徐殿國(guó), 張書鑫, 李彬彬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江省哈爾濱市 150001)

0　引言

隨著傳統(tǒng)化石能源短缺以及全球氣候變化問題的不斷加深,能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型越來越受到人們的重視。清潔的可再生能源主要是通過轉(zhuǎn)化為電能才能被利用,而可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電存在著明顯不同的技術(shù)特點(diǎn),這對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)提出了更高的要求。另一方面,分布式電源與儲(chǔ)能裝置的大量接入以及主動(dòng)配電系統(tǒng)、微電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步,也使得現(xiàn)代電力系統(tǒng)朝著更智能、更靈活的方向不斷發(fā)展[1]。

在此背景下,大量新型電力電子設(shè)備被應(yīng)用在電力系統(tǒng)中,使電力系統(tǒng)的可控性和靈活性更強(qiáng)。本文將這類基于電力電子技術(shù)的電力系統(tǒng)新型一次設(shè)備歸納統(tǒng)稱為“柔性一次設(shè)備”。柔性一次設(shè)備的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括柔性交流輸電、柔性直流輸電、可再生能源發(fā)電與電力儲(chǔ)能以及主動(dòng)配電系統(tǒng)與微電網(wǎng) 四個(gè)方面。柔性一次設(shè)備在現(xiàn)代電網(wǎng)中的應(yīng)用有效提升了電能的轉(zhuǎn)換和傳輸效率,增強(qiáng)了電力系統(tǒng)的調(diào)控能力與靈活性,大大提高了電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力,同時(shí)能更好地滿足用戶對(duì)于電能質(zhì)量的要求。其作為現(xiàn)代電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù),近年來迅速成為研究熱點(diǎn)并得到國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注。不同電路拓?fù)浼娂娪楷F(xiàn),新的控制策略與變流技術(shù)層出不窮,大量裝置投入工程建設(shè)與運(yùn)行。但與現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展要求相比,現(xiàn)有的柔性一次設(shè)備在建模與控制、仿真、可靠性等諸方面仍然存在著一系列的挑戰(zhàn),設(shè)備的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及靈活性等方面仍有較大的優(yōu)化空間。

本文介紹了柔性一次設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)在柔性交流輸電、柔性直流輸電、可再生能源發(fā)電、電力儲(chǔ)能和主動(dòng)配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展和工程應(yīng)用情況,并分析了其共性關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)。希望能夠?yàn)榇龠M(jìn)柔性一次設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。

1　柔性一次設(shè)備在柔性交流輸電中的應(yīng)用

柔性交流輸電(flexible AC transmission system,FACTS)這一概念最早由美國(guó)電力科學(xué)院的Narain G. Hingorani博士于1986年提出[2],柔性一詞的含義是指通過電力電子等技術(shù),實(shí)現(xiàn)提高交流輸電系統(tǒng)傳輸容量和增強(qiáng)可控性的目的。在FACTS概念形成的初期,能夠廣泛應(yīng)用于交流系統(tǒng)的FACTS設(shè)備基本上只有靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator,SVC)。在SVC基礎(chǔ)上,FACTS技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,目前已經(jīng)形成了近20種FACTS設(shè)備,其中部分已經(jīng)投入到實(shí)際工程應(yīng)用中并取得了良好效果。目前,全世界已投運(yùn)上千個(gè)FACTS工程,總?cè)萘恳殉^100 GVA[3]。FACTS技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用是電力工業(yè)近幾十年來最為突出的成果之一,為現(xiàn)代電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。尤其中國(guó)的能源資源與需求呈逆向分布,必須發(fā)展輸電能力更強(qiáng)、效率更高的輸電技術(shù),同時(shí)還需要解決由此引起的潮流控制、系統(tǒng)振蕩以及電壓穩(wěn)定性等問題。因此FACTS技術(shù)在中國(guó)電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)過程中,起著至關(guān)重要的作用。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,FACTS技術(shù)的發(fā)展方向逐漸從SVC、可控串聯(lián)補(bǔ)償器、可控并聯(lián)電抗器等基于半控型器件的設(shè)備,轉(zhuǎn)向功能更強(qiáng)大、更靈活、響應(yīng)速度更快的基于全控型器件的靜止同步補(bǔ)償器、統(tǒng)一潮流控制器等設(shè)備。

1.1　基于半控型器件的FACTS設(shè)備

基于晶閘管的SVC設(shè)備在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行了,遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于FACTS概念的提出。SVC是基于晶閘管投切或控制的一類并聯(lián)型FACTS設(shè)備的總稱,包括晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor,TCR)、晶閘管投切電抗器(thyristor switched reactor,TSR)以及晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor,TSC)等設(shè)備以及它們互相之間或是與機(jī)械式無功補(bǔ)償設(shè)備組合形成的設(shè)備,典型的SVC如圖1所示。SVC是FACTS設(shè)備中技術(shù)最為成熟的設(shè)備,現(xiàn)有的已投運(yùn)的FACTS工程總?cè)萘恐?絕大部分都是SVC。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,SVC技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟,目前全球范圍內(nèi)已有數(shù)千個(gè)SVC工程。中國(guó)的SVC技術(shù)雖然起步較晚,但也已經(jīng)發(fā)展相當(dāng)成熟。中國(guó)應(yīng)用于電網(wǎng)中的第一個(gè)國(guó)產(chǎn)化SVC項(xiàng)目——鞍山紅一變SVC國(guó)產(chǎn)化示范工程于2004年正式投運(yùn)。2016年,由南瑞繼保電氣有限公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的900 Mvar世界最大容量SVC在埃塞俄比亞HOLETA 500 kV變電站成功投運(yùn),該套SVC采用TCR、TSC和濾波器整體協(xié)調(diào)控制的方式。

圖1　典型SVC示意圖Fig.1　Schematic diagram of a typical SVC

可控高壓并聯(lián)電抗器(通常簡(jiǎn)稱為可控高抗)是在SVC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的另一種基于晶閘管的并聯(lián)型FACTS設(shè)備,其功能是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流輸電線路過剩的無功功率,達(dá)到抑制超/特高壓輸電線路的容升效應(yīng)、操作過電壓、潛供電流等現(xiàn)象,降低線路損耗,提高交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平及線路傳輸功率的作用[4]。基于晶閘管的可控高抗主要分為分級(jí)式可控高抗和晶閘管控制變壓器式可控高抗兩類,其結(jié)構(gòu)分別如附錄A圖A1和圖A2所示。分級(jí)式可控高抗的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、諧波含量少,缺點(diǎn)是補(bǔ)償容量只能分級(jí)調(diào)節(jié)而不能連續(xù)調(diào)節(jié),因此適合潮流變化劇烈并具有季節(jié)負(fù)荷特性的超/特高壓輸電系統(tǒng)。中國(guó)在分級(jí)式可控高抗領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平,在2006年完成了忻都500 kV分級(jí)式可控高抗示范工程,在2012年完成了敦煌750 kV分級(jí)式可控高抗示范工程。2016年,南瑞集團(tuán)成功研制了世界首套1 100 kV可控高抗。晶閘管控制變壓器式可控高抗本質(zhì)上是TCR和變壓器的組合,通過調(diào)整晶閘管觸發(fā)角,能夠平滑調(diào)節(jié)副邊繞組的等效電抗。晶閘管控制變壓器式可控高抗響應(yīng)速度快,過負(fù)荷能力強(qiáng),能夠大范圍平滑調(diào)節(jié)補(bǔ)償容量的大小,因此在大規(guī)模風(fēng)電集中接入超/特高壓交流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用方面具有較大優(yōu)勢(shì)。晶閘管控制變壓器式可控高抗目前在國(guó)外應(yīng)用較多,如印度Itarsi的420 kV/50 Mvar晶閘管控制變壓器式可控高抗和加拿大Loreatid變電站的750 kV/450 Mvar晶閘管控制變壓器式可控高抗等。

可控串聯(lián)補(bǔ)償器是最重要的串聯(lián)型FACTS設(shè)備之一,其由一組電容器與晶閘管控制電抗器并聯(lián)組成,如附錄A圖A3所示?？煽卮?lián)補(bǔ)償器可以提供連續(xù)可控的串聯(lián)補(bǔ)償容量,達(dá)到改變系統(tǒng)阻抗特性、優(yōu)化潮流分布以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能的目的。1991年,美國(guó)在卡納瓦爾變電站投運(yùn)了世界上首個(gè)可控串聯(lián)補(bǔ)償器工程。2003年,亞洲首個(gè)500 kV可控串聯(lián)補(bǔ)償器工程——中國(guó)天生橋—平果可控串聯(lián)補(bǔ)償器工程投運(yùn),由德國(guó)西門子公司承建。2004年,中國(guó)第一個(gè)國(guó)產(chǎn)化可控串聯(lián)補(bǔ)償器工程——甘肅碧成220 kV可控串聯(lián)補(bǔ)償器工程正式投運(yùn)。2007年,世界上電壓等級(jí)最高、容量最大的可控串聯(lián)補(bǔ)償器——伊馮500 kV可控串聯(lián)補(bǔ)償器正式投運(yùn)。

1.2　基于全控型器件的FACTS設(shè)備

1)靜止同步補(bǔ)償器

靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator,STATCOM)是基于全控型器件的FACTS設(shè)備中,出現(xiàn)最早、發(fā)展最快而且應(yīng)用最廣的一種設(shè)備。STATCOM可以采用電壓源型換流器和電流源型換流器來實(shí)現(xiàn),但由于基于電壓源型換流器的STATCOM控制更加方便且效率更高,因此實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)STATCOM都通過電壓源型換流器來實(shí)現(xiàn),如附錄A圖A4所示。作為并聯(lián)型FACTS設(shè)備,STATCOM和傳統(tǒng)SVC相比,具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快、可控性更好、不需要大容量的電容或電感、諧波含量低、補(bǔ)償能力不依賴于系統(tǒng)電壓水平等優(yōu)點(diǎn)。但由于需要使用較多數(shù)量的全控型器件,在需要較大容量補(bǔ)償?shù)那闆r下,STATCOM的成本接近SVC的兩倍[3]。

如果將基于電壓源型換流器的STATCOM串聯(lián)在線路中,那么可以得到靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator,SSSC),如附錄A圖A5所示。作為串聯(lián)型FACTS設(shè)備,和基于晶閘管的可控串聯(lián)補(bǔ)償器相比,SSSC除了具有響應(yīng)速度更快的優(yōu)勢(shì)外,還無需配置較大的交流電容器或電抗器就可對(duì)線路的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,并且補(bǔ)償?shù)拇?lián)電壓不受線路電流影響。此外,SSSC對(duì)于交流系統(tǒng)中的各種振蕩現(xiàn)象的抗干擾能力要強(qiáng)于可控串聯(lián)補(bǔ)償器[3]。但通常情況下SSSC不會(huì)單獨(dú)使用,而是和STATCOM組成統(tǒng)一潮流控制器,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路有功功率的控制,能夠提高交流系統(tǒng)的輸送能力。

早期的STATCOM主要依靠多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。1980年,日本三菱電機(jī)公司與日本關(guān)西電力公司合作研制了世界上第一臺(tái)STATCOM,采用多重化結(jié)構(gòu),容量為±20 Mvar[5]。1999年,清華大學(xué)和河南省電力公司合作開發(fā)了中國(guó)第一臺(tái)工業(yè)化STATCOM,采用四重化耦合變壓器和基于門極可關(guān)斷晶閘管(gate turn-off thyristor,GTO)的兩電平單元變換器的方案,容量為±20 Mvar[6]。多重化結(jié)構(gòu)的STATCOM必須要配備多重化耦合變壓器,此類變壓器成本高、損耗較大、體積很大,而且隨著多重化的變換器數(shù)量的增加,變壓器繞組增多,設(shè)計(jì)難度會(huì)明顯增加。

隨著多電平換流器技術(shù)的發(fā)展,STATCOM技術(shù)得到了快速發(fā)展[7-17]?；诙嚯娖綋Q流技術(shù)的STATCOM主要包括二極管鉗位STATCOM、飛跨電容STATCOM、級(jí)聯(lián)H橋STATCOM以及模塊化多電平STATCOM。二極管鉗位STATCOM是出現(xiàn)最早的基于多電平技術(shù)的STATCOM,由于可以省去多重化變壓器,其成本得到了明顯降低,因此該技術(shù)很快受到了廣泛關(guān)注。1997年,德國(guó)西門子公司研制的容量為±8 Mvar基于二極管鉗位三電平變換器的STATCOM在丹麥Rejsby Hede風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)[7]。同年,美國(guó)西屋公司和美國(guó)電力科學(xué)院聯(lián)合研制了基于二極管鉗位三電平變換器的STATCOM,作為統(tǒng)一潮流控制器并聯(lián)側(cè)在美國(guó)Inez變電站投運(yùn)[8]。二極管鉗位STATCOM的缺點(diǎn)是隨著電平數(shù)量的增加,所需鉗位二極管數(shù)量按平方數(shù)量級(jí)增加,導(dǎo)致?lián)Q流器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜,且電容電壓不平衡問題也更加嚴(yán)重[17]。

