新型可控换相换流器原理及其在直流输电中的应用

新型可控换相换流器原理及其在直流输电中的应用 汇报人：荆平 国网智能电网研究院有限公司 2023年05月26日 一、技术需求及现状 汇报提纲 contents 二、可控换相换流器原理 三、系统特性 四、样机与应用 五、总结与展望 2 常规高压直流输电技术具有输送距离远、容量大等技术经济优势，是我国实施西电东送战略的重要支撑技术，占西电东送总容量50%以上。 我国已投运30余条高压直流工程，华东和广东分别高达13条和8条，已形成世界上容量最大、落点最密集、网络最复杂的多馈入直流系统。 西北 西南 风电基地±500kV 2020年输送电力占东部总用电量40% 序号 工程名称 电压/容量 工程名称 电压/容量 华东地区直流 白鹤滩-江苏 ±800kV/8GW 1 葛洲坝-南桥 ±500kV/1.2GW 白鹤滩-浙江 ±800kV/8GW 2 龙泉-政平 ±500kV/3GW 广东地区直流 3 宜都-华新 ±500kV/3GW 楚雄-广州 ±800kV/5GW 4 团林-枫泾 ±500kV/3GW 大理-深圳 ±800kV/5GW 5 复龙-奉贤 ±800kV/6.4GW 普洱-广州 ±800kV/5GW 6 锦屏-苏南 ±800kV/7.2GW 荆州-惠州 ±500kV/3GW 7 溪洛渡-浙西 ±800kV/8GW 天生桥-广州 ±500kV/1.8GW 8 灵州-绍兴 ±800kV/8GW 安顺-肇庆 ±500kV/3GW 9 晋北-南京 ±800kV/8GW 州兴仁-深圳 ±500kV/3GW 10 锡盟-泰州 ±800kV/10GW 昭通-从化 ±500kV/3.2GW 11 昌吉-古泉 ±1100kV/12GW 3 华东 煤炭资源水能资源负荷中心 ±800kV ±1100kV广东 整流站逆变站 常规直流输电采用电网换相换流器（Line-Commutatedconverter，LCC），由晶闸管串联构成，只能控制开通，须借助电网提供反向电压才能关断，当交流故障引起电压跌落时，导致反向电压不足又重新导通，发生换相失败。 LCC-HVDC系统LCC换流器 换相失败前后电压电流波形 4 换相失败发生后，换流器中同一相的另一个桥臂触发开通后则会导致上下两个桥臂同时导通形成直流短路，导致直流功率跌落至零。 同时，直流电流和触发角的大幅变化引发换流器无功波动，幅度达到换流容量的40%-50%。 触发角 交直 流流直流电压 侧侧 直流电流 有功功率 无功功率 上下桥臂直通、直流侧短路 换相失败期间直流电压电流波形 换相失败期间有功无功功率波形 5 单条直流发生换相失败后，随着交流故障的清除，一般在200ms内恢复功率输送并稳定运行，不会对电网造成危害。 多馈入直流系统中单一交流故障就能引发多回直流同时换相失败，故障期间多个换流站同时吸收大量无功，拉低受端电网交流电压，可引发区域性电压凹陷甚至失稳。 电压凹陷区域 单一交流故障导致连锁换相失败 多回直流功率跌落 无功不足电压凹陷落 6 故障后期送端换流器因直流电流下降吸收无功骤减，低于换流站滤波器发出的无功，导致换流站总的无功过剩，引起交流系统过电压，最高可超过1.5p.u.，易造成送端新能源机组大规模脱网（目前国标要求风机高电压穿越能力为1.3p.u.）。 多直流同时换相失败后区域间直流传输功率大幅下降，引起电网潮流大范围转移和重新分布，对交流联络线造成严重功率扰动甚至发生功角失步。 高比例新能源 + 多直流送出 送端1.5倍过电压 送端无功过剩 直流功率中断 换相失败 高比例新能源弱送端直流系统 送端电网无功与电压波动 换相失败导致交流联络线功率振荡 7 随着双碳战略的实施，西部大规模新能源仍需通过更多高压直流输送到东部负荷中心，直流落点将更加密集，多回直流换相失败引发的功率冲击将进一步增大。 