混合直流輸電(平裝)（簡體書）

隨著電力電子器件的不斷發展和直流輸電技術的廣泛應用，結合電流源LCC換流器與電壓源VSC換流器的混合直流輸電系統已成為研究熱點。《混合直流輸電》針對三種典型的混合直流輸電系統進行介紹，即並聯混合多饋人直流輸電系統、一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統、含STATCOM的LCCHVDC系統。主要內容包括混合直流輸電系統的基本運行原理、各系統間相互作用機理、協調控制策略、建模與仿真技術等。
《混合直流輸電》適合從事傳統直流輸電與電壓源換流器直流輸電系統相關工作的工程師使用，也可以作為高等學校電力系統相關專業教師和學生的參考書。

趙成勇
華北電力大學教授，博士生導師。2013年1～3月在加拿大Manitoba大學做客座教授。入選華北電力大學學科帶頭人支持計劃，教育部、國家外國專家局“高等學校學科創新引智計劃”項目中方成員，IEEE會員，中國電源學會電能質量專業委員會委員。
發表論文210篇，被SCI、EI收錄100余篇，獲省部級科學技術獎勵3項。負責國家863計劃課題和國家自然科學基金項目等國家級項目4項；在研項目10項，全部圍繞直流輸電開展。

傳統直流輸電又稱為電網換相高壓直流輸電或電流源換流器高壓直流輸電，隨著我國東部地區經濟的快速發展，其用電量還將顯著增加，同時東部地區霧霾頻發，大氣環境容量已趨於飽和，遠距離大功率輸電已成為必然選擇。LCC-HVDC憑藉其在遠距離大容量輸電和電網互聯方面的優勢，已成為我國西電東送和北電南輸的主要輸電方式，在電網中發揮著不可替代的作用。目前我國有21條LCC-HVDC線路運行，已成為世界上直流輸電工程最多的國家。預計到2020年，我國跨區電網輸送容量將達到4億kW，為此將建成15個特高壓直流輸電工程，屆時我國LCC-HVDC工程總計將達38項以上。
LCC-HVDC由於使用半控型電力電子器件晶閘管作為換流元件，存在明顯的缺點，主要表現為：完全依賴交流電網運行，存在換相失敗問題，缺少運行獨立性；兩端換流設備需消耗所傳輸有功功率50%左右的無功功率.需要大量無功補償設備；不能在極弱受端交流系統條件下運行，且無法作為電網大停電後的恢復電源；多饋人直流系統中，容易導致多個換流器發生級聯換相失敗等。隨著LCC-HVDC工程數量和容量的快速增加，解決上述問題刻不容緩。
伴隨著電力電子技術的發展，以全控型器件為基礎的電壓源換流器高壓直流輸電得到快速發展。國內將該技術命名為柔性直流輸電，以區別於採用晶閘管的傳統直流輸電技術，ABB公司將這一技術稱為HVDCLight，西門子公司則稱之為HVDCPLUS。國際上，在建的單個VSC-HVDC工程容量達到2×1000MW，電壓等級達到單極500kV，並且VSC-HVDC工程容量和電壓等級仍在快速增長之中。
VSC-HVDC由於採用全控型器件作為開關元件，恰好能彌補LCC-HVDC的主要缺點。與上述LCC-HVDC不足相對應，VSC-HVDC的主要優點包括：不依賴交流電網運行，沒有換相失賅問題；不需要或僅需少量無功補償設備，有功功率和無功功率可在四象限運行；可以向無源網絡系統供電，且可作為電網黑啟動電源；多饋入直流輸電系統中，可作為獨立電源向電網提供穩態和暫態支撐等。相比於LCC-HVDC，目前VSC-HVDC的弱點主要是容量和電壓等級仍相對較小、運行損耗較大等。
將LCC-HVDC和VSC-HVDC通過不同的接線方式和拓撲進行結合，形成混合直流輸電系統，可以克服兩者各自存在的問題，發揮兩者各自的長處。目前，混合直流輸電已成為輸電方式的研究熱點。
近幾年，混合直流輸電技術已經在實際工程中得到了應用。在歐洲，ABB公司在挪威和丹麥之間原有三極LCC-HVDC系統的基礎上，2014年將投入運行單極500kV、700MW的Skagerrak HVDC Interconnections Pole4工程，從而構成混合四極直流輸電系統，以充分發揮LCC-HVDC和VSC-HVDC各自的特點。在加拿大，曼尼托巴省正在計劃建設一條直流輸電線路，該工程的兩端擬採用送端LCC受端VSC的混合直流輸電方式，同時該工程建成之後將與已有的兩條LCC-HVDC -起，構成包含電流源饋入和電壓源饋入的並聯混合多饋入直流輸電系統。
