清华大学电机系
传输线路：架空线，10km 换流器：IGBT串联，2电平。
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赫尔斯杨换流站及技术指标
运行指标
（1）噪声：站墙外40m处≤40dB，不超过设计值。
（2）无线电干扰：符合要求。
（3）谐波：10kV母线THD 3.8% ≤5.0%（高通滤波器容
量为换流器容量1/10）
Uc
δ
UL
I
Us
P<0, 逆变模式
采用VSC的HVDC系统
9
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基本原理
以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）为基础 的新型直流输电技术。
CIGRE和IEEE将其命名为VSC-HVDC——电压源换流器高 压直流输电。
ABB—HVDC Light/轻型直流输电，注册商标； SIEMENS—HVDC PLUS (Power Link Universal System )/新型直流输电，注册商标 国内—HVDC Flexible/柔性直流输电。
S4
0110
VO=0
25
+
V dc
VO
-
O
+
V dc
-
S1
D B1
S2
VO
S3 D B2
S4
0011
VO=-Vdc
0 -Vdc 清华大学电机系
多电平变流器
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由两电平、三电平到更多电平数目
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Modular Multilevel Converter (模块化多电平变流器27）
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6 默里连接工程
±150kV 200MW
7 美国长岛
±150kV 330MW
8 挪威海上平台
±60kV
2×41MW
9 波罗的海联网
±150kV
10
北海海上Valhall油 田平台
–150kV
11 德国风电并网
±150kV
1清22华0美1国大2T学ra-n3电sB-a机y20系 ±200kV
350MW 78MW 400MW 400MW
容量范围 ☆☆ ☆ ☆ ☆ ☆
无功补偿 ☆
☆☆ ☆ ☆ ☆
功率损耗 ☆☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆
可控性 ☆ 传输距离 ☆ ☆
☆☆ ☆☆☆ ☆☆☆ ☆☆☆
VSC-HVDC
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输送方式比较-传输距离与容量
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大功率电力电子
kV/kA
机械开关
• 高压 • 大电流
Power
+
=
V/mA
列入863智能电网研究课题
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1）赫尔斯杨 - 试验工程
1997年，ABB在瑞典中部的赫尔斯杨-格兰斯堡 改造一条原有的50kV架空线路，接入10kV交流 系统，完成启动、功率调整和故障等试验。
额定功率：3MW 交流电压：10kV 直流电压：±10kV
2002年建成投运。
长岛工程 – ABB第二代技术
南方电网 技术研究
中心
直流电压、电流提升到新等级，实现 138kV/345kV不同电压等级连接
首次采用IGBT 3电平换流器结构（非背靠背），改 善谐波状况，增大换流器容量。
额定容量： 330 MW 直流电压: ± 150 kV 直流电流： 1175 A 传输电缆： 2 x 40 km，埋于2米深海床下，不影响海床
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2）哥特兰 - 第一个商业工程
ABB/1999年 哥特兰岛南部风能丰富，中部需要电能 。输电线路经过鸟类保护区，海岛交流系 统较弱，出于环境和技术考虑，选择柔性 直流输电、地下电缆方式送电。
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哥特兰工程技术参数
传输线路：地下电缆，70km 换流器：IGBT串联，2电平。 70kV THD：BÄCKS 1.5%，NÄS 1.3% 损耗：每年运行6000小时，其中 2000小时满载。SVC模式时为4%， 传输模式时为11%。 无线电干扰：基本满足要求（围墙外 30m处测量） 可听噪声：100米处37dB（<40dB ）
电网互联，电力交易
2电平 电缆67公里 2005
海上平台供电
2电平 电缆105公里
2电平 电缆292公里
2电平 电缆100公里
多电平 （MMC）
电缆88公里
2007
非同步联网
预计2010年
电机变频驱动，提高 效率
预计 9月
2009
年
世界最大风电场并网
预计 3月
2010
年
电网互联，城市20供电
器件的直接串联
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哥特兰工程的意义
优点
匹配风能动态变化，稳定电压； 避免恶化电能质量； 交直流并联协调运行，提高动态稳定性能。
哥特兰工程起到很好的示范作用，该工程的实施 表明基于电压源换流器直流输电技术已日渐成熟， 具备良好的工业应用前景。
此后，柔性直流输电技术得到了较快发展，新建 工程增多，容量和电压等级进一步提高。
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直流输电 VS 交流输电？
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输电线路
造价低、损耗小 线路有功损耗和无功损耗小
不存在稳定性问题
可实现非同步联网
可实现功率的灵活调节
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常规高压直流输电原理
4
晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)
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孤立负荷送电（海岛等）
海上平台供电
城市配网
非同步电网联网
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引自ABB参考资料
输送方式比较-成本
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引自ABB参考资料
清华大学电机系
输送方式比较-损耗
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14
几种主要的电力传输方式
15
HVAC HVDC
HVAC 电缆造价 ☆
HVDC VSCHVDC
☆☆☆ ☆☆☆
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38 引自ABB参考资料 引自ABB参考资料
VSC-HVDC与常规直流换流站相比
VSC-HVDC
节 约
空 间
LCC-HVDC
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电缆
40
Land Cable
Submarine Cable
Deep-sea Cable
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海底电缆铺设
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发展历史
1990年，加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人提 出了基于脉宽调制技术电压源换流器的直流输电概念。
21
ABB公司的两电平VSC-HVDC及其串联IGBT阀
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器件的直接串联
22
可通过器件的串联实现尽可能高 压输出
实现中存在多方面困难
安全性：静、动态均压 结构易实现性：杂散参数、安
装、维护
引自ABB参考资料
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ABB的StakPakTMIGBT模块
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Electronics
• 高速 • 电子控制 • 低损耗 • 长寿命
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kV/kA
V/mA
Power Electronics
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大功率电力电子器件的发展
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IGBT
IEGT
Thyristor
GTO
IGCT
由半控到全控 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)
清华大学电机系
2012-3-20
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VSC-HVDC(轻型直流输电）
不需借助受端电网换相，对受端电 网无容量要求
无换相失败问题 PWM技术，谐波电流小 快速独立控制有功无功传递 故障隔离
. . .
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VSC-HVDC的典型应用

风电场（或其它新能源发电）接入
12
MMC变流器工作原理
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S1=On, S2=Off : Vx=Vc
S1=Off, S2=On: Vx=0
直流电压控制 Vd=n×VC 交流电压控制 VAC=V1+V2+…Vn
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Transbay 400MVW HVDC PLUS(MMC)
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Transbay 400MVW HVDC PLUS(MMC)
生物
清2华01大2学-3电-机20系
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长岛工程电网结构
南方电网 技术研究
中心
353 to Southington
4T 7T
5T 8T 376 to Haddam Neck
9T New
RM **
Converter
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清华大学电机系
VSC-HVDC变流器拓扑结构技术比较
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清华大学电机系
柔性直流输电系统的静态特性
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Qconv (Capacitive Mode)
Low AC Voltage High AC Voltage
Limitation in capacitive mode
Pconv (Inverter Mode)
1997年，ABB在瑞典中部的赫尔斯杨进行了世界上第一 个VSC HVDC工业试验。
1999年，ABB哥特兰工程投入商业运行。 2002年，ABB美国长岛工程直流电压达到±150kV、输
送容量达到330MW。 2007年，西门子美国跨湾工程采用多电平换流器，直流
电压达到±200kV、输送容量达到400MW。 2007年，中国在上海启动示范工程。 2010年，大型风电场的柔性直流输电