1、目 录三 柔性直流技术国内需求一二 柔性直流技术国内发展趋势 柔性直流技术国内发展现状四 概述一 概述1、概述1）直流输电系统）直流输电系统直流输电系统框图 换流器分类：u 电流源型 换流器采用晶闸管等半控型器件构成u 电压源型 换流器采用IGBT、IEGT等全控型器件构成2）常规直流（超）常规直流（超/特压直流）工作原理特压直流）工作原理 晶闸管器件 电流源1、概述控制保护系统采用分层分布配置模式，换流阀采用双十二脉动换流阀串联模式：400kV+400kV=800kV，系统框图如下：换流阀换流阀整流站整流站逆变站逆变站控制保护系统负责整个换流站主要设备的启停控制、故障保护和实时数据采集与监视
2、 -换流站的中枢神经换流阀是直流工程特有的关键设备，实现交直流变化功能-换流站的心脏1、概述双阀组串联特高压控制系统分层控制总体构架双阀组串联特高压控制系统分层控制总体构架1、概述云广特高压（云广特高压（800kV/5000MW）向上特高压向上特高压800kV/6400MW1、概述 800kV/5000A 8000MW （在建）1100kV/5000A 11000MW （通过鉴定）6250A （通过型式试验）3）柔性直流输电技术概念）柔性直流输电技术概念u CIGRE和IEEE：VSC-HVDC；u ABB：HVDC-Light；u Siemens：HVDC-Plus；u Alstom：HVD
3、C-Maxsineu 中国：柔性直流输电（HVDC-Flexible）（VSC-HVDC）1、概述4）柔性直流输电的工作原理）柔性直流输电的工作原理ccssccsXUUUQXUUP)cos(sin1、概述4）柔性直流输电的工作原理）柔性直流输电的工作原理1、概述 变压器变压器 换流电抗器换流电抗器 IGBT阀或阀或IGCT阀阀 直流滤波电容器直流滤波电容器 交流滤波器交流滤波器5）柔性直流输电的系统框图）柔性直流输电的系统框图1、概述6）柔性直流输电的换流器拓扑）柔性直流输电的换流器拓扑1、概述7）CSC-HVDC与与VSC-HVDC对比对比采用晶闸管，只能控制导通时刻，电流反向后关闭，电流只
4、能单向传输，潮流反转，直流电压极性改变采用可关断器件，开通和关断时间可控，与电流方向无关，可以四象限运行，潮流反转，直流电压极性不变，便于构建多端直流系统需要较强有源交流系统支撑，电网换相，对弱电网进行电能传输易发生换相失败自换相，可以工作在无源逆变方式下，没有换相失败问题，可以与无源系统互联，可以向孤岛负荷供电，或者连接分布式发电厂只能控制触发角，不能单独控制有功功率和无功功率可以同时且独立地控制有功功率、无功功率，使控制更加灵活方便 1、概述7）CSC-HVDC与与VSC-HVDC对比对比直流线路故障后，通过晶闸管的控制可以清除故障电流将通过反并联的续流二极管流向故障点，需要交流系统断路器
5、跳闸来清除故障，或者改用HBSM-MMC拓扑需要大量的无功补偿装置补偿系统无功自动进行无功调节，无需额外补偿装置传输容量范围一般大于250MW传输容量在几百kW到1000MW范围开关频率低，系统损耗小开关频率高，系统损耗高直流线路多采用架空线路，故障率高直流线路采用地下电缆，故障率较低1、概述7）CSC-HVDC与与VSC-HVDC对比对比开关频率低，需要大容量滤波器限制谐波水平开关频率较高，低次谐波含量小，不需要或只需容量很小的高次滤波器甩负荷时会产生很大的过电压没有并联大量的电容器，甩负荷时过电压较小占地面积较大占地仅为传统直流输电同容量的50%左右1、概述8）柔性直流输电发展历程）柔性直
