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柔性直流输电（VSC-HVDC）技术在电力系统中的最新技术和潜在应用
摘要
高压直流电（HVDC）似乎将进入另一个蓬勃发展的时期，因为第一条测试线是在瑞典约70年前由Uno Lamm博士开发的。这一技术的繁荣可以从全球范围内快速增加项目数量和重大研究兴趣中看出来。背后的主要动机来自对传统交流电网的新挑战，例如，可再生能源发电比例增加，电力市场对灵活性的要求以及环境影响。基于电压源换流器（VSC）的新型高压直流输电技术是一种可行且具有吸引力的解决方案，由于其在可控性和灵活性方面的独特优势，可以满足几乎所有上述挑战，例如，独立控制有功功率和无功功率，控制响应速度快等优点，因此致力于进一步扩大其优势并消除其缺点，如与电流型变流器（CSC）高压直流输电和交流系统相比损耗较高。 VSC-HVDC技术的新发展里程碑及其在电力系统中的应用将是瑞典的西南链接项目，该项目即将启动。它将成为电网中嵌入的第一个三端VSC-HVDC链路，标志着VSC-HVDC进入多端时间的实际应用。
本文试图追踪和总结VSC HVDC技术的重要研究和发展，特别是VSC拓扑结构，建模和控制方法，以及在电力系统中的潜在应用。 所有这些研究将对VSC-HVDC的发展，甚至对电力系统的未来发展产生深远而显著的影响。
关键词：HVDC ；VSC ；拓扑；建模；控制；多端子；混合；部分；直流电网
- 介绍
基于三相交流传输技术的传统电力系统一般运行良好，可用性和可靠性都很好。 然而，主要由于可再生能源发电比例不断上升带来挑战，这很可能会增加电网运行的可变性和不可预测性水平，增加用于电力平衡的备用电力需求，并且需要更灵活的潮流控制。 其他挑战还包括来自电力市场的要求，例如减轻输电瓶颈，以及由于环境影响而难以获得新的输电走廊，特别是在欧洲和北美地区。
由于其在可控性和灵活性方面的独特优势，高压直流（HVDC），特别是电压源换流器（VSC）HVDC，是一种可行且具有吸引力的技术，能够完成几乎所有上述挑战。 VSC-HVDC在传统交流电网中的应用包括独立控制有功功率和无功功率，控制响应非常快，使用电缆，连接弱电系统的能力，黑启动能力以及便于多终端系统构建或 甚至是完整的直流电网。 VSC-HVDC技术及其在电力系统中应用的一个重要新里程碑将是瑞典的西南链接项目，该项目即将启动。 它将成为电网中嵌入的第一个三端VSC-HVDC链路，标志着VSC-HVDC进入多端时间的实际应用。
本文第2节对HVDC技术进行了全面的介绍，包括电流型变流器（CSC）HVDC和VSC-HVDC的基本理论及其比较。 第3节介绍了近期VSC-HVDC研究的最新进展，重点介绍了变流器，建模和控制方法的新发展。 第4节展示了示例项目，并讨论了电力系统，多端VSC-HVDC系统，HVDC Classic和VSC的混合应用，VSC-HVDC链路的交流电网部分以及直流电网的潜在应用。
- HVDC basic: CSC and VSC
自从1954年瑞典大陆与哥特兰岛之间的第一条商业链路投入运行以来，高压直流输电技术已经在电力系统中使用了大约60年。如今，它可以基于开关设备分为两类： 转换器，CSC-HVDC和VSC-HVDC，CSC使用晶闸管阀作为开关装置。 它是一种线路换流器（LCC），因为晶闸管只有在通过零电流时才能关断，因此它需要线电压进行换流。 CSC-HVDC适用于高压大容量电力和长距离输电工程，不受沿长输电线路电容的影响。 典型的例子是最近在中国投产的超高压直流输电（UHVDC）项目，该项目通过两条plusmn;800千伏直流电压的架空线将大约6000兆瓦的电力从水力发电厂输送到距离2000公里的负荷区域。 其他应用包括例如 连接两个不同步的交流电网，甚至连接不同系统频率的电网。 图1显示了基于晶闸管和典型双极HVDC系统配置的6脉冲变换器。
第一个测试VSC-HVDC系统于1997年在瑞典Hellsjouml;n建成。 然后在1999年在瑞典哥特兰，第一个商用VSC-HVDC项目投入运行。 从那时起，很多项目在不久的将来就已经建成或正在进行规划。 今天，绝缘栅双极在VSC-HVDC项目中，晶体管（IGBT）通常与脉宽调制（PWM）控制方法一起使用。 采用级联连接逻辑的新型VSC拓扑 - 模块化多电平转换器（MMC）由于其独特的特性（例如， 输出电压正弦波形好，开关损耗低。 制造商已经在MMC的基础上开发出新一代的VSC，并将其应用于美国的一个实际项目中。 MMC将在第3节详细介绍。作为强制换向电压源换流器，它不需要来自电网侧的交流电压支持换向。 同时，采用PWM控制方式（或MMC级联方式），具有非常快的响应速度，特别是在干扰后的瞬态阶段。