我國上海已有多條LCC-HVDC線路饋入，而南匯風電場通過VSC-HVDC並人上海電網，形成了並聯混合多饋人直流輸電系統，不過由於南匯VSC-HVDC的容量很小，暫無對該系統的相關研究工作。在浙江省舟山嵊泗島和上海蘆潮港之間有一條LCC-HVDC線路，容量為60MW，而即將建成的舟山五端VSC-HVDC工程，其中一端落點也在嵊泗，容量為100MW，這樣在嵊泗島將形成混合雙饋入直流輸電系統，將首次面臨兩類不同直流系統的協調配合問題。南方電網為改善交流系統的電壓動態特性，減少LCC-HVDC換相失敗的次數，已在廣州北郊投運了靜止同步補償器（staticsynchronouscompensa-tor，STATCOM），其本質也可視為電壓源型換流器和電流源型換流器組成的混合直流輸電的一種形式。

《智能電網研究與應用叢書》序
前言
第1章緒論
1．1 LCC-HVDC的優勢和不足
1．2 VSC-HVDC的優勢和不足
1．3並聯混合多饋人直流輸電系統結構
1．3． 1拓撲結構
1．3．2作用和應用前景
1．4一端LCC-端VsC的混合直流輸電系統結構
1．4．1拓撲結構
1．4．2作用和應用前景
1．5含STATCOM的LCC- HVDC系統結構
1．5．1拓撲結構
1．5．2作用和應用前景
參考文獻

第一篇並聯混合多饋入直流輸電系統
第2章並聯混合多饋入直流輸電系統的運行特性
2．1 LCC -HVDC的運行特性
2．1．1數學模型
2．1．2 CIGRE標準測試模型
2．1．3穩態和暫態特性
2．2 VSC-HVDC的運行原理與控制策略
2．2．1基本運行原理
2．2．2控制策略
2．3並聯混合雙饋人系統的控制策略和穩態特性
2．3．1系統結構
2．3．2控制策略
2．3．3穩態特性分析
2． 4傳統雙饋入和並聯混合雙饋入系統的對比分析
2．4．1傳統雙饋入和並聯混合雙饋人系統
2．4．2穩態特性的對比分析
2．4．3暫態過電壓的對比分析
2．4．4換相失敗免疫特性的對比分析
2．4．5故障恢復特性的對比分析
2．5混合雙極系統的控制策略和系統特性
2 ．5．1混合雙極系統的結構
2．5．2混合雙極系統的模型
2．5．3混合雙極系統的協調控制策略
2．5．4混合雙極系統的運行特性
2．6本章小結
參考文獻
第3章並聯混合雙饋入系統中VSC-HVDC對LCC-HVDC的影響
3．1視在短路比增加量
3．1．1視在短路比增加量的提出
3．1．2視在短路比增加量的計算步驟
3．1．3視在短路比增加量的求解算例
3．2視在短路比增加量的驗證
3．3本章小結
參考文獻
第4章受端為無源網絡的並聯混合雙饋入系統特性分析
4．1 LCC-HVDC參與電網恢復的意義
4．2受端是無源網絡時並聯混合雙饋入系統的結構和控制策略
4．3 LCC-HVDC和VSC- HVDC的相互影響
4．3．1正常運行狀態時的相互影響
4．3．2公共交流母線電壓變化時的運行特性
4．3．3公共交流母線發生故障時的動態運行特性
4．3．4無功補償裝置容量對VSC-HVDC調節範同的影響
4．4受端是無源網絡時並聯混合雙饋人系統的仿真分析
4．4．1系統參數
4．4．2啟動和穩態特性分析
4．4．3故障特性分析
4．5本章小結
參考文獻

第二篇一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統
第三篇含STATCOM的LCC-HVDC系統

傳統高壓直流輸電又稱為電網換相高壓直流輸電(LCCＧHVDC )或電流源換流器高壓直流輸電(CSCＧHVDC ),採用普通晶閘管作為換流元件.與此相對應,電壓源換流器高壓直流輸電(VSCＧHVDC )採用全控型器件作為開關元件.混合直流輸電系統結合了二者的優勢,將在未來電網的發展中發揮重要的作用.本章將介紹LCCＧHVDC和VSCＧHVDC的優勢和不足,詳細描述三種典型混合直流輸電系統的拓撲結構,即並聯混合多饋入直流輸電系統、一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統和含靜止同步補償器(stAticsynchroＧ nouscompensAtor,STATCOM)的LCCＧHVDC系統,並分析這三種混合直流系統各自的特點、作用和應用前景.
