柔性直流输电的发展精选PPT.ppt
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1、关于柔性直流输电的发展第1页,讲稿共97张,创作于星期二2柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展1954年年,连接,连接Gotland与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流输电线路建成,标志着输电线路建成,标志着以电流源换流器为基础的直流输电(以电流源换流器为基础的直流输电(LCC-HVDC)进入了商业化时代进入了商业化时代。1990年年,加拿大,加拿大McGill大学的大学的Boon-Teck Ooi等等首次提出首次提出使用使用脉宽脉宽调制技术(调制技术(PWM)进行)进行控制的控制的电压源换流器电压源换流器直流输电直流输电(VSC-HVDC)的概念的概念。1
2、997年年,ABB公司在瑞典中部的公司在瑞典中部的Hallsjon和和Grangesberg之间建成首之间建成首条工业试验条工业试验VSC-HVDC工程工程。从此从此VSC-HVDC作为一种新兴的输电技术开始进入作为一种新兴的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段大发展的商业应用阶段。第2页,讲稿共97张,创作于星期二3柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展ABB公司称之为公司称之为轻型直流输电轻型直流输电(HVDCLight)并作为商标)并作为商标注册;注册;Siemens公司将其注册为公司将其注册为新型直流新型直流HVDCPLUS;国际上电力方面的权威学术组织国际上电力方面的权威学术组织CIG
3、RE和和IEEE将其正式称将其正式称为为VSC-HVDC,即,即“电压源换流器型高压直流输电电压源换流器型高压直流输电”。国内很多专家称之为国内很多专家称之为“柔性直流(柔性直流(HVDC-Flexible)”。不同的称谓不同的称谓第3页,讲稿共97张,创作于星期二4柔性直流输电的技术特点柔性直流输电的技术特点能对能对有功和无功进行独立控制有功和无功进行独立控制,能给,能给无源网络无源网络提供电源;提供电源;能为交流侧提供无功支持,起到能为交流侧提供无功支持,起到STATCOM的作用,对电压质量和的作用,对电压质量和电压问题提供支撑;电压问题提供支撑;换流站标准化、小型化,整体式的设计以及可以
4、进行出厂前的调试,换流站标准化、小型化,整体式的设计以及可以进行出厂前的调试,有利于缩短施工时间,并保证其可靠性;有利于缩短施工时间,并保证其可靠性;无需架设架空线无需架设架空线,并在噪音水平、谐波畸变、电话干扰和电磁,并在噪音水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面满足环境保护的要求。场等方面满足环境保护的要求。第4页,讲稿共97张,创作于星期二5向城市中心送电向城市中心送电连接分布电源连接分布电源非同步联网非同步联网提高配电网电能质量提高配电网电能质量促进电力市场发展促进电力市场发展 向远方孤立负荷点送电向远方孤立负荷点送电方便地调节有功和无功,改善系方便地调节有功和无功,改善系统的运行性能
5、统的运行性能风电场、小型水电厂、太阳能电站风电场、小型水电厂、太阳能电站及其它新能源发电系统及其它新能源发电系统用电量急增,线路走廊困难用电量急增,线路走廊困难构建地区电力供应商交换电力的可行性平台,构建地区电力供应商交换电力的可行性平台,增加运行灵活性和可靠性增加运行灵活性和可靠性快速控制有功无功,使电压、电流满足电能质量标准要求快速控制有功无功,使电压、电流满足电能质量标准要求 如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等 柔性直流输电的应用场合柔性直流输电的应用场合MTDC第5页,讲稿共97张,创作于星期二6投运投运年年输送功输送功率率/MW直流电直流
6、电压压/kV两侧交两侧交流电压流电压直流电直流电流流/A线路长线路长度度/km用途用途Hellsjon199731010/1015010工业试验工业试验Gotland1999548080/80350270风力发电,地下风力发电,地下电缆电缆Directlink200018080132/110342659电力交易,系统电力交易,系统互联,地下电缆互联,地下电缆Tjaerebog20007.2910.5/10.535824.3风力发电,示范风力发电,示范工程工程EaglePass20003615.9 132/13211000(B-B)电力交易,系统电力交易,系统互联,电压控制互联,电压控制Cros