為了克服二極管鉗位多電平換流器所需鉗位二極管個(gè)數(shù)太多的缺陷,法國(guó)圖盧茲聯(lián)邦大學(xué)的Thierry Meynard教授等人提出了飛跨電容多電平換流器[9]。該拓?fù)潆娖綌?shù)容易擴(kuò)展,節(jié)約了大量的鉗位二極管。但該拓?fù)渫ㄟ^電容來實(shí)現(xiàn)鉗位,因此需要較多的鉗位電容,鉗位電容需要進(jìn)行預(yù)充電。該拓?fù)湟餐瑯哟嬖诤投O管鉗位多電平換流器相同的電容電壓不平衡問題,因此在實(shí)際工程中應(yīng)用并不普遍。

1996年,美國(guó)密西根州立大學(xué)的彭方正教授提出了級(jí)聯(lián)H橋STATCOM(又稱鏈?zhǔn)絊TATCOM)[10]。級(jí)聯(lián)H橋STATCOM不但可以省去多重化變壓器,還不需要大量鉗位二極管和鉗位電容,更容易擴(kuò)展電平數(shù),能夠適用于高壓大容量應(yīng)用場(chǎng)合。此外,級(jí)聯(lián)H橋容易模塊化,能夠通過冗余模塊實(shí)現(xiàn)較高的容錯(cuò)性。由于具備這些優(yōu)勢(shì),級(jí)聯(lián)H橋STATCOM成為目前高壓大容量STATCOM的首選,得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注并大量用于實(shí)際工程中。1999年,由法國(guó)ALSTOM公司和英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司聯(lián)合研制的世界上第一臺(tái)級(jí)聯(lián)H橋STATCOM在英國(guó)投運(yùn),容量為±75 Mvar[11]。2006年,由清華大學(xué)與中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司等單位聯(lián)合研制的中國(guó)第一臺(tái)級(jí)聯(lián)H橋STATCOM正式投運(yùn),容量為±50 Mvar,集成門極換流晶閘管(integrated gate commutated thyristors,IGCT)首次在STATCOM作為開關(guān)器件被應(yīng)用[12]。2011年,世界上第一個(gè)±200 Mvar的級(jí)聯(lián)H橋STATCOM項(xiàng)目在中國(guó)南方電網(wǎng)東莞變電站投運(yùn)[13]。2016年,容量為±300 Mvar的基于電子注入增強(qiáng)柵晶體管(injection enhanced gate transistor,IEGT)的級(jí)聯(lián)H橋STATCOM在中國(guó)南方電網(wǎng)永富直流輸電工程富寧換流站投運(yùn),是中國(guó)目前容量最大的STATCOM工程,并且也是大容量STATCOM首次應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域[14]。雖然級(jí)聯(lián)H橋STATCOM在實(shí)際工程中已經(jīng)有不錯(cuò)的表現(xiàn),但其仍然存在一定的局限性,即無論是星形連接還是角形連接,在負(fù)載不平衡與網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生畸變時(shí)都會(huì)受到一定的限制[15]。

2001年,德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的Rainer Marquardt教授提出了一種模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)[16],圖2給出了一個(gè)采用半橋子模塊(half bridge sub-module,HBSM)的三相MMC拓?fù)?。MMC不存在器件串聯(lián)同步驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴},因此特別適合高壓大容量應(yīng)用場(chǎng)合。有學(xué)者嘗試研究了基于MMC的STATCOM[15,17],但MMC子模塊電容需要承受工頻電壓波動(dòng),導(dǎo)致功率密度較小。

圖2　模塊化多電平換流器拓?fù)銯ig.2　Topology of modular multilevel converter

2)統(tǒng)一潮流控制器

1992年,美國(guó)西屋公司的L. Gyugyi博士提出了統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)的概念[18],由于其功能強(qiáng)大,被認(rèn)為是FACTS技術(shù)的集大成者。UPFC結(jié)構(gòu)如圖3所示,由并聯(lián)部分和串聯(lián)部分組成,兩個(gè)部分通過直流環(huán)節(jié)相連。因此UPFC不但能夠繼承并聯(lián)補(bǔ)償器和串聯(lián)補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn),還具備這兩者原來不具備的功能,即調(diào)整有功功率的能力,是目前綜合功能最全面的FACTS設(shè)備。工程應(yīng)用時(shí),UPFC也可以根據(jù)實(shí)際需求將并聯(lián)部分和串聯(lián)部分分開運(yùn)行,其并聯(lián)側(cè)是一臺(tái)STATCOM,而串聯(lián)側(cè)則是一臺(tái)SSSC。

圖3　統(tǒng)一潮流控制器示意圖Fig.3　Schematic diagram of UPFC

由于受到開關(guān)器件自身特性的局限,早期的UPFC均采用基于串聯(lián)GTO的三電平換流器結(jié)合多重化技術(shù)的技術(shù)路線。1998年,世界上第一套UPFC在美國(guó)Inez變電站投運(yùn),額定電壓為138 kV,容量為320 MVA,采用了三電平四重化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。2003年,世界上第二套UPFC裝置在韓國(guó)Kangjin變電站投運(yùn),額定電壓154 kV,容量80 MVA,采用了三電平二重化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[19]。2004年,美國(guó)Marcy變電站投運(yùn)了一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的UPFC——可轉(zhuǎn)換靜止補(bǔ)償器(convertible static compensators,CSC),額定電壓345 kV,容量為200 MVA,也采用了三電平四重化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[20]。

隨著MMC技術(shù)的不斷發(fā)展及其在柔性直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用積累,近年來基于MMC的UPFC得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用,成為UPFC的主流技術(shù)方案。2015年,中國(guó)首個(gè)UPFC工程在江蘇220 kV南京西環(huán)網(wǎng)正式投運(yùn),該工程在全世界范圍內(nèi)首次將MMC技術(shù)應(yīng)用于UPFC裝置,線路額定電壓220 kV,UPFC容量為180 MVA[21]。2017年,全世界首套全戶內(nèi)緊湊型UPFC——上海蘊(yùn)藻浜—閘北220 kV統(tǒng)一潮流控制器工程正式投運(yùn),線路額定電壓220 kV,UPFC容量為100 MVA,也采用MMC技術(shù)。同年,世界上電壓等級(jí)最高、容量最大的蘇州南部電網(wǎng)UPFC工程也正式投運(yùn),線路額定電壓500 kV,UPFC容量為750 MVA,同樣采用MMC技術(shù)。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,柔性一次設(shè)備必然會(huì)在柔性交流系統(tǒng)中繼續(xù)大放光彩。尤其是隨著STATCOM和UPFC等基于全控型器件的柔性一次設(shè)備技術(shù)水平的不斷提高,柔性交流輸電系統(tǒng)的輸送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性及可控性將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

2　柔性一次設(shè)備在柔性直流輸電中的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代初加拿大McGill大學(xué)的Boon-Teck Ooi教授等人提出基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的直流輸電(即柔性直流輸電)以來[22-23],該技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和極為快速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2017年底,全球范圍內(nèi)已投運(yùn)柔性直流輸電工程38項(xiàng),其中最高電壓等級(jí)±320 kV,輸送容量1 000 MW。在建柔性直流輸電項(xiàng)目共11項(xiàng),最高電壓等級(jí)±500 kV,輸送容量3 000 MW。

根據(jù)柔性直流輸電所采用的VSC類型不同,可以將其劃分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段采用的VSC是兩電平換流器和二極管鉗位型三電平換流器。由于世界上只有ABB公司能夠提供商業(yè)化的上百千伏電壓等級(jí)的器件串聯(lián)閥組,因此該階段的柔性直流輸電工程均由ABB公司承建。第二階段起始于MMC技術(shù)在2010年首次在西門子公司承建的美國(guó)Trans Bay Cable柔性直流輸電工程中得到應(yīng)用,此后的柔性直流輸電工程基本上都采用MMC技術(shù)。MMC具有一系列技術(shù)優(yōu)勢(shì),例如子模塊級(jí)聯(lián)的模式避免了電力電子器件直接串聯(lián),因此不存在同步驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴};電容分布在各個(gè)子模塊中,不需要配置高壓電容器組;開關(guān)器件開關(guān)頻率較低,損耗較小;波形質(zhì)量高,不需要配置濾波器;結(jié)構(gòu)模塊化,易于提高容量并形成冗余等。因此采用MMC可以大幅降低柔性直流輸電換流器的制造難度,促進(jìn)更多制造商進(jìn)入柔性直流輸電領(lǐng)域,極大地推動(dòng)了柔性直流輸電的發(fā)展進(jìn)程。

多端柔性直流輸電和在其基礎(chǔ)上發(fā)展的直流電網(wǎng)是柔性直流輸電技術(shù)當(dāng)前主要的發(fā)展方向之一,也是柔性直流輸電技術(shù)中的柔性一次設(shè)備主要應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)[24]給出了如附錄A圖A6所示的大型直流電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)模型(DC system model,DCS-M)示意圖,其中包含了VSC、DC/DC變換器以及直流潮流控制器幾種柔性直流輸電技術(shù)中的柔性一次設(shè)備。除了上面3種設(shè)備,高壓直流斷路器也是一種重要的柔性一次設(shè)備,本章將對(duì)這幾種設(shè)備進(jìn)行介紹和評(píng)述。

2.1　應(yīng)用于直流電網(wǎng)中的MMC

MMC應(yīng)用在直流電網(wǎng)中面臨的最關(guān)鍵的問題就是直流側(cè)故障處理問題。目前實(shí)際工程中所采用的子模塊均是半橋子模塊,當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路時(shí),半橋子模塊中的反并聯(lián)二極管會(huì)為短路電流提供通路,導(dǎo)致?lián)Q流器本身無法實(shí)現(xiàn)直流故障自清除。解決該問題可以分別從采用具有直流故障清除能力的子模塊和改進(jìn)MMC拓?fù)鋬煞矫娉霭l(fā)。

1)具有直流故障清除能力的子模塊

通過子模塊來實(shí)現(xiàn)直流故障清除的原理是利用子模塊電容來提供反向電壓,最具代表性的就是全橋子模塊(full bridge sub-module,FBSM),如圖4(a)所示。但FBSM采用的器件數(shù)量是HBSM的2倍,成本和損耗都大幅增加。另一種典型的結(jié)構(gòu)是鉗位型雙子模塊(clamp double sub-module,CDSM),如圖4(b)所示[25]。CDSM僅比HBSM額外增加了25%的開關(guān)器件數(shù)量,但CDSM中的兩個(gè)子模塊在正常運(yùn)行和故障期間連接方式不同,結(jié)構(gòu)上具有耦合性,因此增加了控制和均壓的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[26]提出了串聯(lián)雙子模塊(series-connected double sub-module,SDSM)結(jié)構(gòu),如圖4(c)所示。當(dāng)發(fā)生直流側(cè)故障時(shí),無論橋臂電流方向如何,SDSM的兩個(gè)電容都是串聯(lián),且始終處于充電狀態(tài),避免了CDSM的耦合性問題。文獻(xiàn)[27]提出了二極管鉗位型子模塊(diode-clamp submodule,DCSM),如圖4(d)所示。DCSM大幅降低了所需開關(guān)器件的數(shù)量,但其存在反向故障電流情況下阻斷能力減弱的問題。文獻(xiàn)[28]提出了逆阻型半橋子模塊(reverse blocking HBSM,RB-HBSM),如圖4(e)所示。RB-HBSM具備故障電流的雙向阻斷能力,但其需要采用一種特殊的逆阻型絕緣柵雙極晶體管,而且電流反向流入子模塊時(shí),橋臂等效成多個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)串聯(lián)后直接阻斷反向故障電流,相當(dāng)于固態(tài)斷路器,具有一定的局限性。此外還有交叉型子模塊[29]、類全橋子模塊[30]以及二極管鉗位式雙子模塊[31]等各種不同的子模塊結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[32]將8種典型的具有直流故障電流阻斷能力的子模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析,得出了當(dāng)不考慮故障電流阻斷能力時(shí),二極管鉗位型子模塊最具有應(yīng)用前景的結(jié)論。

圖4　幾種典型的具有直流故障電流阻斷能力的子模塊Fig.4　Several typical sub-modules with DC fault current blocking capacity

2)具有直流故障清除能力的改進(jìn)MMC拓?fù)?/p>

為了獲得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益,可以將HBSM與具有直流故障阻斷能力的SM混合使用,得到了子模塊混合型MMC(Hybrid MMC)。比較典型的是由HBSM和FBSM組成的Hybrid MMC,其每個(gè)橋臂中HBSM和FBSM的數(shù)量均按照一定的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[33]提出了橋臂交替導(dǎo)通換流器(alternative arm converter,AAC),其拓?fù)淙鐖D5(a)所示。AAC由導(dǎo)通開關(guān)和全橋子模塊組成,導(dǎo)通開關(guān)可以承受一部分直流電壓,因此子模塊數(shù)量可以減少,極限條件下子模塊數(shù)量為FBSM-MMC的一半。AAC共有三種工作模式,即正常工作模式、直流閉鎖模式以及STATCOM模式。正常工作時(shí)AAC上下橋臂交替導(dǎo)通,通過投切子模塊使輸出的交流電壓波形逼近期望的正弦波形。發(fā)生直流側(cè)故障時(shí),關(guān)斷所有開關(guān)器件,產(chǎn)生反向電壓限制故障電流。當(dāng)需要AAC運(yùn)行在STATCOM模式時(shí),所有的導(dǎo)通開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。AAC的缺點(diǎn)在于多個(gè)器件的串聯(lián)問題,以及直流側(cè)存在6次諧波問題。

圖5　兩種典型的具有直流故障電流阻斷能力的換流器拓?fù)銯ig.5　Two typical converter topologies with DC fault current blocking capacity

