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2 大纲 2

3 大纲 3

4 电力系统发展历程 多相交流电路原理 19 世纪 80 年代末 规模大 层次复杂 实时性高 严格同步 潮流由系统阻抗决定 负荷电能质量调节差 初期直流电网 19 世纪 80 年代初 住户式供电系统 升压难度大 规模小 交流系统 电力电子技术 新型交直流系统 20 世纪中期 交直流混联系统 潮流可控 安全稳定 方式多样 电能可控 经济节能 4

5 电力电子技术演变历程 变流器 超高压直流输电 变频器 功率开关 减少通态损耗提升效率 多重化单相桥式 三相全桥三相半桥 常规电力电子技术 不控器件二极管 提高可靠性降低谐波污染 H 桥级联 直接串联 半控器件晶闸管 灵活调度运行 MMC 单元串联 柔性电力电子技术 全控器件 (IGBT IECT 等 ) 降低成本 柔性交流输电 (FACTS) 柔性直流输电 (Flexible-HVDC) 定制电力技术 减小换流器大小及重量 5

6 6 max min X 1 max X 1 min 1.0 u p jq P P Q sin 1 (1 cos 1) s s U P X U Q X 1 1 c s U U 电力电子技术的关键调控原理

7 电力电子在电力系统中的应用 柔性交流输电 (FACTS) 发电机励磁 抽水蓄能发电 TCSC 可控串补 SVC UPFC DVR 统一潮流控制器无功补偿动态电压恢复器 DSVC 配网无功补偿电机驱动 DSTATCOM 配网静止同步补偿感应加热 直流输电 风力发电 APF UPQC 太阳能发电 STATCOM 有源电力滤波器统一电能质量调节器传统高压直流静止同步补偿柔性直流电动汽车充电 LED drive 7

8 大功率变流拓扑发展及应用 柔性交流输电 SVG SSSC UPFC 高压直流输电 传统直流 柔性直流 8

9 大纲 9

10 我国能源配置对电网的需求 电压不稳定 潮流分布不均 机电振荡 新疆西北联网通道 上海 220kV 环网部分通道 江苏 500kV 过江通道和 220kV 分区电网 大规模风电开发使得电网潮流更加复杂多变 主要依靠人工经验, 采取调节机组发电出力 线路开断等措施 西藏 能源中心 西北 华中 华北 南方 负荷中心 东北 上海华东 台湾 智能电网的一个重要目标是实现大水电 大煤电 大核电 大可再生能源的远距离 大容量 低损耗输送, 有效缓解我国能源和负荷分布不均的矛盾 电网潮流控制手段不足 智能化程度低, 电网的大容量 远距离输电能力有限, 输电走廊利用率不高 10

11 输电技术的发展方向 智能输电技术电力电子技术的应用 柔性交流 对现有交流输电系统的改良和加强 并联型 :SVC( 半控 ) SVG( 全控 ) 串联型 :TCSC( 半控 ) SSSC( 全控 ) 混合型 :UPFC( 全控 ) FCL 直流输电 利用电力电子技术将电能变换为高压直流形式传输, 然后再变换为交流 传统高压直流输电 : 半控 电流源型 存在换向失败可能 柔性直流输电 : 全控 电压源型 不会换向失败 11

12 柔性交流输电技术的发展 SVG SSSC UPFC 前端并联, 实现 SVG 的功能 ; 后端串联, 实现 SSSC 的功能 ; 综合控制, 实现统一潮流控制 12

13 统一潮流控制器的发展过程 1992 年, 由美国学者 (L.Gyugyi) 提出 UPFC 的概念 世界上第一台 UPFC 装置 美国电力公司 西屋公司和美国电力科学院共同研发 1998 年投运于美国肯塔基州东部的 INZE 变电站的 138kV 高压输电线 并联部分 160MVA,1997 年 7 月投运 ; 串联 160MVA,1998 年 6 月投运 韩国 kangjin 变电站 UPFC 2003 年 5 月投运 并联 40MVA; 串联 40MVA 我国 最早由电力科学院开展相关研究,1995 年完成第一套 UPFC 的试验装置 之后哈工大和清华大学完成一套 4kVA 的试验装置 2015 年 5 月, 由南瑞集团和江苏省电力公司联合实施南京 220 千伏西环网 统一潮流控制器 (UPFC) 重大科技示范工程 13

14 统一潮流控制器的基本原理 影响线路潮流传输的因素 由节点 1 传向节点 2 的功率 1 2 VSVR VSVR P sin S R sin X X V X L L S S R coss R S R cos S Q V V V V 可知节点 1 传向节点 2 的功率与三个量有关 : 端电压 线路阻抗和功率传输角 L V X L UPFC 可看成与电网同频, 且幅相可调的同步电压源, 并串在节点 1 2 之间 UPFC 通过串联部分向电网串入电压来改变输出端电压的幅值和相位, 从而起到潮流调节作用 ; 并联部分主要是用来维持有功功率平衡, 并为系统提供无功补偿 14

