【文章內(nèi)容簡介】 ）。 注意 ：逆變站附近的汽輪發(fā)電機(jī)組不會(huì)受到由 HVDC 引起的 SSO 危害。因?yàn)樗鼈儾⒉幌?HVDC 提供任何功率，而只是與逆變站并列運(yùn)行，供電給常 規(guī)的隨頻率而變化的負(fù)荷。 注意 ： SSO 基本只涉及大容量汽輪發(fā)電機(jī)組（ 30 萬 kW 以上），其軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起。 注意 ：水輪機(jī)不易發(fā)生次同步振蕩：轉(zhuǎn)子慣量大，功率擾動(dòng)不易引起軸系扭振；機(jī)組對(duì)扭振固有阻尼很高。 10. 多直流饋入問題： （ 1） 概念：多直流饋入就是在受端電網(wǎng)的一個(gè)區(qū)域中集中落點(diǎn)多回直流線路。 （ 2） 只采用基本控制的 HVDC 通常會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)間產(chǎn)生負(fù)面的相互作用；采用附加控制可以避免這種負(fù)面相互作用，甚至產(chǎn)生正面的影響。 11. 單雙極閉鎖： （ 1） 整流站閉鎖相當(dāng)于突甩負(fù)荷，系統(tǒng)頻率上升； （ 2） 逆變站閉鎖相當(dāng)于突然切機(jī)，系統(tǒng)頻率 下降； （ 3） 極閉鎖會(huì)使雙側(cè)交流系統(tǒng)突甩無功負(fù)荷，使電壓升高。 12. 直流制動(dòng)： （ 1） 交流系統(tǒng)不能過于薄弱，否則不能起到制動(dòng)作用； （ 2） 交流系統(tǒng)能快速提供無功，否則由于直流吸收無功的增加，會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓大幅度下降，從而抵消吸收有功的作用或起反作用； （ 3） 發(fā)電機(jī)與 HVDC 之間電氣距離長（機(jī)端升壓變和換流變），直流制動(dòng)效果不會(huì)有電氣制動(dòng)效果明顯； （ 4） 快速無功調(diào)節(jié)、快速勵(lì)磁、 HVDC 快投電容器和濾波器等，直流制動(dòng)可以替代（或減少）切機(jī)切負(fù)荷； 13. VDC 直流線路故障（短路）： 由于 HVDC 故障電流能持續(xù)一定時(shí)間但換流閥可快速關(guān)斷 10ms， 所以HVDC 故障電流在交流系統(tǒng)中影響不明顯。 14. 交流系統(tǒng)故障（短路）： 引起的大幅電壓下降在逆變側(cè)可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗。 15. 緊急功率支援： 如交流電網(wǎng)出現(xiàn)大幅度功率缺額：聯(lián)絡(luò)線跳開、某些大電廠跳開等， HVDC可以快速增加輸送功率或者快速潮流反轉(zhuǎn)。 八、 VSCHVDC 1. 基本概念： （ 1） 定義：以基于全控器件的電壓源變換器（ VSC）為基礎(chǔ)的直流輸電技術(shù)。（電壓源換流器高壓直流輸電或柔性直流輸電） （ 2） 特征：全控型電力電子器件、電壓源換流器、大多數(shù)采用脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)。 （ 3） 常規(guī)直流輸電面臨的挑戰(zhàn)： a) 兩側(cè)換流站無功消耗大（每側(cè) 40~60%）； b) 存在大量低次諧波，濾波器容量大； c) 不能向無源網(wǎng)絡(luò)供電； d) 存在換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定； e) 難以形成多端直流網(wǎng)絡(luò)。 注意 ：根本問題在于使用的開關(guān)器件是半控型器件晶閘管，只能控制開通而不能控制其關(guān)斷，換向必須靠交流側(cè)電源。 2. VSCHVDC 的特點(diǎn)及應(yīng)用場合： （ 1） 優(yōu)點(diǎn)： a) 結(jié)構(gòu)緊湊占地小； b) 無源系統(tǒng)供電 /黑啟動(dòng)； c) 可聯(lián)絡(luò)弱交流系統(tǒng)； d) 獨(dú)立的有功和無功控制； e) 站間不用通訊； f) 無換相失敗問題； g) 諧波?。? h) 易于實(shí)現(xiàn)多端直流。 （ 2） 缺點(diǎn)： a) 系統(tǒng)損耗較大，每端 %（常規(guī) %）； b) 無法控制直流側(cè)故障電流 （直流側(cè)故障只能跳交流側(cè)斷路器）； c) 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚不足，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性仍有待檢驗(yàn)。 （ 3） 應(yīng)用場合： a) 可再生能源并網(wǎng)：連接風(fēng)力發(fā)電場和電力網(wǎng)； b) 孤島供電：海島或海上石油 /天然氣的鉆井平臺(tái)； c) 城市中心供電； d) 地下電力輸送； e) 連接異步交流電網(wǎng)。 3. VSCHVDC 主要設(shè)備： （ 1） 主要設(shè)備及其作用： a) 電壓源換流器：實(shí)現(xiàn)整流和逆變； b) 直流電容：電壓支撐、抑制直流電壓波動(dòng)降低直流諧波； c) 換流電感： Boost 控制、影響輸送能力、功率調(diào)節(jié)； d) 交流濾波器：濾除交流側(cè)的諧波； e) 直流電纜：傳輸電能； f) 測控與保護(hù)系統(tǒng)：測量、控制、保護(hù)； g) 開 關(guān)設(shè)備：投切 VSCHVDC 系統(tǒng)； h) 冷卻系統(tǒng)：冷卻半導(dǎo)體、變壓器、電抗器等。 （ 2） 換流器： a) 兩電平換流器（以 PWM 波形逼近正弦波）： 圖 8 1 兩電平換流器（采用 IGBT 直接串聯(lián)閥實(shí)現(xiàn)） i. 優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單；所有閥容量相同；控制簡單，易擴(kuò)展。 ii. 缺點(diǎn)：器件直接串聯(lián)，對(duì)于參數(shù)一致性要求高，靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓問題嚴(yán)峻，高。 b) NPC 三電平換流器（以 PWM 波形逼近正弦波）： 圖 8 2 NPC 三電平換流器 i. 優(yōu)點(diǎn)：電平數(shù)提高有利于提高波 形質(zhì)量，降低損耗； ii. 缺點(diǎn)：額外的器件（鉗位二極管）增加了成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，存在電容電壓不平衡問題。 c) 模塊化多電平（ MMC）（以階梯波逼近正弦波）： 圖 8 3 模塊化多電平 i. 優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)一步改善波形質(zhì)量，降低對(duì)濾波系統(tǒng)要求，甚至可以不要濾波器。 ii. 缺點(diǎn)：電容器電壓平衡有難度。 d) 變壓器組合式（并聯(lián)型）： 多個(gè)變換器并聯(lián)復(fù)合而成，采用曲折變壓器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)，較低開關(guān)頻率獲得較好波形質(zhì)量，可提升換流站容量。 e) 變壓器組合式（串聯(lián)型）： 多個(gè)變換器串聯(lián)復(fù)合而成，可提升電壓等級(jí)和 換流站容量。 f) 變壓器組合式（串并聯(lián)型）： 多個(gè)變換器串并聯(lián)復(fù)合而成，可提升電壓等級(jí)和換流站容量，可以以“搭積木”形式實(shí)現(xiàn)所需的電壓、電流等級(jí)。 4. VSCHVDC 構(gòu)成形式： （ 1） 換流站接線方式： 圖 8 4 （ 2） 兩端 VSCHVDC 輸電系統(tǒng)：單極系統(tǒng)，雙級(jí)系統(tǒng)。 注意 ：采用基本 MCC 換流器實(shí)現(xiàn)的 VSCHVDC 直流側(cè)沒有集中布置的電容器，無法采用直流中點(diǎn)接地方式實(shí)現(xiàn)正負(fù)極性對(duì)稱的直流線路。故一般有以下解決方法：閥交流側(cè)經(jīng)電抗器構(gòu)造中性點(diǎn)接地或者閥側(cè)變壓器采用 yn 形式。 注意 ：目前已投運(yùn)的柔直系統(tǒng)絕大多數(shù)由 ABB 公司設(shè)計(jì)制造， VSCHVDC 換流器采用基本 VSC 實(shí)現(xiàn)，本身不能單極運(yùn)行，僅直流線路可以單極運(yùn)行。（有文獻(xiàn)稱為“偽雙極”）而由組合式 VSC 構(gòu)成 VSCHVDC 換流器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)真正的雙 極系統(tǒng)。 （ 3） 多端 VSCHVDC 輸電系統(tǒng)： 圖 8 5 多端 VSCHVDC 輸電系統(tǒng) 5. VSCHVDC 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性： （ 1） VSC 變換器特性： 圖 8 6 VSC 交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系 1（假設(shè)不變） 圖 8 7 VSC 交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系 2（假設(shè)不變） 圖 8 8 等值電路圖 由等值電路圖可得到交流側(cè)電源輸出的有功功率和無功功率分別為： () () () () 調(diào)整δ、 k 可使得 VSC 運(yùn)行于圓內(nèi)任意一點(diǎn)，故其可獨(dú)立控制 P、 Q： δ 0，電源相位超前，變換器工作于整流，交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)注入有功功率；δ 0，電源相位滯后，變換器工作于逆變，直流系統(tǒng)向交流系統(tǒng)注入有功功率； ，系統(tǒng)提供無功；，系統(tǒng)吸收無功。 6. VSCHVDC 控制： （ 1） 控制主要功能： 使 VSCHVDC 系統(tǒng)正常工作，保護(hù)設(shè)備，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具體包括：VSCHVDC 系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止控制， VSCHVDC 系統(tǒng)輸送功率潮流大小和方向控制，協(xié)調(diào)交流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心指令，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 （ 2） 分 層控制：系統(tǒng)層控制，裝置層控制，器件層控制。 圖 8 9 VSCHVDC 分層控制 a) 系統(tǒng)層控制： i. 系統(tǒng)層控制兩類物理量： 有功類物理量（有功功率、直流電壓 /電流、交流頻率）和無功類物理量（無功功率、交流電壓幅值）。換流站必須在有功類物理量和無功類物理量中各挑選一個(gè)物理量進(jìn)行控制。 ii. 系統(tǒng)層三種基本控制方式： ① 定功率（定直流電流）控制（控制功率或直流電流和與交流側(cè)交換的無功功率）： 圖 8 10 定功率控制 ② 定直流電壓控制（控 制直流母線電壓和與交流側(cè)交換的無功功率）： 圖 8 11 定直流電壓控制 注意 ： VSCHVDC 必須有一個(gè)換流站采用 定直流電壓 控制！ ③ 定交流電壓控制（控制交流母線電壓頻率和幅值）： 圖 8 12 定交流電壓控制 b) 裝置層控制：根據(jù)系統(tǒng)層控制形成的參考值，形成換流器目標(biāo)輸出波形參考信號(hào)（ M、δ）。 圖 8 13 i. 常用的一般包含兩個(gè)控制環(huán)：功率類外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。電流內(nèi)環(huán)有利于換流器限流。 ii. 換流器直接電流控制： 圖 8 14 換流器直接電流控制 iii. 換流器間接電流控制： 圖 8 15 換流器間接電流控制 c) 器件層控制： i. PWM 控制原理： 沖量相等而形狀（如大小波形）不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)，其效果基本相同。（沖量即指窄脈沖的面積（變量對(duì)時(shí)間積分）；效果基本相同，是指系統(tǒng)的輸出響應(yīng)波形基本相同） ii. PWM 調(diào)制方法： 把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)（參考波， Vcontrol），把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波（ Vtri），通過信 號(hào)波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。 圖 8 16 PWM 調(diào)制波的形成 PWM 頻率與載波 Vtri 頻率相同，輸出電壓 VA0 幅值由調(diào)制波 Vcontrol幅值決定，輸出電壓基頻由 Vcontrol 頻率決定。 () iii. 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形也稱 SPWM波形。為了提高直流電壓利用率，可注入三次諧波。 圖 8 17 單相兩電平 VSC 注意 ：單相 VSC 可控運(yùn)行的前提是直流電壓不低于交流側(cè)電壓峰值。 圖 8 18 三相兩電平 VSC 注意 ：三相 VSC 可控運(yùn)行的前提是直流電壓不低于交流線電壓倍。 iv. 