1、直流输电技术浅谈.主要内容l直流输电概述直流输电概述lVSC-HVDC数学模型数学模型lVSC-HVDC控制器设计控制器设计l总结总结.一、直流输电概述直流输电发展过程直流输电发展过程最早期，直接由直流电源送往直流负荷；最早期，直接由直流电源送往直流负荷；随着交流发电机、感应电动机及变压器的发展，发电和用电领域被交随着交流发电机、感应电动机及变压器的发展，发电和用电领域被交流电所取代。流电所取代。直流输电仍有其存在价值，交流电无法取代！直流输电仍有其存在价值，交流电无法取代！l汞弧阀换流时期汞弧阀换流时期19011901年发明；制造技术复杂、价格昂贵、可靠性低、运行维护不便年发明；制造技术复杂
2、、价格昂贵、可靠性低、运行维护不便l晶闸管阀换流时期晶闸管阀换流时期2020世纪世纪7070年代以后；逐步替代汞弧阀；年代以后；逐步替代汞弧阀；l新型半导体换流时期（新型半导体换流时期（IGBTIGBT，IGCTIGCT）2020世纪世纪9090年代；损耗低、可靠性高、体积小、具有自关断能力，将会年代；损耗低、可靠性高、体积小、具有自关断能力，将会逐步取代晶闸管。逐步取代晶闸管。.一、直流输电概述我国的直流输电发展情况我国的直流输电发展情况5050年代，我国关于直流输电技术的研究工作就开始起步，但发展年代，我国关于直流输电技术的研究工作就开始起步，但发展曲折而缓慢，而且从设计、运行、制造等方面
3、来看，与世界先进水平曲折而缓慢，而且从设计、运行、制造等方面来看，与世界先进水平还有相当大的差距。浙江舟山直流输电工程是我国第一个直流输电试还有相当大的差距。浙江舟山直流输电工程是我国第一个直流输电试点工程，为发展我国的直流输电技术进行探索、积累经验。点工程，为发展我国的直流输电技术进行探索、积累经验。葛州坝上海葛州坝上海-南桥直流输电工程是我国第一个跨地区、跨系统的超南桥直流输电工程是我国第一个跨地区、跨系统的超高压、远距离直流输电工程。高压、远距离直流输电工程。三峽工程三峽工程;天天-广工程广工程;贵贵-广工程广工程;向家坝向家坝-上海；云上海；云-广工程广工程;锦屏锦屏-苏南；苏南；我国
4、正在设计或拟议中的其它工程有：西北我国正在设计或拟议中的其它工程有：西北-华北直流输电互联工华北直流输电互联工程、宝鸡程、宝鸡-成都直流输电工程成都直流输电工程.一、直流输电概述直流输电基本原理直流输电基本原理A A、B B为两个换流站，换流站中主要设备为换流器，主要实现交流为两个换流站，换流站中主要设备为换流器，主要实现交流与直流的相互转换。与直流的相互转换。换流器由一个或多个换流桥串联或并联而成。主要拓扑为三相桥换流器由一个或多个换流桥串联或并联而成。主要拓扑为三相桥结构，由于每个桥臂都具有可控的单向导通性，因此又称为阀或阀臂。结构，由于每个桥臂都具有可控的单向导通性，因此又称为阀或阀臂。
5、交流系统交流系统1 1向交流系统向交流系统2 2输电时，输电时，A A为整流站，为整流站，B B为逆变站。为逆变站。.一、直流输电概述直流输电基本原理直流输电基本原理直流线路电流直流线路电流12dddVVIR直流输电线路和交流输电线路不同，直流输电线路和交流输电线路不同，它只输送有功功率，不输送无功功率它只输送有功功率，不输送无功功率。121212()dddddddddPPV IV II VV直流线路损耗直流线路损耗只需要改变电压只需要改变电压V Vd1d1和和V Vd2d2，就可以调节电流，就可以调节电流I Id d，从而改变直流线路输送功率。，从而改变直流线路输送功率。.一、直流输电概述直
6、流输电系统分类直流输电系统分类单极线路方式单极线路方式(a)(a)单极单线制接线方式单极单线制接线方式(b)(b)单极双线制接线方式单极双线制接线方式.一、直流输电概述直流输电系统分类直流输电系统分类双极线路方式双极线路方式(a)(a)双极中性点两端接地式双极中性点两端接地式.一、直流输电概述直流输电系统分类直流输电系统分类双极线路方式双极线路方式(b)(b)双极中性点单端接地式双极中性点单端接地式.一、直流输电概述直流输电系统的特点直流输电系统的特点优点优点一、输送相同功率时，线路造价低；一、输送相同功率时，线路造价低；3根线根线1(2)根线根线二、线路损耗小；二、线路损耗小；没有无功损耗，
7、无集肤效应没有无功损耗，无集肤效应三、适宜海下输电；三、适宜海下输电；四、没有系统稳定问题；四、没有系统稳定问题；无相位、频率等同步问题无相位、频率等同步问题五、能限制系统的短路电流；五、能限制系统的短路电流；“定电流控制定电流控制”六、调节速度快、运行可靠；六、调节速度快、运行可靠；七、实现交流系统的异步联接；七、实现交流系统的异步联接；“背靠背背靠背”换流站换流站八、直流输电可方便进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。八、直流输电可方便进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。.一、直流输电概述直流输电系统的特点直流输电系统的特点缺点缺点一、换流站的设备较昂贵；一、换流站的设备较昂
