智能輸電技術(shù)(2)(3)柔性交流輸電系統(tǒng)的基本概念

第四章智能輸電網(wǎng)技術(shù)

4.2柔性交流輸電技術(shù)

4.3柔性直流輸電技術(shù)柔性交流輸電的功能和定義柔性交流輸電設(shè)備的分類與簡(jiǎn)介柔性交流輸電系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用柔性交流輸電系統(tǒng)

FACTS

建立在電力電子或其它靜止型控制器基礎(chǔ)之上的、能提高可控性和增大電力傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。定義1986年，美國電力系統(tǒng)專家N.G.Hingorani博士提出一、FACTS設(shè)備的定義FlexibleAlternativeCurrentTransmissionSystems

IEEEPESTaskForceoftheFACTSWorkingGroup1FACTS的功能和定義FACTS代表一種靈活性更好的交流輸電系統(tǒng)，有別于以往的交流輸電系統(tǒng)；FACTS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是電力電子器件與其它(如電容器、電抗器之類)無源元件的組合；FACTS的目的是要提高輸電系統(tǒng)的可控性、保證電能質(zhì)量，并能增強(qiáng)系統(tǒng)傳輸能力。

一、FACTS設(shè)備的定義

輸電網(wǎng)：潮流控制—較大范圍地控制潮流使之按指定路徑流動(dòng)。提高傳輸容量—保證輸電線的負(fù)荷可以接近熱穩(wěn)定極限，但不會(huì)出現(xiàn)過負(fù)荷；在控制的區(qū)域內(nèi)可以傳輸?shù)玫礁嗟墓β?，因而能減少發(fā)電機(jī)的熱備用。故障限制—在系統(tǒng)短路和設(shè)備故障情況下，能夠防止出現(xiàn)線路連鎖跳閘的“骨牌效應(yīng)”

。阻尼振蕩—阻尼可能會(huì)損壞設(shè)備或限制輸電容量的各種電力系統(tǒng)振蕩

二、FACTS設(shè)備的功能U2∠d2U1∠d1DULI=?UL/x相位滯后?UL90°

I12U1∠d1U2∠d2P&QIx相對(duì)于端點(diǎn)電壓來說，線路壓降?UL很小，且相位角d也很小。三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)潮流控制中的原理U1處有功電流：

Ip1=(U2sind)/xU1處無功電流：

Iq1=(U1-U2cosd)/xU1處有功功率：

P1=U1(U2sind)/xU1處無功功率：

Q1=U1(U1-U2cosd)/xU1U2U2sinddIq1=(U1-U2cosd)/x(U1-U2cosd)U2cosdIp1=U2sind/xIf1f1U2sind

=Ixcosf1=Ip1xU1-U2cosd

=Ixsinf1=Iq1x

三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)中的潮流控制中的原理Pmax180°90°PowerP=——sindU1U2X0°dIU2U1U1-U2注入電壓IU1-U2U2U1I三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)中的潮流控制中的應(yīng)用FACTS設(shè)備改變線路潮流的基本方式當(dāng)傳輸角d（或功角）較小時(shí)，控制線路阻抗X或d可有效控制有功功率。在輸電線路中以串聯(lián)方式注入一個(gè)電壓源，并假定它的相量垂直于線路電流，則對(duì)這個(gè)注入電壓的控制可使線路電流幅值增大或減小，因而能顯著改變有功功率的潮流（如靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器，SSSC）。調(diào)節(jié)注入電壓的幅值和它與端點(diǎn)電壓之間的相位，可控制線路電流的大小和相位。串聯(lián)控制器的容量通常占線路傳輸容量很少的一個(gè)百分比。三、FACTS技術(shù)在輸電網(wǎng)中的潮流控制中的原理1.2FACTS設(shè)備的分類與簡(jiǎn)介FACTS控制器串聯(lián)型控制器并聯(lián)型控制器串并組合型控制器串串組合型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

串聯(lián)型控制器相當(dāng)于一個(gè)可變阻抗，可以是電容器，電抗器等。TSSC（thyristorswitchedseriescapacitor,)晶閘管投切串聯(lián)電容器TCSC（thyristorcontrolledseriescapacitor,)晶閘管控制串聯(lián)電容器一、FACTS設(shè)備的基本類型