文獻(xiàn)[34]提出了混合級(jí)聯(lián)多電平換流器(hybrid cascaded multilevel converter,HCMC),其拓?fù)淙鐖D5(b)所示。HCMC與AAC工作原理類似,區(qū)別在于HCMC的子模塊串從橋臂內(nèi)移至了交流側(cè),HCMC中子模塊串對(duì)導(dǎo)通開關(guān)輸出的兩電平電壓進(jìn)行整形得到正弦交流電壓波形,因此HCMC所需子模塊數(shù)量為傳統(tǒng)MMC的一半。HCMC與AAC一樣有三種工作模式,與AAC相比其需要的子模塊數(shù)量更少,但導(dǎo)通開關(guān)工作方式為硬開關(guān),并且其也存在著和AAC一樣的器件串聯(lián)問題。

2.2　高壓直流斷路器

為了實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)中故障隔離的選擇性,直流電網(wǎng)中換流站之間的線路必須通過直流斷路器來連接。由于直流電流不存在自然過零點(diǎn),而且直流斷路器需要吸收故障時(shí)直流系統(tǒng)中感性元件儲(chǔ)存的大量能量。此外,直流系統(tǒng)故障電流較高的上升速率要求直流斷路器必須在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障切除,進(jìn)一步增大了直流斷路器的設(shè)計(jì)難度。

根據(jù)直流斷路器開斷原理不同,可以將直流斷路器分為固態(tài)式直流斷路器、機(jī)械式直流斷路器和混合式直流斷路器三類[35-41]。固態(tài)式直流斷路器由于受到開關(guān)器件的限制,需要串聯(lián)大量電力電子器件,通態(tài)損耗過大,難以應(yīng)用在高壓大容量直流電網(wǎng)中。因此目前高壓直流斷路器的研制主要基于機(jī)械式直流斷路器和混合式直流斷路器兩種技術(shù)路線。

1)機(jī)械式直流斷路器

機(jī)械式直流斷路器的原理是通過反向電流注入來實(shí)現(xiàn)人工過零。由于正常運(yùn)行時(shí)電流僅流經(jīng)機(jī)械開關(guān),因此機(jī)械式斷路器具有通態(tài)損耗低的優(yōu)勢(shì),不需要冷卻設(shè)備,成本也相對(duì)較低。但機(jī)械式直流斷路器屬于有電弧分?jǐn)?斷開直流電流時(shí)電弧容易灼燒觸頭,還需要考慮電弧復(fù)燃的問題。根據(jù)反向電流注入電路設(shè)計(jì)方式的不同,機(jī)械式直流斷路器可以分為電容激勵(lì)型和電感激勵(lì)型兩種,如附錄A圖A7所示。

在電容激勵(lì)型機(jī)械式直流斷路器研制方面,近年來國(guó)內(nèi)外有多家單位都取得了一定成果。2014年,瑞士ABB公司研制出了80 kV/5 ms/10 kA的樣機(jī)[35];同年,日本三菱公司研制出了80 kV/10 ms/16 kA的樣機(jī)[36]。2015年,中國(guó)的西安交通大學(xué)、南方電網(wǎng)公司以及西安高壓電器研究院聯(lián)合研制出了55 kV/5 ms/16 kA的電容激勵(lì)型機(jī)械式直流斷路器樣機(jī)[37]。在電感激勵(lì)型機(jī)械式直流斷路器研制方面,中國(guó)華中科技大學(xué)在2016年完成了40 kV/3.5 ms/9 kA的樣機(jī),并以40 kV為基礎(chǔ)斷口串聯(lián)擴(kuò)展至160 kV應(yīng)用[38]。2017年,世界首臺(tái)機(jī)械式高壓直流斷路器在中國(guó)南方電網(wǎng)南澳±160 kV多端柔性直流輸電系統(tǒng)中成功投運(yùn)。

2)混合式直流斷路器

混合式直流斷路器結(jié)合了固態(tài)式直流斷路器和機(jī)械式直流斷路器的優(yōu)點(diǎn),其原理如附錄A圖A8所示。正常運(yùn)行時(shí),電流流經(jīng)包含高速機(jī)械開關(guān)和少量開關(guān)器件的載流支路,通態(tài)損耗相對(duì)較低。故障時(shí),故障電流首先轉(zhuǎn)移到全部由電力電子器件組成的轉(zhuǎn)移支路中,然后斷開機(jī)械開關(guān),當(dāng)機(jī)械開關(guān)達(dá)到一定的開距后再斷開轉(zhuǎn)移支路。

2012年,瑞士ABB公司提出了一種基于IGBT串聯(lián)的320 kV混合式直流斷路器設(shè)計(jì)方案,并研制了80 kV/5 ms/8.5 kA的樣機(jī)[39]。2014年,法國(guó)ALSTOM公司研制了120 kV/5.3 ms/5.2 kA的基于晶閘管的混合式直流斷路器樣機(jī)[40]。2013年,中國(guó)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出了基于全橋模塊級(jí)聯(lián)的混合式直流斷路器[41],并于2015年研制了200 kV/3 ms/15 kA的樣機(jī),2016年底在舟山±200 kV五端柔性直流工程中投入運(yùn)行。2017年,全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院將全橋模塊替換為二極管橋式換流模塊,研制了535 kV/2.5 ms/25 kA的樣機(jī)[42];同年,南瑞集團(tuán)也研制了基于二極管全橋和單向串聯(lián)IGBT的535 kV/3 ms/25 kA混合式直流斷路器樣機(jī)[43]。

亦有學(xué)者提出通過將高壓直流斷路器和直流故障電流限制器相結(jié)合來降低斷路器設(shè)計(jì)難度的思路,文獻(xiàn)[44]將直流斷路器與高溫超導(dǎo)故障電流限制器相結(jié)合,文獻(xiàn)[45]將電抗型故障電流限制器與直流斷路器相結(jié)合,文獻(xiàn)[46]將直流斷路器與電阻型故障電流限制器相結(jié)合,取得了一定的效果。但故障限流器在高壓應(yīng)用領(lǐng)域還停留在理論研究階段,若要應(yīng)用在實(shí)際工程中還需進(jìn)一步的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3　高壓DC/DC變換器

為了實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性,用于連接不同電壓等級(jí)直流系統(tǒng)的高壓DC/DC變換器是不可缺少的柔性一次設(shè)備。盡管目前在低壓應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)存在大量的DC/DC拓?fù)?但由于受到器件應(yīng)力等約束,這些拓?fù)浯蠖酂o法在直流電網(wǎng)中應(yīng)用。英國(guó)阿伯丁大學(xué)的Dragan Jovcic教授于2009年提出了基于晶閘管的諧振式DC/DC變換器[47],但該拓?fù)渲腥科骷枰鶕?jù)高壓側(cè)電壓進(jìn)行選型,且該拓?fù)漭斎胼敵鲋C波較大。隨著近年來模塊化技術(shù)的快速發(fā)展,許多學(xué)者陸續(xù)提出了基于模塊化原理的高壓DC/DC拓?fù)?根據(jù)是否進(jìn)行了電氣隔離,可以將這些拓?fù)浞譃楦綦x型和非隔離型兩大類。

1)隔離型模塊化DC/DC變換器

文獻(xiàn)[48]將兩個(gè)MMC通過變壓器進(jìn)行面對(duì)面連接,構(gòu)成如圖6(a)所示的DC/DC拓?fù)?該拓?fù)淅^承了MMC的諸多優(yōu)點(diǎn),同時(shí)由于交流環(huán)節(jié)僅存在于拓?fù)鋬?nèi)部,可通過提升交流頻率來減小變壓器體積及電容器容量。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[49-50]進(jìn)一步提出在中間交流環(huán)節(jié)采用方波(準(zhǔn)兩電平)波形,以增加拓?fù)涞墓β蕚鬏斈芰?并實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、降低功率器件的開關(guān)損耗。但需要指出由于方波電壓波形中包含有多種頻率成分,變壓器的絕緣應(yīng)力以及渦流損耗將因此加重,這對(duì)其變壓器的材料、工藝、散熱等技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[51]則把變壓器分散在各個(gè)子模塊中,如圖6(b)所示,每個(gè)子模塊采用經(jīng)典的雙有源橋(DAB)變換器,通過移相軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)高效率的DC/DC變換,但該拓?fù)涞闹饕獑栴}是每個(gè)變壓器的絕緣應(yīng)力都很高,導(dǎo)致磁芯利用率低,絕緣設(shè)計(jì)困難。綜上,隔離型拓?fù)涞墓餐卣魇遣捎媒涣髯儔浩?功率需要經(jīng)過逆變-整流兩套變流裝置,導(dǎo)致元器件數(shù)目較多、功率損耗較大,因此這類拓?fù)涠噙m用于電壓變比較大或?qū)﹄姎饨^緣有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合當(dāng)中[52]。

2)非隔離型模塊化DC/DC變換器

非隔離型DC/DC變換器的拓?fù)湎鄬?duì)在形式上更為靈活。文獻(xiàn)[53]將圖6(a)中的變壓器省去,得到如圖6(c)所示的非隔離型DC/DC拓?fù)?文獻(xiàn)[54]則進(jìn)一步將后一級(jí)MMC替換為二極管整流器,構(gòu)成了成本更低的單向DC/DC拓?fù)?如圖6(d)所示。但這兩種兩級(jí)式的非隔離拓?fù)淙匀恍枰獌杉?jí)功率變換。文獻(xiàn)[55]采用高頻注入的方式直接讓MMC輸出直流電壓,拓?fù)淙鐖D6(e)所示。該拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)功率的單級(jí)變換,節(jié)省了所需器件數(shù)量。但注入橋臂中的交流環(huán)流使得器件的電流應(yīng)力和損耗增大,并且需要在輸出側(cè)設(shè)置濾波器。文獻(xiàn)[56]提出了自耦型DC/DC拓?fù)?將兩個(gè)MMC的直流側(cè)串聯(lián),而交流側(cè)通過變壓器連接,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)MMC之間的功率平衡,如圖6(f)所示。該拓?fù)渲绷鬏敵鰝?cè)無交流成分,因此不需要設(shè)置笨重的濾波器。文獻(xiàn)[57]巧妙地提出了一種混合型非隔離DC/DC拓?fù)?如圖6(g)所示。該拓?fù)渫ㄟ^兩串串聯(lián)的IGBT控制一個(gè)子模塊串交替連接至高壓側(cè)和低壓側(cè),并控制子模塊串在其中一側(cè)充電而在另一側(cè)放電,從而實(shí)現(xiàn)DC/DC變換。該拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、需要開關(guān)器件少、能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)以及無需交流環(huán)節(jié)的優(yōu)點(diǎn),但I(xiàn)GBT串聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜,且子模塊電容器需要承擔(dān)整個(gè)換流器的能量脈動(dòng),電容器容量體積偏大。

圖6　高壓直流-直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.6　Circuit topology of HVDC DC/DC converter

2.4　直流潮流控制器

與交流系統(tǒng)相類似,在含有網(wǎng)孔的直流電網(wǎng)中,也可能出現(xiàn)某些線路負(fù)載較重,而其他線路容量利用率不高的情況,因此需要引入額外的直流潮流控制設(shè)備,即直流潮流控制器(DC power flow controller,DCPFC)。由于直流系統(tǒng)中不存在交流系統(tǒng)中的電抗、相角以及無功功率等物理量,因此DCPFC只能采用改變線路電阻和改變直流電壓兩種技術(shù)路線。改變線路電阻的DCPFC拓?fù)浜涂刂贫挤浅Ｈ菀讓?shí)現(xiàn),但電阻消耗有功功率,產(chǎn)生較大的損耗,需要配置相應(yīng)的冷卻裝置。而且這類方法只能單向增大線路電阻,靈活性較差。因此改變電阻的DCPFC在實(shí)際工程中的可行性較差,大多數(shù)學(xué)者主要關(guān)注的是改變直流電壓的DCPFC。

改變直流電壓的DCPFC主要有DC/DC變換器、串聯(lián)電壓源和線間DCPFC三種。應(yīng)用于直流電網(wǎng)的DC/DC變換器已于2.3節(jié)介紹,本節(jié)不再復(fù)述。值得關(guān)注的是,DC/DC變換器雖然有調(diào)節(jié)直流潮流的功能,但其運(yùn)行時(shí)需要承受系統(tǒng)級(jí)的電壓和功率,如果只是用來調(diào)節(jié)直流潮流,其復(fù)雜性和成本開銷工程應(yīng)用上無法接受。因此DC/DC變換器的主要作用是連接不同電壓等級(jí)的直流系統(tǒng),其潮流控制功能只是作為一個(gè)附加的功能。直流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)不存在電抗,因此較小的電壓變化就可以引起較大的電流變化。利用這個(gè)原理,文獻(xiàn)[58]提出了一種基于晶閘管橋的串聯(lián)電壓源型DCPFC,如附錄A圖A9所示。串聯(lián)電壓源型DCPFC不需要承擔(dān)系統(tǒng)級(jí)的電壓和功率,因此需要的器件數(shù)量較少,成本和損耗都相對(duì)較低。但其需要與交流系統(tǒng)進(jìn)行能量交換,換流變壓器需要承受直流系統(tǒng)級(jí)的電壓偏置,絕緣要求較高,體積較大且成本較高。為了克服串聯(lián)電壓源需要與交流系統(tǒng)進(jìn)行能量交換的缺陷,有學(xué)者提出了線間DCPFC的概念,相當(dāng)于在兩條線路上各串聯(lián)一個(gè)電壓源并且兩個(gè)電壓源之間進(jìn)行能量交換。文獻(xiàn)[59]提出了雙H橋型線間DCPFC,如附錄A圖A10所示。針對(duì)雙H橋型線間DCPFC產(chǎn)生直流電流紋波的問題,文獻(xiàn)[60-61]提出了雙電容型線間DCPFC。但雙電容型線間DCPFC不能適用于線路潮流方向相反情況,為了解決這個(gè)問題,文獻(xiàn)[62-63]進(jìn)一步提出了含有耦合電感的雙電容型線間DCPFC。文獻(xiàn)[64]綜合比較了幾類直流潮流控制器的特點(diǎn),并指出線間直流潮流控制器不論是在輸電還是配電系統(tǒng),也不論系統(tǒng)復(fù)雜程度,都比較適用,在未來直流電網(wǎng)中應(yīng)用前景最好,值得對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究并提出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

