高压直流输电（HVDC）

最新推荐文章于 2025-05-14 15:32:02 发布

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本文详细介绍了高压直流输电（HVDC）的发展历程，从第一代汞弧阀到第三代的IGBT和MMC技术，探讨了HVDC相对于HVAC的优点，如成本效益、功耗、海底输电、无功角稳定性和容量控制。重点分析了VSC-HVDC（柔性直流）与常规直流的差异，强调了可控性、无功补偿需求和多端互联能力。

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高压直流输电（HVDC）相对于高压交流输电（HVAC）

高压直流输电的发展：

第一代汞弧阀：

第二代基于晶闸管的电网换相换流器（LCC-HVDC)：

第三代基于IGBT的电压源换流器（VSC-HVDC) 和基于IGBT子模块级联的电压源换流器（MMC-HVDC):

柔性直流输电（VSC-HVDC）和常规直流输电的区别

高压直流输电（HVDC）相对于高压交流输电（HVAC）

高压直流输电简单说就是：整流侧将高压的交流电变成高压的直流电→通过高压直流线路传输→逆变侧将高压的直流再变成高压的交流电。

高压直流输电（HVDC）相对于高压交流输电（HVAC）主要有以下优点：

（1）当输送的功率相同时，直流线路造价更低：

三相交流电需要三根导线传输，而直流电仅需两根导线（若为单极只需一根）且直流电峰值等于有效值。其次，直流输电的架空线路杆塔结构较简单，线路走廊窄，同绝缘水平的电缆可以运行于较高的电压。

（2）直流输电的功耗小：

由于直流架空线路仅使用1根或2根导线，所以有功损耗较小，并且具有"空间电荷"效应，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小.

（3）适宜海底电力输送：

一般交流输电多为高空架设，线路与大地形成一电容，但由于空气之构成电容极小，因此对电路传输影响极小；但对于地下电缆及海底电缆而言，由于电缆与陆地海洋之间会形成较大的电容，因此容抗较高空架设小，相当于形成额外的支路，进而造成额外的线损。

（4）无功角稳定性问题：

在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题，也就是说直流输电不受输电距离的限制。

（5）能限制系统的短路电流：

用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。直流输电时，就不存在上述问题。

（6）调节速度快，运行可靠：

直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转。如果采用双极线路，当一极故障，另一极仍可以大地或水作为回路，继续输送一半的功率，这也提高了运行的可靠性。

高压直流输电的发展：

第一代（19世纪70年代前）：汞弧阀为换流元件的6脉动Graetz桥。

第二代（20世纪70年代初）：晶闸管为换流元件的6脉动Graetz桥（现在工程上多用12脉动）。基于晶闸管的电网换相换流器(LCC-HVDC)

第三代第一阶段（20世纪90年代初）：基于IGBT的电压源换流器高压直流输电技术。

第三代第二阶段（2010年至今）：基于模块化多电平换流器（MMC）的高压直流输电技术。

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第一代汞弧阀：

世界上第一个真正意义上的现代化HVDC工程（基于汞弧阀），是1954年由ABB公司建设的瑞典本土到Gotland岛的海底直流输电电缆工程.

第二代基于晶闸管的电网换相换流器（LCC-HVDC)：

LCC-HVDC（line-commutated converter HVDC）是目前最为成熟的高压直流输电方式，也是至今唯一可以用于特高压直流输电（UHVDC）的方式（但是这里需要注意的是昆柳龙混合直流输电电压等级达到了800kV），其主要换流器件为晶闸管（Thyristor）。

从系统构成上分，LCC-HVDC系统主要由三部分组成，即整流站、直流输电线路和逆变站。其中换流装置、换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地以及交直流开关设备均位于两侧换流站中。

LCC-HVDC的换流阀是由多个晶闸管串联而成的，特高压直流输电工程的输电容量直接取决于超大功率晶闸管的电流和电压等级，尤其是晶闸管的电流容量，对输电容量影响较大。晶闸管芯片直径经历了从3in、4in、5in的发展，我国现在已能生产的晶闸管的芯片最大直径为6英寸，电流容量为6250A。因为晶闸管是耐压水平最高、输出容量最大的电力电子器件，所以在现今技术下超高压直流输电（≥±800kV）只能选择LCC-HVDC。