串聯(lián)型控制器串聯(lián)型控制器也能以可控串聯(lián)電壓源（基于電壓型變流器）的形式接入線路，只要該串聯(lián)電壓與流過它的線路電流正交，串聯(lián)控制器只能提供或吸收可變的無功功率，在其它任何相位關(guān)系時(shí)，則此串聯(lián)電壓都會(huì)涉及到有功功率的交換。

SSSC(staticsynchronousseriescompensator）靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器一、FACTS設(shè)備的基本類型

串聯(lián)型控制器并聯(lián)型控制器可以是可變阻抗，可控電流源，或者是它們的組合。并聯(lián)型控制器在并聯(lián)連接點(diǎn)處給系統(tǒng)注入一個(gè)電流。只要該注入電流與母線電壓之間的相角差為90°，則并聯(lián)控制器只能提供或吸收可變無功功率，任何其它的相位關(guān)系均涉及有功功率的交換。TCR（thyristorcontrolledreactor)晶閘管控制電抗器TSR(thyristorswitchedreactor),晶閘管投切電抗器TSC（thyristorswitchedcapacitor)，晶閘管投切電容器STATCOM（staticsynchronouscompensator)靜止同步補(bǔ)償器并聯(lián)型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

該類控制器是單個(gè)并聯(lián)和串聯(lián)控制器的組合，這些獨(dú)立的控制器之間能夠相互協(xié)調(diào)工作UPFC（unifiedpowerflowcontroller），統(tǒng)一潮流控制器組合的并聯(lián)和串聯(lián)控制器一般是用并聯(lián)部分給系統(tǒng)注入電流；用串聯(lián)部分在線路上注入一個(gè)電壓。直流連接串并聯(lián)組合型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

這類控制器可以是各自獨(dú)立的串聯(lián)控制器的組合。此類控制器中，串聯(lián)控制器能獨(dú)立地對(duì)各自所控制的線路進(jìn)行串聯(lián)無功補(bǔ)償控制，也可通過直流側(cè)的連接與交流系統(tǒng)交換有功功率IPFC（interlinepowerflowcontroller）,線間潮流控制器直流連接串串組合型控制器一、FACTS設(shè)備的基本類型

根據(jù)電力電子元件特性及其控制器主電路中的作用基于晶閘管——控制、投切型（thyristorcontrolledorswitchedtype)基于全控型器件（開通或者關(guān)斷）——變換器型（converter-basedtype），一、FACTS設(shè)備的基本類型

電壓源型變流器+-二、并聯(lián)型設(shè)備的定義

基于變換器型（converter-basedtype）電壓型設(shè)備占有較大的市場(chǎng)，成為絕大多數(shù)FACTS設(shè)備變流器的基本組成部分靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)電壓型并聯(lián)在系統(tǒng)上，可控制其容性或感性輸出電流，且STATCOM的最大容性或感性輸出電流不依賴交流系統(tǒng)電壓。+-基于變換器型（converter-basedtype）電池儲(chǔ)能系統(tǒng)帶有化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的并聯(lián)式電壓型變流器，該變流器可與交流系統(tǒng)進(jìn)行快速的有功功率和無功功率的交換鋰電池、鉛酸電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能

接口儲(chǔ)能設(shè)備-+帶有儲(chǔ)能的STATCOM基于變換器型（converter-basedtype）靜止無功補(bǔ)償器(SVC)一種并聯(lián)聯(lián)接的靜止無功發(fā)生器或吸收器，它的輸出電流可調(diào)節(jié)為容性或感性，以便保持或控制電力系統(tǒng)的一些特定參數(shù)（典型參數(shù)一般為母線電壓）。

晶閘管控制、投切型晶閘管控制的電抗器(TCR)一種并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管控制的電感，其有效電抗值由晶閘管以不斷變化的部分導(dǎo)通方式來控制。晶閘管投切電抗器（TSR）一種并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管切投電感，其有效電抗由晶閘管以全部導(dǎo)通或零導(dǎo)通的階躍變化方式來控制。

