1.1 高壓直流輸電的課題背景

隨著經濟和電力技術的發展，現代電力系統已經發展的非常龐大和複雜。電力系統的不斷髮展對電能的靈活調節不停提出新的更高要求，與此同時高效能的調節手段又給電力系統中電能的生產、輸送和應用帶來了十分積極的變化。高壓直流輸電技術就是產生於這種背景之下。

高壓直流輸電相對於交流輸電具有輸送容量大、成本低、損耗小、輸送距離遠等優點。而且，高壓直流輸電沒有高壓交流輸電的穩定性問題，更有利於大容量遠距離輸電。而且因為高壓直流輸電的經濟性，適合兩個不同頻率的系統互聯，能夠遠距離大功率送電等優點。這些都使高壓直流輸電技術在未來的輸電系統中佔據一席之地。對於新常態下的中國來說，高壓直流輸電在我國西電東送以及全國電力系統聯網中起到十分重要的作用。

所以，研究高壓直流輸電系統的結構、原理和控制方法，進行高壓直流輸電系統的建模與模擬，對系統的穩態和動態特性進行分析就顯得十分重要。

1.2 本課題研究的主要內容及選題意義

本課題主要研究VSC-HVDC系統的結構、原理以及控制方法。廣泛應用的電流源型換流器（CSC)型HVDC系統採用的是閘流體閥和直流平波電抗器，這種系統存在固有的缺點。電壓源換流器（VSC)型HVDC系統相對於廣泛應用的電流源換流器（CSC)型HVDC系統，它具有以下特點：

（1）由於開關頻率高，低次諧波大大減小，因而所需要的濾波器的容量相對較小。

（2）能夠實現對有功功率和無功功率進行獨立的控制。

（3）由於採用PWM控制，開關頻率高，因而響應速度快。VSC-HVDC系統是20世紀90年代中期才開始出現的技術，研究它有助於我國電力事業發發展。

1.3 高壓直流輸電系統的結構

HVDC系統的總體結構如下圖所示，其基本元件將在下面描述。

圖1.1 高壓直流輸電系統結構圖

（1）換流器

　　它們完成交-直流和直-交流的轉換，由閥橋和有抽頭切換器的變壓器構成。閥橋包含6脈波或12脈波安排的高壓閥。換流變壓器向閥橋提供適當等級不接地三相電壓源。因為變壓器閥側不接地，直流系統可以建立自己的對地參考點，一般情況下將換流閥的正端或負端接地。

（2）平波電抗器

平波電抗器是指在直流回路中與換流器串接的電抗器。平波電抗器的設定和接線方式有多種。平波電抗器的主要功能包括：1）因為整流電路的脈波數總是優先的，在整流後輸出的直流電壓波形中一定存在脈動成分，需要由平波電抗器平抑直流電壓中的諧波分量，從而減少對鄰近高頻通道的干擾，改善電磁環境。2）當直流電流很小的時候，能夠保證電流不間斷，防止直流低負荷的時候直流電流間斷引起過電壓現象的出現。3）當直流線路短路或者逆變器發生換相失敗的時候，抑制故障電流上升率，降低故障電流幅值，減少連續換相失敗引起的一極停運的機率。4）抑制線路電容和換流站直流端容性裝置通過換流閥的放電電流，防止有直流線路或者直流開關站所產生的陡坡衝擊進閥廳，使換流閥免於遭受過電壓應力而損壞。5）調整直流側電路串聯諧振頻率，使之避開基波和二次諧波頻率。

（3) 諧波濾波器

換流器在交流和直流兩側均產生諧波電壓和諧波電流。這些諧波可能導致電容器和附近的電機過熱，並干擾遠動通訊系統。因此在交流側和直流側都裝有濾波裝置。

(4) 無功功率補償

直流換流器內部要吸收無功功率。在穩態條件下，所消耗的無功功率是傳輸功率的50%左右。在暫態情況下，無功功率的消耗更大。因此，必須在換流器附近提供無功電源。對於強交流系統，通常採用並聯電容補償的形式。按照直流聯絡線和交流系統的要求，部分無功電源可以使用同步調相機或者靜止無功補償器（SVC)。作為交流濾波的電容也能夠提供部分無功功率。

（5） 電極

　　目前來說，大多數的直流聯絡線設計採用大地作為中性導線，與大地相連線的導體需要有較大的表面積，以便是電流密度和表面電壓梯度最小，這個導體被稱為電極。所以，如果一定要限制流經大地的電流，可以使用金屬性迴路的導體作為直流線路的一部分。

