【文章內(nèi)容簡介】 ）。 注意 ：逆變站附近的汽輪發(fā)電機組不會受到由 HVDC 引起的 SSO 危害。因為它們并不向 HVDC 提供任何功率，而只是與逆變站并列運行，供電給常 規(guī)的隨頻率而變化的負荷。 注意 ： SSO 基本只涉及大容量汽輪發(fā)電機組（ 30 萬 kW 以上），其軸系結(jié)構(gòu)特點引起。 注意 ：水輪機不易發(fā)生次同步振蕩：轉(zhuǎn)子慣量大，功率擾動不易引起軸系扭振；機組對扭振固有阻尼很高。 10. 多直流饋入問題： （ 1） 概念：多直流饋入就是在受端電網(wǎng)的一個區(qū)域中集中落點多回直流線路。 （ 2） 只采用基本控制的 HVDC 通常會導(dǎo)致交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)間產(chǎn)生負面的相互作用；采用附加控制可以避免這種負面相互作用，甚至產(chǎn)生正面的影響。 11. 單雙極閉鎖： （ 1） 整流站閉鎖相當于突甩負荷，系統(tǒng)頻率上升； （ 2） 逆變站閉鎖相當于突然切機，系統(tǒng)頻率 下降； （ 3） 極閉鎖會使雙側(cè)交流系統(tǒng)突甩無功負荷，使電壓升高。 12. 直流制動： （ 1） 交流系統(tǒng)不能過于薄弱，否則不能起到制動作用； （ 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)電機與 HVDC 之間電氣距離長（機端升壓變和換流變），直流制動效果不會有電氣制動效果明顯； （ 4） 快速無功調(diào)節(jié)、快速勵磁、 HVDC 快投電容器和濾波器等，直流制動可以替代（或減少）切機切負荷； 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，會威脅電網(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 的特點及應(yīng)用場合： （ 1） 優(yōu)點： a) 結(jié)構(gòu)緊湊占地??； b) 無源系統(tǒng)供電 /黑啟動； c) 可聯(lián)絡(luò)弱交流系統(tǒng)； d) 獨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) 易于實現(xiàn)多端直流。 （ 2） 缺點： 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) 運行經(jīng)驗尚不足，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性仍有待檢驗。 （ 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； 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：實現(xiàn)整流和逆變； b) 直流電容：電壓支撐、抑制直流電壓波動降低直流諧波； 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) 測控與保護系統(tǒng)：測量、控制、保護； 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)閥實現(xiàn)） i. 優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單；所有閥容量相同；控制簡單，易擴展。 ii. 缺點：器件直接串聯(lián)，對于參數(shù)一致性要求高，靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓問題嚴峻，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：電平數(shù)提高有利于提高波 形質(zhì)量，降低損耗； ii. 缺點：額外的器件（鉗位二極管）增加了成本和設(shè)計復(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：進一步改善波形質(zhì)量，降低對濾波系統(tǒng)要求，甚至可以不要濾波器。 ii. 缺點：電容器電壓平衡有難度。 d) 變壓器組合式（并聯(lián)型）： 多個變換器并聯(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）： 多個變換器串聯(lián)復(fù)合而成，可提升電壓等級和 換流站容量。 f) 變壓器組合式（串并聯(lián)型）： 多個變換器串并聯(lián)復(fù)合而成，可提升電壓等級和換流站容量，可以以“搭積木”形式實現(xiàn)所需的電壓、電流等級。 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)，雙級系統(tǒng)。 注意 ：采用基本 MCC 換流器實現(xiàn)的 VSCHVDC 直流側(cè)沒有集中布置的電容器，無法采用直流中點接地方式實現(xiàn)正負極性對稱的直流線路。故一般有以下解決方法：閥交流側(cè)經(jīng)電抗器構(gòu)造中性點接地或者閥側(cè)變壓器采用 yn 形式。 注意 ：目前已投運的柔直系統(tǒng)絕大多數(shù)由 ABB 公司設(shè)計制造， VSCHVDC 換流器采用基本 VSC 實現(xiàn)，本身不能單極運行，僅直流線路可以單極運行。（有文獻稱為“偽雙極”）而由組合式 VSC 構(gòu)成 VSCHVDC 換流器時，可以實現(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 運行于圓內(nèi)任意一點，故其可獨立控制 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，保護設(shè)備，使系統(tǒng)經(jīng)濟運行，具體包括：VSCHVDC 系統(tǒng)的啟動和停止控制， 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物理量進行控制。 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，形成換流器目標輸出波形參考信號（ M、δ）。 圖 8 13 i. 常用的一般包含兩個控制環(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（變量對時間積分）；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（參考波， Vcontrol），把接受調(diào)制的信號作為載波（ Vtri），通過信 號波的調(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 的八個開關(guān)狀態(tài) 圖 8 21 八個開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)空間矢量位置 ① 步驟：確定 Vd, Vq, Vref, α ；確定時間區(qū)域 T1, T2, T0；確定 S1~S6 的開關(guān)時間。 ② 優(yōu)點：諧波?。恢绷麟妷豪寐矢撸ㄊ?SPWM 的倍）。 注意 ： SVPWM 只是利用矢量概念實現(xiàn)脈沖調(diào)制，并不是一般意義上的矢量控制，而仍然屬于標量 控制。 v. 特定諧波消除調(diào)制方法（ SHEPWM）： ① 目標：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（不對稱故障或不對稱負荷引起）；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） 保護配置原則與特點： 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），可維護性（保護功能及參數(shù)便于調(diào)整）。 b) 特點：采取分區(qū)重疊配置（交流側(cè)保護區(qū)，換流器保護區(qū)，直流線路保護區(qū)）；分層配置（系統(tǒng)級保護，裝置級保護，器件級（閥級）保護）。 （ 4） 交流側(cè)保護： a) 交流線路保護； b) 換流變壓器保護：差動保護、過流保護、中性點偏移保護、變壓器本體保護（油、氣、?）； c) 換流電抗器保護； d) 交流開關(guān)場和交流濾波器保護。 （ 5） 換流器保護： a) 換流器過電流保護； b) 換流器直流過電壓保護； c) 交流側(cè)過電壓保護； d) 觸發(fā)脈沖監(jiān)控； e) 閥自身保護； f) 輔助設(shè)備保護。 （ 6） 直流線路保護： a) 直流欠壓保護； b) 直流過壓保護 ； c) 直流電壓不平衡保護； d) 直流故障再啟動邏輯等。 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。 b) VSCHVDC：對連接系統(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