在调制方式方面，晶闸管是半控器件，可控制导通但不能控制关断。

第三代基于IGBT的电压源换流器（VSC-HVDC) 和基于IGBT子模块级联的电压源换流器（MMC-HVDC):

基于IGBT的电压源换流器因为其电流可以双向流动，因而解决了传统直流输电功率不能反转的问题，易于构成多端网络。

IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。

两电平和三电平的电压源换流器

最初发展的电压源换流器是两电平和三电平换流器。相较于LCC电压源换流器主要有以下优势：

1）无换相失败的问题；2）不需要无功补偿；3）可独立调节有功和无功功率（因其有两个控制自由度，LCC只有一个）；4）可以连接无源网络（意味着可以连接风场）；5）谐波水平低（两电平三电平电压源换流器采用PWM调制，开关频率高；MMC子模块数量足够时可以完全不需要滤波装置）；6）可以构成多端网络

两电平和三电平换流器存在的问题主要是：1）高频投切导致实际工程中制造难度很高（因为是PWM调制，但MMC不存在此问题）；2）相较于LCC容量低（主要是受限于目前可关断器件的发展）；3）难以处理直流故障（MMC采用双极子模块具备直流故障自清除能力）。

模块化多电平换流器（MMC）

MMC因为采用了子模块级联的方式，而不是两电平三电平电压源换流器的IGBT直接串联，因此制造难度大大下降，这也促进了柔性直流输电工程的发展。

具体的调制方法可以分为 5 种：1）特定谐波消除阶梯波调制（SHESM）；2）最近电平逼近调制（NLC）；3）空间矢量控制（SVC）；4）载波层叠PWM调制（Carrier-stacked PWM）；5）载波移相PWM调制（Carrier phase-shift PWM）。

对于电平数很多的MMC，最近电平逼近（NLC）是最简单的控制方式。

柔性直流输电（VSC-HVDC）和常规直流输电的区别

VSC-HVDC（Voltage Sourced Converter Based HVDC ）基于电压源换流器直流输电

LCC-HVDC（line-commutated converter HVDC）高压直流(输电

“柔性”即可控性。柔性直流和常规直流相比，其最大的优势在于：1、可控性更强，可关断器件更便于控制，无需交流侧提供换相电流；2、交流侧无需大量无功支撑，占地面积较小；3、无换相失败，可向孤岛供电；4、频次较高，仅需少容量高次滤波器。

柔性直流输电系统可用下图表示：

关键设备及其主要作用为：

换流器：电压源型结构，可关断器件采用的是IGBT或者GTO；

直流侧电容：提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；

换流电抗器：柔性直流输电系统与交流系统能量交换的纽带，同时也起到了滤波功能；

交流滤波器：采用高通滤波器结构，用于减少交流电压谐波。

二、柔性直流输电的技术优势

1、无需无功补偿，谐波水平低。相比于常规直流输电技术，柔性直流输电采用可关断器件，控制系统可以在需要的时刻关断换流阀，无需交流侧提供换相电流和反向电压，从而避免消耗大量的无功。柔性直流输电技术采用可关断器件，高频词的开关，也使得各侧波形更好，低频谐波含量更少，仅需配置较高容量的高通滤波器，就可以实现谐波的控制。

2、没有换相失败问题。柔性直流输电技术采用可关断器件，开通和关断时间可控，与电流的方向无关，从原理上避免了换相失败问题。

3、可向孤岛供电，可独立调节有功和无功功率。受端系统可以是无源网络。

4、适合构成多端系统。柔性直流输电系统的电流可双向流动，直流电压极性不能改变，也就是潮流反转时，直流电压保持不变。而常规直流潮流反转时，直流电压极性反转，直流电流的方向不变。

与传统直流相比，柔性直流的优势主要体现在孤岛供电、多端互联、无功功率控制等方面。与交流输电相比，柔性直流的优势主要体现在长距离输电、可再生能源消纳、异步联网等方面。

三、柔性直流输电的缺点