15 统一潮流控制器的主电路拓扑 两电平结构 : 并联变压器不分相, 变流器承受小电压和大电流 ; 2. 共直流母线分相两电平结构 : 并联变压器为分相结构, 变流器承受小电压和大电流 ; 3. MMC 结构 : 并联变压器不分相, 或可直挂, 变流器小电压小电流 3 15

16 统一潮流控制器的基本功能 幅值调节 相角调节 阻抗补偿 自动潮流调节 串联注入电压与电网输入电压同相, 控制串入电压幅值从而稳定输出电压, 改善系统潮流 控制串联注入电压, 使输出电压幅值与输入电压相等, 仅改变相角, 实现有功功率的变化 控制串联注入电压, 使其与线路电流满足某一个阻抗的伏安特性, 即等效为在线路中串入了一个期望阻抗 通过反馈控制串联注入电压, 使输出电压与线路电流满足一定的关系, 从而实现有功和无功的控制 16

17 统一潮流控制器的控制策略 并联侧控制 1 通过控制直流电压稳定, 实现有功功率平衡 ; 2 无功功率控制又分为定电压控制和无功电流直接控制两类 串联侧控制 1 类似逆变器的电压电流双环控制 ; 2 难点在于串联部分切入和切出电网的控制和保护时序 17

18 统一潮流控制器示范工程 南京市电网未来规划示意图 南京西环网系统接线示意图 南京 2016 年开始出现输电瓶颈, 采取传统措施无法解决,UPFC 既能解决问题又不会提升系统短路电流水平, 为满足南京电网未来发展需求的最佳措施 UPFC 采用 MMC 结构主拓扑, 由国网江苏省公司负责规划设计建设, 南瑞集团提供控制保护解决方案, 并串补各 70MVA 18

19 直流输电的发展 直流输电可实现西北 沿海地区大规模可再生能源的高效 稳定并网, 大规模远距离输送 ; 大规模新能源并网 高压远距离输电工程 直流用电负荷快速增长, 对直流电网技术提出迫切需求 需要在交直流电网相互影响机理和过电压绝缘等方面开展研究 关键设备研发, 包括高压大电流直流断路器 高压大容量低损耗换流阀 直流电缆及换相电抗器等 19

20 直流输电技术的发展阶段 1954 年, 世界上第一个采用汞弧阀直流输电工程 哥特兰岛直流工程投入运行, 工程以 20MW 100kV 直流单导线海底电缆向哥特兰岛供电 ; 汞弧阀换流阶段 1970 年, 首个采用晶闸管换流阀的试验工程 瑞典哥特兰岛直流输电扩建工程 ; 晶闸管阀换流阶段 ( 传统 ) 1997 年, 在瑞典中部的 Hällsjön 和 Grangesberg 之间建成首条工业试验工程 电压源换流阶段 ( 柔性 ) 20

21 传统高压直流输电技术的工程应用 晶闸管直流换流阀换流变直流开关直流控制保护 国际技术水平 :± 1100kV 5000A; 国内技术水平 :± 1100kV 5000A 国内领先 国际技术水平 :± 800kV 国内技术水平 :± 800kV 已经国产化 国际技术水平 :± 800kV 国内技术水平 : 掌握技术, 但缺少实际工程验证 国际技术水平 :ABB 西门子掌握国内技术水平 : 南瑞集团 许继集团 送端系统 4- 直流场设备 3- 平波电抗器 受端系统 国内外技术水平对比 2- 控制保护 1- 换流阀 换流站 A 换流站 B 21

22 传统高压直流换流阀 C d2 C d1 门极单元 门极单元 门极单元 门极单元 门极单元 门极单元 di/dt 电抗器 触发信号 回报信号 Thy R dc R d2 R d1 门极单元 阀组件均压电容 图 2 阀组件电气原理图 图 1 单个晶闸管级的基本电路 图 3 晶闸管压装结构 单 双 四重 22

23 直流控制保护系统的分层结构 直流控制保护系统分为站层和设备层两大层次 直流控制保护系统结构图 23

24 直流控制保护系统的分层设计 站层设备 设备层设备 SCADA 系统 远动通信系统 站级 CAN 网 交直流站控系统 直流极控系统 直流保护系统 包括对换流站交流开关场 ( 含换 负责执行交 / 直流设 换流站控制系统的核 主要包括直流极保 流变及备用间隔 ) 直流开关场 换流站控制楼 阀厅 通信系统 备的投切 起停 运行方式转 心, 主要功能是通过对整流侧和 护 ( 换流器保护 直流场保 直流线路 换流站辅助系统等的 换 状态监视 测 逆变侧触发角的调节, 护 直流线路保护 监视控制以及与院方调度中心和其他监视场所的通信接口等 量等功能 实现系统要求的输送功率或输送电 以及接地极引线保护 ) 等保 流 护 24

