劉振興

（云南機電職業(yè)技術(shù)學院，云南昆明650203）

0 引言

目前，日益嚴峻的環(huán)境與能源緊缺問題、城市人口迅速膨脹和城區(qū)合理規(guī)劃迫切要求能夠經(jīng)濟環(huán)保地實現(xiàn)孤島供電、可再生能源聯(lián)網(wǎng)，并提高現(xiàn)有輸電走廊的電能輸送能力。顯然，傳統(tǒng)的直流或交流輸電技術(shù)無法很好地解決上述難題。隨著電力電子技術(shù)的進步，柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術(shù)，可使當前交直流輸電技術(shù)面臨的諸多問題迎刃而解，為輸電方式變革和未來電網(wǎng)構(gòu)建提供了嶄新的解決方案。

1 LCC-HVDC直流輸電技術(shù)的特點

從高壓直流輸電的發(fā)展來看，1954年世界上第一個直流輸電工程投入商業(yè)運行，標志著第一代直流輸電技術(shù)的產(chǎn)生，其采用的是汞弧閥換流技術(shù)。20世紀70年代，基于晶閘管的換流閥在直流輸電領(lǐng)域得到應(yīng)用，標志著第二代直流輸電技術(shù)產(chǎn)生。

傳統(tǒng)電網(wǎng)換相高壓直流輸電（Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC）技術(shù)自問世以來已經(jīng)過了60多年的發(fā)展，與傳統(tǒng)的交流輸電網(wǎng)絡(luò)相比，LCC-HVDC具有下列優(yōu)勢：

（1）不存在穩(wěn)定性問題，可在大功率系統(tǒng)中應(yīng)用；（2）電力電子器件響應(yīng)快速，可以對有功功率實現(xiàn)靈活控制；

（3）輸電線路損耗小，在遠距離、大容量功率傳輸應(yīng)用中有很高的經(jīng)濟性；

（4）可實現(xiàn)不同頻率或非同步的區(qū)域性特大電網(wǎng)互聯(lián)。

盡管LCC-HVDC技術(shù)在高電壓、大容量、遠距離直流輸電領(lǐng)域正發(fā)揮著巨大作用，但其自身也存在著諸如無功功率控制能力較弱并且自身需要大量無功補償、不便于構(gòu)造多端直流電網(wǎng)以及換流器依靠交流電網(wǎng)換相易發(fā)生換相失敗等本質(zhì)缺陷，這也使得LCC-HVDC逐漸無法滿足當今復(fù)雜的輸配電網(wǎng)絡(luò)對直流輸電系統(tǒng)堅強、靈活、完全可控的需求。

2 VSC-HVDC直流輸電技術(shù)的特點

電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，新型全控性開關(guān)器件的相繼問世，為新型輸電方式的創(chuàng)建和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與提升開辟了嶄新的途徑。加拿大學者Boon-Teck等人于1990年首次提出了基于電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）的高壓直流輸電技術(shù)，使得LCC-HVDC輸電技術(shù)存在的固有缺陷迎刃而解。幾年后在ABB公司主導(dǎo)的Hallsjon項目中被順利運用，促進了該項技術(shù)在理論研究和工程領(lǐng)域的全面發(fā)展。與傳統(tǒng)的電流源換流器型直流輸電相比，VSC-HVDC直流輸電技術(shù)存在諸多優(yōu)勢：

（1）PWM調(diào)制技術(shù)使得其輸出電壓諧波含量低、濾波器容量小。

（2）由于采用了全控器件，相比于常規(guī)直流輸電技術(shù)，不需要聯(lián)結(jié)電網(wǎng)提供換相電壓，不會出現(xiàn)換相失敗，可聯(lián)結(jié)弱、無源電網(wǎng)。

（3）傳統(tǒng)的HVDC潮流翻轉(zhuǎn)時直流電流不變，需改變直流電壓極性；VSC-HVDC潮流翻轉(zhuǎn)時，只需改變直流電流的方向，直流電壓極性不變。因而VSC-HVDC在潮流翻轉(zhuǎn)時，不需改變其控制系統(tǒng)的配置和主電路的結(jié)構(gòu)，不需改變控制方式，也不需要閉鎖換流器，整個翻轉(zhuǎn)過程可在很短的時間內(nèi)完成。

（4）易于四象限運行，在電網(wǎng)中的作用等同于一個無轉(zhuǎn)動慣量的發(fā)電機，在對輸送的有功功率進行快速、靈活控制的同時還能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)無功功率補償，提高系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定性，起到靜止同步補償器（STATCOM）的作用，從而增加系統(tǒng)動態(tài)無功儲備，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

VSC-HVDC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VSC-HVDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

3 MMC-HVDC直流輸電技術(shù)的特點

基于VSC-HVDC的技術(shù)特點，德國學者R.Marquardt等人首次提出了模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）。作為一種新型VSC換流器拓撲，MMC設(shè)計靈活，易于擴展，有著兩電平VSC和NPC型三電平VSC不可比擬的優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)的VSC相比，MMC主要具備以下優(yōu)勢：

3.1 可擴展性強，應(yīng)用范圍廣

嚴格的模塊化結(jié)構(gòu)可縮短開發(fā)周期和延長使用周期。通過子模塊級聯(lián)的方式，能夠提高換流器的功率與電壓等級，不僅有利于容量升級，而且解決了電平數(shù)增加時控制電路軟硬件實現(xiàn)難度大幅度上升的難題，拓寬了換流器的應(yīng)用領(lǐng)域，使其既可運用于電力機車牽引和大功率電機拖動技術(shù)領(lǐng)域，也十分適用于柔性直流輸電等場合。