晶閘管投切電容器（TSC）一種并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管投切電容器，其有效電抗由晶閘管以全部導(dǎo)通或零導(dǎo)通的階躍變化方式來控制。

晶閘管控制、投切型靜止無功發(fā)生器(Staticvargenerator/absorberSVG)包括晶閘管控制/投切的電容器、電抗器及STATCOM等，SVC和STATCOM都屬于此類靜止補(bǔ)償系統(tǒng)（staticvarsystem,SVS)靜止式及機(jī)械式的并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置的輸出進(jìn)行協(xié)調(diào)而構(gòu)成的并聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)，SVG與機(jī)械式無功補(bǔ)償設(shè)備的組合晶閘管控制的制動(dòng)電阻一種并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管投切電阻器，用于增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)能減小發(fā)電機(jī)組的加速功率。

靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）一種靜止型無外部電能支撐的串聯(lián)同步補(bǔ)償器，其輸出電壓與線路電流相量正交，且輸出電壓的控制與線路電流無關(guān)，能實(shí)現(xiàn)增加或減小整條線路阻抗上的電抗性電壓降，從而達(dá)到控制傳輸功率的目的.線路+-三、串聯(lián)型設(shè)備的定義

基于變換器型（converter-basedtype）線路接口電路儲(chǔ)能設(shè)備+-帶有儲(chǔ)能的SSSC通過儲(chǔ)能設(shè)備（如電池儲(chǔ)能系統(tǒng)）與串聯(lián)控制器相連，就能控制注入電壓與線路電流之間的相位，因而它不僅能與交流系統(tǒng)進(jìn)行無功功率的交換，而且還能進(jìn)行有功功率的交換?；谧儞Q器型（converter-basedtype）晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）一種容性電抗補(bǔ)償器，它由串聯(lián)電容器組與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成，以提供平滑變化的容性串聯(lián)電抗。

線路晶閘管投切串聯(lián)電容器（TSSC）一種容抗補(bǔ)償器，由串聯(lián)電容器組與晶閘管投切電抗器并聯(lián)組成，以提供串聯(lián)容抗的分段控制。晶閘管控制、投切型晶閘管控制串聯(lián)電抗器（TCSR）一種感抗補(bǔ)償器，由串聯(lián)電抗器與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成，以得到平滑變化的串聯(lián)感性電抗。線路晶閘管投切串聯(lián)電抗器（TSSR）一種感抗補(bǔ)償器，由串聯(lián)電抗器與晶閘管控制電抗器并聯(lián)組成，以得到串聯(lián)感抗的分段控制。晶閘管控制、投切型線間潮流控制器(IPFC)由兩個(gè)或多個(gè)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）組成的控制器，它們的直流側(cè)互聯(lián)在一起，以利于每條線路的有功功率在不同SSSC的交流端子之間雙向流動(dòng)，各SSSC能獨(dú)立地提供無功補(bǔ)償、調(diào)節(jié)每條線路上的有功功率潮流，并維持所希望的潮流分布，或者能控制各線路間的無功功率潮流。四、串串組合型設(shè)備的定義

線路n線路2線路1變流器2變流器1變流器n光纖連接直線母線控制＋－＋－＋－變電站旁路設(shè)施包含n個(gè)變流器的線間潮流控制器每個(gè)變流器可以從各自控制的輸電線路向公共直流母線提供有功功率，因而可以用輕載線路傳送過負(fù)荷線路的有功功率。統(tǒng)一潮流控制器

將STATCOM和SSSC的直流側(cè)連接在一起的組合裝置。它容許有功功率在SSSC的串聯(lián)輸出端和STATCOM的并聯(lián)輸出端之間雙向流動(dòng)。在沒有外部?jī)?chǔ)能的條件下，能提供串聯(lián)線路有功和無功電流補(bǔ)償。通過注入相角沒有限制的串聯(lián)電壓，UPFC可以有選擇地控制線路上的有功和無功功率潮流。UPFC也可獨(dú)立地提供可控并聯(lián)無功補(bǔ)償。STATCOMSSSC直流連接統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）各種控制器的控制特征

