．华南理工大学电力学院，广东广州５１０６４０）摘要：为了促进基于电压源换流器的高压直流输电（ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓ－ｓｉｏｎ，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）这种新型直流输电技术在电力系统中的应用和发展，介绍了ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的系统结构和基本原理，总结了其基本控制方式和技术特点，指出了该技术的应用研究现状、当前存在的问题以及今后的研究方向。

ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的特点证明，该技术在风电、输配电领域具有广阔的发展前景。

关键词：电压源换流器；高压直流输电；控制方式中图分类号：ＴＭ７２１．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－２９０Ｘ（２０１２）０５－０００６－０５Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎＶｏｌｔａｇｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　ＣｏｎｖｅｒｔｅｒＸＵ　Ｘｉｎ１，ＨＵ　Ｊｉｎｇ２，ＳＨＩ　Ｈｕｉ　３，ＺＨＡＮＧ　Ｙｏｎｇｊｕｎ４（１．Ｈｏｎｇｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｙｕｎｎａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈｏｎｇｈｅ，Ｙｕｎｎａｎ６６１１００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｗｕｈａｎ　ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００１３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆＨｕｎａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ４１０００７，Ｃｈｉｎａ；４．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　ａｎｄ　ｓｕｍ－ｍａｒｉｚｅｓ　ｉｔｓ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｑｕｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｏｒｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．Ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ，ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ 输电技术的发展经历了一个直流、交流、直流加交流的过程。

交流输电曾在很长一段时间内主导了输电方式，但由于其稳定性和输电容量的限制，人们开始寻找新的更大容量、更高效率的输电方式。

在这种情况下，基于电流源换流器的高压直流输电（ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＣＳＣ－ＨＶＤＣ）开始进入实用［１－２］，并在大容量输电、抑制低频振荡和系统互联中起着重要作用。

但在应用中，ＣＳＣ－ＨＶＤＣ也逐渐暴露出其固有缺陷，如：不能向无源系统供电；在向短路容量不足的系统供电时易发生换相失败；换流器本身为谐波源，需要配置专门的滤波装置，增加了设备投资和占地面积；在运行过程中吸收较多的无功功率。

在克服这些缺点并利用ＣＳＣ－ＨＶＤＣ的优点的过程中，出现了基于电压源换流器的高压直流输电（ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ－ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）这种新型直流输电方式。

１　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统的结构和基本原理ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统单线原理如图１所示。

　第２５卷第５期广东电力Ｖｏｌ．２５　Ｎｏ．５ ２０１２年５月ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　Ｍａｙ　２０１２　图１　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统单线原理图从图１可知，两端换流站均为电压源换流器（ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＶＳＣ）结构，它由换流器、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等组成［３］。

与ＣＳＣ－ＨＶＤＣ不同，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ是一种以可控关断器件和脉宽调制（ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａ－ｔｉｏｎ，ＰＷＭ）技术为基础的新型直流输电技术。

这种输电技术能够瞬时实现有功功率和无功功率的独立解耦控制，能向无源网络供电，换流站间无需通信，且易构成多端直流系统。

另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

ＶＳＣ单相示意图如图２所示，ＶＳＣ正弦脉宽调制原理及输出波形如图３所示。

Ｕｄ—直流电压；Ｕｃ—换流器输出电压；Ｕｓ—交流母线电压。

图２　ＶＳＣ单相示意图由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲使ＶＳＣ上、下桥臂高频开通和关断，Ｕｃ在＋Ｕｄ和－Ｕｄ之间快速切换，Ｕｃ再经过电抗器滤波后成为Ｕｓ。

进一步分析可知，假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率Ｐ及无功功率Ｑ分别为：Ｐ＝（ＵｓＵｃ／Ｘ１）ｓｉｎδ；（１）Ｑ＝Ｕｓ（Ｕｓ－Ｕｃｃｏｓδ）／Ｘ１．（２）式中：δ为Ｕｃ和Ｕｓ之间的相位差；Ｘ１为换流电抗器的电抗。