VSC-HVDC的主要特点包括以下几点：
bull;独立控制有功和无功功率，
bull;提供无源网络和黑启动功能，
bull;高动态性能，
bull;多终端可能性
阻止其在高压和大容量电力传输中用作CSC HVDC的应用的限制主要是目前IGBT本身的容量限制。 由于PWM控制的高开关频率，与类似的CSC相比损耗更高是另一个众所周知的限制因素。 但是，通过采用新的VSC拓扑结构和调制方法，功率损耗已经降低到原来水平的近一半，随着半导体技术的发展，功率损耗将进一步降低。
到目前为止，采用双极配置的VSC-HVDC的最大功率可以达到1200 MW，电缆和2400 MW的架空线[1]。 图2显示了使用两级VSC的VSC-HVDC系统的配置。
- VSC-HVDC技术的最新技术
文献[2]报道了VSC-HVDC技术的详细描述，包括其基本理论，特性和性能。 但它的目标是一般读者，如电网运营商，投资者以及任何想了解VSC-HVDC的人。 在这里，对最近的重要研究和发展进行了总结，主要集中在转换器拓扑结构，建模和控制方法，并将其扩展到电力系统中。
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- VSC拓扑
典型的电压源换流器使用串联的IGBT作为开关器件以共享高阻断电压。 反并联续流二极管确保了转换器的四象限运行。 直流侧的电容器支持换向并为直流侧谐波提供滤波。
报道了许多VSC拓扑，特别是[3]中的多级拓扑。多电平意味着在一个相脚中可以获得两个以上的电压电平，这减少了阀门的开关时间，并使电压波形更接近正弦曲线。图3所示为二极管钳位中性点钳位三电平变换器（NPC）[4]和一个有源NPC（ANPC）[5]的拓扑结构。图4显示了带PWM的电平转换器。
尽管已经开发了许多VSC拓扑，并且在理论上显示出一些有吸引力的特征，但实际HVDC项目中的常用转换器仍然基于两级拓扑结构，或者在少数项目中基于三级转换器，如表1所列。 HVDC项目中多电平变流器应用的主要障碍在于平衡直流电容器两端的电压，设备间的不均匀损耗以及控制系统复杂性的增加。 ANPC是高压直流输电应用的有吸引力的解决方案，因为它可以处理不均匀的损耗分布。
使用级联连接方法的MMC最近备受关注（见图5）[6-8]。
与其他两种类型的转换器相比，区别在于MMC没有连接直流总线的普通电容器。 MMC的工作原理是，由两个阀组成的每个开关模块可以按照以下三种模式切换：
bull;S1打开，S2关闭，电容器插入电路。 该模块为相电压提供电压。
bull;S1关闭，S2打开，电容器旁路。
bull;S1和S2都关闭，当电容器电压高于外部电压时，模块将被锁定。
相比于两电平或三电平转换器，MMC对HVDC应用具有吸引力，因为级联连接方法允许每个模块在理论上每个周期只需要接通和关断一次，这大大降低了开关损耗。 当模块数量足够大时（对于HVDC应用，每个支路通常多于100个模块），输出波形可以接近正弦曲线。 这导致电压的谐波含量非常小，并且意味着在HVDC站中交流滤波器不再是必需的。
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- 建模和控制
例如，可以从例如图1中找到关于从不同观点来看的VSC-HVDC的建模和控制的大量研究。[10-25]。 研究中选择VSC模型取决于研究的时间范围。 电压源模型可能足以用于机电暂态研究，而使用理想开关的详细模型对于电磁暂态等级中的分析是必需的。 虽然第2节介绍了各种转换器拓扑结构，但请记住，无论采用哪种拓扑结构，VSC始终可视为交流滤波器后从交流电网侧看到的等效理想电压源。 转换器的控制系统可以自由指定产生的正弦波电压波形的幅度，相位和频率。 当然，转换器的容量控制系统设计和稳定性研究应考虑到限制。图6显示了具有功能限制的VSC操作区域。
电流控制器是VSC控制系统的核心部分，通常按滞后，线性PI和无差拍预测调节器进行分类[16]。基于矢量电流控制理论的线性PI控制器由于其良好的性能而在三相VSC控制系统中被广泛应用[17]，而在静止坐标系下新型比例 - 谐振（PR）控制器被报道在[16,18]中不需要dq变换，可以提高转换器的参考跟踪性能。 [19,20]介绍了另一种新型的控制器 - 功率同步控制器，它使用同步电机的内部同步机制来使VSC与交流电网同步。这种新型控制器通过电源同步环（PSL）取代了锁相环（PLL），并且可以克服弱交流系统连接中使用的矢量电流控制器的问题。不平衡电流控制方法被报道在[21]中的不平衡网络条件下工作，通过组合正负d-q帧中的两个控制器。参考文献[14]研究了VSC连接到孤岛网络时的工频控制模式。对于多端VSC-HVDC系统，还需要一个控制部分来确保VSC之间正确的功率共享。参考文献[22] [23]提出了一种直流电压裕量控制方法来协调电网侧VSC之间的直流潮流，这与经典HVDC系统中的电流裕度控制方法相对应。在[24]和[25]中报道了一种直流电压下垂控制策略，以实现相同的目标。