序號(hào)FACTS控制器控制特征靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM無儲(chǔ)能電源)無功補(bǔ)償靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM有儲(chǔ)能電源BESS、SMES、大容量電容器)無功補(bǔ)償、有功補(bǔ)償無功補(bǔ)償靜止無功補(bǔ)償器（SVC、TCR、TSC、TSR）阻尼振蕩、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性晶閘管控制的制動(dòng)電阻器（TCBR）2134靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC無儲(chǔ)能電源）控制有功（無功）潮流靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC有儲(chǔ)能電源）控制有功（無功）潮流-控制度更大控制有功潮流、故障電流限制晶閘管控制的串聯(lián)電容器（TCSC、TSSC）控制有功潮流、故障電流限制晶閘管控制的串聯(lián)電抗器（TCSR、TSSR）6578統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）有功和無功功率控制器9線間潮流控制器(IPFC)控制本線潮流和線間潮流101.3FACTS的發(fā)展應(yīng)用FACTS的概念之前，已出現(xiàn)一些電力電子控制器了，它們現(xiàn)都已融入FACTS技術(shù)行列之中(如SVC，上個(gè)世紀(jì)70年代首先由美國通用電氣公司投入商業(yè)運(yùn)行)。電壓型變流器（VSC）用于電力系統(tǒng)是日本最早起步的，1980年第一個(gè)基于晶閘管的電壓型STATCOM在日本誕生，容量為20MVA。1991年，第1個(gè)基于GTO的80MVA的STATCOM在日本投入運(yùn)行。第一個(gè)串聯(lián)型控制器—次同步振蕩阻尼器，由Hingorani博士發(fā)明，是一個(gè)小功率的串聯(lián)電容阻抗控制器，西門子公司于1984年在加利福尼亞對(duì)它的性能進(jìn)行了論證。世界上第一個(gè)三相TCSC由ABB公司于1992年在美國凱恩塔電站投入運(yùn)行，它使該條線路的輸送容量幾乎增加了30％。1995年在沙利文電站建成的STATCOM，是美國歷史上第一個(gè)采用GTO的大型FACTS裝置，容量為100MVA,它是FACTS發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑.日本關(guān)西電力犬山開關(guān)站199180MVASVG或

STATCOM裝置種類應(yīng)用單位

投入年度容量

日本東京電力新信濃變電站

199250MVA美國田納西州沙利文電站

1995

100MVA美國肯塔基州艾內(nèi)茲電站1997160MVA英國白金漢郡克萊登電站

199775MVA丹麥瑞賴斯比/海德(配電)

1998

8MVA

美國華盛頓州西雅圖鋼鐵公司

20005MVA德克薩斯某一電弧爐補(bǔ)償199880MVA中國河南電力局*

199920MVA

美國－墨西哥交界

200036MVA美國埃塞克斯電站2001＋133/－40MVA

美國紐約奧克代爾電站

2002200MVA

美國特勒嘎電站

2003100MVA具有標(biāo)志性的主要實(shí)用化的FACTS裝置

美國電力公司卡若瓦河/西弗吉尼亞1991345kV系統(tǒng)，線路阻抗補(bǔ)償從0～60%，晶閘管控制分相組合的串聯(lián)電容器TSSC裝置種類應(yīng)用單位投入年度容量美國西部電力局凱恩塔/亞利桑那1992500kV系統(tǒng)，267MVATCSC美國邦維爾電力局斯萊特電站1993巴西因佩拉特里斯電站

1999230kV系統(tǒng)，50MVAUPFC

1998SSSC138kV,160MVA;STATCOM160MVA;GTO6kV/4kA美國肯塔基州電力公司艾內(nèi)茲電站韓國剛金電站2004154kV，80MVASTATCOM除了應(yīng)用于輸電系統(tǒng)外，還成功應(yīng)用于發(fā)電和配電系統(tǒng)中。發(fā)電系統(tǒng)：如用STATCOM或SVC改善風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量；1998年丹麥利用8Mvar的STATCOM改善24MW的風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量。配電系統(tǒng)：如用D-STATCOM解決碾碎機(jī)電動(dòng)機(jī)、電弧爐的電壓閃爍問題。1999年，三菱公司安裝了它在美國的第一臺(tái)5Mvar/4.16kV的D-STATCOM