同时，东部新能源占比也日益增大，交流系统惯性和抗扰动能力进一步下降，多直流换相失败影响范围将更大，电网将面临更大的系统风险。 高压直流 汇集送出 2025年西北地区风电装机将达到1.5亿千瓦，光伏发电装机达到1.8亿千瓦。 西北地区风光基地 十四五规划“直流” 白鹤滩-江苏±800kV直流工程白鹤滩-浙江±800kV直流工程雅中-南昌±800kV直流工程陕北-武汉±800kV直流工程甘肃-山东±800kV直流工程新疆-重庆±800kV直流工程金上-湖北±800kV直流工程 新能源汇集送出消纳 大规模海上风电 负荷中心 2025年海上风电装机将达3000万千瓦。 8 为了应对上述问题，目前采用的换相失败防御措施主要包括： （1）直流系统控制：通过检测交流电压跌落程度并增大关断角，可以避免部分换相失败，但是难以兼顾控制调节过程在多直流间产生的相互影响。 交直流电气耦合 （2）限制直流输送功率水平：通过降低直流换流站输送功率水平降低换相失败影响效力。 检测交流母线电压 增大关断角 或 幅值低于阈值 零序分量大于阈值 直流换相失败预测控制策略 多直流间产生的相互影响 直流换流站控制 9 （3）系统电压支撑：在换流站安装STATCOM、调相机等装置部分补偿交流电压，增加动态无功支撑能力。STATCOM抗扰动能力较弱；调相机增加系统短路电流，在短路电流超标地区不宜采用。 上述措施缓解了换相失败发生后的系统风险，但是无法从源头避免换相失败的发生。 滤波器 换流器 调相机：换相失败期间补偿20-50%换流站不平衡无功；成本1.5亿/300Mvar。 调相机 STATCOM：电压突然跌落无功响应速度慢，严重交流短路故障时会闭锁退出。 STATCOM 换流站无功补偿装置调相机 10 柔性直流（VSC）技术采用全控IGBT器件，不存在换相失败问题，最大容量为5000MW。 VSC不具备直流短路电流清除能力，为避免直流线路短路后系统停运需将换流器中70%子模块改为全桥模块，IGBT数量增加70%，成本为LCC的3~4倍，站损耗达1.5%（LCC的2倍）。 + 半桥模块 全桥模块 约200个功率模块 交流输出电压 -Ud/2 Ud/2 项目 LCC技术 VSC技术 站损耗占比 0.7% 1.5% 容量 8000MW 5000MW 过负荷能力 1.3% 1.05% 直流故障清除能力 有 全桥模块或配置直流断路器 成本 1.0p.u. 3.7p.u. 目前柔性直流换流器中IGBT器件通流能力已经接近极限，短时过负荷能力仅有1.05p.u.，远低于LCC换流器（1.3p.u.)。 柔直阀拓扑结构 技术经济指标11 一、技术需求及现状 汇报提纲 contents 二、可控换相换流器原理 三、系统特性 四、样机与应用 五、总结与展望 12 基于半控-全控器件混合的思路，考虑换流器运行损耗和成本，提出了可控换相换流器拓扑。 在原晶闸管阀基础上串联少量IGBT，作为主通流支路，并实现电流转移。 采用高压小电流全控阀作为并联支路，暂时承接主支路电流，为晶闸管阀提供足够的反向关断电压，实现可控关断。 高压大电流 晶闸管阀 低压大电流 IGBT阀 主支路 辅助支路 高压小电流辅助阀 正常通流 关断 电流转移 强迫换相 关断 可控换相换流器拓扑 桥臂电流转移过程13 正常运行时，桥臂导通时同时触发主支路晶闸管子阀和IGBT子阀，进入通流阶段，辅助支路保持关断。 120°（三分之一周期）之后，另一相桥臂触发导通，进入桥臂换相阶段。 主晶闸管阀（V11阀） 低压IGBT阀 （V12阀） 辅晶闸管阀 （V14阀） 高压IGBT阀 （V13阀） 桥臂1导通桥臂1向桥臂3换相桥臂3导通 换相等值电路 阀1导通区间阀3导通区间阀5导通区间 阀2导通区间阀4导通区间阀6导通区间 CLCC各子阀拓扑 桥臂换相过程14 交流电压正常时，主支路电流下降至一定幅度后，主支路关断同时开通辅助支路，电流转移至辅助支路，然后在交流电压作用下桥臂电流继续向其它桥臂转移，不影响换相过程。 