陳海燕 康美金 張顏真

摘 要：闡述基于模塊化多電平換流器（MMC）的柔性直流輸電系統(tǒng)的基本原理以及各種控制模式，分別討論了采用不同方式控制時(shí)靜止無(wú)功補(bǔ)償器（STATCOM）和高壓直流輸電（HVDC）兩種運(yùn)行模式下柔性直流系統(tǒng)的性能。表明柔性直流輸電在傳輸有功功率的同時(shí)，也可維持交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定以及電網(wǎng)穩(wěn)定，并且具有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電；模塊化多電平換流器；靜止無(wú)功補(bǔ)償器；高壓直流輸電

1 概述

IGBT元件這一可自關(guān)斷器件作為柔性直流輸電系統(tǒng)的核心器件，比傳統(tǒng)直流輸電，可以獨(dú)立控制換流站有功功率和無(wú)功功率的流向；并且柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統(tǒng)可以向無(wú)源負(fù)荷供電，不需要交流系統(tǒng)提供換相容量；同時(shí)，柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統(tǒng)換流站的輸出電壓諧波量較小，其換流閥的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高。因此，柔性直流輸電技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值，領(lǐng)域包括在城市電網(wǎng)供電、孤島供電以及分布式能源并網(wǎng)等方面。

特別是具有可關(guān)斷能力的新型半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，譬如IGBT、GTO等，并伴隨著時(shí)代發(fā)展以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用于HVDC中的這些新型全控型器件取代傳統(tǒng)半控型晶閘管，大大促進(jìn)了HVDC這一輸電技術(shù)在歷史上重大變革。全控型功率器件的發(fā)展及其性能發(fā)展進(jìn)步，基于VSC換流技術(shù)的高壓直流輸電的工程隨著不斷改善，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。觀其實(shí)際工程運(yùn)行和技術(shù)特點(diǎn)方面來(lái)看，非常適合應(yīng)用于光伏、風(fēng)力等可再生分布式能源發(fā)電的并網(wǎng)、地區(qū)城市電網(wǎng)及孤島的供電、以及交流異步電網(wǎng)互聯(lián)等等相關(guān)領(lǐng)域上。

文章先簡(jiǎn)要地介紹柔性直流輸電的基本原理，柔性直流輸電系統(tǒng)基于MMC的各種控制模式，然后介紹采用定無(wú)功功率、定直流電壓、定有功功率、定交流電壓等各種控制方式，STATCOM和HVDC兩種運(yùn)行模式下，輸送不同功率時(shí)柔性直流輸電系統(tǒng)的性能。表明在傳輸有功功率的同時(shí)，還可以維持交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，柔性直流輸電具有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的能力，對(duì)維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

2 Flexible DC transmission基本原理

假設(shè)忽略系統(tǒng)的諧波分量，并且假設(shè)換流電抗器是無(wú)損耗時(shí)，柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，換流閥和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖和無(wú)功功率Q分別如公式（1）和公式（2）所述。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）

（2）

Us：交流母線電壓的基波分量；Uc：換流閥輸出電壓的基波分量；？啄：Us和Uc之間的相角差；X：換流電抗器電抗。

3 Flexible DC transmission控制模式

具有更強(qiáng)的功率控制方式的柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統(tǒng)。相比較于傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)或者直流輸電系統(tǒng)，對(duì)于柔性直流換流站而言，為單站精致無(wú)功補(bǔ)償STATCOM方式運(yùn)行以及兩站HVDC方式運(yùn)行，有功功率和無(wú)功功率的控制方式在不同的運(yùn)行模式下也不同，即為兩種運(yùn)行模式。譬如在HVDC的模式下，可以選擇控制的方式有：定有功功率控制、定直流電壓控制、定頻率控制（有功方式控制）、定無(wú)功功率控制、定交流電壓控制（無(wú)功方式控制）。又譬如在STATCOM模式下，可以選擇控制的方式有：定直流電壓控制（有功方式控制）、定無(wú)功功率控制、定交流電壓控制（無(wú)功方式控制）。無(wú)論是哪種控制方式下，均是通過(guò)求解式（1）和式（2）得到橋臂電壓的調(diào)值參考值，通過(guò)計(jì)算出當(dāng)前的所需要的有功功率和無(wú)功功率的數(shù)值，然后進(jìn)而進(jìn)行實(shí)際控制換流閥操作，最終調(diào)制出相應(yīng)的電壓波形?；镜牟襟E大致上是如此的。