（6） 直流輸電線

它們可以是架空線，也可以是電纜。直流線路與交流線路十分相似，除了導體數和間距的要求有差異外。

（7） 交流斷路器

　　為了排除變壓器故障和使直流聯絡線停運，在交流側裝有斷路器。它們不是用來排除直流故障的，因為直流故障可以通過換流器的控制更快的清除。

1.4 高壓直流輸電執行特性

高壓直流輸電系統具有下列執行特性：

（1）功率傳輸特性

因為輸送容量的不斷增長，穩定問題就成為了交流輸電的制約因素。為了解決穩定問題，一般採用串補、靜補、調相機、開關站等措施，有時還必須提高輸出電壓。但是這些措施增加了很多電氣裝置，代價是十分昂貴的。直流輸電就沒有相位和攻角，因此就不存在穩定問題。只需網損、電壓降等技術指標符合要求，就能夠達到傳輸目的，不需要考慮穩定問題，這不僅直流輸電的一個重要特點，也是它的一大優勢。

（2）線路故障時的自我保護能力

交流線路單相接地後，它的消除過程一般需要0.4s~0.8s，再加上重新合閘的時間，0.6s~1s恢復。直流線路單極接地後，整流、逆變兩側閘流體馬上閉鎖，電壓下降到零，迫使直流電流也降到零，故障電弧熄滅不存在電流沒有辦法過零的困難，直流線路單極故障恢復的時間一般為0.2s~0.35s。從自我恢復能力來看，交流線路採用單相重合閘，要滿足單相瞬時未定才能夠恢復供電，直流就不存在這種限制條件。如果線路上發生的故障在重合（直流為再次啟動)中重燃，交流線路就會三相跳閘。直流線路就可以通過降壓方式來進行第二、第三次再啟動，消除線路故障、恢復正常執行。當發生單片絕緣子損壞的情況時，交流必須要三相切除，直流側可以降壓執行，並且大部分能取得成功。所以，對於佔到線路故障80%~90%的單相或者單極瞬時接地來說，直流線路具有響應快、不受穩定製約、恢復時間短、可以通過多次再啟動和降壓執行來消除故障恢復正常執行等很多優點。

（3）過負荷能力

通常情況下交流輸電線路具有較高的持續執行的能力，因為發熱條件限制的執行最大連續的電流比正常輸送的功率大很多，它的最大輸送容量往往受穩定極限控制。直流線路也具有一定的過負荷能力，受到制約的通常是換流站。一般分2h過負荷能力、10s過負荷能力跟固有過負荷能力等。前兩者葛上的直流工程分別為10%和25%，後者因環境溫度不同而不同。總而言之，就過負荷能力來說，交流具有更大的靈活性。直流線路如果需要更大的過負荷能力，就一定要在裝置選型時預先考慮。

（4）利用直流輸電的調節作用能夠提高交流系統的穩定性

因為直流輸電系統具有快速響應的特點，所以當交流系統發生了故障的時候，利用直流輸電的調節作用能夠十分有效地提高交流系統的穩定性。美國著名的BPA500kV交直流並列執行線路中，Ⅱ回長1521km交流線路總共輸送了2860MW，平均Ⅰ回輸送點1430MW，直流系統的調節作用是重要措施之一。

（5）潮流和功率控制

交流輸電取決於網路的引數、發電機和負荷的執行的方式，值班的人員要進行一定的排程，但是控制又不夠精準，直流輸電就可以全部自動控制。

（6) 短路容量

當兩個系統用交流互聯是，將增加兩側系統的短路容量，有時候會造成部分原有的斷路器不能夠滿足遮斷容量的要求而需要進行更換裝置。但是，直流互聯時，無論在哪裡發生了故障，在直流線路上增加的電流都不是很大，所以不增加交流系統的短路容量。

（7）排程管理

因為通過直流線路互聯的兩端交流系統可以擁有各不相同的頻率，輸送的功率亦可保持恆定。對送端來說，整流站就相當於交流系統的一個負荷。對於受端而言，逆變站就類似於交流系統的一個電源。互相之間的干擾和影響都不大，執行和管理簡單方便，受到了電力管理和執行部門的歡迎。對我國目前發展的跨區域互聯、合同售電、合資發電等形成的聯合電力系統非常合適。

（8）線路走廊

按照相同電壓500kV考慮，一條500kV直流輸電線路走廊的長度大約為40m，一條500kV交流線路走廊的長度約為50m，但是一條相同電壓的直流線路的輸送容量大約是交流線路的兩倍，它的傳輸效率大約是交流線路的兩倍可能更多一點。