由式（１）、（２）可得换流器稳态运行基波相量图（如图４所示）。

从图４可知，有功功率的传输主要图３　ＶＳＣ正弦脉宽调制原理及输出波形取决于δ，无功功率的传输主要取决于Ｕｃ。

因此，通过控制δ就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Ｕｃ就可以控制ＶＳＣ发出或者吸收的无功功率。

从系统角度来看，ＶＳＣ可视为一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。

图４　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ换流器稳态运行基波相量图２　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的基本控制方式和特点２．１　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的基本控制方式ＶＳＣ－ＨＶＤＣ基本控制方式可分为３类：第１种方式是定直流电压控制，控制直流母线电压和输７　第５期徐忻，等：基于电压源换流器的高压直流输电技术研究综述送到交流侧的无功功率；第２种方式是定直流电流（功率）控制，控制直流电流（功率）和输送到交流侧的无功功率；第３种方式是定交流电压控制，控制交流电压。

第１、２种方式适用于与有源交流网络相联的情况；第３种方式适用于对无源网络供电的情况，如向城市电网或向边远地区供电。

针对不同系统情况可以用不同的控制方式组合来满足要求，与只能向有源网络供电的ＣＳＣ－ＨＶＤＣ相比较，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的应用范围大大拓宽了。

２．２　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的技术特点ＶＳＣ－ＨＶＤＣ采用可控关断型电力电子器件和ＰＷＭ，较之传统直流输电，其具有如下特点：ａ）ＶＳＣ－ＨＶＤＣ电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式下，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统直流输电（ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＨＶＤＣ）受端必须是有源网络的缺陷，可利用ＨＶＤＣ为远距离的孤立负荷送电。

ｂ）正常运行时，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制方式更加灵活方便。

而传统ＨＶＤＣ中的控制量只有触发角，不能单独控制有功功率或无功功率。

ｃ）ＶＳＣ－ＨＶＤＣ不需要交流侧提供无功功率，还能够起到静止同步补偿器（ｓｔａｔｉｃ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＴＡＴＣＯＭ）的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。

发生故障时，如果ＶＳＣ容量允许，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统可向故障系统提供有功功率和无功功率紧急支援，既能提高系统的功角稳定性，又能提高系统的电压稳定性。

ｄ）ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统ＨＶＤＣ恰好相反。

这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端ＨＶＤＣ系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。

ｅ）由于ＶＳＣ－ＨＶＤＣ交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。

因此，增加新的ＶＳＣ－ＨＶＤＣ线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。

ｆ）ＶＳＣ通常采用ＰＷＭ技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，从而简化了换流站的结构，也大大减小了所需滤波装置的容量。

ｇ）模块化设计使ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。

同时，换流站的占地面积仅为同容量传统直流输电的２０％。

ｈ）换流站间的通信不是必需的，其控制结构易于实现无人值守。

ｉ）ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的电网故障后快速恢复控制能力良好。

３　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的关键技术３．１　主电路及其相关技术换流器的主电路拓扑结构是ＶＳＣ－ＨＶＤＣ技术的一个重要方面，它与实际工程的容量和电压等级、绝缘栅双极型晶体管（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　ｇａｔｅ　ｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）串联数目、开关频率、损耗、开关调制方式和系统可控性等因素密切相关。

在工业驱动领域中，为了提高换流装置的容量，通常采用的方法有桥臂器件的串并联、换流器的多重化技术以及目前广泛研究的多电平技术等。

应用于ＶＳＣ－ＨＶＤＣ工程中的换流器拓扑结构具有以下几个突出特点：ａ）拓扑结构简单，主要采用二电平结构和三电平结构，其提升电压等级是采用最直接的桥臂器件串联方式来实现；ｂ）开关频率低，可控性好；ｃ）换流器损耗小。