目前在實(shí)際工程中,考慮到成本和復(fù)雜性原因,具有直流故障阻斷能力的MMC并未得到應(yīng)用,未來主要研究的方向還是集中在節(jié)約成本和降低損耗方面。而高壓直流斷路器在世界范圍內(nèi),僅在中國(guó)兩個(gè)多端柔直示范工程中投運(yùn),成本相對(duì)較高且運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少,還需要繼續(xù)不斷研究更優(yōu)秀的拓?fù)?以及接受實(shí)際工程應(yīng)用的檢驗(yàn)。高壓DC/DC變換器和直流潮流控制器目前主要停留在學(xué)術(shù)研究階段,并未在實(shí)際工程中得到應(yīng)用,未來還需進(jìn)行更多的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

3　柔性一次設(shè)備在大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電與電力儲(chǔ)能技術(shù)中的應(yīng)用

隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的需求越來越迫切,更多的可再生能源開始被人們利用,尤其近十年來風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展達(dá)到了驚人的速度。根據(jù)《2017可再生能源全球現(xiàn)狀報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),風(fēng)力發(fā)電占可再生能源發(fā)電的比例從2004年的6%增長(zhǎng)為2016年的24.1%[65]。2016年全球風(fēng)電裝機(jī)容量增加55 GW,增長(zhǎng)了15.6%,發(fā)電量為959.5 TW·h。在2016年,中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電量超越了美國(guó),成為風(fēng)力發(fā)電總量世界第一的國(guó)家。2016年,中國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量年增長(zhǎng)39.4%,發(fā)電量為241.0 TW·h,占全世界風(fēng)力發(fā)電總量的25.1%[66]。太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展則更為迅速,2004年全球光伏聯(lián)網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量?jī)H占可再生能源發(fā)電的0.3%,到2016年這個(gè)數(shù)字已經(jīng)增長(zhǎng)到了15%。2016年全世界光伏裝機(jī)容量增加了75 GW,大約相當(dāng)于每小時(shí)安裝31 000塊光伏板。2016年全球光伏發(fā)電量為333.1 TW·h,年增長(zhǎng)29.6 TW·h,其中中國(guó)占全世界光伏發(fā)電總量的19.9%,居世界第一位。由于可再生能源發(fā)電具有的間歇性和隨機(jī)性,因此風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的快速發(fā)展也對(duì)電力儲(chǔ)能技術(shù)提出了更高的要求。近年來隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展,電力儲(chǔ)能技術(shù)取得了明顯的成果,越來越多的新興技術(shù)不斷涌現(xiàn),更多的儲(chǔ)能裝置被逐漸應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,提高了電力系統(tǒng)的可靠性和靈活性?？稍偕茉窗l(fā)電與電力儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)的支撐,可再生能源發(fā)電與電力儲(chǔ)能技術(shù)中的柔性一次設(shè)備主要包括風(fēng)力發(fā)電變流器、太陽能光伏發(fā)電變流器以及電力儲(chǔ)能變流器。

3.1　風(fēng)力發(fā)電變流器

最早的風(fēng)力發(fā)電采用的是恒速恒頻發(fā)電機(jī),直接與交流電網(wǎng)相連,不需要通過電力電子變流器。但這種發(fā)電機(jī)組可利用風(fēng)速范圍小、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低且必須要配置無功補(bǔ)償裝置,因此逐漸被變速恒頻發(fā)電機(jī)所代替。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電通過電力電子變流器實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng),對(duì)于電網(wǎng)更加友好,目前已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的主流技術(shù)。目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要可以分為雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)同步發(fā)電系統(tǒng)兩類,所采用的變流器有所區(qū)別。

1)雙饋系統(tǒng)變流器

雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)直接與交流電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流器與電網(wǎng)相連,如圖7(a)所示。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器只需要承擔(dān)轉(zhuǎn)差容量即可,約為發(fā)電機(jī)容量的三分之一,因此能夠節(jié)約較多成本。目前雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)市場(chǎng)份額最大,主要的變流器拓?fù)浒▋呻娖奖晨勘匙兞髌?、三電平背靠背變流器以及矩陣變換器。

兩電平背靠背變流器是雙饋?zhàn)兞髌鞯闹髁鞣桨?其具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高以及技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)功率在2.5 MW以下的雙饋?zhàn)兞髌鞑捎眠@種拓?fù)洹５珒呻娖酵負(fù)溆捎陔娖綌?shù)較少,輸出波形諧波含量相對(duì)較高。對(duì)于電壓更高、容量更大的雙饋發(fā)電系統(tǒng),通常采用二極管鉗位三電平變流器。與兩電平拓?fù)湎啾?三電平不僅容量更大,波形質(zhì)量也更高,因此所需濾波器的成本和體積也更小。除了兩電平和三電平拓?fù)?矩陣變換器現(xiàn)在也受到較多的關(guān)注。矩陣變換器是一種交交變換器,與兩電平和三電平拓?fù)湎啾?不需要配置大容量的直流側(cè)電容,理論上變換效率更高,變流器功率密度也更高[67]。但矩陣變換器實(shí)現(xiàn)低電壓穿越難度較大,要在實(shí)際工程中普及還需要進(jìn)一步研究。

圖7　風(fēng)力發(fā)電變流器原理圖Fig.7　Schematic diagram of wind power converter

2)直驅(qū)系統(tǒng)全功率變流器

當(dāng)前階段,在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)是唯一能夠和雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)一較高下的機(jī)型。與雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)相比,直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)可以省去雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中容易發(fā)生故障的齒輪箱,不但提高了可靠性,還可以節(jié)約一部分成本,而且機(jī)械損耗減少還意味著風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率更高。直驅(qū)系統(tǒng)通過圖7(b)中的全功率變流器與電網(wǎng)相連,發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)完全解耦,大大提升了機(jī)組故障穿越的能力。因此在大功率海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中,配有全功率變流器的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方案占據(jù)了重要地位。

隨著全控型器件的不斷發(fā)展,目前基于半控型器件的全功率變流器基本已經(jīng)被淘汰。目前,工程上應(yīng)用較多的是技術(shù)上比較成熟的基于兩電平或三電平背靠背變流器。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,尤其是模塊化多電平換流器等新技術(shù)的不斷進(jìn)步,越來越多的學(xué)者致力于研究其他全功率變流器拓?fù)?如基于MMC的風(fēng)電全功率變流器[68-71]、基于級(jí)聯(lián)H橋的風(fēng)電全功率變流器[72]、基于阻抗型變換器的風(fēng)電全功率變流器[73]以及基于矩陣變換器的風(fēng)電全功率變流器[74-75]等。

另外,隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,海上全直流風(fēng)場(chǎng)技術(shù)得到越來越多的關(guān)注[76]。由于全直流風(fēng)場(chǎng)的技術(shù)方案省去了傳統(tǒng)交流風(fēng)場(chǎng)的交流升壓變壓器,轉(zhuǎn)換效率更高,因此更能發(fā)揮出先進(jìn)電力電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也能更好地與柔性直流輸電相配合,具有更好的發(fā)展?jié)摿?。許多學(xué)者圍繞全直流風(fēng)場(chǎng)中的變流器展開了相關(guān)研究[77-79]。

3.2　光伏發(fā)電變流器

大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器按是否有隔離變壓器可以分為隔離型和非隔離型。其中隔離型又可以分為工頻隔離型和高頻隔離型。工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器是目前市場(chǎng)上技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的類型,通常采用兩電平或三電平三相結(jié)構(gòu),還可以采用多重結(jié)構(gòu)增加容量。由于具有隔離變壓器,工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器具有較高的安全性,并且可以保證逆變器不會(huì)向交流電網(wǎng)注入直流分量。但工頻變壓器體積大、成本高,還增加了損耗。高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器將工頻變壓器替換為高頻變壓器,減小了變壓器體積。然而高頻交流電壓不能直接并網(wǎng),還需增加AC/AC環(huán)節(jié),因此需要采用更多的器件,拓?fù)浜涂刂聘訌?fù)雜,也降低了可靠性。

由于非隔離型光伏逆變器在提高效率和降低成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì),因此近年來受到了較多的關(guān)注。但非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器也并非沒有缺點(diǎn),為了保證逆變器的安全可靠運(yùn)行,還需解決共模電流抑制、直流分量抑制等問題。常見的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浒ㄗ杩剐妥儞Q器型[80-81]、兩電平型[82]、二極管鉗位多電平型[83-84]、飛跨電容型[85-86]以及MMC型[87-89]等。

3.3　柔性一次設(shè)備在電力儲(chǔ)能技術(shù)中的應(yīng)用

近年來,電力儲(chǔ)能技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注,發(fā)展十分迅速。根據(jù)美國(guó)能源部全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫(DOE global energy storage database)的數(shù)據(jù)顯示,截至2018年2月,全球已投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目共有1 654個(gè),總裝機(jī)容量達(dá)到193.60 GW。其中包括352個(gè)抽水蓄能項(xiàng)目,裝機(jī)容量為183.90 GW;222個(gè)熱儲(chǔ)能項(xiàng)目,裝機(jī)容量為3.68 GW;70個(gè)其他機(jī)械儲(chǔ)能項(xiàng)目,裝機(jī)容量為2.59 GW;994個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目,裝機(jī)容量3.37 GW;13個(gè)儲(chǔ)氫項(xiàng)目,裝機(jī)容量0.02 GW;2個(gè)液態(tài)空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目,裝機(jī)容量5 MW;1個(gè)鋰離子電池項(xiàng)目,裝機(jī)容量0.02 GW。

目前儲(chǔ)能技術(shù)可以根據(jù)其儲(chǔ)存介質(zhì),劃分為機(jī)械儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能以及化學(xué)儲(chǔ)能。柔性一次設(shè)備在其中則發(fā)揮著不可替代的重要作用。機(jī)械儲(chǔ)能的裝機(jī)量占比最大,主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。其中光抽水蓄能裝機(jī)量就占所有儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)量95%以上。機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)中,柔性一次設(shè)備主要是用于驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)的高壓變頻器。目前高壓大功率變頻器主要采用多電平技術(shù),常見拓?fù)浒ǘO管鉗位型、飛跨電容型、級(jí)聯(lián)H橋型以及MMC型等[90-91]。電氣儲(chǔ)能技術(shù)主要包括超級(jí)電容儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能,它們必須通過相應(yīng)的變流器得到電壓等級(jí)相匹配的直流電壓才能正常工作。同樣,電化學(xué)儲(chǔ)能主要是通過各類電池實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存,也必須使用直流電。除此之外,化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)也需要借助電力電子變流器,如氫儲(chǔ)能的原理就是通過變換器將多余的電能轉(zhuǎn)換為直流電,然后電解水產(chǎn)生氫氣進(jìn)行能量的存儲(chǔ)。

還有學(xué)者提出將儲(chǔ)能技術(shù)與FACTS技術(shù)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)更好的控制效果。最常見的是將儲(chǔ)能設(shè)備與STATCOM組合構(gòu)成附錄A圖A11所示靜止同步發(fā)電機(jī)(static synchronous generator,SSG),能夠兼顧儲(chǔ)能和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓與頻率的功能。根據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)不同,目前SSG還可以進(jìn)一步劃分為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system,BESS)和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage,SMES)。1987年,世界上第一臺(tái)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的商業(yè)化BESS在德國(guó)Bewag投運(yùn),存儲(chǔ)容量為17 MW/14 MW·h。中國(guó)也投運(yùn)了多個(gè)BESS示范工程,如張北風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程中就配置了14 MW的鋰電池BESS。由于超導(dǎo)技術(shù)呈現(xiàn)出優(yōu)秀的前景,尤其是低溫超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展,SMES技術(shù)也一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。早在20世紀(jì)70年代,美國(guó)就開展了SMES的相關(guān)研究,并在Tacoma-Washington變電站投運(yùn)了世界上第一臺(tái)在實(shí)際電力系統(tǒng)中運(yùn)行的SMES。中國(guó)中科院電工所在1997年研制了中國(guó)第一臺(tái)25 kJ/5 kW的SMES樣機(jī),并于2007年對(duì)1 MJ/0.5 MW的SMES進(jìn)行了并網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。

此外,隨著級(jí)聯(lián)H橋和MMC等模塊化電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,還有學(xué)者提出將本身就具備模塊化特性的各種電池配置到子模塊中,起到節(jié)約成本、提高效率以及提升可靠性的作用[68,92]。