25 直流控制保护主要技术路线 直流控制保护设备供应商 南瑞集团 许继集团 技术路线 Ⅰ PCS-9500 系列直流控制保护系统以 MACH2 DCC800 系统为主体的直流控制保护系统 DPS-2000A 系列直流控制保护系统以 SIMADYN D SIMATIC TDC 系统为主体的直流控制保护系统 技术路线 II 25

26 传统高压直流输电示范工程 ±800kV 锦苏工程该工程西起西昌换流站, 东至吴江市苏南换流站, 额定输送功率 720 万千瓦, 总长度约 km, 途径八省市 ; 线路经过地区最高海拨 3200m 准东 华东 ( 皖南 )±1100 千伏特高压直流输电工程世界首个 ±1100 千伏电压等级直流输电工程, 额定输送功率 1200 万千瓦, 线路全长 3340 公里, 总投资约 410 亿元 26

27 柔性直流和传统直流的技术对比 传统高压直流输电 柔性直流输电 器件 晶闸管 ( 半控 ) IGBT( 全控 ) 运行范围 两相限 四相限 潮流翻转 电压方向改变 电流方向改变 占地面积 大 小 换相失败 有 无 传输功率 <8GW <1GW 无功补偿 需求量大 理论上无需补偿 27

28 柔性直流输电设备技术水平 柔性直流换流阀柔性直流控制保护直流电缆柔性直流场设备 国际技术水平 :± 150kV 300MW (ABB) 国内技术水平 :± 320kV 1000MW 在建 国内处于领先水平 国际技术水平 : 国外掌握国内技术水平 : 未实现国产化 电抗器 直流支撑电容等设备国内可以自主配套 Zs1 L1 L2 Zs2 送端系统 VSC 换流站 A VSC 换流站 B 受端系统 28

29 柔性直流输电技术方案 两电平 + 器件直串方案 作为 ABB 公司 HVDC-Light 及 SVC-Light 核心设备, 基于 IGBT 串联两电平电压源换流器的相关工程已在十余个国家和地区投运 优点 : 使用器件少 结构简单紧凑 占地面积小 成本低 ; 缺点 : 器件串联控制难度大 损耗较高 U dc 2 N Udc T 1 D 1 T 2 D 2 u p - u u1 0 u c U d 0 U d uc ur (b) ucf t t (a) 29

30 柔性直流输电技术方案 南瑞集团研究概况 样机试制 柔性直流输电样机主要技术指标 : 交流系统电压 :10kV 交流系统标称频率 :50Hz 直流额定电压 :±10kV 额定容量 :5MW 额定直流电流 :250A 12 只 IGBT 串联 +DC 正直流输电缆 +DC 阀组线电压 电网 n=12 n=12 n=12 n=12 n=12 n=12 电网 10kV 隔离变 n=12 n=12 n=12 -DC 负直流输电缆柔性直流输电样机 n=12 n=12 n=12 -DC 10kV 隔离变 三相逆变实验,20kV/250A 长时运行逆变波形 采用电压均衡技术,IGBT 串联不均衡度仅为 4% 30

31 柔性直流输电技术方案 南瑞集团研究概况 平台建设 国家能源局定制电力实验室是国家能源智能电网研发 ( 实验 ) 中心 8 个重点研究中心之一, 具备电力电子器件特性测试与电力电子装置大功率试验能力 安全放电回路 隔离测试前端 运行测试环境 换流阀组及内部结构 31

32 柔性直流输电技术方案 三电平 + 器件直串 ABB 公司 2002 年投运的 Cross Sound Cable 和 Murrary link VSC-HVDC 工程 优点 : 相对于两电平结构其输出电平数增加, 开关阀所承受的电压下降了一半 ; 缺点 : 存在直流电容电压不平衡的问题 Udc 2 Udc 2 N T 1 T 2 T 3 D 1 D 2 u p D 3 T 4 D 4 (a) 32

33 柔性直流输电技术方案 模块化多电平 Siemens 公司已在世界多处投运了基于 MMC 的 SVC PLUS 工程 目前正在进行的 TRANS BAY 工程容量 400MW,DC±200kV 优点 : 技术难度小 模块化 损耗较低 ; 缺点 : 使用器件多 ( 是第一代的 2 到 4 倍 ); 控制保护系统复杂 ; 可靠性随着电压容量的增加而迅速下降 +Ud/2 实际的电压波形 0 需要的电压波形 -Ud/2 0 T 33

