1、1/58电压源换流器型高压直流输电技术20104 232/581.2.3.4.5.6.7.VSC-HVDC的起源电压源换流器常见拓扑结构电压源换流器的应用领域及主要工程VSC-HVDC系统简介VSC-HVDC的运行原理VSC-HVDC的控制方式及仿真验证VSC-HVDC的实验方案11:19内容摘要1997年，ABB公司在瑞典中部的Hallsjon和Grangesberg之间建成首条的工业试验工程。Ph.D.(McGill)3/58VSC-HVDC起源1954年，连接Gotland与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流输电线路建成，标志着HVDC进入了商业化时代。1990年，加拿大McGill大学
2、的Boon-TeckOoi等首次提出使用PWM技术控制的VSC进行直流输电的概念。从此VSC-HVDC作为一种新兴的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段。Prof.Boon-Teck OoiMcGill University11:194/58不同的称谓ABB公司称之为柔性直流输电（HVDCLight）并作为商标注册；Siemens公司将其注册为HVDCPLUS；国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为VSC-HVDC，即“电压源换流器型高压直流输电”。11:19u1 urucucfu0ucUd0tt+-Ud两电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形5/5811:19电压源换
3、流器常见拓扑结构ip pABCOnudciL1udc1udc2iL2VTa3VTa4VTb1VTb2VTb3VTb4VTc1VTc2VTc3VTc4inioVTa1Uc?0VTa2Us?isXfPsQs0.31500.32000.32500.33000.33500.34000.34500.35000.00-0.50-1.001.000.50_c1_c2_aa1.000.500.00-0.50-1.00_三电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形6/5811:19电压源换流器常见拓扑结构5 90()UC0 12 34Ud2uaSM 1SM 2SM nSM 1SM 2SM nSM 1SM 2SM
4、nSM 1SM 2SM nSM 1SM 2SM nSM 1SM 2SM n+UdSMT1T2D1D2Submodule(SM)C+-Phase Module多电平电压源换流器拓扑结构及其输出交流波形7/5811:19电压源换流器常见拓扑结构8/58电压源换流器的应用领域11:199/5811:19年率/MW 压/kV 流电压 流/A投运 输送功 直流电 两侧交 直流电 线路长度/km用途Hellsjon199731010/1015010工业试验Gotland1999548080/80350270 风力发电，地下电缆Directlink200018080 132/110342659 电力交易，系
5、统互联，地下电缆Tjaerebog20007.2910.5/10.535824.3 风力发电，示范工程Eagle Pass200036 15.9 132/132 11000(B-B)电力交易，系统互联，电压控制Cross Sound 2001Cahle330 150 345/138 1175240 电力交易，系统互联，海底电缆Murray Link 2002200 150 132/220 1400 2180 电力交易，系统互联，地下电缆10/5811:19VSC-HVDC的主要工程投运 输送功 直流电 两侧交 直流电 电缆长年 率/MW 压/kV 流电压 流/A 度/km用途TrollA200
6、5 2426056/132400470 绿色环保，海底电缆Estlink2006350150 400/330 1230272 电力交易，系统互联，地下电缆Valhall201078150 300/11-292绿色环保，海底电缆11/5811:19VSC-HVDC的主要工程12/58VSC-HVDC系统简介换流桥换流变压器换流电抗器交流滤波器直流电容器直流电缆控制与保护系统11:1913/58330 MW的VSC-HVDC换流站俯视图11:19VSC-HVDC系统简介14/58VSC-HVDC系统简介-换流桥换流桥每个桥臂是由若干个IGBT级联而成。对于大容量换流器，每臂可能有上百个IGBT级联