11 LCCＧHVDC的優勢和不足
20世紀50年代以來,LCCＧHVDC以其遠距離大容量輸電、有功功率快速可控等特點在世界範圍內得到了快速發展.與高壓交流輸電相比,它具備很多優點[1,2]:1不存在交流輸電的穩定性問題,有利於遠距離大容量輸電;
2線路造價低,且沒有交流線路的對地電容電流問題;3可實現兩個電網的非同步聯網;4有功功率快速可控,有利於改善交流系統的運行特性;5可單極運行,提高了LCCＧHVDC的運行可靠性,也有利於分期建設.
但是因為LCCＧHVDC採用無自關斷能力的普通晶閘管作為換流元件,所以LCCＧHVDC系統需要藉助一定強度的交流系統來實現換相,這使得LCCＧHVDC客觀上存在一些局限,主要包括如下幾方面[1,2].
(1)LCCＧHVDC的運行容易受交流電網的影響.當交流電網發生故障或三相嚴重不對稱造成交流母線電壓下降時,LCCＧHVDC容易發生換相失敗.為避免發生連續換相失敗,LCCＧHVDC通常採用簡單的閉鎖措施,使LCCＧHVDC自身安全地退出運行,其結果會使交流系統突然失去一個很大的有功電源,可能導致事故的擴大.
(2)LCCＧHVDC不能在極弱受端交流系統下運行.LCCＧHVDC要求受端交流系統必須是有源網絡而且有足夠的短路容量,如果受端交流系統短路容量太小,LCCＧHVDC將失去運行的基本條件.
(3)LCCＧHVDC不能作為電網大停電的恢復電源.由於LCCＧHVDC依賴交流系統運行,當交流系統發生大停電時,電網恢復初期交流系統很弱,LCCＧHVDC不具備運行條件,不能作為啟動電源參與電網的恢復過程,LCCＧ HVDC有功功率快速可控的特點也不能在電網恢復的過程中得到發揮.
(4)LCCＧHVDC需要消耗大量的無功功率,其數值為輸送有功功率的40％~60％ ,因此需要大量的無功補償和濾波裝置.首先,這些設備增加了換流站的投資和運行維護費用;其次,大量的無功補償和濾波設備在特定的情況下可能引起過電壓問題.例如,LCCＧHVDC系統在逆變側甩負荷、緊急停運、換流器丟失觸發脈衝、交直流線路故障等情況下,換流器消耗的無功功率迅速減小,換流站過剩的無功功率將會注入所聯的交流系統,引起換流站交流母線電壓升高,導致過電壓問題,從而造成絕緣配合困難,並增加整個系統的造價.
雖然LCCＧHVDC系統存在上述缺陷,但是它在技術和經濟上的獨特優勢,使其對我國電力工業的發展起到十分重要的作用.自1987年舟山直流輸電工程投運以來,計及目前已投運的雲南—廣東、向家壩—上海、錦屏—蘇南、糯扎渡—廣東、哈密—鄭州5條±800kV特高壓直流輸電工程,我國已建成投運的LCCＧHVDC工程共有21項.到2020年,我國將建成15個特高壓直流輸電工程.屆時我國建設的LCCＧHVDC工程總計可達38項,將佔世界新建LCCＧHVDC工程的一半以上.在未來一定時期內,LCCＧHVDC在遠距離
大容量輸電和電網互聯兩個方面在我國電網中將佔有不可替代的地位.