，用于抑制西雅圖鋼鐵公司的電壓閃變。我國FACTS裝置的發(fā)展和應(yīng)用情況1994年，由河南省電力局和清華大學(xué)共同研制了20Mvar的STATCOM，1999年在河南洛陽的朝陽變電站并網(wǎng)成功，是中國FACTS研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程碑。上海電網(wǎng)黃渡分區(qū)西郊站50Mvar的STATCOM示范工程，該STATCOM是一套擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化裝置，于2006年投入運(yùn)行標(biāo)志著FACTS技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由中國電力科學(xué)研究院和甘肅省電力公司合作開發(fā)的220kV甘肅成碧輸電線路TCSC示范工程，于2004年投入運(yùn)行，標(biāo)志著我國是世界上第4個(gè)擁有TCSC技術(shù)的國家，成碧可控串補(bǔ)是我國第一個(gè)國產(chǎn)化的可控串補(bǔ)工程和世界上的第七個(gè)可控串補(bǔ)工程。鞍山紅一變是東北電網(wǎng)的樞紐變電所，肩負(fù)為鞍山鋼鐵公司的供電任務(wù)，無功補(bǔ)償采用調(diào)相機(jī)，2001年遼寧省電力公司確定采用100Mvar的SVC替代調(diào)相機(jī)。鞍山紅一變100Mvar的SVC示范工程于2004年順利投運(yùn)，標(biāo)志著國產(chǎn)化SVC技術(shù)得到了進(jìn)一步的提升。FACTS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)按照要求控制潮流。增加線路的負(fù)荷容量，使其發(fā)揮到熱容規(guī)定的數(shù)值。通過提高暫態(tài)穩(wěn)定性限制、約束短路電流和過負(fù)荷，以及抑制系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的電磁振蕩等措施來增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。FACTS設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的好處

與鄰近區(qū)域和鄰近用戶之間建立起安全連接的紐帶，減少雙方整體備用發(fā)電機(jī)組的需求。在確定新的發(fā)電機(jī)組安裝地點(diǎn)時(shí)具有更大的靈活性。線路得到升級(jí)。減少無功功率潮流，使線路能夠傳輸更多的有功功率。FACTS帶來的效益（1）防止系統(tǒng)崩潰的潛在威脅，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性；（2）增加供電質(zhì)量（電壓、頻率質(zhì)量），保證企業(yè)效益；（3）增加設(shè)備的靈活性和縮短建設(shè)工期（架設(shè)一條輸電線路的工期比安裝一套FACTS裝置的工期長(zhǎng)）；（4）增加直接經(jīng)濟(jì)效益（輸電容量的增加帶來的經(jīng)濟(jì)效益，與新建架空線路的經(jīng)濟(jì)性相比）；（5）維護(hù)費(fèi)用的減少（多條輸電線路運(yùn)行時(shí)，故障概率會(huì)顯著增加，而利用FACTS優(yōu)化控制后可降低線路故障率）；FACTS設(shè)備優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

特性機(jī)械開關(guān)電力電子器件開關(guān)機(jī)理金屬性接觸和電弧PN結(jié)最大開關(guān)電壓/電流1100kV/80kA約12kV/8kA通態(tài)阻抗微歐級(jí)毫歐級(jí)絕緣能力非常高有限，對(duì)過電壓敏感過載能力非常高有限響應(yīng)時(shí)間數(shù)個(gè)工頻周期幾微妙至1個(gè)工頻周期壽命有限較長(zhǎng)頻繁動(dòng)作能力有限非常高是否需要維護(hù)需要基本不需要同容量成本低高VSC-HVDC的概述VSC-HVDC的基本原理VSC-HVDC的技術(shù)特點(diǎn)VSC-HVDC的應(yīng)用情況及研究現(xiàn)狀VSC-HVDC的控制方式4.3柔性交流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)§1.1VSC-HVDC概述基于電壓源換流器的高壓直流輸電(HVDCbasedonVoltageSourceConverter,VSC-HVDC)常規(guī)HVDC采用線換相電流源換流器（LineCommutatedCSC），其本身存在一些固有的缺陷，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面§1.1VSC-HVDC概述（續(xù)）傳統(tǒng)的HVDC需要交流電網(wǎng)提供換相電流，該電流實(shí)際上是相間短路電流，因此要保證換相的可靠，受端交流系統(tǒng)必須具有足夠的容量，即必須有足夠的短路比（ShortCircuitRatio），當(dāng)受端電網(wǎng)比較弱時(shí)便容易發(fā)生換相失敗。傳統(tǒng)的HVDC要吸收大量的無功功率，其數(shù)值約為輸送直流功率的40~60%，這就需要大量的無功補(bǔ)償及濾波設(shè)備，而且在甩負(fù)荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)無功過剩，可能導(dǎo)致過電壓。

