Harbin Institute of Technology直流输电技术课程报告题目柔性直流输电在城市配电网中的应用课程名称：直流输电技术院系：电气工程系姓名：学号：哈尔滨工业大学2015年4 月17日柔性直流输电在城市配电网中的应用摘要：柔性直流输电技术的出现为城市高压电网的构建及微电网接入大电网提拱了新的技术手段和解决方案, 因此研究柔性直流输电技术在城市电网中的应用具有重要意义。

本文简述了柔性直流输电技术的基本原理、应用领域、相比于传统输电技术的优势以及在城市电网应用的可行性条件分析，并给出了家庭和办公直流输电的两种方案。

关键词：柔性直流输电，城市电网，应用领域，运行条件，方案1.引言随着社会的不断发展和科学技术的不断进步，电力传输系统经过直流、交流和交直流混合输电三个阶段。

由于直流电不能直接升压，这使得直流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[1]。

直流输电相比交流输电在某些方面具有一定的优势。

自从1954年第一个商业化高压直流输电(HVDC)工程投入运行以来，HVDC在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步联接等场合得到了广泛应用。

常规HVDC采用相控换流器技术，存在一些固有的缺陷。

例如需要安装大量的无功补偿以及滤波设备，不能向无源网络供电以及只有应用于远距离、大容量输电才能发挥其经济上的优势等。

1990年MeGill大学的BoonTeCk001提出用PWM控制的电压源型换流器进行直流输电。

由于采用了IGBT、GTO等全控型器件，基于电压源换流器的直流输电(VSC-HVDC)系统具有可独立调节有功和无功功率的优点，可以向无源网络送电，克服了常规HVDC的本质缺陷，把HVDC的优势扩展到配电网，拓宽了HVDC的应用范围，具有广阔的应用前景。

1997年3月世界上第一个采用IGBT 构成电压源换流器的直流输电工业性试验工程---赫尔斯杨工程在瑞典中部投入运行，输送功率3MW，直流电压10kV，输送距离10km。

从运行情况来看，不论是暂态还是稳态，该工程电力输送稳定，换流器能够满足噪声水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要求。

由于这种换流器的功能强，体积小，可以减少换流器的滤波装置，省去换流变压器，简化换流器结构，ABB公司将其称之为轻型直流输电(HVDCLight)，Siemens则将基于VSC换流器的直流输电称为HVDCplus，“plus”表示电力连接系统(PowerLink universalsystem)，并分别注册表明其专利权，siemens没有实际的VSC型直流输电工程。

截至目前世界上已有10座基于VSC的HVDC工程，输电容量己达350Mw。

ABB公司HVDCLight 输电工程输送容量电缆可达久1200MW，架空线可达2400MW，电压等级达320kV。

我国国家电网公司和南方电网公司正在规划建设VSC-HVDC的工业示范工程。

上海南汇风电场将成为我国首个基于VSC-HVDC的风电接入工程[2]。

2.柔性直流输电概述传统直流输电采用自然换相技术的电流源型换流器，与之相比，VSC-HVDC 是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术。

这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。

另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

2.1 VSC-HVDC 原理图1 柔性直流输电单线原理图柔性直流输电是一种基于VSC 的直流输电技术。

图1是柔性直流输电单线原理图。

换流站采用 VSC 结构，它由换流站、联接变压器、换流电抗器、交流滤波器和直流电容器等部分组成。

VSC-HVDC 采用电压源换流器和 PWM 技术( 主要为正弦脉宽调制( SPWM) 和优化脉宽调制( OPWM) ) ，由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使 VSC 上下桥臂的开关管高频通断，则桥臂中点电压Uc 在两个固定电压 + Ud 和－Ud 之间快速切换,，Uc 再经过电抗器滤波后变为网侧的交流电压Us ，如图 2所示。

图 2 VSC 单项示意图在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率 P 及无功功率 Q 分别为：1sin S C U U P X δ= (1) 1(cos )S S C U U U Q X δ-= (2) 其中，Uc 为换流器输出的电压的基波分量，Us 为交流母线电压基波分量；δ为Uc 和Us 之间的相角差；X1为换流电抗器的电抗。

由式( l) 和式( 2) 可知，有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于Uc，因此通过对δ 的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制Uc就可以控制VSC 发出或吸收的无功功率。

从系统角度来看，VSC 可以看成是个无转动惯量的发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。

2.2柔性直流输电的应用领域通过[2]可知，目前VSC-HVDC主要在以下领域得到的成功的应用：(1)连接分散的小型发电厂为充分利用可再生能源及电力市场化的发展，己经或将会导致很多中小型电厂的产生。

我国具有丰富的水力资源和风力资源，由于分布广、规模小，随着电力市场的开放将出现大量的中小型电厂，为了保证电能质量，需要发电厂和电网具有足够的控制能力。

例如，为了提高风力发电效率，风力发电厂希望可以根据风力的情况不断地改变机组的运行条件(包括发电频率)，采用常规交流系统进行输电，电能质量无法保证，采用VSC-HVDC系统可以很好地解决电厂的并网和电能质量问题(电压和无功支持)，并且可以方便地联接分散电源，运行控制方式灵活多变。