8、贵；二、换流器装置要消耗大量的无功功率；二、换流器装置要消耗大量的无功功率；三、产生谐波影响；三、产生谐波影响；四、换流装置几乎没有过载能力，对直流系统的运行不利；四、换流装置几乎没有过载能力，对直流系统的运行不利；五、缺乏高压直流开关；五、缺乏高压直流开关；六、直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一系列技术问题；六、直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一系列技术问题；七、直流输电线路难以引出分支线路，绝大部分只适用于端对端送电。七、直流输电线路难以引出分支线路，绝大部分只适用于端对端送电。.一、直流输电概述直流输电的应用场合直流输电的应用场合远距离大功率输电；远距离大功率输电；海底电
9、缆送电；海底电缆送电；不同频率或同频率非周期运行不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络；的交流系统之间的联络；用地下电缆向大城市供电；用地下电缆向大城市供电；交流系统互联或配电网增容时，交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一；作为限制短路电流的措施之一；配合新能源的输电。配合新能源的输电。.二、VSC-HVDC数学模型VSC-HVDC:Voltage Source Converter High Voltage Direct Current 基于电压源型换流器的直流输电系统基于电压源型换流器的直流输电系统作以下假设：作以下假设：交流侧电网电动势为纯正弦波；交流侧电网电动势
10、为纯正弦波；换流器见为理想器件，其等效电阻与环流变压器电阻等等效电阻换流器见为理想器件，其等效电阻与环流变压器电阻等等效电阻包含在电阻包含在电阻R1、R2中；中；交流侧换流变压器为线性，不考虑饱和情况；交流侧换流变压器为线性，不考虑饱和情况；直流侧为对称运行，系统稳态运行时无接地电流。直流侧为对称运行，系统稳态运行时无接地电流。.二、VSC-HVDC数学模型由于两端换流站原理相同，故分析整流侧，逆变侧同理可推出。由于两端换流站原理相同，故分析整流侧，逆变侧同理可推出。定义开关函数：定义开关函数：1,2(,)12kska b c上桥臂导通，下桥臂关断，上桥臂关断，下桥臂关断.二、VSC-HVDC
11、数学模型由由KVL可得交流侧电压微分方程：可得交流侧电压微分方程：111111kskkkdiuLRiudt又因为：又因为：11,kkdus uka b c所以有：所以有：111111111111asaaabsbbdbcsccciuisdLiuR iusdtiuis由由KCL可得直流侧电流微分方程：可得直流侧电流微分方程：11dddduiiCdt又因为：又因为：1111111()()()222daabbcciisisis所以有：所以有：1111111()()()222daabbccdduCisisisidt同理，对逆变侧进行分析，可得同理，对逆变侧进行分析，可得222222222222asaaa
12、bsbbdbcsccciuisdLiuRiusdtiuis2222111()()()222daabbccdduCisisisidt对直流侧，有：对直流侧，有：12dddd dddiuuR iLdt.二、VSC-HVDC数学模型自然采样法自然采样法占空比占空比dk与开关函数与开关函数sk的关系：的关系：0(1)1,(1)22(,)1,(1)(1)2skkkskksktdsdtka b csdtd 12(1)sin()cos()nkkksnsdndntn经傅里叶分解，可得：经傅里叶分解，可得：忽略高频分量，有：忽略高频分量，有：sin()22sin()232sin()23abcMstMstMst将
13、该式代入基于开关函数的将该式代入基于开关函数的VSC-HVDC数学模型即可得到采用占空数学模型即可得到采用占空比描述的低频数学模型。比描述的低频数学模型。.二、VSC-HVDC数学模型利用等量利用等量park变换矩阵：变换矩阵：22coscos()cos()3322sinsin()sin(),33111222tP可将数学模型转换到可将数学模型转换到dq坐标系下：坐标系下：101200001()dqsdqdqdqdqdRddtLLdtIPUUIPI120333cossin442ddqddMMCdtUII.二、VSC-HVDC数学模型VSC-HVDCVSC-HVDC控制量与被控量之间的关系控制量与