柔性一次設(shè)備在可再生能源發(fā)電與電力儲(chǔ)能技術(shù)中的應(yīng)用相對(duì)較為成熟,目前主要的挑戰(zhàn)是儲(chǔ)能設(shè)備的成本較為高昂。未來主要的發(fā)展方向是盡量降低儲(chǔ)能設(shè)備的成本,并進(jìn)一步提高各類變換器的運(yùn)行性能及經(jīng)濟(jì)性。

4　柔性一次設(shè)備在主動(dòng)配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)中的應(yīng)用

由于風(fēng)能及太陽能等可再生能源具有明顯的分散性,因此為了更充分利用可再生能源,分布式發(fā)電技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。主動(dòng)配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)技術(shù)作為消納分布式發(fā)電的主要方式,通過各種柔性一次設(shè)備的協(xié)調(diào)配合,不但能夠克服可再生能源的波動(dòng)性和隨機(jī)性,更好地消納可再生能源,還能夠更好地滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性的要求。主動(dòng)配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)中的柔性一次設(shè)備主要包括各種接口換流器、固態(tài)開關(guān)、電力電子變壓器(power electronic transformer,PET)/電能路由器以及用于配電系統(tǒng)的FACTS設(shè)備(distribution FACTS,DFACTS)等。接口換流器主要用于將分布式電源和儲(chǔ)能裝置連接到電網(wǎng),包括各種DC/DC、DC/AC和AC/DC換流器。由于配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中電壓等級(jí)較低且容量不大,因此各類接口換流器基本上采用比較典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。固態(tài)開關(guān)主要包括固態(tài)斷路器(solid-state breaker,SSB)和固態(tài)切換開關(guān)(solid-state transfer switch,SSTS)兩類。固態(tài)斷路器主要用于切除故障,而固態(tài)切換開關(guān)用于當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí),將重要負(fù)荷從主電源供電切換到備用電源供電。目前在配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)應(yīng)用中,固態(tài)開關(guān)多采用全控型電力電子器件來實(shí)現(xiàn)。由于接口換流器和固態(tài)開關(guān)內(nèi)容相對(duì)較為簡(jiǎn)單,因此筆者不對(duì)此再做過多介紹,下面將重點(diǎn)針對(duì)電力電子變壓器/電能路由器和DFACTS設(shè)備進(jìn)行介紹和評(píng)述。

4.1　電力電子變壓器/電能路由器

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的基于電磁感應(yīng)原理的交流變壓器由于功能單一,難以滿足新一代電網(wǎng)的高可控性和靈活性的需求,而電力電子變壓器的出現(xiàn)能夠很好地解決這一問題,受到了廣泛的關(guān)注。電力電子變壓器亦被稱為固態(tài)變壓器(solid-state transformer,SST)或智能變壓器(smart transformer,ST),通過先進(jìn)電力電子技術(shù),能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓變換、無功補(bǔ)償、電氣隔離等功能。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和發(fā)展,僅實(shí)現(xiàn)電壓變換等功能已經(jīng)不能滿足人們對(duì)于電力電子變壓器的要求。在主動(dòng)配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)應(yīng)用背景下,單輸入輸出的電力電子變壓器進(jìn)一步發(fā)展為具備多個(gè)交、直流端口的電能路由器,可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)電能路由的功能,更有利于分布式電源與儲(chǔ)能單元等的靈活協(xié)調(diào)運(yùn)行。

電力電子變壓器在結(jié)構(gòu)上根據(jù)變換級(jí)數(shù)可以分為單級(jí)結(jié)構(gòu)、雙級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)[93]。單級(jí)結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器具有損耗小、體積小以及成本低等優(yōu)點(diǎn),但由于可控性差而且只有兩個(gè)端口,不能作為電能路由器使用。雙級(jí)結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器比單級(jí)結(jié)構(gòu)多了一級(jí)變換,結(jié)構(gòu)上變得復(fù)雜,但可控性仍然較差。三級(jí)結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)和控制雖然相對(duì)復(fù)雜,但可控性好且電壓等級(jí)和容量容易擴(kuò)展,同時(shí)也更易于各種直流設(shè)備的接入,更容易擴(kuò)展為電能路由器,因此受到最多關(guān)注。1999年,美國(guó)普渡大學(xué)的Scott D. Sudhoff教授提出了一種經(jīng)典的三級(jí)結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器,如圖8所示[94]。但該拓?fù)溆糜诟邏簣?chǎng)合時(shí),受限于器件耐壓水平,需要依賴器件串聯(lián)技術(shù),工程應(yīng)用難度較大。為了解決這一問題,Sudhoff教授等人又提出了一種輸入側(cè)模塊串聯(lián)的三級(jí)結(jié)構(gòu)電力電子變壓器[95]。在這種思想的啟發(fā)下,又陸續(xù)出現(xiàn)了一些基于輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的多模塊組合式拓?fù)鋄96-98]。

圖8　經(jīng)典三級(jí)結(jié)構(gòu)電力電子變壓器Fig.8　Classical three-stage PET

多電平換流器技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展也為電力電子變壓器技術(shù)提供了新的思路和方法?；诙O管鉗位換流器[99]、級(jí)聯(lián)H橋換流器[100-101]以及MMC[102-103]的新型電力電子變壓器拓?fù)浣陙韺映霾桓F,但電力電子變壓器距離大規(guī)模推廣和應(yīng)用還需要更多理論方面的論證和實(shí)際工程的檢驗(yàn)。

4.2　DFACTS設(shè)備

FACTS概念的提出者Hingorani博士在1988年又提出了將FACTS技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng),即DFACTS技術(shù),又稱為定制電力(custom power)技術(shù)。DFACTS技術(shù)通過各種DFACTS設(shè)備,向用戶提供可靠性更高、電能質(zhì)量更好的電能。常見的DFACTS設(shè)備包括配電靜止同步補(bǔ)償器、有源電力濾波器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器以及電力彈簧等。

用于配電系統(tǒng)的靜止同步補(bǔ)償器(DSTATCOM)與STATCOM原理上基本相同,只是由于應(yīng)用在配電系統(tǒng)中,因此容量和電壓等級(jí)均相對(duì)較小。因此DSTATCOM最常見的拓?fù)涫莾呻娖絍SC拓?fù)鋄104-105],但基于級(jí)聯(lián)H橋[106]和MMC[107]結(jié)構(gòu)的DSTATCOM在中壓配電系統(tǒng)中也逐漸得到更多的關(guān)注。

據(jù)統(tǒng)計(jì),供電系統(tǒng)中短時(shí)的電壓暫降和暫升是最為常見的供電問題,因此對(duì)于某些相對(duì)重要的負(fù)荷,可以采用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage restorer,DVR)來代替昂貴的不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)。DVR是一種串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備,因此不需要承受所有的負(fù)荷電壓,容量一般不超過負(fù)荷容量的三分之一,和UPS相比可以節(jié)約大量成本。典型的DVR拓?fù)渲饕蛇B接變壓器、濾波器、換流器和儲(chǔ)能單元組成,如附錄A圖A12所示。由于應(yīng)用在配電系統(tǒng)中,換流器主要是兩電平結(jié)構(gòu)[108-109],也有學(xué)者提出采用多電平換流器實(shí)現(xiàn)DVR[110-111]。此外,還有學(xué)者提出了不需要連接變壓器的DVR拓?fù)?不但節(jié)約了成本,還能降低損耗[112-114]。工程應(yīng)用方面,美國(guó)西屋公司在1996年研制了世界上第一臺(tái)DVR,中國(guó)的科技工作者也陸續(xù)進(jìn)行了DVR的相關(guān)研究[115]。

隨著科技不斷發(fā)展,越來越多的非線性負(fù)荷被大量利用,而非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生諧波,嚴(yán)重影響了供電電能質(zhì)量,解決諧波問題的主要方法就是在諧波源處配置濾波器。傳統(tǒng)方法是通過電容、電感與電阻的組合連接,得到具有一定頻率特性的無源濾波器。但無源濾波器只能消除特定次數(shù)諧波,響應(yīng)速度慢,而且容易向系統(tǒng)注入多余的無功功率,還有可能引發(fā)諧振?；趽Q流器的有源濾波器(active power filter,APF)能夠良好地解決這些問題。如附錄A圖A13所示,有源濾波器通常是并聯(lián)在電網(wǎng)中,其原理是通過瞬時(shí)無功理論檢測(cè)諧波電流后,控制換流器對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償,換流器通常采用兩電平或三電平拓?fù)鋄116-118]。

日本東京工業(yè)大學(xué)的Hirofumi Akagi教授于1995年最早提出將DVR和APF合為一體的思路,并隨后將其命名為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner,UPQC)[119],其結(jié)構(gòu)如圖9所示。UPQC能夠解決多種電能質(zhì)量問題,功能十分強(qiáng)大,而且可以省去DVR原本需要的儲(chǔ)能單元,經(jīng)濟(jì)性比單獨(dú)安裝DVR和APF好。UPQC通常是兩個(gè)VSC背靠背連接的結(jié)構(gòu)[120-122],但也有文獻(xiàn)提出了基于矩陣變換器的UPQC[123]。

圖9　統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器原理圖Fig.9　Schematic diagram of UPQC

電力彈簧是香港大學(xué)許樹源教授于2012年提出的一種新型設(shè)備,主要應(yīng)用在配電系統(tǒng)中的負(fù)載側(cè),用來緩解分布式可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性[124]。如附錄A圖A14所示,其原理是將受控電壓源串聯(lián)到非關(guān)鍵負(fù)載上,這樣可以將電壓波動(dòng)轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載上而保證關(guān)鍵負(fù)載電壓保持穩(wěn)定。電力彈簧本身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,但難得的是其控制思路顛覆了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)先確定用電負(fù)荷量然后再提供相應(yīng)發(fā)電量的運(yùn)行模式[125]。由于單個(gè)電力彈簧容量較小,因此電力彈簧的思想是采用分布式配置方式,使其廣泛分布在配電系統(tǒng)中,來提高配電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平,這樣可以有效解決可再生能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性問題。但具體推廣應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合實(shí)際配電系統(tǒng)的情況進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)。

目前主動(dòng)配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)技術(shù)還并未大范圍推廣,但隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,未來必然會(huì)有更多不同類型以及不同拓?fù)涞娜嵝砸淮卧O(shè)備在主動(dòng)配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中得到應(yīng)用。

5　柔性一次設(shè)備共性關(guān)鍵技術(shù)

5.1　柔性一次設(shè)備的建模與控制技術(shù)

為了便于新能源的接入、電網(wǎng)潮流的調(diào)控以及電能質(zhì)量的提高,大量柔性一次設(shè)備被接入電網(wǎng)。這些設(shè)備控制方式的多樣性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得電網(wǎng)的特征發(fā)生了改變,難以使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行處理。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要對(duì)含有柔性一次設(shè)備的電網(wǎng)進(jìn)行定量分析,因此,對(duì)其建立合適的數(shù)學(xué)模型至關(guān)重要。

時(shí)變性與非線性是電力電子設(shè)備模型所具有的共性問題。其中,時(shí)變性體現(xiàn)在開關(guān)器件的動(dòng)作隨時(shí)間不斷變化,導(dǎo)致模型對(duì)應(yīng)著一個(gè)變系數(shù)微分方程組,難以處理。而非線性則體現(xiàn)在電力電子設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí),狀態(tài)變量會(huì)通過反饋控制器影響微分方程組的系數(shù),使多個(gè)狀態(tài)變量相互耦合。此外,當(dāng)系統(tǒng)中采用非線性的控制策略時(shí)也會(huì)引入非線性。

盡管時(shí)變非線性系統(tǒng)的分析可以直接使用李雅普諾夫第二法構(gòu)建能量函數(shù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性[126]。但李雅普諾夫能量函數(shù)的建立尚無通用方式,且推導(dǎo)過程較為復(fù)雜。因此,目前廣泛采用的方法是先針對(duì)系統(tǒng)的時(shí)變性進(jìn)行定?；Ｈ缓笤籴槍?duì)系統(tǒng)的非線性進(jìn)行微擾線性化。最后使用較為成熟的線性系統(tǒng)理論加以分析。

對(duì)于直接進(jìn)行DC/DC斬波變換的拓?fù)?開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于系統(tǒng)帶寬,可以忽略模型中的開關(guān)動(dòng)作,建立設(shè)備的平均模型。經(jīng)過平均化處理后,模型成為定常系統(tǒng),其狀態(tài)變量在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)均為直流量,因此可以在該直流工作點(diǎn)利用微擾線性化方法獲得線性模型[127]。然而對(duì)于一般的DC/AC換流器而言,即使忽略開關(guān)諧波得到平均模型,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)也仍然存在基頻的時(shí)變成分,沒有穩(wěn)定的直流工作點(diǎn),無法進(jìn)行微擾線性化。為此,可以對(duì)兩電平換流器的平均模型進(jìn)行dq坐標(biāo)變換,基頻成分在dq坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換為直流量,成為定常系統(tǒng),進(jìn)而再對(duì)該定常模型進(jìn)行微擾線性化即可[128]。對(duì)于內(nèi)部含有多種穩(wěn)態(tài)諧波的DC/AC拓?fù)?如：MMC內(nèi)部含有基頻、二倍、三倍頻等諧波),dq變換只能將基頻成分轉(zhuǎn)換為直流,無法顧及其他穩(wěn)態(tài)諧波。文獻(xiàn)[128-130]針對(duì)該問題,利用傅里葉級(jí)數(shù)將系統(tǒng)模型從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域,各次諧波用幅值和相角表示,不隨時(shí)間改變,從而將系統(tǒng)定?；?。其中,文獻(xiàn)[128]研究了閉環(huán)控制下?lián)Q流器內(nèi)部諧波頻率變化過程,對(duì)換流器的頻域模型進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[129]則利用了諧波狀態(tài)空間對(duì)模型進(jìn)行表示,使建模過程更簡(jiǎn)潔,具有普適性。文獻(xiàn)[130]則采用傅里葉級(jí)數(shù)的另一種形式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定常化。三種方法本質(zhì)上都是對(duì)多穩(wěn)態(tài)諧波系統(tǒng)進(jìn)行頻域定常化處理。