目前,隨著LCCＧHVDC容量的增加,受端交流系統的強度相對減弱.例如,在華東電網和南方電網,由於多條LCCＧHVDC的饋入,受端交流系統的強度相對減弱.同時,在我國某些區域,由於受端系統本身就是弱系統,LCCＧ HVDC的運行存在潛在的威脅.例如,為給西藏經濟社會發展提供可靠的電力供應,青海—西藏直流聯網工程已經投入運行,但是西藏受端系統是一個弱系統,其運行可靠性面臨挑戰,同時,交直流混聯的複雜電網由於故障等原因,很有可能發生連續換相失敗,甚至造成大範圍停電事故.在華東和廣東電網,均形成包含多條±800kV特高壓直流輸電系統、±500kV直流輸電系統的直流多落點電網,且各個直流逆變站間的電氣距離都比較小,交流與直流、直流與直流之間有很強的相互作用,因而在某些情況下,有多個直流系統同時發生換相失敗且難以恢復的可能,該情況將對系統的安全穩定性造成不可估量的危害.可見,換相失敗是LCCＧHVDC急需解決的關鍵問題之一.因此,無論是目前還是將來,如何克服LCCＧHVDC的不足,提高其運行獨立性,使其更好
地發揮對電網的支撐作用,對我國電網的安全穩定運行具有重要意義.
12 VSCＧHVDC的優勢和不足
20世紀90年代後,以全控型器件為基礎的電壓源換流器高壓直流輸電(VSCＧHVDC)得到了快速發展.由於這種換流器功能強、體積小、可減少換流站的設備、簡化換流站的結構,ABB公司將這一技術稱為HVDCLight,西門子公司稱其為HVDCPLUS,我國稱其為柔性直流輸電.本書為了強調柔性直流輸電與傳統直流輸電的不同換流方式,採用國際上通用的學術名稱,即將柔性直流輸電稱為VSCＧHVDC.
自1997年世界首個VSCＧHVDC試驗工程(赫爾斯揚工程,額定功率3MW,直流電壓±10kV)投入運行以後,後續建設的VSCＧHVDC工程電壓等級和傳輸容量均大幅提升,但大都基於兩電平、三電平電壓源換流器.由於早期工程普遍採用脈寬調製(pulsewidth modulAtion,PWM)技術,換流器損耗較大.例如,美國2002年投運的Cros
Sound工程,額定傳輸容量330MW,工程實測滿負荷損耗為4％[3].同時,由於單個全控器件的耐壓能力有限,無法滿足高電壓大容量的需求,需要使用大量IGBT組成串聯閥體.由於各個器件的開通關斷特性不盡相同,多個IGBT串聯會帶來靜態、動態均壓困難以及電磁干擾等問題[4],從而製約了VSCＧHVDC技術的發展.為解決上述兩電平、三電平VSCＧHVDC技術存在的缺陷,2003年,德國聯邦國防軍大學的LesnicAr和MArquArdt提出了模塊化多電平換流器(modulArmultilevelconＧ verter,MMC)拓撲[5],並研製了2MW、17電平的試驗樣機[6].之後ABB公司提出了類似於MMC的級聯兩電平換流器(cAseAdedtwolevelconverter, CTLC)結構[7].MMC採用子模塊(subＧmodule,SM)串聯的方式構造換流閥,避免了IGBT的直接串聯,降低了對器件一致性的要求.同時,特殊的調製方法決定了其可以在較低的開關頻率(150~300Hz)下獲得很高的等效開關頻率.隨著電平數的升高,輸出波形接近正弦,可以省去交流濾波器. MMC子模塊的拓撲結構主要有半橋型子模塊(hAlfＧbridgesubＧmodule,HBＧ SM)、全橋型子模塊(ful
ＧbridgesubＧmodule,FBSM)和雙箝位型子模塊(clAmpＧdoublesubＧmodule,CDSM)[8].這些新型拓撲結構為VSCＧHVDC在
未來高電壓大容量場合的應用提供了技術支持.目前,全世界已投運的VSCＧHVDC輸電工程有18項, VSCＧHVDC系統在我國也已成為研究和工程應用的熱點,國家電網公司在上海建立的“上海南
匯柔性直流輸電示範工程”,額定輸送功率18MW ,直流電壓±30kV ,已於2011
年投入運行.廣東南澳三端柔性直流輸電示範工程已於2013年12月25日投
運.此外,浙江舟山五端柔性直流輸電重大科技示範工程也即將投運.
與LCCＧHVDC相比,VSCＧHVDC具有以下主要技術特點[9,10 ].
(1)正常運行時VSCＧHVDC可以同時且相互獨立地控制有功功率和無功功率,而LCCＧHVDC可控制有功功率,對無功功率的調節能力很弱,因此,VSCＧHVDC控制更加靈活方便.
(2)VSCＧHVDC可以更加方便地進行潮流反轉.VSCＧHVDC只需要改變直流電流的方向即可實現潮流反轉,不需要改變直流電壓的極性.這一特性使得VSCＧHVDC的控制系統配置和電路結構都保持不變,既不用改變VSCＧHVDC的控制模式,也不需要閉鎖換流器,整個反轉過程可以在很短時間內完成.