目前电力市场面临着“放松管制”(Deregulation)的改革。

一些国家颁布法令规定用户可以发电并售电给电网，允许电力用户可自由选择供电者，允许实行夏售托送(WholesaleWheeling)，某些地区甚至允许实行电力零售托送。

发电厂和电力用户可以根据协议通过电网售受电力。

电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户间电力输送和分配的通道，需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求，而常规的交流输电系统却很难适应这一变化。

由于VSC-HVDC能够独立地控制有功和无功，并允许发电厂供电频率的变化，所以能够很好地满足上述要求。

特别是VSC-HVDC不存在交流系统固有的稳定性问题，能够灵活地控制有功、无功潮流，这些特点非常适合电力市场的需要。

（2）替代区域性小电厂，向远距离负荷供电所谓远距离负荷指一些偏远的小城镇、村庄或岛屿等，其负荷从几个兆瓦到数百兆瓦。

由于其输电距离超出了交流输电技术性或经济性的可行范围，而其输电容量又达不到常规HVDC经济性范围，且常规HVDC不能向无源网络供电，所以为了给这些远距离负荷供电往往要在当地建立小型的机组。

这些小型机组不仅运营成本高，而且常常会破坏当地自然环境，且电能质量也难以保证。

测算表明修建一座燃煤火电厂与修建一条VSC-HVDC相比，在相同投资规模下，VSC-HVDC的等价距离为50km-60km。

由于VSC-HVDC可以向无源网络供电，且不受输电距离的限制，受端的VSC就相当于安装在当地的时间常数很小的发电机。

所以从技术的角度看VSC-HVDC是向远距离负荷供电的理想选择，而从经济的角度看，VSC-HVDC的经济输电范围为几个兆瓦到几百兆瓦，也完全符合要求。

从环境保护的角度看VSC-HVDC具有绝对的优势，由于采用了地埋式挤压成形的直流电缆，它对当地的生态环境没有任何影响，而且其换流站的占地面积大幅减少。

因此，VSC-HVDC的技术、经济及环保特性使其成为向偏远小负荷地区供电的一种近乎理想的选择。

(3)向用电量快速增长的大城市供电构筑直流配网人口密集的大型城市负荷增长迅速，但由于空间的限制，增加新的输电走廊代价很高，甚至根本不可能，因而必须尽可能地提高现有输电走廊的输电能力。

由于同样的输电走廊直流输电的输送能力是交流的1.5倍，且VSC-HVDC能同时且相互独立地控制有功功率和无功功率，消除有功环流，合理分配有功负荷，克服电压稳定性的制约，改善电能质量。

所以VSC-HVDC被认为是向用电量快速增长的大城市供电甚至构筑城市配网的一个理想的工具。

(4)联结两个非同步运行的交流电网由于VSC-HVDC与常规HVDC一样具有双向传输有功的能力且两端的VSC 可各自独立地调节自己交流侧输出电压的幅值和相位，因此当两个非同步运行的交流电网需要交换较小容量的有功时，可用VSC-HVDC将它们互联。

VSC-HVDC系统要想在输电领域替代传统直流输电必须解决换流元件的开断容量和高压大电流下的稳定运行问题。

最近，国外公司宣布研制成功以碳化硅(SIC)为基片的电力电子器件。

基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件的损耗却大大降低，从而使元件的断开功率可望有数量级的飞跃。

可以相信，随着电力电子技术的发展，全控型器件性能及单管容量的不断提高，VSC-HVDC的应用领域将不断向输电网扩展，并有可能最终在输电网中取代常规的HVDC。

2.3 城市电网采用柔性直流输电相比传统输电方式的优势从[3]可知，相比传统输电方式，柔性直流输电具有以下几点优势：（1）简化供电系统供电方式灵活柔性直流输电采用电压全控型器件IGBT 组成电压源换流器（VSC），其中IGBT 电压等级可达3 000 V，容量可达1 500 kVA，具有高频开关特性（VSC）换流器能够通过器件控制开通和关断，在一个周期内通过驱动电路信号换相；接受电网电能时工作在整流状态，向电网回馈能源时候工作在无源逆变方式。

因为电压型器件，所以换流器不需要外加的换相电压，控制系统变得简单。

此外因此受端系统既可是无源网络也可是有源网络，可以灵活接入分布式电源、与异步交流电网互联，适合城市电网供配电相对近距离（20 km～50 km），容量为（20 MW～100 MW）的输电场合。

（2）提高供电的可靠性利用脉宽调制（PWM）技术控制驱动电路的脉宽来调节系统输出的电压和电流获得近似正弦波，同时通过驱动电路的移相控制可以改变线路功率因数，因此柔性直流输电能够对有功和无功的独立解耦进行控制。

此时若多个VSC 系统与直流输电网络的接入使得整个配电网络构成多端直流系统，而VSC 系统能通过驱动电路控制，改变状态，联络拓扑中同级系统提供有功功率和无功功率，并且给出运行系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压，平衡点的电压和相位角，最终改变电网各母线节点的电压幅值和相角，平衡支路的功率分布、网络的功率损耗。