直流输电论文 王巍.doc

直流输电论文王巍
轻型直流输电中的VSC技术
摘要:
电压源换流器高压直流输电是基于电压源换流器技术的新一代直流输电技术,相比于传统的直流输电技术具有小型、高效,控制灵活的特点,经济效益和环保价值可观,能有效的减少输电线路电压降落和闪变,提高了电能质量。文章简介了轻型直流输电,介绍电压源换流器的基本原理、控制策略和技术特点。综述近年来 VSC-HVDC 技术发展及其应用前景。
关键词:轻型直流输电电压源型换流器
1轻型直流简介和出现背景
轻型直流输电即HVDC Light,该技术由ABB公司在上个世纪八、九十年代研制开发的—种新型输电技术。HVDC Light轻型直流输技术,以电压源型换流器(VSC)为核心,硬件上采用IGBT等可关断器件,控制上采用脉宽调制技术(PWM)以达到具有高可控性直流输电的目的。
传统高压直流(HVDC)输电技术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联结等场合应用广泛。但由于传统 HVDC 输电技术的换流器采用的是半控型晶闸管器件,存在很多不足。尽管人们对传统 HVDC 输电进行了不断的改造,但这些改进措施均不能从根本上解决 HVDC 输电的不足。近年来,随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大,同时海上钻井平台、孤立小岛等无源负荷,使得采用交流输电技术或者传统直流输电技术存在很大的不足和缺陷。因此
迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式。
随着电力电子技术的发展,特别是具有可关断能力的电力电子器件的发展,如绝缘栅
极晶体管(IGBT)、门级可关断晶闸管(GTO)等,促进了HVDC输电技术的一次重大变革。由于采用全控型可关断器件构成的电压源换流器(VSC)以及脉宽调制(PWM)控制技术为基础,使得电压源换流器直流输电(VSC-HVDC)方式有一些传统HVDC 无法比拟的优点,例如可以向无源网络供电,同时控制有功功率和无功功率,动态补偿母线的无功功率,稳定交流母线电压等,因而也被称为柔性直流输电方式。1997 年ABB公司第一个工业试验工程—Hellsjon工程,为VSC-HVDC的建立和发展积累了许多宝贵的经验。
2电压源型换流器(VSC)

轻型直流输电的换流装置是基于器件的全控特性实现换相的。这类换流器作为逆变器时,分为电压源型和电流源型。电压源型逆变器,其直流侧保持一定的直流电压,交流侧输出电流由系统侧电压和换流器输出电压的关系决定;电流源型逆变器,它通过维持直流侧电流的一定来输出交流侧电流,输出的电压由系统的阻抗和输出电流决定。以上两种换流器对直流输电都适用,但以下几点原因表明电压源型更适合在直流输电系统中:
1)与半控型换流器不同,全控型换流器的优点在于它可以与小容量交流系统互联。在这种情况下必须做到快速控制交流电压,所以电压源型更合适。
2)直流输电通常情况是保持一定的直流电压值,调整直流电流来运行。而电流源型在通过降低直流电流来进行潮流控制时它的无功功率控制范围变小,无功功率供给能力低。
3)电流源型容易出现过电压等问题,对元器件耐压水平要求更高。
所以目前研发的主流是电压源型换流器。

电压源换流器直流输电是通过电压源换流器来实现,其拓扑结构主要有两电平、三电平和多电平等拓扑结构。
二电平换流器是用于 VSC-HVDC 系统最简单换流器拓扑结构,见图1。它有六个桥臂,每个桥臂都由 IGBT 和与之反并联的二极管组成。图2为中点箝位型的三电平换流器的拓扑结构。对于两电平或者三电平换流器,每个 IGBT 旁边有一个反并联的二极管,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;直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑,缓冲桥臂关断时的冲击电流和减小直流侧谐波;换流电抗器是 VSC 与交流侧能量交换的纽带,同时也起到抑制直流过电流的上升速度和电压中的开关频率谐波量。
图1
图2
模块化多电平换流器(MMC
)是由西门子公司首先提出的采用多个子模块串联的一
种新型拓扑结构,其拓扑结构如图3所示。每个子模块由一个IGBT 的半桥和一个直流储能电容器组成。每个子模块都是一个两端器件,它可以同时在两种电流方向的情况下进行全模块电压和零模块电压之间的切换。
图3
与二电平拓扑相比,MMC 技术具有其明显优势:由于各子模块不需要同时导通,降低了桥臂电压变化率和电流变化率,使得开关器件承受的应力大为下降,同时输出电压的各次谐波含有率和总电压畸变率大大降低,从而可以减小甚至省去大容量的交流滤波器。其次,电抗器可以串联在上下桥臂间,使得直流侧短路时的故障电流上升率可以限制在很低的水平。最后,模块化的设计也