7、sSoundCahle2001330150345/1381175240电力交易,系统电力交易,系统互联,海底电缆互联,海底电缆MurrayLink 2002200150132/22014002180电力交易,系统电力交易,系统互联,地下电缆互联,地下电缆世界上已投运的柔性直流输电工程世界上已投运的柔性直流输电工程第6页,讲稿共97张,创作于星期二7工程工程投运年投运年输送功输送功率率/MW直流电直流电压压/kV两侧交两侧交流电压流电压直流电直流电流流/A电缆长电缆长度度/km用途用途TrollA20052426056/132400470绿色环保,绿色环保,海底电缆海底电缆Estlink2006
8、350150400/330 1230272电力交易,电力交易,系统互联,系统互联,地下电缆地下电缆Valhall201078150300/11-292绿色环保,绿色环保,海底电缆海底电缆世界上已投运的柔性直流输电工程世界上已投运的柔性直流输电工程第7页,讲稿共97张,创作于星期二8工程工程投运年投运年输输送功送功率率/MW直流直流电电压压/kV两两侧侧交交流流电压电压直流直流电电流流/A电缆电缆长长度度/km用途用途NordE.ON12009400150170/380-203风电风电并网并网CapriviLink2009300350400/330-970弱弱电电网互网互联联TransBayCa
9、ble2010400200400-88大城市供大城市供电电南南汇汇工程工程201118303530010风电风电并网并网世界上已投运的柔性直流输电工程世界上已投运的柔性直流输电工程第8页,讲稿共97张,创作于星期二9工程工程投运年投运年输输送送功率功率/MW直流直流电压电压/kV两两侧侧交交流流电压电压直流直流电电流流/A电缆长电缆长度度/km用途用途EastWestInterconnector,UK2012500200-1250-电电网互网互联联,黑,黑启启动动DolWin1DolWin12013800320150/380125075,90风电风电并并网网SkagerrakHVDCInter
10、connections(Pole4)20147005004001400140,104电电网互网互联联世界上在建的部分柔性直流输电工程世界上在建的部分柔性直流输电工程第9页,讲稿共97张,创作于星期二10工程工程投运年投运年输输送功送功率率/MW直流直流电压电压/kV两两侧侧交交流流电压电压直流直流电电流流/A电缆长电缆长度度/km用途用途INELFE(法(法-西)西)201321000320400/400156060电网互电网互联联HelWin1(德国德国)2013576250150/380115085,45风电风电并并网网BorWin2(德国德国)2013800300155/40013301
11、40,104风电风电并并网网世界上在建的部分柔性直流输电工程世界上在建的部分柔性直流输电工程第10页,讲稿共97张,创作于星期二11从世界上第一个试验性的工程从世界上第一个试验性的工程赫尔斯扬赫尔斯扬(Hellsjion)工程至今,)工程至今,VSC-HVDC最大输电容量由最大输电容量由3MW发展到发展到21000MW,直流电压由,直流电压由10kV提升到提升到500kV。随着直流电缆制造水平和半导体器件制造工艺的快速提升,随着直流电缆制造水平和半导体器件制造工艺的快速提升,高电压大容量的柔性直流输电系统将具备应用于大规模输电高电压大容量的柔性直流输电系统将具备应用于大规模输电网的能力。网的能
12、力。柔性直流输电的发展趋势柔性直流输电的发展趋势第11页,讲稿共97张,创作于星期二12内内 容容 提提 要要1柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展2柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程5柔性直流输电柔性直流输电RTDS仿真建模仿真建模6我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状第12页,讲稿共97张,创作于星期二13传统直流输电系统(传统直流输电系统(LCC-HVDC)的拓扑)的拓扑柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较第13页,讲稿共97张,创作于星期二14柔性直
13、流输电系统(柔性直流输电系统(VSC-HVDC)的拓扑(二)的拓扑(二电平为例)电平为例)柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较第14页,讲稿共97张,创作于星期二15电流源换流器电流源换流器 电压源换流器电压源换流器柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较晶闸管(晶闸管(Thyristor)绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第15页,讲稿共97张,创作于星期二16电流源和电压源换流器的比较电流源和电压源换流器的比较电流源换流器电流源换流器电压源换流器电压源换流器电抗器电抗器L作为直流侧的储能元作为直流侧的储能元件,电容器件,电容器C作为交流侧的储作为交流侧的储