3.2 穩(wěn)定可靠，運行效率高

通過較低的開關(guān)頻率便可達到較高的輸出頻率，有效地降低了諧波含量，有利于減少開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)運行效率。不必配置濾波器件對換流器直流側(cè)實施濾波，避免了系統(tǒng)直流側(cè)因短路故障引發(fā)的浪涌電流問題，增強了系統(tǒng)可靠性，減小了用地面積，縮減了系統(tǒng)建設(shè)成本。

3.3 容錯性能強

得益于模塊化的結(jié)構(gòu)，MMC表現(xiàn)出了良好的軟硬件兼容性，子模塊單元可替換性強，系統(tǒng)維護簡單方便。對子模塊單元的結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化后，加設(shè)相關(guān)的開關(guān)器件便可完成冗余設(shè)計。實際運行中，當子模塊單元出現(xiàn)故障時，通過控制電路切換到備用子模塊，可確保換流器正常工作，實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

3.4 可實現(xiàn)“黑啟動”

由于設(shè)有公共直流母線，且MMC的直流側(cè)儲能容量較大，當出現(xiàn)故障時，直流側(cè)不會發(fā)生大規(guī)模放電現(xiàn)象，使得公共直流母線的電壓仍可維持在較高水平，可實現(xiàn)電壓與電流的連續(xù)調(diào)節(jié)。這既有利于MMC的正常運行，也可縮短故障恢復(fù)時間，從而具備了較強的“黑啟動”能力。

3.5 具備不平衡運行能力

MMC中直流側(cè)沒有公用電容器，各相單元結(jié)構(gòu)對稱，工作原理一致，相與相之間互不影響，故可對各相單元進行獨立控制。

MMC拓撲結(jié)構(gòu)和子模塊拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MMC拓撲結(jié)構(gòu)和子模塊拓撲結(jié)構(gòu)

4 國內(nèi)外MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國已投運和建設(shè)中的柔性直流輸電工程都采用MMC拓撲。

2011年，上海南匯風電場柔性直流輸電工程建成并投運，直流電壓為±30 kV，額定功率為18 MW，其用于實現(xiàn)南匯風電場并網(wǎng)，并形成交流線路和柔性直流輸電線路并列運行方式，該工程也是亞洲首個柔性直流輸電工程。

2013年，南澳多端柔性直流輸電示范工程建成并投運，直流電壓為±160 kV，額定功率為200 MW，該工程同樣用于大型風電場接入交流電網(wǎng)，是世界上首個多端柔性直流輸電工程。

2014年，浙江舟山多端柔性直流輸電工程建成并投運，該工程用于實現(xiàn)多個海島之間的互聯(lián)，也是世界上端數(shù)最多的多端柔性直流輸電工程。

2015年，廈門柔性直流輸電工程建成并投運，額定電壓為±320 kV，額定功率為1 000 MW，并首次提出采用真雙極的接線方式，其用于實現(xiàn)廈門城市中心供電，是我國首個1000MW級的柔性直流輸電工程。

2016年投運的云南電網(wǎng)與南方主網(wǎng)魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程，其首次采用大容量MMC-HVDC與LCC-HVDC組成混合雙饋入直流形式，其中MMC單元容量達1 000 MW，直流電壓達±350 kV。

值得一提的是，國家電網(wǎng)公司正在規(guī)劃的四端張北直流電網(wǎng)工程，其電壓等級將達到±500 kV，單端容量達3 000 MW，若建成，該工程也將成為世界上首個直流電網(wǎng)工程。

4.2 國外MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀

同時，國外也已有多項MMC柔性直流輸電工程投運或在建設(shè)中。

2011年，西門子公司投運了世界上首項MMC-HVDC工程——美國跨灣工程（Trans Bay工程），也標志著MMC從理論研究正式步入工程實際。之后西門子公司建設(shè)了數(shù)項MMC-HVDC工程，如于2014年投運的法國—西班牙聯(lián)網(wǎng)工程（INELFE工程），其傳輸容量達到2×1 000 MW（雙極直流系統(tǒng)），直流電壓達到±320 kV。

ABB公司將其壓接技術(shù)和換流器的模塊化設(shè)計結(jié)合，設(shè)計了級聯(lián)兩電平換流器CTLC，其本質(zhì)仍為MMC拓撲，但其結(jié)合了壓接技術(shù)，從而使單個子模塊的電壓等級成倍提高，基于CTLC，ABB公司也建設(shè)并投運了多項柔性直流輸電工程，如德國DolWin1離岸風電場并網(wǎng)工程等。

5 結(jié)語

柔性直流輸電除了具備傳統(tǒng)直流輸電固有的優(yōu)點以外，還具有四象限運行、對交流系統(tǒng)要求低、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電以及占地面積小等優(yōu)勢，因此在一些特定的場合，如長距離跨海電纜送電、擁擠的城市供電、遠距離向弱交流系統(tǒng)供電等領(lǐng)域得到了比較多的應(yīng)用。同時由于它在功率反向時改變電流方向而電壓極性不變，因此對于未來可能建設(shè)的直流電網(wǎng)是一種很好的解決方案。

但目前受到電壓源型換流器件的工藝及參數(shù)水平、工作機制以及線路故障后恢復(fù)慢等的限制，柔性直流輸電仍然有許多局限性，如控制系統(tǒng)要求高、輸送容量小、損耗大、造價高、輸電距離短等等，因此還不能很好地應(yīng)用于高電壓、大容量、長距離送電，但這必將是柔性直流輸電一個重要的發(fā)展方向。

未來隨著電力電子器件、計算機控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性直流輸電的輸送容量、電壓等級將不斷提高，而系統(tǒng)損耗和成本將逐漸下降，加上我國能源戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)的有序調(diào)整和完善以及國內(nèi)外工程運行經(jīng)驗的不斷積累，柔性直流輸電將會在更多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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