柔性一次設(shè)備的控制器設(shè)計(jì)通常以系統(tǒng)的線性模型為基礎(chǔ)。在電力系統(tǒng)中,穩(wěn)定性是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。電力系統(tǒng)包含大量設(shè)備,采用基于特征值的方法無法對(duì)如此高階的系統(tǒng)進(jìn)行分析[131]。盡管可以通過一些方法對(duì)模型降階,但簡(jiǎn)化效果十分有限[132]。阻抗分析法是目前對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性判定的有效方法,系統(tǒng)的阻抗模型不僅可以進(jìn)行理論推導(dǎo),也能通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)[133]。文獻(xiàn)[134]通過分析風(fēng)電場(chǎng)匯集換流站的阻抗模型,以保障系統(tǒng)穩(wěn)定為目標(biāo),給出了電壓控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方案。

不同坐標(biāo)系下建立的阻抗模型不盡相同,在dq坐標(biāo)系下建立的dq阻抗模型存在較大的耦合,需要采用廣義奈奎斯特判據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計(jì)算量較大。利用對(duì)稱分量法建立的序阻抗模型,其耦合項(xiàng)比dq阻抗模型小很多,通常可以忽略該耦合,從而采用傳統(tǒng)的奈奎斯特判據(jù)進(jìn)行分析。然而當(dāng)考慮到鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),系統(tǒng)的耦合項(xiàng)有所增加,忽略耦合項(xiàng)會(huì)引入較大的誤差。文獻(xiàn)[135]指出,dq阻抗與序阻抗之間能夠等價(jià)轉(zhuǎn)換,兩者只是同一模型在不同坐標(biāo)系下的體現(xiàn)。若把阻抗模型轉(zhuǎn)化到dq極坐標(biāo)系,則當(dāng)換流器工作在單位功率因數(shù)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)完全解耦,且解耦效果不受PLL動(dòng)態(tài)特性的影響[136]。但單位功率因數(shù)的運(yùn)行條件限制了該模型的使用。

目前對(duì)于建模和控制技術(shù)的研究缺乏統(tǒng)一性,為保障電網(wǎng)穩(wěn)定性,對(duì)柔性一次設(shè)備制定相應(yīng)的阻抗標(biāo)準(zhǔn)或進(jìn)行阻抗實(shí)時(shí)補(bǔ)償可能成為未來的趨勢(shì)。

5.2　含有大量柔性一次設(shè)備的系統(tǒng)仿真技術(shù)

隨著越來越多的柔性一次設(shè)備在電力系統(tǒng)中被應(yīng)用,這種含大量電力電子設(shè)備的規(guī)模龐大而復(fù)雜的系統(tǒng),其關(guān)注的時(shí)間尺度更小,更重視系統(tǒng)的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行等各個(gè)階段,必須采用合適的仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及響應(yīng)進(jìn)行分析研究[137-138]。

按仿真模型的不同,系統(tǒng)仿真可以分為數(shù)字仿真和物理仿真(即動(dòng)模仿真)兩類。數(shù)字仿真采用數(shù)學(xué)模型來研究系統(tǒng)的物理過程,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的計(jì)算和仿真,但仿真精度受模型、參數(shù)、算法的影響較大[139]。物理仿真采用真實(shí)的電力電子設(shè)備等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬,不需要確定具體數(shù)學(xué)模型,但是它存在仿真模型規(guī)模有限、復(fù)雜程度高、成本高且參數(shù)更改困難等缺點(diǎn)。為此,可以采用將兩者結(jié)合的方式,將待研究系統(tǒng)中較為復(fù)雜或難以用硬件搭建的部分用數(shù)字仿真器進(jìn)行模擬,其余部分采用真實(shí)電力電子設(shè)備構(gòu)成,形成既有數(shù)字仿真對(duì)象又有實(shí)際物理設(shè)備的所謂“硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop,HIL)仿真系統(tǒng)”[140]。

與傳統(tǒng)的數(shù)字仿真不同,由于HIL仿真中含有真實(shí)實(shí)物,這就要求仿真具有實(shí)時(shí)性,即仿真模型的時(shí)間標(biāo)尺和自然時(shí)間標(biāo)尺相同。只有滿足這個(gè)條件,數(shù)字仿真對(duì)象與物理被試系統(tǒng)中的信號(hào)才能實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)、沒有延遲。當(dāng)系統(tǒng)中存在部分功率設(shè)備時(shí),仿真器與功率設(shè)備之間必須通過一定的功率接口連接,而不能直接相連,由此產(chǎn)生了“功率硬件在環(huán)(power hardware-in-the-loop,PHIL)仿真”的概念[141]。

在PHIL仿真系統(tǒng)中,通過設(shè)置合適的功率接口算法以及配置大容量的功率變換裝置,可以構(gòu)成強(qiáng)大的硬件測(cè)試平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性一次設(shè)備在電力系統(tǒng)中運(yùn)行的在環(huán)測(cè)試,使得設(shè)備在投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行前得到充分的測(cè)試。由于功率接口中包含功率放大和轉(zhuǎn)換裝置,這將會(huì)引入時(shí)間延遲、帶寬限制和噪聲等問題,可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或嚴(yán)重失真。因此對(duì)功率接口方法的研究已經(jīng)成為PHIL仿真研究中的關(guān)鍵問題,未來需要更高速的通信和更高精度的功率放大技術(shù)以保證系統(tǒng)的仿真精度和穩(wěn)定裕度[142]。

5.3　電力電子器件

正所謂“一代器件決定一代電力電子技術(shù)”,電力電子器件的研究進(jìn)程直接影響柔性一次設(shè)備的發(fā)展水平。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式成為一個(gè)新興學(xué)科,目前晶閘管技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。中國(guó)在晶閘管產(chǎn)業(yè)方面也非常成熟,大功率的晶閘管目前主要是應(yīng)用于無功補(bǔ)償和特高壓直流輸電方面,例如向家壩—上海特高壓直流輸電工程就采用的是中國(guó)生產(chǎn)的6英寸8.5 kV晶閘管,電流容量可達(dá)4.5 kA。不過在電力系統(tǒng)柔性一次設(shè)備方面,大部分采用基于全控型電力電子器件的換流器,因此全控型器件受到了更多關(guān)注。

在大功率應(yīng)用場(chǎng)合下,首先得到廣泛應(yīng)用的全控型器件是門極可關(guān)斷晶閘管(GTO),但隨著絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和集成門極換流晶閘管(IGCT)的快速發(fā)展,GTO已經(jīng)逐漸被取代。目前,硅基IGBT及其模塊的阻斷電壓涵蓋了0.6～6.5 kV,電流容量涵蓋了1～3.6 kA。大功率IGBT按其封裝方式,可以分為焊接型和壓接型兩種。焊接型在技術(shù)方面相對(duì)成熟,因此整體占據(jù)市場(chǎng)份額較大。與焊接型IGBT相比,壓接型IGBT的優(yōu)勢(shì)包括具備失效短路能力、可雙面散熱、結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊能力強(qiáng)而且適合大容量封裝,因此更加適用于柔性一次設(shè)備,尤其是在柔性直流輸電技術(shù)方面,應(yīng)用極為廣泛。壓接型IGBT生產(chǎn)技術(shù)難度較大,目前市場(chǎng)上大功率壓接型IGBT基本上被ABB[143]、Westcode[144]和東芝[145]三家公司壟斷。2017年12月,中國(guó)的中車時(shí)代電氣研發(fā)了世界最大容量壓接型IGBT,阻斷電壓為4.5 kV,電流容量3.6 kA,但距離大規(guī)模生產(chǎn)還需要更多的時(shí)間。IGCT是GTO的派生器件,與普通GTO相比具有開關(guān)速度快、損耗低、關(guān)斷可靠等優(yōu)點(diǎn)。IGCT和IGBT相比,主要優(yōu)勢(shì)是阻斷電壓更高且電流容量更大,在大功率場(chǎng)合下具有優(yōu)勢(shì),但存在電流關(guān)斷能力弱的缺陷,應(yīng)用遠(yuǎn)不如IGBT廣泛。目前基于硅基的電力電子器件電學(xué)性能已經(jīng)快要接近硅材料所能達(dá)到的理論極限水平,為了做出進(jìn)一步的突破,出現(xiàn)了電子注入增強(qiáng)柵晶體管(IEGT)和場(chǎng)控晶閘管(MOS controlled thyristor,MCT)等采用不同器件結(jié)構(gòu)的新型全控型器件。

為了突破硅基器件的極限,除了采用新的器件結(jié)構(gòu)之外,另一個(gè)思路就是采用寬禁帶半導(dǎo)體器件。在高壓應(yīng)用場(chǎng)合,最有希望代替硅基器件的是碳化硅器件[146]。碳化硅器件理論上可以承受數(shù)十千伏的電壓和超過500 ℃的高溫,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅基器件所能承受的數(shù)千伏電壓和150 ℃的高溫。在柔性一次設(shè)備中使用容量更高的碳化硅器件,將會(huì)明顯提升設(shè)備功率密度,減少輔助元件的使用,達(dá)到減少損耗和降低成本的目的。目前陸續(xù)有各種類型的碳化硅器件被研發(fā)出來,包括耐壓15 kV的MOSFET、22 kV的發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管、20 kV的PiN二極管等。商業(yè)化產(chǎn)品方面,目前仍停留在低壓領(lǐng)域,電壓等級(jí)為600～1 700 V。由于碳化硅MOSFET通態(tài)電阻會(huì)隨著阻斷電壓的上升而迅速增加,因此高壓領(lǐng)域應(yīng)用中,碳化硅IGBT將會(huì)是最有競(jìng)爭(zhēng)力的全控型碳化硅器件[147]。目前碳化硅領(lǐng)軍廠商美國(guó)Cree公司已經(jīng)研發(fā)了耐壓達(dá)到27.5 kV的IGBT[148],但碳化硅IGBT大規(guī)模商業(yè)化仍然還需要一段時(shí)間,尤其是要克服碳化硅生產(chǎn)成本高和良品率低等問題。

未來的研究熱點(diǎn)是高壓大容量碳化硅器件的研制和批量生產(chǎn),需要通過有效的封裝技術(shù)提升電壓等級(jí),并研究合理的芯片并聯(lián)技術(shù)來提升器件的電流容量。

5.4　柔性一次設(shè)備可靠性問題

隨著柔性一次設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛,其可靠性問題也越來越受到人們的關(guān)注。尤其是在海上風(fēng)電等某些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用中,柔性一次設(shè)備的可靠性問題直接影響系統(tǒng)運(yùn)維成本。柔性一次設(shè)備的運(yùn)行工況涉及多物理場(chǎng)以及多環(huán)境因素,因此其故障失效通常是由多種誘因耦合導(dǎo)致的。目前對(duì)于柔性一次設(shè)備可靠性研究的方法主要可以分為基于因果模型和基于數(shù)據(jù)模型兩類方法[149]。

基于因果模型的可靠性研究方法是根據(jù)設(shè)備中各個(gè)具體元器件失效的物理原理,得到設(shè)備故障的本質(zhì)機(jī)理和因果關(guān)系。例如在電力電子器件可靠性方面,可通過有限元分析等手段得到各種可靠性分析模型,包括Norris-Landzberg模型、Coffin-Manson模型等。但基于因果模型的方法所針對(duì)的工況和因素往往比較單一,對(duì)于復(fù)雜工況分析,應(yīng)用難度較大。基于數(shù)據(jù)模型的可靠性研究方法是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,常見方法包括可靠性框圖模型(reliability block diagram,RBD)[150]、K/N可靠性模型[151]、故障樹模型(faults tree analysis,FTA)[152]和Markov模型[153-154]等。

在提高柔性一次設(shè)備可靠性的方法方面,一是可以增大平均無故障時(shí)間,二是可以減小平均維修時(shí)間。前者可以通過增加冗余、設(shè)計(jì)容錯(cuò)策略以及降低損耗或增加散熱來實(shí)現(xiàn),后者可以通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷來實(shí)現(xiàn)。

基于外部參數(shù)的數(shù)據(jù)模型可靠性研究方法是未來的一個(gè)研究熱點(diǎn),尤其是人工智能、數(shù)據(jù)挖掘以及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的快速發(fā)展,為柔性一次設(shè)備可靠性建模和提升提供了新的方法。

6　結(jié)語

采用電力電子設(shè)備提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行性能已成為國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)。本文從“柔性一次設(shè)備”的角度,介紹了近年來柔性交流輸電、柔性直流輸電、可再生能源發(fā)電與儲(chǔ)能、主動(dòng)配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)等領(lǐng)域中電力電子設(shè)備的研究進(jìn)展和工程應(yīng)用。

在柔性交流輸電系統(tǒng)中,柔性一次設(shè)備已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用,未來仍要大力發(fā)展基于全控型器件的大容量FACTS設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模交流電網(wǎng)的綜合優(yōu)化。在柔性直流輸電系統(tǒng)中,換流閥、直流斷路器以及DC/DC變換器等柔性一次設(shè)備是直流電網(wǎng)中的關(guān)鍵組成部分,但目前世界上并沒有真正意義的直流電網(wǎng)投運(yùn),需要不斷研究新設(shè)備以及新拓?fù)?尤其是在工程化方面還有很多工作要做。柔性一次設(shè)備在可再生能源發(fā)電與電力儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速,未來主要研究如何降低相關(guān)柔性一次設(shè)備成本,以及實(shí)現(xiàn)可再生能源高占比電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。配電系統(tǒng)是中國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大差距的部分,因此相關(guān)新型柔性一次設(shè)備的研制及其在主動(dòng)配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中的應(yīng)用將是未來研究的重點(diǎn)。相信隨著諸如MMC等新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展,以及建模與控制、仿真、器件和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)的更大突破,柔性一次設(shè)備將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 周孝信,魯宗相,劉應(yīng)梅,等.中國(guó)未來電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(29):4999-5008.

