柔性直流输电系统应用与控制

第1章 绪论 1.1柔性直流输电系统概况 随着可再生能源的大量接入以及新技术的发展，电力系统正在经历由传统交流组网到交流 -直流-交直混合的变化 [1-5]。直流输电以其较高的供电质量和相较于交流输电技术的大容量供电能力，成为国内外研究的焦点[6-9]。 电力传输技术昀早从直流输电开始。早期的直流输电系统采用直流发电机进行发电，再通过直流线路将电力直接送往直流负荷，在整个电力传输过程中没有采用任何换流过程。然而，早期的直流输电系统存在发电机串联运行复杂、运行可靠性较低、发电机换相困难、输配电压升降难等问题，因此，早期的直流输电系统很难实现高压、大功率的电能输送。另外，随着交流发电、输电和变电技术的快速发展，交流输电系统在升降压变换、高压大功率电能输送等方面发展迅速，逐步取代直流构成了现代电力系统 [10]。然而，随着交流电网的发展，交流输电系统自身存在的稳定性问题和在远距离输电过程中传输功率受限等问题逐渐凸显，电力系统的进一步发展受到限制。人们再次将目光转向直流输电。 相对于传统交流输电，高压直流输电具有诸多优势，如潮流控制迅速、功率调节灵活、输电线路造价相对于交流更低且损耗小、适用于远距离大容量输电等。此外，高压直流输电没有同步发电机功角稳定性限制，因此电网互联不会加大短路容量。高压直流输电技术始于 20世纪 20年代，随着可控汞弧阀 (mercury arc valve)的研制成功， 1954年，世界上**个直流输电工程 —瑞典至 Gotland 岛海底直流输电工程正式投入商业运行，标志着世界上**代直流输电技术的诞生 [11]。但是，可控汞弧阀的制造工艺较为复杂，运行时存在逆弧故障率高的问题。此外，可控汞弧阀还存在运行维护困难、可靠性较低和造价昂贵等诸多缺点，采用可控汞弧阀技术的直流输电系统的发展受到了较大限制。20世纪 70年代初，可控晶闸管(thyristor)技术开始应用于直流输电系统。相对于可控汞弧阀技术，可控晶闸管技术的逆弧故障率显著降低。此外，可控晶闸管的制造工艺比可控汞弧阀更简单，其运行维护也比可控汞弧阀更加容易。鉴于可控晶闸管的诸多优点，从 1977年开始，全世界的新开工高压直流输电工程均采用晶闸管换流器作为换流元件。与此同时，已经投入运行的高压直流输电系统的可控汞弧阀换流器也逐步用晶闸管换流器替代。传统高压直流输电系统伴随着晶闸管技术的使用得到迅速发展[12，13]。但是采用可控晶闸管技术的传统直流输电系统也存在自身不可克服的缺点。首先，基于可控晶闸管技术的高压直流输电系统的运行易受到互联的两端交流电网的强度的影响。其次，基于可控晶闸管技术的高压直流输电系统在正常运行情况下需要吸收大量无功功率，且其有功功率和无功功率无法实现解耦控制。此外，基于可控晶闸管技术的传统直流输电系统还存在输出电压电流谐波含量较高的问题，因此并网时需要配置大量的交直流滤波设备，且容易产生换相失败等问题。 伴随着电力电子技术的发展，全控型半导体器件，如绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、集成门极换向晶闸管 (integrated gate-commutated thyristor，IGCT)、门极关断晶闸管(gate turn-off thyristor， GTO)以及以碳化硅 (silicon carbide，SiC)为代表的宽禁带器件的容量不断增大。以全控型半导体器件为基础的电压源换流器(voltage source converter， VSC)型柔性直流输电技术成为学术界及工业界研究和关注的焦点[14-17]。相比于传统高压直流输电，柔性直流输电可以实现有功无功独立解耦控制，且没有换相失败问题，其集输电容量大、可控性好、控制迅速、不增加系统短路电流、具备动态无功补偿、良好的可再生能源消纳能力、改善电能质量能力以及环境友好等优点于一身，是未来电力系统发展的重要方向[18-23]。 随着输电走廊等土地资源的日益紧张和可再生能源发电的飞速发展，柔性直流输电技术已经成为保障输电安全性与可靠性的昀优选择之一，并已在全球范围内应用到可再生能源发电并网、城市供电、交流系统的非同步互联与电力市场交易以及多端直流输电等领域。在环境污染日趋严重和化石能源严重紧缺的背景下，世界各国不断地加快风力发电、太阳能发电等可再生能源发电领域的科研与工程实践，其中大型海上风电场的开发利用已成为国际风能利用的主要趋势。由于海上风电场远离海岸，而海岸上的大陆电网一般为主网末端且较为薄弱，这对其相连电网的电压稳定性等产生了较大的影响，因此，海上风电场难以通过交流和传统的直流输电方式并网。柔性直流输电技术集输电容量大、可控性好、具备动态无功补偿和改善电能质量能力、环境友好等优点于一身，是目前世界上公认的、具有巨大优越性的风电并网方式。当大规模地开发海上风电时，基于柔性直流输电技术的多端直流 (VSC based multi-terminal high voltage direct current，VSC-MTDC)输电成为较为理想的选择，其相关研究和工程实践得到了广泛的关注。同时，随着柔性直流输电工程的增多，不同输电工程的换流站间可通过直流线路及直流变压器互联以增强直流输电系统的灵活性和可靠性，相当于形成一个节点数较多的多端柔性直流输电系统，昀终构建出真正的直流网络，实现电能的高效合理传输和分配。 