6、流输电发展历程-国外国外 1990年，加拿大McGill大学Boon-Teck Ooi等人首先提出用PWM控制的VSC进行柔性直流输电。1997年3月，ABB公司进行了首次VSC-HVDC的工业试验，瑞典中部赫尔斯扬工程。1999年，ABB公司在歌德兰岛投入运行了世界上第一个商业化柔性直流输电工程，从此揭开了柔性直流输电工程在世界范围内应用的序幕。2010年，由Siemens承担的世界首个模块化多电平柔性直流输电工程-美国TBC工程投运，为柔性直流输电揭开了新的篇章。1、概述8）柔性直流输电发展历程）柔性直流输电发展历程-国内国内 2006年，国家电网公司提出“柔性直流输电关键技术研究框架”，
7、开始进行基础理论和前期技术研究。2009年，技术路线调整为模块化多电平方式，并完成前期技术研究，开始进入样机研制阶段。2010年，完成样机研制并开始进入南汇风电接入工程实施阶段；2011年，完成设备调试并进入试运行阶段。目前国内有南澳风电接入（国家863计划）和舟山海岛供电（国网科技项目）两个多端工程正在实施。1、概述二 柔性直流技术国内需求海岛供电新能源接入混合直流输电城市电网柔性分区与组环技术多端柔性直流输电城市输配电 总体来讲，国内柔性直流输电主要有以下6个方面的需求：1、海岛供电目前的问题海岛电网远离大陆自成体系，难以与大电网互联，供电可靠性差；海岛用电负荷小、波动大，设备、燃料利用率
8、低，电网建设落后，电能质量差。构建海岛电网海上平台供电实现与陆地大电网异步互联，提高供电可靠性；形成海岛间多端供配电系统，提高潮流调配灵活性和供电质量；为偏远无源负荷供电。柔性直流的作用2、新能源接入太阳能和风能等新能源的间歇性，导致输出功率波动进而引起交流接入系统电压波动，稳定性差；能源分散性大，远离负荷中心，在大容量远距离场合，利用交流输电接入很不经济。缓解由于输出功率波动引起的电压波动问题，提供输电稳定性；有效隔离交流系统短路故障，显著改善风电场运行电网环境；远距离输电无需补偿设备，大大提高新能源的消纳能力。大规模海上风电接入目前的问题柔性直流的作用3、城市输配电采用地埋式直流电缆，同时
9、满足城市对于环保的约束和占地限制；通过快速控制有功和无功功率，解决电压波动问题，改善供电质量；形成城市多端直流电网，提高系统稳定性和潮流控制灵活性，同时解决交流系统增容导致的短路电流超限问题。由于城市复杂负荷特性的影响，使得城市电网动态无功支撑需求巨大，进而引发电压稳定性等问题；负荷快速增长，使得城市电网不断增加交流系统供电容量，引发了短路电流超标问题；城市严格的环保约束和占地限制，使得城市负荷中心供用电出现较大矛盾。构建城市直流供配电网目前的问题柔性直流的作用4、多端柔性直流易于实现一体化的多落点供受电网络，增强潮流配置灵活性；将交流电网通过柔性直流分区互联，解决大电网区域稳定性问题；构建未
10、来直流电网体系。由于单点供受电网络可控性差，抗扰动能力弱，迫切需要构筑多点馈受电系统；为避免形成电磁环网，交流系统只能构筑辐射式供电网络，且存在同步稳定性问题；传统直流由于潮流翻转直流电压极性改变的特点，不适于构筑多端系统。多端柔性直流输电系统拓扑并联型多端柔性直流输电系统典型结构目前的问题柔性直流的作用5、混合直流输电传统直流输电容量巨大，但是存在无功补偿、谐波抑制、换相失败等突出问题；柔性直流虽然具有控制灵活、响应迅速、能实现无源供电等众多优点，但是输电容量还十分有限。通过混合输电协调控制技术，实现传统直流与柔性直流的优势互补，在保证系统稳定性的同时大幅提升输电容量混合直流输电系统拓扑结构
11、目前的问题柔性直流的作用6、城市电网柔性分区与组环技术随着社会经济的发展，城市负荷增长迅速，城市电网的扩容带来了短路电流超标问题；为限制短路电路，常规的做法是进行分区供电，但又带来了可靠性差，潮流分布不均的问题。实现供电分区的互联，形成软分区，提高分区间的有功功率支援能力；为本地分区提供动态无功功率支撑，提高供电质量；实现环网解列，隔离交流系统故障，并降低短路电流水平。城市电网柔性分区组环示意图目前的问题柔性直流的作用三 柔直国内技术发展现状 从以下5方面进行介绍：拓扑结构关键技术突破示范工程建设产品研制试验能力构建1、拓扑结构1.1 发展历程基于器件串联的两电平基于器件串联的三电平模块化多电