4 柔性直流輸電系統(tǒng)性能分析

4.1 STATCOM運(yùn)行方式下Flexible DC transmission系統(tǒng)的性能

在進(jìn)行交流電壓控制后，有時(shí)發(fā)出無(wú)功功率，有時(shí)吸收無(wú)功功率，柔性直流換流站輸出的無(wú)功功率不斷變化，以實(shí)時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，從而確保交流母線電壓恒定。采用定交流電壓控制前，交流母線電壓有較大的波動(dòng)，柔性直流輸電（Flexible DC transmission）在單站STATCOM系統(tǒng)運(yùn)行模式下，采用定直流電壓、定交流電壓控制時(shí)，輸出的無(wú)功功率波形和交流母線電壓波形進(jìn)而接入和增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

4.2 HVDC運(yùn)行方式下（Flexible DC transmission）系統(tǒng)的性能

Flexible DC transmission系統(tǒng)輸送額定容量負(fù)荷時(shí)，換流站的有功和無(wú)功的輸出相對(duì)平穩(wěn)，譬如，有功功率設(shè)定值為18.0MW，無(wú)功功率設(shè)定值為2.0Mvar，無(wú)功功率瞬時(shí)值在0～4.5Mvar之間變化，有功功率瞬時(shí)值在16.5～19.5MW之間變化，直流電壓在瞬時(shí)54.2～64.1kV之間變化。

柔性直流系統(tǒng)（Flexible DC transmission）在輸送額定容量負(fù)荷時(shí)，在傳輸功率調(diào)整到額定值后，柔性直流輸電系統(tǒng)輸出的恒定的有功和無(wú)功功率，可以計(jì)算得到，其直流電壓有效值也幾乎沒(méi)有波動(dòng)。

柔性直流系統(tǒng)傳輸額定負(fù)荷時(shí)，輸出閥側(cè)電壓諧波含量很小，波形為無(wú)畸變的正弦波。上、下橋臂的電流波形為帶有直流偏置的正弦波，有文獻(xiàn)曾經(jīng)提及，結(jié)合相關(guān)的理論分析，其二者結(jié)果完全一致。正負(fù)極的直流電壓對(duì)稱且恒定。直流電流幅值上有一定的波動(dòng)，但其平均值維持在290A左右，上下橋臂電流合成后閥側(cè)電流波形，沒(méi)有偏置量，是正弦波。同時(shí)對(duì)于換流閥交直流側(cè)的電壓、電流波形，指明經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)逆變產(chǎn)生的交流電壓、電流波形，其諧波含量小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。更進(jìn)一步證實(shí)了柔性直流輸電的優(yōu)點(diǎn)。

具有更多的功率控制方式，柔性直流換流站與傳統(tǒng)的交直流變電站相比。我國(guó)陸續(xù)實(shí)踐的工程上的調(diào)試的結(jié)果表明，柔性直流換流閥逆變輸出的電壓和電流波形含有較少諧波分量，輸出穩(wěn)定的正弦波，其上下?lián)Q流站橋臂的電流波形和理論分析結(jié)果相符。其有功功率、無(wú)功功率在柔性直流輸電系統(tǒng)額定容量運(yùn)行時(shí)，能輸出平穩(wěn)準(zhǔn)確。同時(shí)交直流電壓、電流等均能維持穩(wěn)定運(yùn)行，柔直系統(tǒng)的換流站在單站運(yùn)行時(shí)，能夠通過(guò)發(fā)出或吸收無(wú)功功率，進(jìn)而維持交流電壓穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

具有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的能力的柔性直流輸電，既可在傳輸有功功率時(shí)期，還可維持交流系統(tǒng)的電壓側(cè)穩(wěn)定，柔直輸電系統(tǒng)在額定容量時(shí)具有良好的性能。采用該MMC技術(shù)對(duì)維持電網(wǎng)穩(wěn)定具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]毛穎科，桂順生，賀之淵，等.基于MMC技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)性能分析[J].華東電力，2011，7：1133-1136.

作者簡(jiǎn)介：陳海燕（1982，2-），女，吉林伊通人，工學(xué)學(xué)士，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司工程師，主要研究：柔性直流輸電。