电压源型变换器的分析与仿真
- 课题背景和意义
能源资源与负荷中心极不均衡的分布态势决定了我国需要建设大规模远距离的电能输送通道，以实现大规模能源资源的集约化开发和全国范围内的资源优化配置[1]。同交流输电技术相比，高压直流输电技术（High-Voltage Direct Current, HVDC）具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点，可以缓解输电廊道不足的问题。但由于传统的基于线换相电流源换流器的HVDC无法向无源网络供电[2]，从而限制了HVDC的发展。
随着门级可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor, GTO）、绝缘栅双极晶体管（Insulated gate bipolar transistor, IGBT）的全控型器件的发展，使用电压源换流器（VSC）进行直流输电成为可能。1990年，McGiil大学的Boon-Teck Ooi等首先提出用PWM控制的VSC进行直流输电的概念[3,4]。电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电技术与传统直流输电相比具有一系列的优点，例如可以向无源网络供电的同时实现有功和无功功率的快速解耦控制，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压等[5]，还可以构成并联多端直流系统。VSC-HVDC在理论上能够消除有功环流，合理分配有功负荷，克服电压稳定性约束条件，改善电能质量[6]。
目前我国对常规高压直流输电技术的研究较为成熟，在国内多个直流工程中进行了广泛实践，并建设了世界上电压等级最高的800kV特高压直流工程。而关于VSC-HVDC技术的研究还处于起步阶段，新能源的不断发展使得城市电网也将面临供电能力不足、短路电流超标、直流负荷增长等问题，因此VSC-HVDC技术的研究对我国电网建设具有重大意义。
VSC-HVDC技术的关键是换流器的电路及控制保护等系统的设计。换流器的电路拓扑结构与工程电压等级、电力电子器件数量、开关频率、损耗、开关调制方式和系统可控性等因素密切相关。理想的大容量换流器主回路拓扑结构不仅能降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率、简化系统主电路拓扑结构，而且还能有效降低控制保护系统和主电路的复杂性、器件的开关损耗。另外，还需确定合理的控制系统设计，有效抑制换流装置的过电压和过电流问题，以保证系统在故障条件下的不间断运行能力。
- 国内外研究现状
随着电力电子器件产业的飞速发展，采用IGBT构成电压源换流器来进行直流输电的技术得到广泛应用。1997年3月，ABB公司进行首次VSC-HVDC的工业实验——赫尔斯扬实验性工程[7,8]。该实验的输送功率为3MW，输电电压为10kV，使用线路为10km的交流线路。此次实验中，在稳态和暂态条件下电力输送都十分稳定，实现了VSC-HVDC输电技术的工程化应用，将可关断电力电子器件及其换流技术引入了直流输电领域，使直流输电技术进入了新的发展阶段。1999年，ABB公司在哥得兰投入运行了世界上第一个商业化的VSC-HVDC系统[9]。该系统额定输送容量为50MW，两端VSC的额定容量为65MVA，输电电压为80kV，输电距离为70km。在ABB公司以IGBT为开关器件研制VSC-HVDC的同时，日本也研制出以GTO为开关元件的用于VSC-HVDC及背靠背网络互联用的VSC。进入21世纪以来，VSC-HVDC输电技术在世界范围内呈迅速发展的趋势，各种新型换流器拓扑结构、调制方式不断涌现。目前，国际大电网会议第14组已专门成立针对VSC-HVDC的工作小组。针对实际工程中所遇到的困难，国际上的研究热点包括如何提高VSC-HVDC的输电容量、降低输电损耗、降低造价、提高安全可靠性以及对交流电网的支持、与交流电网相互作用等[10]。
IGBTs、GTOs和集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCTs)的发展，使小型高压直流系统变得经济。制造商ABB集团将这一概念称为HVDC Light（轻型直流输电），而西门子则将类似的概念称为HVDC PLUS (Power Link Universal System)，阿尔斯通则将其产品称为基于这一技术的HVDC MaxSine。他们已经将高压直流的使用范围缩小到几十兆瓦，架空线路缩短到几十公里。
为了形成自有知识产权，国内有关专家一致建议在国内将这一技术统一命名为柔性直流输电（HVDC Flexible）。国内关于柔性直流输电技术的研究起步较晚，90年代末期，在国家自然科学基金等项目资助下，浙江大学、华北电力大学和华中科技大学等高等院校开展了这方面的跟踪性基础理论研究[5,11,12]。国家电网公司于2006年5月制定了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，全面启动了该技术的系统研究。2007年底，由中国电力科学研究院牵头，上海电力公司和浙江大学等单位共同参与第一阶段研究，完成了柔性直流输电技术工程前期和基础理论研究[13,14]。2008年在上海启动的《柔性直流输电关键技术研究及示范》通过大功率可关断器件及其串联技术研究、VSC阀设计及冷却技术研究、电磁兼容技术研究、过电压与绝缘配合技术研究、控制保护技术研究、VSC阀等效试验方法及一次设备试验规范研究等，完成柔性直流输电示范工程所有关键设备技术参数设计，实现主要设备国产化，完成柔性直流输电示范工程系统集成。研制一台容量为20MW、电压等级为50kV的柔性直流输电系统关键设备，并通过相关的试验验证，于2010年在上海南汇风电厂挂网运行，建成我国首个柔性直流输电示范工程。
- 文献综述
3.1 HVDC技术
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