許國(guó)宏

(國(guó)網(wǎng)銅陵供電公司，安徽 銅陵 244000)

0 引言

柔性直流輸電技術(shù)(HVDC Flexible)發(fā)展于20世紀(jì)90年代，是繼傳統(tǒng)高壓直流輸電之后的又一代更為環(huán)保和靈活的直流輸電技術(shù)，采用電壓源換流器和全控型電力電子器件——絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，使其在可再生能源并網(wǎng)，在向特殊地區(qū)和能源緊缺地區(qū)供電、海島供電等領(lǐng)域發(fā)揮特有的優(yōu)勢(shì)。

HVDC Flexible技術(shù)以全控型開(kāi)關(guān)器件、脈寬調(diào)制技術(shù)和電壓源型換流器為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新一代直流輸電技術(shù)。能夠提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，獨(dú)立控制有功無(wú)功，解決非線性負(fù)荷、三相不平衡和沖擊性負(fù)荷等產(chǎn)生的問(wèn)題，無(wú)需站間通訊和易于構(gòu)成多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)，改善電能質(zhì)量。

近年來(lái)，我國(guó)也加快了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的柔性直流輸電的研究開(kāi)發(fā)和示范工程建設(shè)。我國(guó)HVDC Flexible示范項(xiàng)目起點(diǎn)高，廈門(mén)示范項(xiàng)目完全采用自主化研發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)，電壓等級(jí)全球最高，預(yù)計(jì)到2015年我國(guó)HVDC Flexible有望進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柔性直流輸電示范工程——上海南匯柔性直流輸電工程，連接著書(shū)院變電站和南匯風(fēng)電場(chǎng)，兩端交流母線電壓為35kV，直流電壓等級(jí)為±30kV，輸電距離8km，直流輸電電流為600A。上海南匯柔性直流輸電通過(guò)直流輸電線連接，一端為整流站，一端為逆變站。該工程是我國(guó)大功率電力電子領(lǐng)域中又一重大科技創(chuàng)新成果，標(biāo)志著我國(guó)柔性直流輸電進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段，同時(shí)開(kāi)啟了柔性直流輸電應(yīng)用的新篇章。柔性直流技術(shù)以其優(yōu)于常規(guī)直流輸電技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在新能源并網(wǎng)中具有廣闊應(yīng)用前景。

1 HVDC Flexible系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HVDC Flexible中換流器均采用電壓源型結(jié)構(gòu)，主要由換流站、換流變壓器、傳輸電纜、換流電抗器、直流電容、交流濾波器等部分構(gòu)成。換流站主要由可控關(guān)斷型電力電子器件IGBT和反并聯(lián)二極管構(gòu)成，IGBT的通斷電流3kA，耐受電壓6.5kV，IGBT通過(guò)光纜進(jìn)行連接，由控制設(shè)備進(jìn)行控制。

直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為兩端和多端直流輸電系統(tǒng)。其中，兩端直流輸電僅有一個(gè)送端站和一個(gè)受端站，通過(guò)兩個(gè)連接端口與交流系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的直流輸電系統(tǒng)。多端通過(guò)三個(gè)或以上的端口與交流系統(tǒng)互聯(lián)，因此有三個(gè)或以上的換流站?？梢詫⑾到y(tǒng)分為多個(gè)孤立的電網(wǎng)或聯(lián)系多個(gè)交流系統(tǒng)，還可以解決多落點(diǎn)受電或多電源供電的問(wèn)題。整個(gè)MTDC系統(tǒng)中傳輸?shù)墓β时仨毐３制胶狻?/p>

圖1為兩端柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。換流電抗器作為交流系統(tǒng)和VSC間功率傳輸?shù)募~帶決定VSC功率傳輸能力，能夠抑制短路電流，同時(shí)能夠抑制換流器輸出交流電壓、電流諧波含量，獲得期望的輸出波形。

圖1 兩端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 多電平換流器主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電壓源型多電平換流器至今已經(jīng)有近三十年的發(fā)展歷史，在這三十多年的時(shí)間里不斷提出新的拓?fù)潆娐罚?－2］。對(duì)于多電平VSC常見(jiàn)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為:二極管箝位型多電平換流器(diodeclamped multilevel converter，DCMC)、電容箝位型(flying-capacitor multilevel converter，F(xiàn)CMC)、級(jí)聯(lián) H 橋型(cascaded H-bridge multilevel converter，CHMC)、模塊組合多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)。

2.1 中點(diǎn)箝位多電平逆變器

DCMC是開(kāi)發(fā)最早同時(shí)應(yīng)用最廣泛的一種多電平換流器，其優(yōu)點(diǎn)主要是主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率雙向流動(dòng)的控制簡(jiǎn)便，控制策略及控制電路簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是隨著電平的增加，所需半導(dǎo)體器件急劇增加，直流端電容電壓難以實(shí)現(xiàn)均衡，存在中點(diǎn)電壓平衡問(wèn)題，因此限制了此類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在更高電平領(lǐng)域的應(yīng)用。二極管中點(diǎn)箝位多電平換流器是研究其他箝位式多電平換流器的基礎(chǔ)。二極管箝位三電平換流器的拓?fù)潆娐啡鐖D2所示，由三個(gè)橋臂、共12個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成。每個(gè)橋臂由4個(gè)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成，通過(guò)控制這4個(gè)開(kāi)關(guān)器件通斷決定換流器輸出電壓的電平數(shù)，可以輸出E/2、0、－E/2三種電平。