34 柔性直流输电技术方案 模块化多电平 + 器件直串 由 ABB 提出 优点 : 结合了前两代阀的优点, 尤其适用于 更高电压更大容量的应用场合 34

35 柔性直流输电技术方案 H 桥级联 + 器件直串混合式 由阿尔斯通提出 35

36 柔性直流输电的典型应用领域 典型应用 : Estlink 共 15 个工程, 其中三电 平 3 个 ;MMC 2 个 ; 两电 平 10 个 世界柔性直流输电工程分布图 远距离海上风电并网 城市中心密集负荷供电 海上平台供电 构成直流电网 交流系统的非同步互联 36

37 投运容量 ( 兆瓦 ) 国内外直流输电工程概况 国内外直流输电工程发展情况比较 我国工程数量和投运容量分别达 世界工程总量的 48% 和 57% 左右 国内国外 年代 60 年代 70 年代 80 年代 90 年代 00 年代 10 年代 随着换流器技术的发展, 柔性 直流输电工程的电压等级和容量迅 速增大 ; 柔性直流输电工程容量及直流电压等级发展趋势 随着系统损耗和造价的不断降 低, 极大地促进了柔性直流工程的 应用 37

38 国内柔性直流输电示范工程 上海南汇柔直工程 舟山五端柔直工程 南澳多端柔直工程 38

39 大纲 39

40 能源互联网概念的提出和发展 国家电网公司董事长 党组书记刘振亚在 全球能源互联网 中提出, 到 2050 年基本建成全球能源互联网的目标 第三次工业革命 融合互联网技术和可再生能源技术, 构建新型能源供需架构的思路, 能源互联网相关技术获得广泛关注 2015 年 9 月 26 日, 习近平总书记在联大发展峰会上发表重要讲话, 倡议探讨构建全球能源互联网, 推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求 这是习近平总书记站在世界高度, 继 一带一路 之后提出的又一重大倡议, 是对传统能源发展观的历史超越和重大创新 40

41 能源互联网全景图展望 主干网 - 广域网 - 局域网的三层架构电 热 气, 以及可再生分布式新能源之间的互联 能源互联网是以互联网理念构建的新型信息 能源融合 广域网, 它以大电网为 主干网, 以微网 分布式能源 智能小区等为 局域网, 以开放对等的信息 能源一体化架构真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用, 因此可以最大限度地适应新能源的接入 41

42 电力电子技术对能源互联网的支撑 电网运行安全关键技术 支撑建设调相机解决无功与电压问题 支撑建设抽蓄电站解决有功与频率问题 突破跨洲际互联的特高压输变电技术 突破特殊环境下特高压核心装备制造及应用技术 突破交流半波长输电技术 突破适应复杂电网结构和大规模清洁能源接入的先进控制保护技术 突破风电 光伏等清洁能源发电自同步技术高端装备器件 高压大电流压接型 IGBT SiC 混合模块等核心器件制备技术, 以具备支撑电力电子器件产业化条件, 满足换流阀 直流断路器等工程需要 研制高压统一潮流控制器 能源路由器等关键装备 高压柔直控制保护 成套设计和装备制造等关键技术 高压柔直换流阀及直流断路器 42

43 我国直流主干网的结构设想 新能源发电资源和负荷的分布不均 新能源发电产生的有功和无功波动 SiC 等新型电力电子功率器件成熟大功率电能变换效率及可靠性提升直流保护技术和设备制造工艺提升 未来直流主干网的设想 43

44 交直流混合配电网架构展望 电力电子变压器 智能社区中, 存在着大量的直流电源和负荷 采用直流配电, 能够节省大量整流和变换环节 微网中, 分布式电源直接接入直流母线, 可节约大量逆变装置 直流配电系统能够取消大量整流环节, 可直接供给直流负荷 44

45 未来配电网核心元件 - 电力电子变压器 45

46 直流配电系统前瞻研究 传统交流电网 ABB 船载直流电网 2011 年 5 月推出船载直流配电和电力推进方案 2012 年获得订单,2013 年交付, 世界上首个船载直流配电网系统 1000VDC,20MW 降低 27% 油耗, 电气系统体积和重量缩减 30%, 减少 30% 噪声, 提高系统可靠性 冗余度 多传动式 分布式 46

47 直流配电系统前瞻研究 ABB 于 2012 年建立了 1MVA 的直流配电系统, 为瑞士苏黎世西部的绿色数据中心供电 相比交流 配电方案, 该直流配电方案整体效率可提升 10% 47

48 直流配电系统前瞻研究 GE 2010 直流配电架构技术 应用于英国海军舰艇, 以增强或替代舰艇上原有的交流配电系统 日下水伊丽莎白女王号航母, 采用该技术,25MW 该方案避免了复杂的谐波问题, 并且减小了电气设备尺寸和重量, 有助于推进舰艇的电力系统改革 48

49 Thank your! 49

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