§1.1VSC-HVDC概述（續(xù)）因?yàn)閭鹘y(tǒng)的HVDC需要交流電網(wǎng)提供換相電流，這就要求受端系統(tǒng)必須是有源網(wǎng)絡(luò)。因此，傳統(tǒng)的HVDC不能向無源網(wǎng)絡(luò)（如孤立負(fù)荷）輸送電能。

造成傳統(tǒng)HVDC上述缺點(diǎn)的主要原因是由于線換相換流器采用的是半控型器件，只有用全控型器件代替半控型器件，使換流器能工作在無源逆變方式，并能夠同時(shí)獨(dú)立地控制有功功率和無功功率，才能徹底克服上述缺點(diǎn)。

§1.1VSC-HVDC概述（續(xù)）隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的快速發(fā)展，在HVDC中采用以全控型器件為基礎(chǔ)的電壓源換流器（VSC）的條件已經(jīng)具備。

1990年，McGill大學(xué)的Boon

TeckOoi等首先提出了利用PWM控制的VSC進(jìn)行直流輸電的概念。

§1.1VSC-HVDC概述（續(xù)）ABB公司把VSC與IGBT相結(jié)合，提出了輕型高壓直流輸電（HVDCLight）的概念。1997年3月在瑞典中部的赫爾斯揚(yáng)和格蘭斯堡之間進(jìn)行了首次HVDCLight的工業(yè)試驗(yàn)。這次試驗(yàn)的輸送功率為3MW，輸電電壓為

10kV，所使用的線路是一條暫時(shí)不用的10km交流線路。試驗(yàn)過程十分順利，無論是在穩(wěn)態(tài)條件下還是在暫態(tài)條件下，電力輸送都十分穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的性能。不同的稱謂ABB公司稱之為輕型直流輸電（HVDCLight）并作為商標(biāo)注冊(cè)；Siemens公司將其注冊(cè)為HVDCPLUS；國際上電力方面的權(quán)威學(xué)術(shù)組織CIGRE和IEEE將其正式稱為VSC-HVDC，即“電壓源換流器型高壓直流輸電”。我國很多專家稱為柔性直流輸電（HVDC-Flexible）51向城市中心送電連接分布電源非同步聯(lián)網(wǎng)提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量促進(jìn)電力市場(chǎng)發(fā)展向遠(yuǎn)方孤立負(fù)荷點(diǎn)送電

方便地調(diào)節(jié)有功和無功，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能

風(fēng)電場(chǎng)、小型水電廠、太陽能電站及其它新能源發(fā)電系統(tǒng)

用電量急增，線路走廊困難

構(gòu)建地區(qū)電力供應(yīng)商交換電力的可行性平臺(tái)，增加運(yùn)行靈活性和可靠性快速控制有功無功，使電壓、電流滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求如沿海小島、海上鉆井平臺(tái)、偏僻地區(qū)負(fù)荷等柔性直流輸電的應(yīng)用場(chǎng)合多端VSC-HVDC網(wǎng)絡(luò)§1.2VSC-HVDC的基本原理圖1兩端接有源網(wǎng)絡(luò)的VSC-HVDC系統(tǒng)原理圖

§1.2VSC-HVDC的基本原理（續(xù)）直流側(cè)并聯(lián)大電容，起到為逆變器提供電壓支撐、減小直流側(cè)紋波電壓的作用

換流電抗器和交流濾波器的作用是濾去交流側(cè)諧波§1.2VSC-HVDC的基本原理（續(xù)）假設(shè)換流電抗器是無損耗的，忽略諧波分量時(shí)，換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q分別為