7、而成。IGBT旁边都反并联一个二极管，它不仅是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起续流的作用。11:1915/58VSC-HVDC系统简介-换流变压器不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的换流变压器或移相变压器，其所用换流变压器与常规的单相或三相变压器大体类似。11:1916/58VSC-HVDC系统简介-换流电抗器换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，决定有功功率与无功功率的控制性能作用滤除换流器所产生的特征谐波，以获得期望的基波电流和基波电压；抑制直流过电流的上升速度。11:1917/58VSC-HVDC系统简介-直流电容器作用：为逆变器提供电压支撑；缓冲桥臂关断时的冲
8、击电流；减小直流侧谐波。11:1918/58VSC-HVDC系统简介-直流电容器11:19对系统提供部分无功补偿的作用。VSC-HVDC系统简介交流滤波器换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少。换流电抗器的滤波作用使得电流的谐波较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含波，且其总的谐波的谐波标准。故装设小容量滤波器。作用：滤去交流侧电压谐波分量；C1L1RL2C1CRL(a)二阶高通滤波器(b)四阶高通滤波器19/5811:1920/58VSC-HVDC系统简介交流滤波器从交流系统侧看过去，VSC-HVDC等效为一个谐波电压源(图a)。
9、其中，Lc是换流电抗，Ls是系统等效电抗。图b是h次谐波电压等效网络，使交流滤波器的h次谐波阻抗近似为零，则其与交流系统的等效阻抗Xeq便远远小于换流电抗器的阻抗Xc(图c)。于是，h次谐波电压uh便近乎全部地降落在Xc上，系统所分得的那部分电压就很少。这就是VSC系统中滤波器的工作原理。11:19usLsLcFilteruhXsuc=u1+uhXcXfuhXcXeq Xc(a)(b)(c)VSC-HVDC系统简介交流滤波器中国龙泉换流器站交流滤波器组瑞典5次谐波滤波器36 MVar,145 kV21/5811:1922/58VSC-HVDC的运行原理对于VSC-HVDC系统，在稳态分析中作如
10、下假设：VSC母线的交流电压是三相平衡的正弦波VSC本身的运行是完全平衡的以VSC的额定容量为基值，换流电抗器的标么值约为0.10.2VSC联接有源交流网络时的稳态模型如下图所示：11:19 P QcCCRUdLHPFPs QsUsPc QcUc0RX1R2 L2令X L、Y、arctan，由图可知ssccUsUcY sin()U2Y sinUsUcY cos()U2Y cosUsUcY sin()U2Y sin UsUcY cos()U2Y cos c P sQs调节Uc和即可控制有功功率和无功功率的大小及流动方向。23/5811:19VSC-HVDC的运行原理24/58可见，对于交流系统而
11、言，VSC可等效于一个端电压幅值、相角均可控，无旋转惯量的同步发电机。M2Uc Ud(s)RLPs QsPc QcUssUc(s-)is11:19VSC-HVDC的运行原理一般的，若交流系统电压的相位是s，换流器交流电压与直流电压Ud存在如下关系：25/58VSC-HVDC的控制原理采用PWM调制时，是调制波相角，Uc正比于调制度m。故利用调制波相角和调制度m能同时控制有功功率P和无功功率Q。11:1926/58VS2KXsinP VS2(1 Kcos)XQ ACACVsjXTVNVconVIINqINpVNReVVcon交流系统换流器VSC与交流系统基波潮流的相量图交流系统和换流器之间基波潮
12、流的等效电路由变压器的交流系统端看进去的有功和无功功率11:19VSC-HVDC的稳态特性换流变压器ImVconVs其中，K 保持恒定而改变K时，得到一系列的直线，如边界值 min和 max；保持K恒定而改变时，能得到一系列曲线，如Kmin=1-x,Ki=1.0,Kmax=1+x等；当使换流站传输能力恒定将得到|P+Q|=1的圆;调整参数和K，可使VSC连续运行在圆内的任意一点。因此，它能独立控制有功功率和无功功率的交换。若不需要传输有功功率，换流站可以作为STATCOM运行，为交流系统提供容性或感性无功支持27/58minVn=1.0Q(p,u)inductiveKmin=1-x|Pn+Qn
13、|=1Ki=1.0P（p,u）Kmax=1+xmaxcapacitiveVSC的PQ图11:19VSC-HVDC的稳态特性定直流电压定直流电流(或功率)定交流电压控制控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率控制直流电流(或功率)和输送到交流侧的无功功率只控制交流母线电压一个量适用于与有源网络相连给无源网络供电28/5811:19VSC-HVDC的控制方式29/58对一个VSC-HVDC，需有一端采用定直流电压控制源网络无源网络定直流电流控制定交流电压控制11:19VSC-HVDC的控制方式有P c1 Ud1Id1定直流电压VSC-HVDC 系统稳态模型定直流电流由能量守恒若忽略直流线路的横向电
