柔性直流输电知识

知识点：LCC直流输

1柔性直流输电的定义

柔性直流输电方式是基于电压源换流器换流的直流输电方式，由两端换流站加直流回路构成（柔性直流输电系统一次主接线＝VSC换流器+直流回路）。

2柔性直流输电系统接线

下图给出了两端柔性直流输电系统结线图（以VSC换流器为例），在直流侧通过直流输电线路连接两个柔性直流换流站，这两个柔性直流换流站在交流侧连接到两个不同的交流网络。

柔性直流输电（Voltage Source Converter-HVDC,VSC-HVDC）是基于全控型电力电子器件的新一代直流输电技术。

柔性直流输电ABB称其为HVDC Light，西门子称其为HVDC PLUS。

这种技术特别适合于小容量输电。柔性直流输电技术对将来的输电技术会有重要的影响。

柔性直流输电技术在以下方面都具有较强的技术优势：

   (1)提高电力系统稳定性；

   (2)增加系统动态无功储备；

   (3) 改善电能质量；

   (4)解决非线性负荷、冲击性负荷对系统的影响，保障敏感设备供电。

由于其本身具有的技术特点，柔性直流输电系统适用于：

可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、大型城市电网供电等方面。特别是在风力发电并网、海上平台供电和大型城市电网供电方面，柔性直流输电系统的综合优势十分明显。

柔性直流输电自1997年引入.目前的制造商主要为ABB、西门子。

近年来，欧美发达国家已充分认识到柔性直流输电在可再生能源和智能电网建设中的重要作用，相关的工程已建成投运。

目前，世界上已投运的最大柔性直流输电工程是:

 (1) SIMENS公司承建的Trans Bay Cable工程。

该工程位于美国，工程容量400MW，电压等级±200kV。在建容量最大的柔性直流输电工程是SIMENS公司承建的INELFE工程，用于法国和西班牙电网的互联，工程容量为1000MW，电压等级为±320kV。

以上柔性直流输电工程为两端型系统。虽然至今国际上尚无投入商业运行的多端柔性直流输电系统，但是欧美等国已有多端柔性直流输电网络的建设规划；柔性直流输电技术向更高电压等级、超大容量、多端、网络化方向发展。

我国将基于电压源换流器的直流输电命名为柔性直流（HVDC  Flexible）。

2011年7月，亚洲首个柔性直流输电示范工程—上海南汇风电场柔性直流输电示范工程（20MW/±30kV）并网运行。

2015年舟山海岛联网多端柔性直流输电工程投入运行，2016年厦门柔性直流输电工程投入运行。

3柔性直流输电系统结构

VSC换流器+轻型电缆＝柔性直流输电。

换  流  器

       每个桥臂都由多个IGBT或GTO串联而成。

直流侧电容

       为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电 流、减小直流侧谐波。

换流电抗器

     VSC与交流侧能量交换的纽带同时也起到滤波的作用。

交流滤波器

      用于滤去交流侧谐波。

直流回路

      直流回路可以采用传统的架空线路，也可使用电缆。下述几个与柔性直流输电基本原理有关的因素会影响直流线路的选择。

由于柔性直流输电系统通常只存在一种直流电压极性，电缆不必依据电压极性反转进行设计。这就允许使用挤压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆。

直流电缆故障可认为是永久性故障，将影响或中断电力传输；

由于架空线总是暴露在雷击和污染环境中，易产生故障。大多数由此产生的输电中断都是暂时性的，一旦故障清除就可恢复输电，空气绝缘随之恢复。

在很多情况下电缆的成本低于架空线路，并且采用电缆更能满足环境的要求。若使用电缆则更能发挥效益。

4柔性直流输电的技术优势

(1)采用可控关断型电力电子器件和PWM技术, 可以实现有功功率和无功功率的独立控制。柔性直流输电换流器可以同时控制有功功率和无功功率，因此，能实现有功功率、无功功率的紧急支援（起STATCOM功能），也可以用来控制交流系统的电压或注入交流系统的无功（作为SVC运行）。

(2) 柔性直流输电系统能向无源网络系统供电。

(3) VSC换流器产生的低次谐波很少，使需配置的滤波装置容量大大减小，通常只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可，使得柔性直流换流站设计紧凑，占地面积小。适用于可用空间小的场合，如在城市中心或海上平台。

(4)在直流输电模式下运行时柔性直流直流电压极性不变，输送功率方向反转通过直流电流方向改变。由于直流电压的极性不变，与 LCC HVDC 相比，柔性直流多端系统更容易实现。在交直流线路并联运行的情况下，可通过迅速而准确的直流电流控制以维持交流线路的功率稳定。

(5)柔性直流输电系统可不依赖换流器之间的通信运行，也不需要外部的辅助设备；因此便于构成并联的多端直流输电系统。

(6)模块化设计使柔性直流输电系统的设计、生产、安装和调试周期大为缩短。

(7)不同于传统直流输电，交流系统的短路容量对柔性直流来说是无关紧要的。

(8) 柔性直流技术特别适合于小容量输电；从而使直流输电技术可应用于输配电整个领域。因此，柔性直流输电技术拓展了直流输电应用领域；柔性直流输电技术是直流输电技术发展与重大进步。

在一些应用中，有可能需要采用具有相同拓扑结构的几个换流器单元,这样更为有利。例如，采用单换流器单元产生额定功率、电压或电流在技术上不可行或经济上不是最佳的，几个换流器单元组合使用可实现更高的可用性并减少由于故障引起的停电次数。两个或多个换流器单元的组合可通过多种方式实现。换流器单元的直流端可并联或串联连接实现大电流、高电压输出。

(9)输电系统的技术设计寿命通常很长—30年或者更长。然而，从投资角度考虑，应按最优资本收益确定使用年限，这就是所谓的“最佳寿命”。最佳寿命总是等于或小于技术设计寿命。通常是出于资金、技术或环境优势考虑。柔性直流输电可作为 LCC HVDC、交流输电或本地发电的替代方案。当对不同方案进行比选时，各方案的寿命周期成本是很重要因素之一。

(10)背靠背接线方式是柔性直流输电的特殊应用，其直流输电距离是零。柔性直流输电系统的容量范围为几个MW到目前300MW，直流电压可以达到±320kV。

5与传统直流输电的比较

(1)柔性直流输电是基于模块化概念设计的。换流站具有几种标准的容量和尺寸。大部份设备是在工场安装的。因此交货时间一般小于12个月。占地较小。65MVA的换流站占地800m2；传统直流输电总是单独设计以满足特定的应用场合。

(2)柔性直流输电换流电路本身就是双极（伪）的，因此，直流电路是不接地的。必须使用两根电缆。

(3)与传统交流输电和就地发电相比，除了具有成本上的优势之外，柔性直流输电还能提高供电的电能质量。

柔性直流输电具有如下的显著特征

(1)柔性直流直流输电可自换相运行，因此，可用于无源系统或弱交流系统，如远距离风电场并网、石油和天然气平台以及偏远矿场供电等场合。

(2)正常运行时，柔性直流可控制交流系统的电压和频率。在交流系统发生故障时，柔性直流具有注入故障电流的能力以利于交流系统保护动作以清除故障。

(3)针对柔性直流输电系统，其直流回路和换流器单元存在多种可能的系统结构。每个换流站可由一种拓扑结构的单换流器单元组成，实现单极的输电方案。（主讲 湖北电力研究院 康健）

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