式中，UC為換流器輸出電壓的基波分量；US為交流母線電壓基波分量；

為UC和US之間的相角差；X1為換流電抗器的電抗。

§1.2VSC-HVDC的基本原理（續(xù)）有功功率的傳輸主要取決于

，無功功率的傳輸主要取決于UC

換流器通常采用脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)

UC由換流器輸出的PWM電壓脈沖寬度控制，

就是PWM的調(diào)制波相角§1.2VSC-HVDC的基本原理（續(xù)）有功功率的傳輸主要取決于

，通過對(duì)

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于m，通過控制m就可以控制VSC發(fā)出或吸收無功功率及其大小。尤其當(dāng)

＝0時(shí)VSC只發(fā)出無功功率，當(dāng)

=

arcos(US/UC)時(shí)VSC以單位功率因數(shù)運(yùn)行。

§1.2VSC-HVDC的基本原理（續(xù)）VSC-HVDC的傳輸電纜VSC-HVDC傳輸電纜的表面是由壓縮型聚合物做成的絕緣材料，由三芯絞線的屏蔽物和絕緣屏蔽物壓縮在一起構(gòu)成——擠塑電纜電壓源換流器常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多電平電壓源換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其輸出交流波形VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介換流橋換流變壓器換流電抗器交流濾波器直流電容器直流電纜控制與保護(hù)系統(tǒng)VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介330MW的VSC-HVDC換流站俯視圖*VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介--換流橋換流橋每個(gè)橋臂是由若干個(gè)IGBT級(jí)聯(lián)而成。對(duì)于大容量換流器，每臂可能有上百個(gè)IGBT級(jí)聯(lián)而成。VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介--換流變壓器不同于CSC-HVDC，VSC-HVDC并不需要特殊的換流變壓器或移相變壓器，其所用換流變壓器與常規(guī)的單相或三相變壓器大體類似。VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介--換流電抗器換流電抗器是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，決定有功功率與無功功率的控制性能作用濾除換流器所產(chǎn)生的特征諧波，以獲得期望的基波電流和基波電壓；抑制直流過電流的上升速度。VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介--直流電容器作用：為逆變器提供電壓支撐；緩沖橋臂關(guān)斷時(shí)的電感電流；減小直流側(cè)紋波電壓。VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介--直流電容器VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介—交流濾波器換流站在較高的開關(guān)頻率下，其輸出的交流電壓和電流中含有的低次諧波很少。換流電抗器的濾波作用使得電流的諧波較容易符合標(biāo)準(zhǔn)。然而，在沒有任何濾波裝置的情況下，輸出的交流電壓中還含有一定量的高次諧波，且其總的諧波畸變率并不能達(dá)到相關(guān)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。故裝設(shè)小容量濾波器。作用：濾去交流側(cè)高次諧波電流分量；但是，交流濾波器的設(shè)計(jì)需要與換流電抗器配合。VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介—交流濾波器從交流系統(tǒng)側(cè)看過去，VSC-HVDC等效為一個(gè)諧波電壓源(圖a)。其中，Lc是換流電抗，Ls是系統(tǒng)等效電抗。圖b是h次諧波電壓等效網(wǎng)絡(luò)，使交流濾波器的h次諧波阻抗近似為零，則其與交流系統(tǒng)的等效阻抗Xeq便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于換流電抗器的阻抗Xc(圖c)。于是，h次諧波電壓uh便近乎全部地降落在Xc上，系統(tǒng)所分得的那部分電壓就很少。這就是VSC系統(tǒng)中濾波器的工作原理。VSC-HVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)介—交流濾波器中國龍泉換流器站交流濾波器組§1.3VSC-HVDC的技術(shù)特點(diǎn)VSC電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無源逆變方式，不需要外加的換向電壓，從而克服了傳統(tǒng)HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用HVDC為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能。正常運(yùn)行時(shí)VSC可以同時(shí)且獨(dú)立控制有功和無功，控制更加靈活方便?！?.3VSC-HVDC的技術(shù)特點(diǎn)（續(xù)）VSC不僅不需要交流側(cè)提供無功功率，而且能夠起到STATCOM的作用，即動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著如果VSC容量允許，故障時(shí)VSC-HVDC系統(tǒng)既可向故障區(qū)域提供有功功率的緊急支援，又可以提供無功功率的緊急支援，從而提高系統(tǒng)的電壓和功角穩(wěn)定性。潮流反轉(zhuǎn)時(shí)直流電流方向反轉(zhuǎn)，而直流電壓極性不變，與傳統(tǒng)的HVDC恰好相反。這個(gè)特點(diǎn)有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又能有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)。