14、能元件能元件电容器电容器C作为直流侧的储能元作为直流侧的储能元件,电抗器件,电抗器L作为交流侧的储作为交流侧的储能元件能元件直流电流是单向的,直流电压直流电流是单向的,直流电压极性随直流潮流而变化极性随直流潮流而变化直流电压是单向的,直流电流直流电压是单向的,直流电流极性随直流潮流而变化极性随直流潮流而变化控制快速准确控制快速准确控制较慢控制较慢损耗较小损耗较小损耗较大损耗较大容量大容量大容量相对小容量相对小故障承受能力和可靠性较高故障承受能力和可靠性较高故障承受能力和可靠性较低故障承受能力和可靠性较低柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较第16页,讲稿共97张,创作于星期二17HV
15、DCVSC-HVDC交流侧提供换相电流,交流侧提供换相电流,受端受端为有源网络为有源网络,且容量足够大,且容量足够大,否则易发生换相失败否则易发生换相失败电流自关断,可向电流自关断,可向无源网络无源网络供电供电吸收大量的无功功率,约为吸收大量的无功功率,约为输送直流功率的输送直流功率的4060,需要大量的无功功率补偿和需要大量的无功功率补偿和滤波设备滤波设备 不需要交流侧提供无功功率且能不需要交流侧提供无功功率且能起到起到STATCOM的作用,即动态的作用,即动态补偿交流母线的无功功率,稳定补偿交流母线的无功功率,稳定交流母线电压。交流母线电压。若若VSC容量允许,容量允许,VSC-HVDC系
16、统可向故障系统提系统可向故障系统提供有功功率和无功功率的紧急支供有功功率和无功功率的紧急支援,提高系统功角电压的稳定性援,提高系统功角电压的稳定性。柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较第17页,讲稿共97张,创作于星期二18柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较HVDCVSC-HVDC潮流翻转时,直流电流方向不潮流翻转时,直流电流方向不变而直流电压极性发生翻转,变而直流电压极性发生翻转,不利于构建多端直流输电系统不利于构建多端直流输电系统潮流翻转时直流电流反向,而潮流翻转时直流电流反向,而直流电压极性不变,直流电压极性不变,有利于构有利于构成并联多端直流系统成并联多端直流
17、系统换流器对于交流系统来说,除换流器对于交流系统来说,除了是一个负荷(在整流站)和了是一个负荷(在整流站)和一个电源(在逆变站)以外,一个电源(在逆变站)以外,还是一个谐波电流源还是一个谐波电流源采用采用SPWM技术,开关频率较技术,开关频率较高,经低通滤波后就可得到所高,经低通滤波后就可得到所需的交流电压,可不用换流变需的交流电压,可不用换流变压器,所需滤波装置的容量也压器,所需滤波装置的容量也大大减小大大减小控制量只有触发角,控制量只有触发角,2个象限运个象限运行,不可单独控制有功功率或行,不可单独控制有功功率或无功功率无功功率可在可在4个象限运行,同时且独立个象限运行,同时且独立控制有功
18、和无功功率控制有功和无功功率换流站间需要通讯换流站间需要通讯换流站间的通讯不是必需的换流站间的通讯不是必需的第18页,讲稿共97张,创作于星期二19此此外外,由由于于VSC交交流流侧侧电电流流可可以以控控制制,同同HVDC,不不会会增增加加系系统统的的短短路路容容量量,也也即即增增加加柔柔性性直直流流输输电电线线路路后后,交交流流系系统统的的保保护护整整定定无无需改变。需改变。VSC-HVDC能能够够提提高高系系统统阻阻尼尼,通通常常情情况况下下不不会会引引起起发发电电机机组组的的次次同步振荡,而且会同步振荡,而且会提高发电机组的次同步阻尼提高发电机组的次同步阻尼。VSC-HVDC换换流流站站
19、设设备备小小型型化化和和标标准准模模块块化化模模块块化化设设计计,占占地地面面积积小小,设计、生产、安装和调试设计、生产、安装和调试周期大大缩短周期大大缩短,并具有,并具有更高的可靠性更高的可靠性。柔性直流与传统直流的比较柔性直流与传统直流的比较第19页,讲稿共97张,创作于星期二20 电压源换流器有多种拓扑结构,但换流器基本运行原理大致相同,假设交流系统电压Us相位是s,换流器出口电压Uc相位滞后Us角度为,双极直流母线电压差为Ud,则 其中,为直流电压利用率,当VSC采用SPWM调制时,=0.816;M为调制比,定义为VSC输出相电压峰值与单极直流电压的比值。可见,对于交流系统而言,VSC