ZHOU Xiaoxin, LU Zongxiang, LIU Yingmei, et al. Development models and key technologies of future grid in China[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(29): 4999-5008.

[2] HINGORANI N G. High power electronics and flexible AC transmission system[J]. IEEE Power Engineering Review, 2002, 8(7): 3-4.

[3] 謝小榮,姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2006.

[4] 鄭濤,趙彥杰.超/特高壓可控并聯(lián)電抗器關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(7):127-135.DOI:10.7500/AEPS20130710018.

ZHENG Tao, ZHAO Yanjie. Overview of key techniques of EHV/UHV controllable shunt reactor[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(7): 127-135. DOI: 10.7500/AEPS20130710018.

[5] SUMI Y, HARUMOTO Y, HASEGAWA T, et al. New static var control using force-commutated inverters[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1981, 100(9): 4216-4224.

[6] 劉文華,姜齊榮,梁旭,等.±20 Mvar STATCOM總體設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,24(23):14-18.

LIU Wenhua, JIANG Qirong, LIANG Xu, et al. Overall design of ±20 Mvar STATCOM[J]. Automation of Electric Power Systems, 2000, 24(23): 14-18.

[7] SOBTINK K H, RENZ K W, TYLL H. Operational experience and field tests of the SVG at Rejsby Hede[C]// 1998 International Conference on Power System Technology (POWERCON’98)， August 18-21, 1998, Beijing, China: 318-322.

[8] RENZ B A, KERI A, MEHRABAN A S, et al. AEP unified power flow controller performance[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(4): 1374-1381.

[9] MEYNARD T A, FOCH H. Multi-level conversion: high voltage choppers and voltage-source inverters[C]// Power Electronics Specialists Conference, June 29-July 3, 1992, Toledo, Spain: 397-403.

[10] PENG F Z, LAI J S. Dynamic performance and control of a static VAr generator using cascade multilevel inverters[C]// IAS Meeting, October 6-10, 1996, San Diego, California, USA: 1009-1015.

[11] AINSWORTH J D, DAVIES M, FITZ P J, et al. Static VAr compensator (STATCOM) based on single-phase chain circuit converters[J]. IEE Proceedings—Generation, Transmission and Distribution, 1998, 145(4): 381-386.

[12] 劉文華,宋強(qiáng),滕樂天,等.基于集成門極換向晶閘管與鏈?zhǔn)侥孀兤鞯摹?0 Mvar靜止同步補(bǔ)償器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(15):55-60.

LIU Wenhua, SONG Qiang, TENG Letian, et al. ±50 Mvar STATCOM based on chain circuit converter employing IGCT’s[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(15): 55-60.

[13] 黃偉雄,胡廣振,王永源,等.南方電網(wǎng)35 kV±200 Mvar鏈?zhǔn)絊TATCOM現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(19):122-131.

HUANG Weixiong, HU Guangzhen, WANG Yongyuan, et al. On-site commissioning of 35 kV ±200 Mvar cascade STATCOM in China Southern Power Grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(19): 122-131.

[14] 吳小丹,王翀,朱信舜,等.應(yīng)用于直流換流站的百兆乏STATCOM控制策略[J].電力電子技術(shù),2016,50(4):48-50.

WU Xiaodan, WANG Chong, ZHU Xinshun, et al. Control strategy of STATCOM for DC transmission system[J]. Power Electronics, 2016, 50(4): 48-50.

[15] 徐晨,戴珂,方武平,等.MMC-STATCOM的PCC電壓下垂控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015(增刊1):205-212.

XU Chen, DAI Ke, FANG Wuping, et al. Research on PCC voltage droop control of STATCOM based on modular multilevel converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2015(Supplement 1): 205-212.

[16] MARQUARDT R. Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern: Deutschland, DE20122923[P]. 2010.

[17] 井濟(jì)民.MMC-STATCOM控制策略的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.

[18] GYUGYI L. Unified power-flow control concept for flexible AC transmission systems[J]. IEE Proceedings on Generation Transmission & Distribution, Part C, 1992, 139(4): 323-331.

[19] KIM S Y, YOON J S, CHANG B H, et al. The operation experience of KEPCO UPFC[C]// IEEE 8th International Conference on Electrical Machines and Systems, September 27-29, 2005, Nanjing, China: 2502-2505.

[20] ARABI S, HAMADANIZADEH H, FARDANESH B. Convertible static compensator performance studies on the NY State transmission system[C]// IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, June 12-16, 2005, San Francisco, CA, USA.

[21] 凌峰,李九虎,田杰,等.適用于雙回線路的統(tǒng)一潮流控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(21):113-119.DOI:10.7500/AEPS20141115002.

LING Feng, LI Jiuhu, TIAN Jie, et al. Optimization analysis of UPFC system structure for double-circuit lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(21): 113-119. DOI: 10.7500/AEPS20141115002.

[22] OOI B T, WANG X. Voltage angle lock loop control of the boost type PWM converter for HVDC application[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1990, 5(2): 229-235.

[23] OOI B T, WANG X. Boost-type PWM HVDC transmission system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1991, 6(4): 1557-1563.

[24] AN T, HAN C, WU Y, et al. HVDC grid test models for different application scenarios and load flow studies[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2017, 5(2): 262-274.

[25] MARQUARDT R. Modular multilevel converter: an universal concept for HVDC-networks and extended DC-bus-applications[C]// IEEE Power Electronics Conference, June 21-24, 2010, Sapporo, Japan: 502-507.

[26] 張建坡,趙成勇,孫海峰,等.模塊化多電平換流器改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(8):173-179.

ZHANG Jianpo, ZHAO Chengyong, SUN Haifeng, et al. Improved topology of modular multilevel converter and application[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(8): 173-179.

[27] LI Xiaoqian, LIU Wenhua, SONG Qiang, et al. An enhanced MMC topology with DC fault ride-through capability[C]// 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, November 10-13, 2013, Vienna, Austria: 6182-6188.

[28] 楊曉峰,薛堯,鄭瓊林,等.采用逆阻型子模塊的新型模塊化多電平換流器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(7):1885-1891.

YANG Xiaofeng, XUE Yao, ZHENG Trillion Q, et al. Novel modular multilevel converter with reverse blocking sub-modules[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7): 1885-1891.

[29] 劉高任,徐政,張哲任,等.適用于遠(yuǎn)距離大容量架空線輸電的交叉型子模塊拓?fù)鋄J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(21):105-111.DOI:10.7500/AEPS20160417006.

LIU Gaoren, XU Zheng, ZHANG Zheren, et al. Topology of cross-connected sub-modules for long-distance bulk overhead line power transmission[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(21): 105-111. DOI: 10.7500/AEPS20160417006.

[30] 董云龍,汪楠楠,田杰,等.一種新型模塊化多電平換流器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(1):116-121.DOI:10.7500/AEPS20150518016.

DONG Yunlong, WANG Nannan, TIAN Jie, et al. A novel modular multilevel converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(1): 116-121. DOI: 10.7500/AEPS20150518016.

[31] 李笑倩,劉文華,宋強(qiáng),等.一種具備直流清除能力的MMC換流器改進(jìn)拓?fù)鋄J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(36):6389-6397.

LI Xiaoqian, LIU Wenhua, SONG Qiang, et al. An enhanced MMC topology with DC fault clearance capability[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(36): 6389-6397.

[32] 吳婧,姚良忠,王志冰,等.直流電網(wǎng)MMC拓?fù)浼捌渲绷鞴收想娏髯钄喾椒ㄑ芯縖J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(11):2681-2694.

WU Jing, YAO Liangzhong, WANG Zhibing, et al. The study of MMC topologies and their DC fault current blocking capacities in DC grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(11): 2681-2694.

[33] TRAINER D R, DAVIDSON C C, OATES C D M, et al. A new hybrid voltage-sourced converter for HVDC power transmission[C]// CIGRE Session, August 22-27, 2010, Paris, France: 1-12.

[34] ADAM G P, FINNEY S J, WILLIAMS B W, et al. Network fault tolerant voltage-source-converters for high-voltage applications[C]// IET International Conference on AC and DC Power Transmission, October 19-21, 2010, London, UK: 1-5.

[35] THOMAS E, MAGNUS B, STEFAN H. A low loss mechanical HVDC breaker for HVDC grid applications[C]// CIGRE AORC Technical Meeting, August 24-29, 2014, Paris, France: B4-303.

[36] TAHATA K, KA S, TOKOYODA S, et al. HVDC circuit breaker for HVDC grid application[C]// CIGRE AORC Technical Meeting, August 24-29, 2014, Paris, France: B4-1120.

[37] SHI Z Q, ZHANG Y K, JIA S L, et al. Design and numerical investigation of A HVDC vacuum switch based on artificial current zero[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2015, 22(1): 135-141.

[38] 袁召,何俊佳,趙文婷,等.一種自動(dòng)充電型強(qiáng)制過零高壓直流斷路器:CN105186443A[P].2015.

[39] CALLAVIK M, BLOMBERG A, HAFNER J, et al. The hybrid HVDC breaker: an innovation breakthrough enabling reliable HVDC grid[R]. Switzerland: ABB Grid Systems, 2012.

[40] GRIESHABER W, VIOLLEAU L. Development and test of a 120 kV direct current circuit breaker[C]// CIGRE Session, August 24-29, 2014, Paris, France: B4-301.

[41] 魏曉光,高沖,羅湘,等.柔性直流輸電網(wǎng)用新型高壓直流斷路器設(shè)計(jì)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(15):95-102.

WEI Xiaoguang, GAO Chong, LUO Xiang, et al. A novel design of high-voltage DC circuit breaker in HVDC flexible transmission grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(15): 95-102.

[42] 魏曉光,楊兵建,湯廣福.高壓直流斷路器技術(shù)發(fā)展與工程實(shí)踐[J].電網(wǎng)技術(shù),2017,41(10):3180-3188.

WEI Xiaoguang, YANG Bingjian, TANG Guangfu. Technical development and engineering applications of HVDC circuit breaker[J]. Power System Technology, 2017, 41(10): 3180-3188.

[43] 曹冬明,方太勛,謝曄源,等.一種直流電流關(guān)斷裝置及其控制方法:CN105790236A[P].2016.

[44] SANUSI W, HOSANI M A, MOURSI M E. A novel DC fault ride-through scheme for MTDC networks connecting large-scale wind parks[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2017, 8(3): 1086-1095.

[45] 李承昱,李帥,趙成勇,等.適用于直流電網(wǎng)的限流混合式直流斷路器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(24):7154-7162.

LI Chengyu, LI Shuai, ZHAO Chengyong, et al. A novel topology of current-limiting hybrid DC circuit breaker for DC grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(24): 7154-7162.

[46] KESHAVARZI D, FARJAH E, GHANBARI T. Hybrid DC circuit breaker and fault current limiter with optional interruption capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(3): 2330-2338.

[47] JOVCIC D. Bidirectional, high-power DC transformer[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(4): 2276-2283.

[48] KENZELMANN S, RUFER A, VASILADIOTIS M, et al. Isolated DC/DC structure based on modular multilevel converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 89-98.

[49] GOWAID I A, ADAM G P, MASSOUD A M, et al. Quasi two-level operation of modular multilevel converter for use in a high-power DC transformer with DC fault isolation capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 108-123.

[50] XING Z, RUAN X. Soft-switching operation of isolated modular DC/DC converters for application in HVDC grids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(4): 2753-2766.

[51] STEFAN P E, MARCO S, NILS S, et al. Comparison of the modular multilevel DC converter and the dual-active bridge converter for power conversion in HVDC and MVDC grids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(1): 124-137.

[52] 王新穎,湯廣福,魏曉光,等.MMC-HVDC輸電網(wǎng)用高壓DC/DC變換器隔離需求探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(8):172-178.DOI:10.7500/AEPS20160805008.

WANG Xinying, TANG Guangfu, WEI Xiaoguang, et al. Discussion on isolation requirement of high voltage DC/DC converter for MMC-HVDC transmission systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(8): 172-178. DOI: 10.7500/AEPS20160805008.

[53] 王新穎,湯廣福,魏曉光,等.適用于直流電網(wǎng)的LCL諧振式模塊化多電平DC/DC變換器[J].電網(wǎng)技術(shù),2017,41(4):1106-1113.