§1.3VSC-HVDC的技術(shù)特點(diǎn)（續(xù)）由于VSC交流側(cè)電流可以控制，所以不會(huì)增加系統(tǒng)的短路容量。這意味著增加新的VSC-HVDC線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定無須改變。

VSC通常采用SPWM技術(shù)，開關(guān)頻率相對(duì)較高，經(jīng)過低通濾波后就可得到所需交流電壓，所需濾波裝置的容量也大大減小。VSC-HVDC與常規(guī)HVDC的區(qū)別功率范圍：傳統(tǒng)的HVDC主要運(yùn)行于較大的功率范圍；而VSC-HVDC輸送的功率可以從幾MW到幾百M(fèi)W，直流電壓可達(dá)

150kV。模型組件：VSC-HVDC是以一套有若干標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的換流站模塊為基礎(chǔ)，大多數(shù)設(shè)備在制造廠家就被封裝起來；而傳統(tǒng)的HVDC往往是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要以及某些特殊的用途而設(shè)計(jì)和裝配的。

VSC-HVDC與常規(guī)HVDC的區(qū)別（續(xù)）換流電路：VSC-HVDC換流站通過VSC控制IGBT的通斷，因此，電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)HVDC有著很大的不同，其主要指標(biāo)的比較如下表所示。

換流站指標(biāo)傳統(tǒng)HVDCVSC-HVDC換流閥晶閘管IGBT與交流系統(tǒng)連接的器件換流變壓器串聯(lián)電感（+變壓器）濾波和無功補(bǔ)償濾波器和并聯(lián)電容器只用小型濾波器直流平波平波電抗+直流濾波器直流電容器站間通信需要不需要VSC-HVDC與常規(guī)HVDC的區(qū)別（續(xù)）運(yùn)行的獨(dú)立性：VSC-HVDC不依賴于交流系統(tǒng)去維持電壓和頻率的穩(wěn)定；與傳統(tǒng)的HVDC相比，短路容量并不重要。VSC-HVDC可以給無源網(wǎng)絡(luò)直接供電；而傳統(tǒng)的HVDC在受端電網(wǎng)中必須有旋轉(zhuǎn)電機(jī)。對(duì)功率的控制：傳統(tǒng)的HVDC終端可以通過濾波器和串聯(lián)電容器的通斷以及在某種程度上對(duì)觸發(fā)角的控制來達(dá)到對(duì)功率的控制，但是這種控制需要額外的設(shè)備和額外的損耗；VSC-HVDC則可以在很短的時(shí)間內(nèi)形成任意的相角或幅值，這為獨(dú)立地控制有功和無功提供了可能性。

§1.4VSC-HVDC的應(yīng)用情況及研究現(xiàn)狀HVDCLight研究現(xiàn)狀從1997年瑞典的Hellsj?n工程試驗(yàn)成功開始，到目前為止，世界上已運(yùn)行和在建的VSC-HVDC工程已有多項(xiàng)。（1）瑞典Hellsj?n工程是世界上第1個(gè)VSC-HVDC工業(yè)試驗(yàn)工程（2）1999年6月，瑞典果特蘭島（Gotland）VSC-HVDC工程投入運(yùn)行。這是世界上第1個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的VSC-HVDC工程76投運(yùn)年輸送功率/MW直流電壓/kV兩側(cè)交流電壓直流電流/A線路長(zhǎng)度/km用途Hellsjon19973±1010/1015010工業(yè)試驗(yàn)Gotland199954±8080/803502×70風(fēng)力發(fā)電，地下電纜Dire