1.2 基于 VSC的直流输电系统 柔性直流输电技术的发展始于 20世纪 90年代，截至目前可分为两个发展阶段：两电平、三电平换流器柔性直流输电系统和模块化多电平换流器 (modular multilevel converter，MMC)柔性直流输电系统。从 20世纪 90年代到 2009年，柔性直流输电技术为 ABB公司所垄断。 ABB公司采用两电平和三电平换流器技术，因此，在 20世纪末到 2009年所投运的柔性直流输电工程全部采用 ABB公司开发的换流设备，以两电平和三电平换流器为主 (表 1-1)[24，25]。 表1-1 20世纪末到 2009年部分已投运的柔性直流输电工程 注：Troll A、Estlink、Borwin 1三个工程目前文献无法提供无功，因此仅标注了有功。 两电平和三电平换流器在应用于高压直流输电时均存在如下三点技术困难[26-28]。 (1)两电平和三电平换流器存在桥臂开关器件均压困难问题。单一半导体开关器件耐压水平较低，通常仅为几千伏。在将两电平和三电平换流器技术应用在高压输电领域时，为了达到较高的电压等级，每个桥臂需要串联几百个开关器件。为了避免桥臂中的半导体器件电压分配不均问题，严格的均压控制必须配置在桥臂中，且对半导体器件的一致性提出了较高的要求[29]。 (2)两电平和三电平换流器一般都采用脉冲宽度调制 (pulse width modulation，PWM)策略，其正常开关频率可达到 1～2kHz。半导体开关器件的开关频率与开关损耗呈正相关关系，即开关频率越高，器件的开关损耗越大。因此，基于两电平换流器和基于三电平换流器的柔性直流输电系统均存在开关损耗大(两电平，开关损耗约为额定功率的 3%；三电平，开关损耗约为额定功率的 1.7%)和发热严重等问题。 (3)基于两电平和三电平换流器的柔性直流输电系统还存在输出电平数少、波形质量差、输出谐波含量较高等问题。上述缺点限制了电压源换流器在高电压大功率应用场景中的发展。 1.3 基于 MMC的直流输电系统 MMC的发展克服了传统两电平换流器和三电平换流器的均压难题。 MMC是 2001年德国慕尼黑联邦国防军大学 Rainer Marquardt教授提出的一种新型的电压源换流器拓扑结构。该拓扑换流器将若干个半桥型子模块级联并与桥臂电抗器组成单个桥臂，主电路中的每相都由上桥臂和下桥臂两个桥臂构成。相比于两电平和三电平换流器，MMC具有以下优点。 (1)制造难度下降。采用子模块级联的方式形成高电压，从而避免了半导体开关器件的直接连接，因此对开关器件参数的一致性要求不高，显著降低了开关器件制造的工艺要求。 (2)开关频率较低。尤其是采用昀近电平逼近调制 (nearest level modulation， NLM)方式时，开关频率可降低到 300Hz以下，从而减小了换流器的开关损耗，并降低了发热量。 (3)输出波形质量高。电压输出波形为阶梯波，当子模块数量较大时， MMC输出的电压波十分接近正弦波；此外，由于输出电压的谐波含量小，通常已能满足相关标准的要求，无须安装交流滤波器[30-32]。 (4)故障处理能力强。当换流器内部的子模块电容或开关器件发生故障时，可用冗余子模块替换故障子模块来消除故障，且替换过程可在不停运的情况下完成。此外 MMC的每个桥臂都有一个电抗器与子模块串联，当换流器发生短路故障时，桥臂电抗器可起到限制故障电流上升率的作用。 MMC的上述优点使其近年来引起了学术界和工业界的广泛关注，其应用范围涉及中压领域 (10～110kV)和高压领域 (110～500kV)的多种场景 [33-35]。自2010年以来，全球范围内新建的柔性直流输电工程大多采用 MMC(表 1-2)[29]。近十年来所建造的 VSC-HVDC工程大多采用该拓扑结构的换流器；此外MMC在静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)、储能系统(energy storage system，ESS)、中高压电机驱动等场景也具有广阔的应用前景。 表1-2 2010年以来已投运的部分柔性直流输电工程 1.4 直流输电网络发展概况 伴随着直流输电技术的发展，直流输电网络也得到了学术界和工业界的高度关注。直流输电网络的概念在直流输电技术早期发展阶段就已经提出了[8，9]。然而，采用可控汞弧阀或可控晶闸管的传统直流输电技术无法实现输送功率反向。因此，早期直流输电网络以两端直流输电为主，功率传输方向单一，一般应用于远距离大容量功率传输场景中。20世纪 80年代后，由于部分直流输电工程需要，基于传统直流输电技术构建的多端柔性直流工程逐渐出现。截至目前，全世界共有 4个基于传统直流输电技术构建的多端柔性直流输电工程(表 1-3)[36]。但由于潮流方向单一的限制，基于传统直流输电技术构建的多端柔性直流系统并未得到大范围推广。 表1-3 基于传统直流输电技术构建的多端柔性直流输电工程 在柔性直流输电技术被提出并成功应用于工程实践后，直流输电网络的应用场景和拓扑形式得到了进一步扩展。由于采用柔性直流输电系统可以实现有功功率和无功功率的独立控制，传统两端直流输电系统单一潮流方向问题被克服。基于电压源换流器技术的柔性直流输电系统可以构成两端直流系统、多端直流系统 (VSC-MTDC)，甚至是柔性直流电网 [37，38]。相比结构简单、运行方式相对固定的两端直流系统，基于电压源换流器技术的柔性直流输电系统或柔性直流电网在系统运行可靠性、调控的灵活性、应用场景的多元性等方面具有独*的技术优势。基于柔性直流输电技术的直流输电网络在分布式可再生能源发电并网、城市电网增容改造，以及大电网异步互联等领域均具