1.5 高壓直流輸電的歷史及國內外現狀

　　直流輸電的發展與換流技術有著密不可分的關係，特別是與高電壓、大功率換流裝置的發展。

　　第一階段：汞弧閥換流時期

　　1901年發明的汞弧整流管只能用於整流。1928年具有柵極控制能力的汞弧閥研製成功，它不僅可以用於整流，而且也解決了逆變問題。由此大功率汞弧閥使直流輸電成為現實。由於汞弧閥製造技術複雜、可靠性較差、價格昴貴、執行維護不便、逆弧故障率高等各方面因素，使得直流輸電的應用和發展受到了限制。

　　第二階段：閘流體閥換流時期

上世紀70年代以後，隨著電力電子技術和微電子技術的迅猛發展，高壓大功率閘流體的出現，閘流體換流閥和計算機控制技術在直流輸電工程中的應用，有效地改善了直流輸電的可靠性和執行效能，促進了直流輸電技術的發展。

　　第三階段：新型半導體換流裝置的應用

　　20世紀90年代以後，IGBT得到廣泛應用，1997年世界上 第一個採用IGBT組成電壓源換流器的直流輸電工程在 瑞典投入執行。目前，世界上最大的IGBT輕型HVDC是北歐地區的Estlink海底電纜工程，執行電壓±150kV，傳輸容量350MW ，電纜全長105km。

　　我國直流輸電的發展

　　1989年，我國自行研製的舟山直流輸電工程(士l00kV，100MW，54km)投入執行；葛洲壩—上海(葛上線)是我國的第一個高壓直流輸電工程（±500kV，1200MW， 1064km） 1990年投運。90年代下葉，開始建設三峽—常州直流工程、三廣直流工程和貴廣直流工程。向家壩-上海±800千伏特高壓直流輸電示範工程起於四川復龍換流站，止於上海奉賢換流站。額定輸送功率640萬千瓦，最大輸送功率700萬千瓦；直流輸電線路途經八省市，全長約2000公里。

近期即將開工的直流輸電工程：

（1） 呼盟－遼寧直流工程，此工程計劃近期開工。這是我國第八個長距離、大容量高壓直流輸電工程。額定直流電壓為500kV、額定直流電流3kA、額定輸送直流功率3000MW。直流線路西起內蒙呼盟、東至遼寧瀋陽，全長約908km。通過此工程，內蒙地區的富裕能源將源源不斷地送往東北工業基地。

（2） 寧東－山東直流工程，這將是是我國第九個長距離、大容量高壓直流輸電工程。也是第九個西電東送的高壓直流輸電工程。此工程額定直流電壓為500kV、額定直流電流3kA、額定輸送直流功率3000MW。直流線路西起寧夏銀川、東至山東濰坊，全長約1043km。目前正處於規範書編制階段。通過此工程，西北地區的富裕能源將源源不斷地送往東部工業基地。

第2章 VSC-HVDC系統的基本結構和工作原理

2.1 VSC-HVDC系統的基本結構

VSC-HVDC系統的基本結構如下路所示，其基本元件將在下面介紹。

圖2.1 VSC-HVDC系統結構圖

VSC-HVDC系統的主要裝置有6脈動換流橋、直流電容器、交流側濾波器以及換流器的控制保護設施等。換流閥由IGBT元件串聯組成，每一個元件都有一個反並聯二極體。為了讓串聯元件在導通和關斷的時候能夠得到均勻的動態電壓分佈，配有專門的觸發設施，每個元件上海並聯有均壓回路。低電位的控制系統產生控制訊號，通過光電轉換，使用光導纖維傳輸到高電位的IBGT上去，完成對換流閥的控制。換流閥使用去離子水進行冷卻。直流電容器提供了一個低電感路徑給關斷電路，與此同時為潮流控制儲存了能量，亦可減少直流側的諧波。換流電感器兩端的電壓大小確定換流器轉換的功率大小，通過改變換流橋交流側輸出電壓的相位幅值，可以對有功和無功進行控制。換流站還可以省去換流變壓器很直流濾波器，在交流側只需要安裝小容量的高通濾波器就可以滿足濾波的要求。

2.2 VSC-HVDC系統的基本原理

VSC-HVDC系統的原理圖如下圖所示:

圖2.2 柔性直流輸電單線原理圖

(1)直流側並聯大電容，起到為逆變器提供電壓支撐、減小直流側諧波、緩衝橋臂關斷時衝擊電流的作用

(2)換流電抗器是VSC與交流側能量交換的紐帶同時也有濾波的作用

(3)交流濾波器的作用是濾去交流側諧波

(4)換流器中IGBT上並聯反向二極體，第一個作用是作為主迴路，第二個作用就是保護和續流。

設換流電抗器是無損耗的，忽略諧波分量的時候，換流器和交流電網之間傳輸的有功功率P及無功功率Q分別為:

式中，為換流器輸出電壓的基波分量；為交流母線電壓基波分量；為和之間的相角差；為換流電抗器的電抗。

有功功率的傳輸主要取決於，無功功率的傳輸主要取決於

換流器通常採用脈寬調製（PWM）控制技術。

由換流器輸出的PWM電壓脈衝寬度控制，就是PWM的調製波相角。

有功功率的傳輸主要取決於，通過對的控制就可以控制直流電流的方向及輸送功率的大小。

無功功率的傳輸主要取決於m，通過控制m就可以控制VSC發出或吸收無功功率及其大小。

尤其當＝0時VSC只發出無功功率，當時VSC以單位功率因數執行。

2.3 VSC-HVDC系統的控制

VSC-HVDC系統換流器的基本控制方式

（1）定直流電壓控制方式，用以控制直流母線電壓和輸送到交流側的無功功率；

（2）定直流功率（電流）控制方式，用來控制直流功率（電流）和輸送到交流側無功功率；

（3）定交流電壓控制方式，只控制交流側母線電壓，適用於向無源網路供電；

（4）變頻率控制方式，用來控制交流側頻率，適用於與風力發電廠連線或黑啟動。

通常對於一個兩端VSC–HVDC系統，必須有一端採用定直流電壓控制方式。

3.1 VSC-HVDC系統的穩態情況模擬

利用Matlab軟體在Simulink環境下進行模擬。模型引數如下：交流系統引數為230kV，2000MVA，50Hz；整流器逆變器全部都使用IGBT的三電平NPC電壓源換流器，電壓源換流器引數為200MVA，+/-100kVDC；調製方式是正弦脈寬調製SPWM，載波頻率是基波頻率的27倍，1350Hz；直流線路長度是75km，如下圖所示。

圖3.1 VSC-HVDC系統模擬模型

在穩態情況下，也就是沒有任何擾動的情況下，電壓源換流器交流側的電壓電流都應該是標準的正弦曲線，同時直流側電壓應該類似呈一條直線。各波形圖如下。

圖3.2 VSC1 交流側電壓電流

圖3.3 直流側電壓

圖3.4 VSC2的交流電壓電流

3.2VSC-HVDC系統的三相接地故障情況模擬

在t=1.5秒的時候，交流系統1發生了-0.1p.u.的階躍變化。在t=2.1秒的時後，換流站2的地方發生了三相接地故障。換流站2直流側功率及電壓變化和換流站1的有功無功變化如下圖所示。

圖3.5 有功無功功率變化

圖3.6 直流側電壓以及直流線路有功傳輸變化

圖形顯示在t=1.5秒發生階躍變化的時候，換流站1的有功和無功分別同時發生了大致為0.09p.u.和0.2p.u.的下降，但是在小於0.3秒的時間內恢復到了穩態。在t=2.1秒的時候換流站2發生三相接地故障的時後，直流功率直接中斷了，直流電壓也增加到1.2p.u.，最後在0.5秒以內系統又恢復正常。

3.3 VSC-HVDC系統的有功、無功跟直流電壓的階躍響應的情況模擬

圖3.7 有功無功功率變化

圖3.8 直流側電壓

系統先進入穩態。之後整流器的有功功率以及無功功率和逆變器的直流電壓相繼發生了階躍變化。在t=1.5秒的時後，第一個階躍變化是有功功率從1p.u.降到了0.9p.u.；功率在約0.3秒的時間內保持穩定。在t=2.0秒的時候，整流器的無功功率從0變為-0.1p.u.；在t=2.5秒的時候，逆變器的直流電壓由1p.u.下降到0.95p.u.。總模擬時間為3秒。

3.4 VSC-HVDC系統的模擬結果分析

分析以上模擬結果，有下面三個結論：

（1）所使用的換流器雙閉環解耦控制方法不僅結構簡單而且具有非常優異的效能，通過控制內環指令電流，能夠實現有功、無功功率的解耦，能夠非常方便的實現對VSC-HVDC系統的控制。

1. 建立的三種控制器模型分別滿足了VSC-HVDC系統對不同控制方式的要求；而且模擬結果也表明了：這種控制方法在不同的VSC-HVDC系統中都可以迅速地控制系統的潮流與穩定，並且暫態過程中系統的振盪小，就算是有如三相接地之類的嚴重故障，系統還是可以十分迅速的恢復正常。
2. 模擬也從理論上驗證了VSC-HVDC系統擁有的傳統HVDC乜有的優點：比如：可以獨立地控制有功與無功功率，穩定交流母線電壓等。