14、被控量之间的关系由柔性直流输电的原理可知，连结两个交流系统网络的换流器是由柔性直流输电的原理可知，连结两个交流系统网络的换流器是一个两输入（移相角一个两输入（移相角和调制比和调制比M）、两输出（有功功率类和无功功）、两输出（有功功率类和无功功率类物理量）、非线性、非解耦的被控对象。率类物理量）、非线性、非解耦的被控对象。利用功率传输方程推导控制量与被控量之间的关系（以整流部分利用功率传输方程推导控制量与被控量之间的关系（以整流部分为例）。为例）。11XL22111ZRX111YZ111arctan()RX.二、VSC-HVDC数学模型11XL22111ZRX111YZ111arctan()RX
15、交流电压交流电压Us1超前换流器端电压超前换流器端电压Uc1的角度为的角度为1，则：，则：1111 1111()scsUUSU IURjX2111 1111 11sin()sinssccPU U YU Y2111 1111 11cos()cossscsQU U YU Y 所以有：所以有：换流器吸收无功功率换流器吸收无功功率令令11ssQQ .二、VSC-HVDC数学模型211 1111 111coscos()sscsQU YUU Y 1112cdMUU211 111 1cossssQU YXU Y 11112cos()dXMU21 11111111222211111111 111sin22si
16、ncos21arcsinarctan2sin22sin2scccscscsU Y XX YPPPXYUPX Y UXP YUsincos2ddquMUu2211112cdcqduuMU111arctancdcquu所以可整理得：所以可整理得：又换能器端电压与直流电压的关系为：又换能器端电压与直流电压的关系为：令令得到控制量与被控量的关系为：得到控制量与被控量的关系为：在在dq坐标系中坐标系中.二、VSC-HVDC控制器设计目前，在工程和研究中，按照被控量来分类，柔性直流输电有以目前，在工程和研究中，按照被控量来分类，柔性直流输电有以下两种控制方式：下两种控制方式：u定有功功率类控制定有功功率类
17、控制：即根据有功功率类物理量参考值与测量值之：即根据有功功率类物理量参考值与测量值之间的偏差，来调节换流站输出端电压与交流系统电压之间的相角差，间的偏差，来调节换流站输出端电压与交流系统电压之间的相角差，使有功功率稳定在设定值。其调节量直接或间接与有功功率有关，包使有功功率稳定在设定值。其调节量直接或间接与有功功率有关，包括括定有功功率控制定有功功率控制、定直流电压控制定直流电压控制、定直流电流控制定直流电流控制和和定频率控制定频率控制。u定无功功率类控制定无功功率类控制：即根据无功功率类物理量参考值与测量值之：即根据无功功率类物理量参考值与测量值之间的偏差，来调节换流站输出端电压与交流系统电
18、压之间的相角差，间的偏差，来调节换流站输出端电压与交流系统电压之间的相角差，使无功功率稳定在设定值。其调节量直接或间接与无功功率有关，包使无功功率稳定在设定值。其调节量直接或间接与无功功率有关，包括括定无功功率控制定无功功率控制、定交流电压控制定交流电压控制。通过理论分析可知，通过理论分析可知，系统传输的有功功率主要由移相角系统传输的有功功率主要由移相角决定决定，而而无功功率主要由换流站输出端电压无功功率主要由换流站输出端电压Uc决定决定，后者与直流电压和调制后者与直流电压和调制比比M之积成正比之积成正比，所以通过对两个变量，所以通过对两个变量和和Uc的调节即可实现对系统的调节即可实现对系统有
19、功功率和无功功率的控制。有功功率和无功功率的控制。.二、VSC-HVDC控制器设计A为有功功率类控制量为有功功率类控制量B为无功功率类控制量为无功功率类控制量.二、VSC-HVDC控制器设计32sd sddcdcu iui.二、VSC-HVDC控制器设计根据应用场合的不同，外环电压控制器的组合策略也不同，在设根据应用场合的不同，外环电压控制器的组合策略也不同，在设计时要保证以下三点：计时要保证以下三点：为保持系统的稳定和有功功率平衡，为保持系统的稳定和有功功率平衡，必须有一端采用定直流电压必须有一端采用定直流电压控制控制，其它端可采用除定直流电压控制之外的其它有功类控制。，其它端可采用除定直流
20、电压控制之外的其它有功类控制。每个换流站只能同时采用有功功率类控制和无功功率类控制中的每个换流站只能同时采用有功功率类控制和无功功率类控制中的各一种，即各一种，即同属一类的的控制器不可在一座换流站同时采用同属一类的的控制器不可在一座换流站同时采用。1.向向无源网络供电无源网络供电时，时，整流站必须采用定直流电压控制整流站必须采用定直流电压控制，逆变站采逆变站采用定交流电压控制用定交流电压控制。.三、总结p 直流输电技术相较于交流输电技术有着许多优点，特别在于远距直流输电技术相较于交流输电技术有着许多优点，特别在于远距离输电和海底输电等场合。技术上仍有许多值得研究学习的地方。离输电和海底输电等场合。技术上仍有许多值得研究学习的地方。p 拓扑结构与拓扑结构与STATCOM及及PWM整流器等类似，因此建模过程及控整流器等类似，因此建模过程及控制方法上能够互相借鉴，触类旁通。制方法上能够互相借鉴，触类旁通。p 仅仅是抛砖引玉，希望大家能够得到一些启发。仅仅是抛砖引玉，希望大家能够得到一些启发。.