空間矢量 PWM（ SVPWM）： 圖 8 19 圖 8 20 SVPWM 的八個(gè)開關(guān)狀態(tài) 圖 8 21 八個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)空間矢量位置 ① 步驟：確定 Vd, Vq, Vref, α ；確定時(shí)間區(qū)域 T1, T2, T0；確定 S1~S6 的開關(guān)時(shí)間。 ② 優(yōu)點(diǎn)：諧波??；直流電壓利用率高（是 SPWM 的倍）。 注意 ： SVPWM 只是利用矢量概念實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制，并不是一般意義上的矢量控制，而仍然屬于標(biāo)量 控制。 v. 特定諧波消除調(diào)制方法（ SHEPWM）： ① 目標(biāo)：滿足調(diào)制比前提下，消去部分低次諧波。 ② 原理：選擇合適觸發(fā)角，既滿足基波輸出要求，又滿足消除某些低次諧波要求。 vi. 最優(yōu) PWM（ OPWM）： ① 目標(biāo)函數(shù)：指定諧波消除、最小化總諧波畸變率、最小化畸變系數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩。 ② 數(shù)值計(jì)算方法：牛頓法、人工智能優(yōu)化算法（ GA、 SA、 CSA、 PSO 等）。 vii. 換流閥觸發(fā)技術(shù)： 圖 8 22 采用光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)換流閥 7. VSCHVDC 保護(hù)配置： （ 1） 區(qū)域劃分：外部交流系統(tǒng)，換流站內(nèi)部，直流側(cè)線路 。 圖 8 23 VSCHVDC 保護(hù)區(qū)域劃分圖 （ 2） 故障形式： a) 外部交流系統(tǒng)故障： 電壓不平衡（不對(duì)稱故障或不對(duì)稱負(fù)荷引起）；過壓 /欠壓；雷電過電壓（近端架空線路遭受雷擊引起）；操作過電壓投切線路設(shè)備引起等。 b) 換流站內(nèi)部故障： 內(nèi)部交流母線故障；站內(nèi)直流母線故障；閥體故障；元件失效等。 c) 直流線路故障： 斷線；單極接地；雙極短路；架空直流線路雷擊過電壓。 （ 3） 保護(hù)配置原則與特點(diǎn)： a) 可靠性，靈敏性，選擇性，快速性，可控性（通過控制換流器等減輕故障的危害），安全性（保障人身安 全和設(shè)備安全），可維護(hù)性（保護(hù)功能及參數(shù)便于調(diào)整）。 b) 特點(diǎn)：采取分區(qū)重疊配置（交流側(cè)保護(hù)區(qū)，換流器保護(hù)區(qū)，直流線路保護(hù)區(qū)）；分層配置（系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，裝置級(jí)保護(hù)，器件級(jí)（閥級(jí)）保護(hù)）。 （ 4） 交流側(cè)保護(hù)： a) 交流線路保護(hù)； b) 換流變壓器保護(hù)：差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)、中性點(diǎn)偏移保護(hù)、變壓器本體保護(hù)（油、氣、?）； c) 換流電抗器保護(hù)； d) 交流開關(guān)場和交流濾波器保護(hù)。 （ 5） 換流器保護(hù)： a) 換流器過電流保護(hù)； b) 換流器直流過電壓保護(hù)； c) 交流側(cè)過電壓保護(hù)； d) 觸發(fā)脈沖監(jiān)控； e) 閥自身保護(hù)； f) 輔助設(shè)備保護(hù)。 （ 6） 直流線路保護(hù)： a) 直流欠壓保護(hù)； b) 直流過壓保護(hù) ； c) 直流電壓不平衡保護(hù)； d) 直流故障再啟動(dòng)邏輯等。 8. VSCHVDC 與 LCCHVDC 比較： （ 1） 結(jié)構(gòu)： 圖 8 24 VSCHVDC 與 LCCHVDC 結(jié)構(gòu)比較 （ 2） 對(duì)連接的交流電網(wǎng)的要求： a) LCCHVDC：要求保持連接交流電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定，且具有足夠大短路容量；交流電網(wǎng)需要提供無功功率，否則有換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。 b) VSCHVDC：對(duì)連接系統(tǒng)短路容量沒有要求，且可以直接連接無源網(wǎng)絡(luò)。 （ 3） 諧波： a) LCCHVDC：交流側(cè) 12k177。 1，直流側(cè) 12k 次； b) VS