2.2 飛跨電容型多電平逆變器

FCMC基本結(jié)構(gòu)和DCMC基本類(lèi)似，只是將二極管箝位換為用電容箝位。圖3所示為三相FCMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

其優(yōu)點(diǎn)主要是:開(kāi)關(guān)狀態(tài)具有更大靈活性;由于飛跨電容的引進(jìn)，通過(guò)同一電平不同開(kāi)關(guān)的組合方式，使直流側(cè)中分壓電容的電壓保持均衡;損耗小、效率高。缺點(diǎn)主要是:由于每個(gè)橋臂上均需要一個(gè)箝位電容，體積大、成本高且不易封裝;控制方法相對(duì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難，系統(tǒng)的可靠性降低，壽命大大縮短。

圖2 二級(jí)管箝位型三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3 三相飛跨電容箝位三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖4 具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)H橋型多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.3 級(jí)聯(lián)H橋型多電平換流器

具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)H橋型多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，其采用N個(gè)全橋型環(huán)流單元直接級(jí)聯(lián)形式輸出多電平高電壓，其輸出相電壓電平數(shù)Nlevel與每相級(jí)聯(lián)單元數(shù)N的關(guān)系為Nlevel=N+1。

其中每個(gè)功率單元直流側(cè)為相互獨(dú)立的直流電壓，易于實(shí)現(xiàn)PWM控制，不存在電壓不均衡問(wèn)題，系統(tǒng)可靠性高，某一功率單元故障時(shí)通過(guò)旁路設(shè)置使其他單元能夠正常工作，實(shí)現(xiàn)不間斷供電，功率變換器相對(duì)于DCMC和FCMC拓?fù)鋪?lái)說(shuō)可以輸出更多電平數(shù)，諧波含量小;其缺點(diǎn)是需采用變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加，由于沒(méi)有公共的直流側(cè)，能量只能單向流動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

圖5 模塊化組合多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及子模塊圖

2.4 模塊化多電平換流器

一種新型模塊化組合多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最早由德國(guó)學(xué)者于2003年提出，拓?fù)淙鐖D5所示，與兩電平VSC相比，直流側(cè)故障的穿越能力更強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景［3－4］。

MMC沒(méi)有上述多電平換流器的直流側(cè)電容器組，還有級(jí)聯(lián)型“模塊化”的特點(diǎn)。由于具有公共直流母線，MMC可以實(shí)現(xiàn)整流和逆變，適用于大功率工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域、高壓直流輸電、靜止同步補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域。采用半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成換流閥結(jié)構(gòu)，諧波含量低、輸出電壓更加接近于理想正弦波，因此，具有無(wú)需大容量交流濾波器、損耗小、開(kāi)關(guān)頻率低、故障穿越能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)冗余和易封裝等特點(diǎn);基于MMC的多端直流輸電技術(shù)，比兩電平VSC多端系統(tǒng)輸出特性更優(yōu)，但由于采用電容進(jìn)行儲(chǔ)能，電容電壓均衡控制成為MMC控制的技術(shù)難點(diǎn)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每一個(gè)功率單元，除了可以采用西門(mén)子公司的模塊結(jié)構(gòu)之外，還可以采用壓接式IGBT直接串聯(lián)形式。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一方面可以避免單個(gè)IGBT故障時(shí)短路造成的電容過(guò)度放電，另一方面多個(gè)IGBT器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得在一個(gè)器件故障時(shí)，其他器件能夠承受過(guò)壓水平也不高，避免了增加其他輔助設(shè)備來(lái)隔離故障模塊，能有效提高系統(tǒng)的故障穿越能力及可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

柔性直流作為電力電子領(lǐng)域里最高端的技術(shù)手段，對(duì)推動(dòng)我國(guó)電力發(fā)展向高端技術(shù)化、智能設(shè)備化、能源節(jié)約化發(fā)展具有重要的意義。同時(shí)，柔性直流輸電技術(shù)對(duì)新能源并網(wǎng)發(fā)展意義重大，從柔性直流技術(shù)本身來(lái)講，能夠提供優(yōu)異的并網(wǎng)性能;它能夠提供良好的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐作用，避免增加風(fēng)場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償投資;由于具有電壓支撐作用，能大幅提升風(fēng)場(chǎng)在交流系統(tǒng)故障情況下的低電壓穿越能力;另外，柔性直流輸電技術(shù)不受輸電距離的限制，因此成為大型遠(yuǎn)距離風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的唯一可選方案。文章分析了二極管箝位型、電容箝位型、級(jí)聯(lián)H橋型、模塊組合多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)。模塊組合多電平換流器由于具有較強(qiáng)的直流側(cè)故障穿越能力，大大降低了系統(tǒng)的輸電損耗，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，獲得了廣泛的應(yīng)用。

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［2］湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

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