12、平混合式多电平1、拓扑结构1.2 MMC的优势 从根本上解决了两电平或三电平对于依赖器件串联升压带来的均压问题 IGBT开关频率很低，减小了系统电磁噪声，提高了系统整体传输效率 由于电平数的大量提高，使得换流系统并网点谐波含量很少，无需交流侧高频滤波器，节省了投资成本和占地面积 模块化的结构使得容量拓展和冗余设计更为容易1、拓扑结构1.3 主接线形式 IGBT开关频率很低，减小了系统电磁噪声，提高了系统整体传输效率 模块化的结构使得容量拓展和冗余设计更为容易 从根本上解决了两电平或三电平对于依赖器件串联升压带来的均压问题 从根本上解决了两电平或三电平对于依赖器件串联升压带来的均压问题 系统组成
13、简单，控制保护逻辑易于实现；联接变压器不承受直流偏置电压，成本低，但直流线路绝缘要求高；接地系统根据系统参数权衡配置，适用于低压小容量场合。u双极系统特点u伪双极系统特点 系统组成较负责，双极控制保护设备需进行逻辑配合；联接变压器承受直流偏置电压，但直流线路绝缘要求低；易于分期扩建，运行方式灵活，适用于高压大容量场合。双极系统主接线示意图伪双极系统主接线示意图31 大功率IGBT器件参数 Technique Datasheet for High Power IGBT电压等级最大电流规格封装方式6500V750A模块式4500V1200A模块式4500V2000A压接式3300V1500A模块式
14、大功率IEGT器件参数 Technique Datasheet for High Power IEGT电压等级最大电流规格封装方式4500V2100A压接式4500V1500A压接式3300V1200A压接式3300V1200A模块式3300V系列模块式IGBT 2 换流阀功率器件选择3、关键技术的突破3.1 建模仿真技术柔性直流建模仿真技术主要包含：电力系统潮流计算及稳定性分析-PSS/E；柔性直流系统电磁暂态仿真-PSCAD/EMTDC；柔性直流系统数字闭环控制器设计及性能测试-Matlab/Simulink。突破的重点核心技术有：VSC-HVDC自定义建模技术-能够基于该模型完成电力系统
15、的机电暂稳态分析，掌握电力系统特性和柔直系统工程需求；MMC等效电路建模技术-通过建立特定工况的MMC系统等效电路，克服大规模柔直系统仿真计算时间超长的问题，为高压大容量柔性直流工程设计提供理论参考；快速电磁暂态建模技术-通过建立快速电磁暂态模型，能够对复杂特别是多端柔性直流系统进行电磁暂态过程的详细仿真；混合建模技术：通过快速电磁暂态与详细模型的混合，能够对大规模系统的换流阀进行器件级的高效率仿真，为换流阀关键零部件设计提供依据。3、关键技术的突破3.2 系统分析与成套设计技术柔性直流系统分析与成套设计技术主要包含：电力系统柔性直流接入能力分析及系统方案设计技术；柔性直流输电系统控制保护技术
16、；柔性直流输电主设备参数设计及换流站布局。突破的重点核心技术有：柔性直流输电系统设计技术-能够基于多目标优化集合和多边界约束，进行兼顾电力系统稳定性和柔性直流输电系统经济性的系统方案和设备参数优化设计；混联系统协调控制技术-掌握了交流系统、VSC-HVDC系统和LCC-HVDC系统运行特性和相互作用机制，能够对混联系统进行控制策略的协调设计；故障准确辨识与快速隔离技术-掌握了柔性直流输电系统故障发生机理和发展过程，能够对各类故障进行准确辨识与快速隔离，最大限度保证系统安全性和稳定性；过电压分析与绝缘配合技术：掌握了柔性输电系统的过电压机理和分析方法，能够对高压系统进行工程化的绝缘配合方案设计。
