柔性直流输电系统简介与损耗分析

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1、柔性直流输电系统简介及损耗分析2012-8-29摘要随着可关断器件性能的改进以及容量的提升，基于电压源换流器(VSCVoltageSourceConverter)和脉宽调制(PWMPulseWidthModular)技术的新一代高压直流输电(VSC-HVDC)已经成为现实。VSC-HVDC是一种新的直流输电技术，它具备有功无功快速独立控制、可向远距离小功率无源网络供电、向系统发出无功功率、易于构成多端网络等特点，因此成为解决大容量可再生能源接入、弱交流系统互联、城市直流输配电网、偏远地区供电及提高配网电能质量等问题的重要手段。目前国外VSC-HVDC已经在海上风电场并网、非同

2、步电网互联交易等领域得到了成功应用，而在国内对VSC-HVDC系统数学模型和控制策略等方面也进行了大量的研究，并开始着手实际示范工程的建设。本报告先简要分析了VSC-HVDC的系统结构和基本工作原理，针对VSC-HVDC系统的技术特点，阐述了其主要的应用领域。然后重点进行了VSC-HVDC系统的损耗分析，包括系统损耗的主要构成及换流器的损耗计算方法，同时分析了PWM调制方式下的换流器损耗特性。1VSC-HVDC简介1.1系统结构和基本原理图1.1双端VSC-HVDC系统结构图双端VSC-HVDC输电系统的主电路结构如图1.1所示，两端换流器通过直流输电线路连接，一端运行于整流

3、状态，另一端运行于逆变状态，共同实现两端交流系统间有功功率的交换。其中的主要部件包括：交流侧换流变压器、交流滤波器、换流电抗器、全控换流器以及直流侧电容器。其中全控换流器的拓扑结构在目前实际应用中主要有两种：一种是传统的三相两电平或三电平的主电路结构，由于单个可关断器件的耐压较低，因此每一桥臂均由多个IGBT或GTO等全控器件串联组成，目前ABB公司采用此种方案；另外一种是基于模块化多电平的主电路拓补结构，其基本的电路单元也称为子模块由两个全控器件及相应的电容器组成，各相桥臂均是通过一定数量的具有相同结构的子模块和阀电抗器构成，通过变化子模块的数量即可改变换流器的输出功率电压

4、及功率等级，目前西门子公司采用此种方案。直流侧电容器为换流器提供电压支撑、并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流侧换流变压器将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，以减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。换流电抗器是VSC-HVDC功率传输的纽带，决定了输送功率的大小及功率控制的性能，兼抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压，同时能够抑制短路电流上升速度。交流侧滤波器的作用则是滤除交流侧谐波，由于VSC-HVDC采用了PWM技术，换流站输出电压中的低次谐波很少，

5、主要为开关频率的整数倍附近的高次谐波，因此滤波器的体积和容量均大大减小，一般情况下只需配置高通滤波器即可。VSC-HVDC系统根据主电路拓补结构及其全控器件的类型可以采用脉宽调制技术(PWM)或者脉冲幅值调制技术(PAM)。PWM技术多应用于基于IGBT阀的VSC-HVDC换流器控制，而PAM主要应用于GTO阀的换流器控制。由于目前VSC-HVDC换流阀主要采用IGBT作为开关器件，因此通常采用PWM技术。以正弦脉宽调制(SinePulseWidthModulation,SPWM)为例，其控制原理如图1.2所示。图中一相SPWM的调制参考波与三角载波进行数值比较，当参考波数值

6、大于三角载波时触发导通该相的上桥臂并关断该相的下桥臂，反之，当参考波数值小于三角载波时则触发关断该相的上桥臂并导通该相的下桥臂。在上下桥臂开关的交替导通和关断下，电压源换流器交流出口电压是幅值为正负的脉冲序列，为直流侧电压。该脉冲系列的基波分量与调制参考波相位一致，幅值为（，调制度，为正弦调制波幅值与三角载波幅值的比值）。因此，从调制参考波与电压源换流器交流出口电压基波分量的关系看，电压源换流器可以看成无相位偏移、增益为的线性放大器。由于调制参考波的幅值和相位可以通过PWM的调制度及移相角度来实现调节，因此电压源换流器交流输出电压的幅值和相位也可通过这两个变量进行调节。(a)

7、VSC单相SPWM控制原理图(b)VSC交流侧基波等效原理图图1.2正弦脉宽调制原理示意图如图1.2(b)所示，当忽略换流变压器和换流电抗器的电阻时，VSC-HVDC交流系统母线电压基波分量与电压源换流器交流出口电压基波分量共同作用于换流变和电抗器的等效电抗，类似于发电机电动势与出口电压之间的关系，可以推导出电压源换流器与交流系统之间交换的有功功率和无功功率分别式(1-1)和式(1-2)。(1-1)(1-2)由式(1-1)可知，VSC-HVDC有功功率的传送主要取决于相对于的相位角度。当小于零时，换流站