(3)VSCＧHVDC能夠起到STATCOM的作用,動態補償交流母線的無功功率,穩定交流母線電壓. (4)VSCＧHVDC的器件可以實現自關斷,可以工作在無源逆變方式,可以向無源網絡供電.
(5)VSCＧHVDC可以作為電網故障後的恢復電源,幫助電網快速恢復.2003年美國東北部814大停電時,美國長島VSCＧHVDC工程的表現充分驗證了VSCＧHVDC系統的黑啟動能力.[
VSCＧHVDC系統的技術特點使其可以在如下很多場合中得到應用10 ]. (1)VSCＧHVDC技術上的優勢,使可再生能源(風能、太陽能等)通過VSCＧHVDC系統聯網成為一種發展趨勢.
(2)目前
,城市的輸電走廊已經非常緊張,原有配電網絡已經不能滿足用電量的需求,而採用VSCＧHVDC系統通過直流電纜向城市供電是解決該問題的一種很好的途徑.
(3)由於VSCＧHVDC可以工作在無源逆變方式,可以向孤島供電.
(4)
由於VSCＧHVDC系統具有直流電壓極性不變的特點,可以非常方便地構成多端VSCＧHVDC系統. (5)VSCＧHVDC系統可以用來進行非同步電網的互聯,還可以改善系統運行特性,提高電能質量.總之,VSCＧHVDC在技術上有若干優勢,如果採用混合直流輸電技術,

可彌補LCCＧHVDC的不足,合理地發揮LCCＧHVDC和VSCＧHVDC的長處.LCCＧHVDC和VSCＧHVDC構成的混合直流系統是通過VSCＧHVDC的
控制,使LCCＧHVDC徹底避免或減少換相失敗(視不同混合拓撲結構而定),提高LCCＧHVDC的獨立性,減少交流電網與直流系統之間的電磁耦合,從而對電網的安全穩定運行起到重要的作用.
國內外很多學者提出了多種不同拓撲結構的混合直流輸電系統,主要有五種結構:1並聯混合多饋入直流輸電系統;2一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統;3含STATCOM的LCCＧHVDC系統;4混合多端直流輸電系統;5一端由LCC和VSC串聯組成的混合直流輸電系統等.本書分為三篇,分別針對前三種典型的混合直流輸電系統進行介紹,所提供的方法和結論對於後兩種混合拓撲結構也具有重要的借鑒意義.
本章13~15節將分別闡述以上三種混合直流輸電系統的拓撲結構、作用和應用前景.
13並聯混合多饋入直流輸電系統結構
131拓撲結構
當多條直流輸電線路落點於同一交流系統時,就形成了多饋入直流輸電(multiＧinfe
ddirectcur
ent,MIDC)系統.如果其中一條或幾條直流線路是VSCＧHVDC時,便形成了並聯混合多饋入直流輸電系統.圖1Ｇ1所示為包含兩條LCCＧHVDC線路和一條VSCＧHVDC線路的並聯混合多饋入系統.
圖1Ｇ1並聯混合多饋入直流輸電系統
隨著LCCＧHVDC工程的逐漸增多及VSCＧHVDC在不同領域中的成功應用,LCCＧHVDC和VSCＧHVDC很有可能饋入同一交流母線,或者二者的
電氣距離很近,該類型的混合多饋入直流輸電系統將逐漸增多.目前,我國華東電網擁有豐富的陸上和海上風能資源,上海東海大橋南匯風電場通過VSCＧ HVDC聯網示範工程已投運,同時,已有多條LCCＧHVDC線路落點於上海附近的沿海區域.隨著東海離岸風電場的開發和西電東送工程的增多,華東電網將形成多條VSCＧHVDC和多條LCCＧHVDC混合饋入的情況.
目前,在我國的上海蘆潮港—浙江舟山嵊泗島已運行了一條LCCＧHVDC線路,容量為60MW ,而即將投入運行的舟山五端VSCＧHVDC直流輸電工程,其中一端落點也在嵊泗島,容量為100MW ,如圖1Ｇ2所示.這樣就在嵊泗島形成了由一條LCCＧHVDC線路與一條VSCＧHVDC線路組成的並聯混合雙饋入直流輸電系統.
圖1Ｇ2浙江省並聯混合雙饋入直流輸電系統案例