17、3、关键技术的突破3.3 核心设备关键技术柔性直流核心设备主要包含：换流阀 阀控设备 控制保护设备突破的重点核心技术有：换流阀多物理场分析与优化设计技术-能够对换流阀进行机械应力、热应力和电磁应力等进行全方位的仿真校验，并对设计参数进行综合优化；换流阀电压/电流均衡控制技术-通过特定的优化算法实现大规模节点换流阀的子模块均压和桥臂环流抑制，保证换流阀运行在良好状态；换流阀保护技术-通过系统暂稳态全工况分析，掌握了兼顾换流阀保护快速性和保护可靠性的分层故障保护策略。高速硬件平台技术：通过快速计算技术、快速接口技术和快速主备系统切换系统，能够满足电压型换流器大规模计算和快速同步控制的要求。3、关键
18、技术的突破3.4 试验技术柔性直流试验主要包含：型式试验 例行/出厂试验 现场试验突破的重点核心技术有：基于物理动模系统的原型算法试验技术-通过构建小功率的柔性直流输电物理系统，能够对各种控制保护策略进行贴合实际工况的运行性能检验，为工程化做好铺垫；基于RT-LAB的硬件在环测试技术-通过阀控系统与控制保护系统在RT-LAB构建的实际工程模型中的闭环联合测试，能够掌握控制保护系统全工况的动稳态控制性能，为工程化奠定坚实的基础；基于多源合成的大功率等效试验技术-通过大功率合成试验回路的设计研发，能够对换流阀极限工况的综合应力进行等效检验，保证换流阀产品完全满足工程实际需求。4、试验能力构建 柔性
19、直流输电试验能力主要包括三个方面：柔性直流输电试验能力主要包括三个方面：试验标准及规范的掌握或制定试验方法或者方案的设计试验装置的开发试验能力主要包括4、试验能力构建4.1 背靠背柔性直流输电原型物理动模试验系统双端背靠背柔性直流输电试验系统框图主要功能：原型控制算法试验研究；系统故障特性分析及保护策略试验研究；系统设计、仿真建模的试验校对研究。4、试验能力构建4.2 三端柔性直流输电原型物理动模试验系统主要功能：多端系统启动特性与控制策略试验研究；多端系统运行特性与协调控制策略试验研究；多端系统故障特性、故障辨识与保护技术试验研究。三端柔性直流动模试验系统框图三端柔性直流动模试验控制框图4、
20、试验能力构建4.3 工程阀控设备高速物理动模试验系统主要功能：换流阀电流/电压均衡控制能力试验研究；换流阀开关频率优化控制试验研究；子模块冗余切换保护试验研究；阀控设备主备系统切换试验研究。4、试验能力构建4.4 RT-LAB数字物理混合实时仿真平台主要功能：控制保护设备软硬件在环测试；阀控设备软硬件在环测试；控制保护设备与阀控设备联合在环测试。4、试验能力构建4.5 换流阀背靠背大功率试验系统测试内容：最大连续负荷运行 最大短时过负荷运行 最小直流电压运行 过流关断试验冗余切换试验 故障保护试验等4、试验能力构建4.6 换流阀暂态试验系统测试内容：换流阀直流短路耐受能力测试；控制系统直流短路
21、控制保护逻辑测试。4、试验能力构建4.7 换流阀绝缘试验系统测试内容：换流阀直流耐压测试；换流阀交直流耐压测试。5、产品研制 近几年国内掀起了柔性直流输电的产业热潮，相关高电压大容量产品不断得到突破，基于国内筹划和正在开建的柔性直流输电工程，目前已经研制出以下序列换流阀产品：30kV/18MW MMC柔性直流输电产品160kV/200/100/50MW MMC柔性直流输电产品200kV/400/300/100MW MMC柔性直流输电产品320kV/1000MW MMC柔性直流输电产品400kV/1500MW MMC柔性直流输电产品451800A子模块拓扑1）换流阀系列子模块研制1500A120