14、导 Id Id1 Id2 (Ud1 Ud2)/Rd30/5811:19VSC-HVDC的定直流电流控制U 21sin21 2U s1Id1 cos(1 1)定直流电压端M1sin12U s1 sin1 1 2Id1M1 sin1M1Y1 sin12R1Qs1 U d1 2Id2M 22M 2U s2Y2Rd(M 2 2Ud1Y2 sin2 2M 2Us2Y2 sin(2 2)cos(2 2)2 2 2M 2 2RdY2 sin2Us2Ud1Y2 cos(2 2)Us 22Y2 cos2Qs2 输入量为1 和M1输出量为Ud1和QS1在给定的范围内用MATLAB画出上式的三维立体图31/58定直
15、流电流端M 2U d1Y2 sin2 2M 2U s2Y2 sin(2 2)输入量为 2和M22 M 2RdY2 sin2 输出量Id1和QS211:19VSC-HVDC的定直流电流控制推导得到32/58VSC-HVDC的定直流电流控制2、如果以换流器的额定容量为基值，换流电抗器的标幺值为0.10.2；3、对于换流器R1 X1在分析中取 R 0.8 X 3.144、分析范围/4/4，0.5M 1。在给定的范围内用MATLAB画出上式的三维立体图假设条件：1、Rd 5.411:1933/58说明直流电压控制侧，不能实现Qs1M1Qs11U d1M1U d11Qs1M1Qs11定直流电压控制端电压
16、图和无功图定直流电流控制端电流图和无功图直流电压和无功解耦。功角对直流电流有较大的影影响一样大。响，即 I Id2 d2 2 M 2而功角和调制比m对无功的11:19VSC-HVDC的定直流电流控制功角对直流电压和无功有较大的影响，即dI1 d R d q Vsd Vcd I1 I1 dI1 q R q d Vsq Vcq dt L1 134/58逆变侧dt L1 L1 I1 I1 L整流侧交流电压和交流电流经Park变换转化为dq坐标系表示11:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式基于dq矢量变换的解耦控制策略P 3 2(VsdI1 d VsqI1 q)Vsq Vs1,Vsd 0 P 3
17、2V I q Q1 3 2(Vs1 1 Vs1 1)Q1 3 2Vsq 1 1 dI I35/58d q q dq1 s1 1I前馈解耦技术Kq1干扰项Vcd (M 1/2)Vdc1sin1Vc1 (M 1/2)Vdc1cos1耦合项M 1 111:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式dq同步旋转坐标系下VSC-HVDC的数学模型联接有源系统时，整流器作为功率控制器，逆变器作为电压控制器36/58VSC-HVDC的功率解耦控制方式电压控制器将直流电压Vdc2和交流母线电压Vs2作为控制目标。换流器输出电压基波分量与直流电压的关系为Vc(t)(M/2)Vdc sin(t)改变就改变Vc和Vs的
18、相位，从而改变有功的大小和方向。M控制Vs2控制Vdc2电压控制原理图11:19P P dc1 Idc1Vdc1 P 3 2(VsdI1 VsqI1)dVdc1Idc1 1(dVdc1/dt)IccC3VsqI1 q 3VsdI1 d Iccdt 2C1Vdc1 2C1Vdc1 C1以直流电压作为主要控制目标，无功功率作为辅助控制目标与功率控制原理相似整流侧定直流电压控制原理37/5811:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式V 2 3(va v e j120 v e j120)bvs2 2 3Vs2 cos(t 120)sb c va2 2 3Vs2 cos(t)vs2 2 3Vs2 co
19、s(t 120)c Vs2 Vs2 2 3 vs2ca vs2bce j120定交流电压控制，保证换流器变压器输出电压有效值恒定。逆变侧定交流电压控制原理图38/5811:19VSC-HVDC的功率解耦控制方式P/MW Q/Mvar39/58t/s1.001.502.002.503.003.504.004.506050403020100-10-208070rpVSC1侧的有功功率发生5070MW的阶跃变化时，该侧交流系统发出的有功功率和无功功率（无功功率定值为10Mvar）无功有功11:19仿真验证:P/MW Q/Mvar40/581.02.03.04.05.06.06005004003002