20、可等效于一个端电压幅值、相角均可控,无旋转惯量的同步发电机。柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理第20页,讲稿共97张,创作于星期二21 柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理由上图可得,从交流系统看进去的有功和无功功率为:换流站输出电压增益K定义为VSC输出电压与交流系统电压的比值;之前调制比M定义为VSC输出电压与直流电压的比值。二者定义不同,但均可以反应VSC输出电压幅值的变化。第21页,讲稿共97张,创作于星期二22保持恒定而改变K时,得到一系列的直线,如边界值 min和 max;保持K恒定而改变时,能得到一系列曲线,如Kmin=1-x,Ki=1.0,Kmax=1+x等;当使换流
21、站传输能力恒定将得到|P+Q|=1的圆;VSC的PQ图柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理第22页,讲稿共97张,创作于星期二23通过以上分析可知,改变VSC输出电压的幅值和相位可以使其连续运行在功率圆内的任意一点。因此,它能完全独立解耦地控制有功功率和无功功率的交换。若不需要传输有功功率,换流站可以作为STATCOM运行,为交流系统提供容性或感性无功支持,这与传统HVDC需要消耗大量无功功率是有本质区别的。柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理第23页,讲稿共97张,创作于星期二24内内 容容 提提 要要1柔性直流输电的发展柔性直流输电的发展2柔性直流输电运行原理柔性直流输电运行原理3
22、柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略4柔性直流输电典型工程柔性直流输电典型工程5柔性直流输电柔性直流输电RTDS仿真建模仿真建模6我国柔性直流输电发展现状我国柔性直流输电发展现状第24页,讲稿共97张,创作于星期二25柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略拓扑结构拓扑结构1两电平结构两电平结构现在世界范围内已投运的柔性直流输电大多为两电平结构第25页,讲稿共97张,创作于星期二26三电平结构也有工程投运,比两电平结构开关频率低,损耗小。拓扑结构拓扑结构2三电平结构三电平结构柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略第2
23、6页,讲稿共97张,创作于星期二27模块化多电平换流器(MMC)由西门子公司首先实施拓扑结构拓扑结构3多电平结构多电平结构1(半桥)(半桥)柔性直流输电换流器拓扑及调制策略柔性直流输电换流器拓扑及调制策略第27页,讲稿共97张,创作于星期二28正常工作状态下,子模块(SM)可以输出0或电容电压MMC的子模块工作状态的子模块工作状态第28页,讲稿共97张,创作于星期二29MMC各相任意时刻导通子模块数相同,以维持直流电压恒定。MMC的多电平波形生成机制的多电平波形生成机制第29页,讲稿共97张,创作于星期二30MMC与与2、3电平电平VSC对比对比投资成本较低投资成本较低投资成本较低投资成本较低
24、模块化设计模块化设计模块化设计模块化设计输出滤波器容量小输出滤波器容量小输出滤波器容量小输出滤波器容量小开关频率低损耗小开关频率低损耗小开关频率低损耗小开关频率低损耗小电压谐波畸变率小电压谐波畸变率小MMC输出的多电平波形输出的多电平波形两、三电平两、三电平VSC输出波形输出波形MMC的技术优势:的技术优势:MMC第30页,讲稿共97张,创作于星期二31适合于适合于MMC的调制策略的调制策略MMC调制策略的本质是使调制策略的本质是使MMC输出所期望的多电平波形,工程中输出所期望的多电平波形,工程中主要采用主要采用载波移相正弦脉宽调制(载波移相正弦脉宽调制(CPS-SPWM)和和最近电平逼近调制
25、最近电平逼近调制(NLM),其中,其中CPS-SPWM适用于电平数较低的场合,适用于电平数较低的场合,NLM适用于具有适用于具有极高电平数的场合。极高电平数的场合。CPS-SPWM调制示意图第31页,讲稿共97张,创作于星期二32适合于适合于MMC的调制策略的调制策略NLM调制示意图已已建建成成的的美美国国TBC工工程程以以及及上上海海南南汇汇风风电电场场都都采采用用NLM结合电容电压排序均压方法。结合电容电压排序均压方法。第32页,讲稿共97张,创作于星期二33ABB公司提出的级联两电平(Cascaded Two Level,CTL)结构拓扑结构拓扑结构4多电平结构多电平结构2(CTL)柔性
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