22、0A500A5、产品研制46 额定电流：2400A子模块拓扑 2）换流阀系列子模块研制5、产品研制 3)模块化换流阀设备5、产品研制320kV/1000MW阀塔200kV/100、300、400MW阀塔160kV/50、100、200MW阀塔48控制保护设备：系统级、换流站级控制保护 阀控设备：换流器级、阀级、子模块级控制保护4）控制保护系统分层方案一5、产品研制49控制保护设备：系统级、换流站级控制保护 阀控设备：换流器级、阀级、子模块级控制保护5）控制保护系统分层方案二5、产品研制506）柔性直流输电系统的保护分区5、产品研制517）控制保护系统开放型分布式分层结构 5、产品研制528）控
23、制保护系统工程样机设备直流控制保护设备5、产品研制539）阀控系统工程样机设备 MVCE300 阀控设备换流器或阀控制柜（FCK301、FCK304)A相上桥臂控制柜(FCK302、FCK303)A相下桥臂控制柜 B相上桥臂控制柜 B相下桥臂控制柜 C相上桥臂控制柜 C相下桥臂控制柜 5、产品研制10)直流电缆5、产品研制铜导体半导电尼龙带导体屏蔽XLPE绝缘 绝缘屏蔽半导电缓冲带合金铅套防腐沥青HDPE护套 PE填充条不锈钢光单元 PP内垫层钢丝铠装沥青+PP外被层 XLPE直流海底电缆结构示意图国外：较成熟的XLPE电缆且有相关实际工程应用业绩电压等级为320kV，国外正在积极开展500k
24、V及更高电压等级XLPE研制，目前并无相关工程应用业绩。国内：已经具备200kV电压等级XPLE产品生产能力，320kV及更高电压等级XLPE电缆正在研制、试验过程中。6、示范工程建设6.1 国内已投运柔性直流试验示范工程 换流器拓扑：两电平；工程容量：3.6MW；额定直流电压：10kV；输电距离：38.6km。中海油海上钻井平台柔直工程南汇风电接入示范工程 换流器拓扑：MMC；工程容量：18MW；额定直流电压：30kV；输电距离：8.4km，采用国内XLPE直流电缆。5、示范工程建设6.2 国内在建示范工程换流器拓扑：MMC；工程容量：200/100/50MW；额定直流电压：160kV；输电
25、距离：34.2km，国内XLPE+架空线。南澳多端风电接入示范工程简介5、示范工程建设换流器拓扑：MMC；工程容量：400/300/100/100/100MW；额定直流电压：200kV；输电距离：140km，国内XLPE。6.2 国内在建示范工程 舟山多端海岛供电示范工程简介5、示范工程建设 大连城市供电示范工程简介换流器拓扑：MMC；工程容量：1000MW；额定直流电压：320kV；输电距离：54km，XLPE。南关岭革镇堡青云大连三厂华能曹屯吴屯至瓦房店至佟家振兴路金家凌水前牧甘井子泰山北石洞高程山安岭梭鱼湾马桥雁水海湾华昌陆港白玉大化玉华至马场中华路二热港东受端换流站淮河（送端换流站）至
26、黄海输电容量1000MVA至红沿河10km至新金合建电缆3km电缆500kV线路220kV电站火电厂500kV电站图 例220kV线路本期建设220kV线路直流线路（320kV）54km电缆11600mm211600mm2其中：路缆19km海缆35km11600mm211400mm26.3 国内规划示范工程 厦门城市供电示范工程简介换流器拓扑：MMC；工程容量：1000MW；额定直流电压：320kV。四 柔直国内技术发展趋势高压大容量的机遇与挑战多端直流与直流电网的机遇与挑战1、高压带来的挑战与应对策略高压带来的挑战模块数增加阀控研制困难高压电缆配套困难应对策略 高压器件研制 器件串联技术 优化控制策略与控制架构 采用架空线柔性直流输电2、实现大电流应对策略 高压大容量断路器；高压大容量直流变压器。新型大电流器件研制换流器级并联器件并联子模块3 多端直流与直流电网技术的挑战 核心设备的研制 n 高压大容量断路器n 高压大容量直流变压器 直流电网关键技术n 大规模节点直流电网系统仿真技术；n 直流电网电压控制及潮流调配技术；n 直流电网广域测量与故障隔离技术；直流电网理论体系的构建n 相关直流电网标准化体系的建立