20、001000-100-200-300-400-500rpt/s有功功率发生50-30 MW的翻转时交流侧发出的有功和无功功率(无功功率定值为0)11:19仿真验证:Pdc1/MW Pdc2/MW0.01.02.03.04.05.06.0806040200-20-40-60-80Pdc1Pdc2t/s有功功率由50-30 MW变化时，直流线路整流侧和逆变侧的功率波形41/5811:19仿真验证P/MW Q/Mvar42/581.02.03.04.05.06.0403020100-10-2050807060rpt/s无功功率由 020 MVar变化时，Vsc1侧交流系统发出的有功和无功功率(有功功
21、率固定为70MW)有功无功11:19仿真验证:43/58数据采集卡+dsp 控制器IGBT 整流器+驱动电源等效电抗和 负荷 荷数据采集卡+dsp 控制器IGBT整流器+驱动等效电抗电源和 负荷 荷11:19VSC-HVDC的实验方案方案整体设计44/58芯片介绍DSP芯片TMS320LF2407特性1.LF2407 运行速度为30MIPS 128K 存储空间2.16 路10BIT 片上A/D 接口3.片上双重的管理器PWM4.4 路的DAC7625 转换5.UART 串行接口符合RS232 标准6.32K 片上FLASH7.CAN 总线标准接口8.数据地址I/O 控制4 处扩展连接器11:1
22、91.2.3.4.5.6.7.8.9.32-bit PCI bus,plug&play12-bit or 16-bit analog input resolutionUp to 333kHz A/D sampling rate16 single-ended or 8 differential analog input channelsBipolar or unipolar input signalsProgrammable gain selection:X 1,10,100,1000(for 9118 HG)Two 12-bit high speed analog output channel
23、s4 digital input/output channelsThreeA/D trigger sources:software trigger,10.programmable pacer trigger,and external pulse trigger45/5811:19芯片介绍数据采集卡 PCI 9118特性46/58芯片介绍CAN卡 PCL 8411.同时支持2路CAN网络2.最高速度1Mbps3.可选隔离保护4.LED指示：TX,RX5.支持DOS库附WindowsNT DeviceNet dll驱动程序及例程6.含Labview驱动程序11:1947/58单相IGBTs驱动模块
24、11:19芯片介绍IGBTs及其驱动模块(SKM75GD123D)48/58控制部分设计DSP与IGBT驱动模块以及IGBT的连接11:19VSC-HVDC作为大停电启动电源的运行原理和规律研究；交流电网故障情况下VSC-HVDC的自保护和热备用研究。VSC-HVDC系统自保护实验；VSC-HVDC系统“软启动”实验；在负荷大幅度改变情况下由VSC-HVDC实现无源交流系统电压与频率高精度控制的实验；VSC-HVDC的快速潮流翻转实验和交流三相不对称实验。49/58研究内容物理实验11:19实验内容VSC有功、无功独立控制研究；实验系统的硬件电路主电路点实验室的通用换流器平台，它包括12个H桥
25、，开关元件为IGBT，通过这12个H桥中的4个即可构成一个完整的VSC-HVDC硬件一次系统主控板控制电路 光纤转换板驱动电路信号A/D采样模块DSP计算PWM脉冲光电转换板驱动电路触发IGBT50/5811:19实验系统的硬件构成电力系统保护与动态安全监控教育部重51/58实验设备概况通用换流器平台111:1952/58实验设备概况通用换流器平台211:1953/58实验设备概况主控板和光纤转换板11:1954/58项目三相交流电源线电压有效值三相变压器变比交流滤波电感单侧直流电容直流侧电压开关管驱动模块主控芯片电压霍尔传感器电流霍尔传感器参数380/220V2：15mH9400F300VS
26、KM200GB128DCONCEPT 2SD315TMS320LF2407ALEM LV100LEM LT20811:19实验系统参数55/58软关断功率波形11:19VSC-HVDC系统自保护实验交流系统发生故障，电压跌落到0.6p.u.以下时，转变控制策略对VSC-HVDC系统实施“软关断”控制，即VSC-HVDC系统发出的功率按照设定的曲线下降到零的功率波形图56/58直接启动AB两相电流波形软启动AB两相电流波形11:19VSC-HVDC系统“软启动”实验故障侧交流系统的交流母线电压按照设定的曲线从0上升到1.0 p.u.的电压恢复过程直接启动时和软启动时的电流波形图3kW翻转为-2kW功率波形图3kW翻转为-2kW电流波形图57/5811:19VSC-HVDC的快速潮流翻转实验模拟整流端交流系统发生故障情况下，通过VSC-HVDC的两侧协调控制，使VSC-HVDC的有功潮流快速翻转。58/58谢谢欢迎提问
