(精品)柔性直流输电技术
电网关键技术 柔性直流输电：更大更高更强
我国在柔性直流输电技术方面已经进入快速应用阶段。
柔性直流输电技术在解决大区域电网与周边弱电网互联、可再生能源并网等问题方面有着特殊的优势，必将在智能电网建设进程中发挥重要作用。
福建厦门柔性直流输电工程全景。
资料图柔性直流输电技术应用领域。
资料图新一代：实现灵活控制柔性直流输电是采用电压源换流技术的直流输电技术，也叫电压源型直流输电。
在现有电网中使用柔性直流输电系统，相当于在电网中接入了一个阀门和电源，它不仅可以有效控制通过的电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求，快速、灵活地发出或吸收一部分能量。
这对增强电网稳定性，提升电网的智能化和可控性，具有重要作用。
20世纪70年代以来，基于晶闸管换流阀的直流输电技术得到了广泛应用，但是，晶闸管换流阀只能控制阀的开通，不能控制阀的关断，因此，直流输电技术的应用受到限制。
进入90年代以后，随着可关断开关器件的发展，特别是绝缘栅双极型晶体管IGBT的广泛应用，采用可关断器件的电压源换流器性能得到了改善，后来被引入到直流输电领域。
对于采用电压源换流技术的直流输电技术，国际权威电力学术组织将其定义为基于电压源型换流器的高压直流输电技术。
1997年，第一个柔性直流输电工程投入工业试验运行。
柔性直流输电技术相比其他输电技术，具有电流自关断能力，可以独立控制有功功率和无功功率，不存在交流输电固有的频率稳定问题和传统直流输电的换相失败问题。
系统主要设备包括电压源换流器、连接变压器、桥臂电抗器、开关设备、直流电容、直流开关设备、测量系统、控制与保护装置等。
柔性直流输电技术在大规模清洁能源并网、海岛供电、交流电网同步/异步互联、构建直流电网等方面具有广阔的应用前景。
第一条：获得多项成果2006年5月，国家电网公司确定了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，由此启动了我国在柔性直流输电关键技术领域的全面研究。
上海南汇风电场柔性直流输电示范工程，是我国首条柔性直流输电工程，也是亚洲首条柔性直流输电示范工程。
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。
柔性电力技术-第4章-直流输电技术
i4 i6 i2
V4 V6 V2
Id
n
eW
t
4.2.1 6脉动整流器工作原理
eU
N eV
eW
eU
U
Lr
V
Lr
W
Lr
eV
m
Ld
Id
V1 V3 V5 i1 i3 i5
i4 i6 i2
V4 V6 V2
Id
n
eW
t
4.2.1 6脉动整流器工作原理
m
Ld
Id
V1 V3 V5
eU
U
Lr
i1 i3 i5
N eV
4.2.1 6脉动整流器工作原理
结论：
➢直流电压瞬时值在一个周期内由六段相同的曲线所组成， 取其中一段就可求出直流平均电压Udo。
➢6脉动整流器的理想空载直流电压：
A
6
2EL cos(t)d(t)
2EL sin(t) |6
2EL
6
6
Ud0
A
3
2EL
1.35EL
交流线电压有效值
3
Udo为 0 , 0 时直流电压平均值，称为理想空载直流电压
12脉动换流单元在交流侧和直流侧分别产生12k±1次和12k次的特征谐波。
12脉动换流单元
平波电抗器
换流变压器
换流变压器 交流滤波器
直流滤波器 控制保护装置
2.1 6脉动整流器工作原理
晶闸管换流阀的特点:
单向导电性。
导通条件(两个)：
➢ 阳极对阴极为正电压； ➢ 控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲。
➢20世纪90年代以后，电压源换流器得到应用。 • 由于新的大功率自换相器件（如GTO和IGBT）的出现； • 由于数字信号处理（DSP）强大的计算处理能力使得在技 术上能够满足控制要求，在经济上具备竞争力。
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展一、本文概述随着能源结构的优化和电网技术的发展，柔性直流输电（VSC-HVDC）技术以其独特的优势，在电力系统中的应用越来越广泛。
本文旨在全面概述柔性直流输电工程的技术研究、应用现状以及未来的发展趋势。
我们将从柔性直流输电的基本原理出发，深入探讨其关键技术和设备，包括换流器、控制系统、保护策略等。
我们还将分析柔性直流输电在新能源接入、电网互联、城市电网建设等领域的应用案例，评估其在实际运行中的性能表现。
我们将展望柔性直流输电技术的发展前景，探讨其在构建清洁、高效、智能的电力系统中发挥的重要作用。
通过本文的阐述，我们希望能够为从事柔性直流输电技术研究和应用的同行提供有益的参考和启示。
二、柔性直流输电技术原理柔性直流输电技术，又称为电压源换流器直流输电（VSC-HVDC），是近年来直流输电领域的一项重大技术革新。
与传统的基于电网换相换流器（LCC）的直流输电技术不同，柔性直流输电技术采用基于可关断器件的电压源换流器（VSC），这使得它在新能源接入、城市电网增容和孤岛供电等方面具有独特的优势。
柔性直流输电技术的核心在于电压源换流器（VSC）。
VSC采用可关断的电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT），通过脉宽调制（PWM）技术实现对交流侧电压和电流的有效控制。
VSC既可以作为有功功率的源，也可以作为无功功率的源，因此它具有更好的控制灵活性和响应速度。
在柔性直流输电系统中，VSC通常与直流电容器和滤波器并联，以维持直流电压的稳定和滤除谐波。
VSC通过改变其输出电压的幅值和相位，可以独立地控制有功功率和无功功率的传输，从而实现对交流电网的灵活支撑。
柔性直流输电技术还采用了先进的控制系统，包括换流器控制、直流电压控制、功率控制等，以确保系统的稳定运行和电能质量。
这些控制系统可以根据系统的运行状态和实际需求，对VSC的输出进行实时调整，从而实现对交流电网的精准控制。
柔性直流输电技术以其独特的电压源换流器和先进的控制系统，实现了对交流电网的灵活支撑和精准控制。
柔性输电技术
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。
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。
(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
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
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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
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
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）
• 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
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)
柔性直流输电技术基本特征
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
2
目录
1
柔性直流输电的定义
3
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
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
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。
工程应用比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
强迫换相频率上百赫 兹。
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。
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。
可实现黑启动
VSC-HVDC
工程应用比较
节 约
空 间
LCC-HVDC
工程应用比较
常规直流换流站 柔性直流换流站
目录
2
柔性直流输电功率器件
11
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
=
kV/kA
V/mA
Power Electronics
12
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
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。
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)
16
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
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
压接式IGBT (IEGT)
门极驱动 导通压降 允许开关频率 电压/电流能力
晶闸管类器件
（GTO,IGCT） 电流控制，所需功率较大
低 低 较大
晶体管类器件
(IGBT,IEGT) 电压控制，所需功率较小
高 高 相对低
电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT1)7
晶闸管(Thyristor)