- 项目和潜在应用的例子
VSC-HVDC目前的应用主要集中在海上风电，连接异步电网以及必须使用电缆的情况下的集成。 表1显示了项目的例子。
这些项目清楚地展示了VSC-HVDC技术的发展。 额定功率从不到100MW增加到超过1000MW，直流电压从10kV增加到320kV。 所有这些改进实际上对应于VSC拓扑和控制方法的更新，从2级拓扑到多级，然后是MMC现在。
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- 多端VSC-HVDC
由于在VSC-HVDC系统中通过改变直流电流的方向和保持直流电压恒定来改变直流功率的流动方向，所以用VSC-HVDC构建多端直流系统比CSC-HVDC更容易。已有许多相关研究报道，其中一些是[24-39]。 [24-34]的研究确定了使用多端VSC-HVDC集成大型海上风电场的优势。图7显示了连接风电场的多端直流系统的典型配置。
[35-38]的研究提出了一种替代解决方案，即使用多端VSC-HVDC系统向大城市的负荷中心供电。单线图如图8所示。
参考文献[39]研究了多端VSC-HVDC在传输层面的应用，并指出多端配置是AC网络增强充分利用经济和技术的可行方案VSC-HVDC技术的优点。如上所述，西南链路将成为全球首个多端VSC-HVDC项目，将通过提高瑞典南北传输能力和减轻挪威与瑞典南部海岸之间的瓶颈来加强北欧系统。这将证明VSC技术在电网增强方面的优势，必将吸引更多关于嵌入电网的VSC-HVDC运行水平的研究兴趣。
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- CSC和VSC的混合应用
一些试图结合CSC和VSC优点的研究报道在[40-45]。 在[40]中提出了一个包含Classic-HVDC和VSC作为STATCOM的混合系统，用于连接没有发电能力的孤岛网络，如图9所示。
混合动力系统显示出导致CSC的低资本成本和功率损耗， VSC系统的动态性能。
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- 分割交流电网
在[46]中研究了一种直流分段电网，以限制整个交流电网分解为多个部分并通过VSC-HVDC链路连接的电网扰动影响。 VSC-HVDC扮演着“防火墙”的角色，防止整个网络的干扰传播。
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- 直流电网
HVDC系统的进一步发展可能会导致传输层面出现直流电网。 参考文献[47]指出，直流网络可能会因多端直流电压电平的不同而不同于多端直流输电，并研究了基于大功率直流/直流转换器开发直流输电网的原理。 研究报告[48,49]研究了直流电网在LV和MV级别的可行性和效率。 直流电网络也是海上风电场内风力涡轮机互连的有吸引力的解决方案。 [50]研究了基于谐振dc-dc转换器的直流海上电网。
- 小结
在本文中，介绍了VSC HVDC技术的最新进展。 最近VSC技术最重要的发展是MMC在高压直流输电领域的应用。 它不仅进一步增强了VSC-HVDC的优势，如快速动态响应，独立的有功和无功功率控制，以及连接到“黑色”网络的能力，还消除了一些众所周知的缺点，如高开关损耗和谐波。 其他一些改进，如增加SVC容量和各种新的控制方法，也扩展了电网中的VSC应用。 从应用角度看，多端VSC-HVDC是另一个显着的改进。 将直流链路连接在一起形成多端VSC-HVDC系统的自然想法很可能导致直流电网的出现，这可能会深刻影响电力网的未来。
参考文献
[1] P. Jiuping, R. Nuqui, K. Srivastava, T. Jonsson, P. Holmberg, and Y. J. Hafner, 'AC Grid with Embedded VSC-HVDC for Secure and Efficient Power Delivery'
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