换相过程完成后，主辅支路电流均降为零，辅助支路零电流零电压关断，不会产生关断过电压以及附加损耗。 V11 V12 V11 V12 主支路电流 转移至辅助支路 桥臂完成自然换相 V14 V13 V14 V13 500μs~2ms 主支路电流 辅助支路电流 电流自然过零 t2 t3 t4 t5 t6 V11电压 V11关断角γ 正常运行自然换相过程 1）t3时刻V12关断、V13/V14开通，电流转至辅助支路；2）t5时刻桥臂电流过零，完成自然换相；3）t6时刻V13零电流关断。15 当发生交流侧故障时，桥臂电流无法通过正常换相转移至其它桥臂，无法完成自然换相。 采用正常运行时相同控制时序，电流转移至辅助支路后，通过辅助支路全控阀关断将电流关断，电流转移至避雷器，由避雷器产生换相电压，完成桥臂间的电流换相，避免换相失败。 V11 V12 V11 主支路电流 转移至辅助支路 V14 V13 500μs~2ms 辅助支路 电流t5 未自然过零 V11关断角γ 辅助支路电流转移 V12 主支路电流 V12关断V13关断 强迫换相阶段 至辅助支路避雷器t2t3t4 V14 V13 晶闸管阀V11电压 交流故障时桥臂强迫换相 1）t3时刻主支路电流往辅助支路转移；2）t5时刻辅助支路IGBT阀关断，电流转移至并联避雷器，增强换相电压，完成强迫换相。 16 CLCC换流器具有两种工作模式： CLCC工作模式：辅助支路投入使用，换流器具备抵御换相失败能力； LCC工作模式：整流运行或无需辅助换相时，换流器返回LCC工作模式。 V11 V12 V11 V12闭锁 V14 V13 V14 V13闭锁 MOV MOV 辅助支路故障时主支路可以继续工作，以LCC模式继续输送功率，提高系统可靠性 17 一、技术需求及现状 汇报提纲 contents 二、可控换相换流器原理 三、系统特性 四、样机与应用 五、总结与展望 18 稳态运行时，CLCC换流器内部主辅支路电流转移过程整个桥臂仍处于导通状态，不影响桥臂总电压和总电流，不改变换流器的外特性。 CLCC无功与谐波特性与LCC一致，无需改变交直流滤波器配置。 交流电流 桥臂电流 直流电压 桥臂电压 各特征谐波幅值 换流器电压电流波形 19 发生直流短路时，送端LCC与受端CLCC同时调整触发角度降低直流电压，使直流电流降为0，故障清除后系统自动重启恢复功率输送，响应特性与LCC一致。 电流过零熄灭故障清除后自动重启 2 0 交流短路故障期间，CLCC不会发生换相失败，能够维持较高的直流功率传输。 交流单相短路故障，直流功率传输水平与故障期间交流电压幅值成正比关系，最低可维持60%以上功率传输。三相故障受VDCOL影响，当电压跌落0.4pu后，传输功率下降较大。 60%额定功率水平线 单相短路故障有功功率三相短路故障有功功率 21 交流故障期间，CLCC无功波动幅度相较于LCC换流器大幅下降。 单相金属短路故障条件下，送端系统不会出现无功过剩，过电压<1.1p.u.。 过电压>1.3p.u.CLCC无过电压 LCC过电压CLCC电压波动小 单相短路故障换流站总吸收无功三相故障（电压50%)换流站总吸收无功 22 受端交流系统故障期间，采用直流电压紧急支撑控制策略使桥臂电流在120°内提前关断，通过避雷器动作电压补偿直流电压缺口，维持直流电压稳定，使送端传输功率保持稳定，有功无功波动率降至0.1p.u.以下。 桥臂提前关断，MOV提升直流电压 主支路电流 正常模式 辅助支路电流 主支路电流 电压支撑 辅助支路电流 阀电