WANG Xinying, TANG Guangfu, WEI Xiaoguang, et al. LCL-based resonant modular multilevel DC/DC converter for DC grids[J]. Power System Technology, 2017, 41(4): 1106-1113.

[54] 趙成勇,李路遙,翟曉萌,等.新型模塊化高壓大功率DC-DC變換器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(4):72-78.DOI:10.7500/AEPS20130530014.

ZHAO Chengyong, LI Luyao, ZHAI Xiaomeng, et al. A new type of modular high-voltage high-power DC-DC converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(4): 72-78. DOI: 10.7500/AEPS20130530014.

[55] FERREIRA J A. The multilevel modular DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(10): 4460-4465.

[56] 林衛(wèi)星,文勁宇,程時(shí)杰.直流-直流自耦變壓器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(36):6515-6522.

LIN Weixing, WEN Jinyu, CHENG Shijie. DC-DC autotransformer[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(36): 6515-6522.

[57] YANG J, HE Z, PANG H, et al. The hybrid-cascaded DC-DC converters suitable for HVDC applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(10): 5358-5363.

[58] VEILLEUX E, OOI B T. Multiterminal HVDC with thyristor power-flow controller[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(3): 1205-1212.

[59] BARKER C D, WHITEHOUSE R S. A current flow controller for use in HVDC grids[C]// IET International Conference on AC and DC Power Transmission, December 4-5, 2012, Birmingham, UK: 1-5.

[60] CHEN W, ZHU X, YAO L, et al. An interline DC power-flow controller (IDCPFC) for multiterminal HVDC system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(4): 2027-2036.

[61] 陳武,朱旭,姚良忠,等.適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的直流潮流控制器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(11):76-82.DOI:10.7500/AEPS20140813003.

CHEN Wu, ZHU Xu, YAO Liangzhong, et al. An interline DC power flow controller suitable for VSC-MTDC systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(11): 76-82. DOI: 10.7500/AEPS20140813003.

[62] CHEN W, ZHU X, YAO L, et al. A novel interline DC power-flow controller (IDCPFC) for meshed HVDC grids[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(4): 1719-1727.

[63] 陳武,朱旭,姚良忠,等.一種改進(jìn)型線間直流潮流控制器的仿真與實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(7):1969-1976.

CHEN Wu, ZHU Xu, YAO Liangzhong, et al. Simulation and experimental studies of an improved interline DC power flow controller[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7): 1969-1976.

[64] 陶以彬,朱旭,陳武,等.直流電網(wǎng)中潮流控制器電路拓?fù)浔容^[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(17):232-239.DOI:10.7500/AEPS20151117006.

TAO Yibin, ZHU Xu, CHEN Wu, et al. Comparisons of power flow controller topologies in DC power grids[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(17): 232-239. DOI: 10.7500/AEPS20151117006.

[65] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. Renewables 2017 global status report[R]. 2017.

[66] Global Energy Center. BP statistical review of world energy[R]. 2017.

[67] MONDAL S, KASTHA D. Maximum active and reactive power capability of a matrix converter-fed DFIG-based wind energy conversion system[J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2017, 5(3): 1322-1333.

[68] NOVAKOVIC B, NASIRI A. Modular multilevel converter for wind energy storage applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(11): 8867-8876.

[69] 胡耀威,周游,程竟陵,等.應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的MMC子模塊新型電容降容控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(9):151-158.DOI:10.7500/AEPS20160701008.

HU Yaowei, ZHOU You, CHENG Jingling, et al. Capacitance reduction control for sub-module of modular multilevel converter applied in wind power generation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(9): 151-158. DOI: 10.7500/AEPS20160701008.

[70] WANG M, HU Y, ZHAO W, et al. Application of modular multilevel converter in medium voltage high power permanent magnet synchronous generator wind energy conversion systems[J]. IET Renewable Power Generation, 2016, 10(6): 824-833.

[71] NUNTAWAT T, MAKOTO H, HIROFUMI A. A medium-voltage large wind turbine generation system using an AC/AC modular multilevel cascade converter[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2016, 4(2): 534-546.

[72] 李鑫,張建文,蔡旭.級(jí)聯(lián)H橋中壓風(fēng)電變流器故障狀態(tài)優(yōu)化控制策略[J/OL].電網(wǎng)技術(shù)[2018-02-10].https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2017.1878.

LI Xin, ZHANG Jianwen, CAI Xu. The control strategy of cascaded multi-cell medium-voltage wind power converter under fault condition[J/OL]. Power System Technology[2018-02-10]. https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2017.1878.

[73] 張陽,黃守道,羅德榮.一種新型半準(zhǔn)Z源逆變器在風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(17):5107-5117.

ZHANG Yang, HUANG Shoudao, LUO Derong. A novel half quasi-Z-source inverter for wind energy conversion systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(17): 5107-5117.

[74] 程啟明,黃偉,程尹曼,等.基于雙級(jí)矩陣變換器的永磁風(fēng)力發(fā)電LVRT及穩(wěn)定性分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(7):2059-2066.

CHENG Qiming, HUANG Wei, CHENG Yinman, et al. LVRT of permanent magnet wind generation based on two stage matrix converter and system stability analysis[J]. Power System Technology, 2016, 40(7): 2059-2066.

[75] DIAZ M, CARDENAS R, ESPINOZA M, et al. Control of wind energy conversion systems based on the modular multilevel matrix converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(11): 8799-8810.

[76] CHUANGPISHIT S, TABESH A, MORADI-SHAHRBABAK Z, et al. Topology design for collector systems of offshore wind farms with pure DC power systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 61(1): 320-328.

[77] 常怡然,蔡旭.大型海上全直流風(fēng)場(chǎng)中基于MMC的風(fēng)力發(fā)電變流器及其控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(14):3789-3797.

CHANG Yiran, CAI Xu. MMC based wind power converters for offshore DC wind farms[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(14): 3789-3797.

[78] DENG F, CHEN Z. Control of improved full-bridge three-level DC/DC converter for wind turbines in a DC grid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(1): 314-324.

[79] CHEN W, HUANG A Q, LI C, et al. Analysis and comparison of medium voltage high power DC/DC converters for offshore wind energy systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 28(4): 2014-2023.

[80] SAJADIAN S, AHMADI R. Model predictive-based maximum power point tracking for grid-tied photovoltaic applications using a Z-source inverter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(11): 7611-7620.

[81] NOROOZI N, ZOLGHADRI M R. Three-phase quasi-Z-source inverter with constant common-mode voltage for photovoltaic application[J/OL]. IEEE Transactions on Industrial Electronics[2018-02-10]. http://xueshu.baidu.com/s?wd=paperuri%3A%2865573656f976dcdafbfbcafa89b0edc 5%29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fdocument%2F8114205%2F&ie=utf-8&sc_us=10649099206010830796.

[82] CAVALCANTI M C, OLIVEIRA K C D, FARIAS A M D, et al. Modulation techniques to eliminate leakage currents in transformerless three-phase photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(4): 1360-1368.

[83] CAVALCANTI M C, FARIAS A M D , OLIVEIRA K C D, et al. Eliminating leakage currents in neutral point clamped inverters for photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(1): 435-443.

[84] WANG H, KOU L, LIU Y F, et al. A new six-switch five-level active neutral point clamped inverter for PV applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(9): 6700-6715.

[85] 郭小強(qiáng),朱鐵影,魏寶澤,等.飛跨電容多電平光伏逆變器共模電流抑制技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(18):4962-4969.

GUO Xiaoqiang, ZHU Tieying, WEI Baoze, et al. Common mode current suppression technique for flying capacitor multilevel PV inverter[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(18): 4962-4969.

[86] GUO X, WEI B, ZHU T, et al. Leakage current suppression of three phase flying capacitor PV inverter with new carrier modulation and logic function[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(3): 2127-2135.

[87] MEI J, XIAO B, SHEN K, et al. Modular multilevel inverter with new modulation method and its application to photovoltaic grid-connected generator[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(11): 5063-5073.

[88] KARASANI R R, BORGHATE V B, MESHRAM P M, et al. A three-phase hybrid cascaded modular multilevel inverter for renewable energy environment[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(2): 1070-1087.

[89] FEI R, GONG X, HUANG S. A novel grid-connected PV system based on MMC to get the maximum power under partial shading conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(6): 4320-4333.

[90] KOURO S, MALINOWSKI M, GOPAKUMAR K, et al. Recent advances and industrial applications of multilevel converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(8): 2553-2580.

[91] LI B, ZHOU S, XU D, et al. A hybrid modular multilevel converter for medium-voltage variable-speed motor drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(6): 4619-4630.

[92] 李楠,高峰.電池儲(chǔ)能型模塊化多電平變換器的混合模型預(yù)測(cè)控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2017,32(14):165-174.

LI Nan, GAO Feng. Modular multilevel converter of battery energy storage system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(14): 165-174.

[93] 王優(yōu),鄭澤東,李永東.中高壓電力電子變壓器拓?fù)渑c控制應(yīng)用綜述[J].電工電能新技術(shù),2017,36(5):1-10.

WANG You, ZHENG Zedong, LI Yongdong. Review of topology and control application of medium and high voltage power electronic transformer[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2017, 36(5): 1-10.

[94] SUDHOFF S D. Solid state transformer: USA, 5943229[P]. 1999.

[95] RONAN E R, SUDHOFF S D, GLOVER S F, et al. A power electronic-based distribution transformer[J]. IEEE Power Engineering Review, 2002, 22(3): 61-61.

[96] CHEN H, DIVAN D. Soft-switching solid state transformer (S4T)[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(4): 2933-2947.

[97] WANG X, LIU J, OUYANG S, et al. Control and experiment of an H-bridge-based three-phase three-stage modular power electronic transformer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 31(3): 2002-2011.

[98] CHEN H, PRASAI A, DIVAN D: A minimal topology for bidirectional solid-state transformers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 32(2): 995-1005.

[99] ORTIZ G, LEIBL M G, HUBER J E, et al. Design and experimental testing of a resonant DC-DC converter for solid-state transformers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(10): 7534-7542.

[100] 張雪垠,徐永海,肖湘寧.新型諧振型級(jí)聯(lián)H橋固態(tài)變壓器[J/OL].電工技術(shù)學(xué)報(bào)[2018-02-10].https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170414.

ZHANG Xueyin, XU Yonghai, XIAO Xiangning. A novel resonance cascaded H-bridge solid-state transformer[J/OL]. Transactions of China Electrotechnical Society[2018-02-10]. https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170414.

[101] SHI J, GOU W, YUAN H, et al. Research on voltage and power balance control for cascaded modular solid-state transformer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(4): 1154-1166.

[102] 李子欣,王平,楚遵方,等.面向中高壓智能配電網(wǎng)的電力電子變壓器研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(9):2592-2601.

LI Zixin, WANG Ping, CHU Zunfang, et al. Research on medium- and high-voltage smart distribution grid oriented power electronic transformer[J]. Power System Technology, 2013, 37(9): 2592-2601.

[103] FAN B, LI Y, WANG K, et al. Hierarchical system design and control of an MMC-based power-electronic transformer[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2017, 13(1): 238-247.

[104] ARYA S, SINGH B, NIWAS R, et al. Power quality enhancement using DSTATCOM in distributed power generation system[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2016, 52(6): 5203-5212.

[105] KUMAR C, MISHRA M K. Operation and control of an improved performance interactive DSTATCOM[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(10): 6024-6034.

[106] LEI E, YIN X, ZHANG Z, et al. An improved transformer winding tap injection DSTATCOM topology for medium-voltage reactive power compensation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(3): 2113-2126.

[107] XU C, DAI K, CHEN X, et al. Unbalanced PCC voltage regulation with positive- and negative-sequence compensation tactics for MMC-DSTATCOM[J]. IET Power Electronics, 2016, 9(15): 2846-2858.

[108] 陳國(guó)棟,宋晉峰,張亮,等.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器注入變壓器的直流偏磁抑制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(28):4983-4989.

CHEN Guodong, SONG Jinfeng, ZHANG Liang, et al. Control strategy for eliminating DC magnetic flux in the injection transformer of a dynamic voltage restorer[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(28): 4983-4989.

[109] LI P, XIE L, HAN J, et al. New decentralized control scheme for dynamic voltage restorer based on the elliptical trajectory compensation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(8): 6484-6495.

[110] KIM S, KIM H G, CHA H. Dynamic voltage restorer using switching cell structured multilevel AC-AC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(11): 8406-8418.

[111] JIANG F, TU C, SHUAI Z, et al. Multilevel cascaded-type dynamic voltage restorer with fault current-limiting function[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(3): 1261-1269.

[112] KUMAR C, MISHRA M K. Predictive voltage control of transformerless dynamic voltage restorer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(5): 2693-2697.

[113] KOMURCUGIL H, BIRICIK S. Time-varying and constant switching frequency based sliding mode control methods for transformerless DVR employing half-bridge VSI[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(4): 2570-2579.

[114] NAZARPOUR D, FARZINNIA M, NOUHI H. Transformer-less dynamic voltage restorer based on buck-boost converter[J]. IET Power Electronics, 2017, 10(13): 1767-1777.

[115] 蓋闊.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器拓?fù)渑c控制技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.

[116] SHU Z, LIN H, ZHANG Z, et al. Specific order harmonics compensation algorithm and digital implementation for multi-level active power filter[J]. IET Power Electronics, 2017, 10(5): 525-535.

[117] CARLOS G A D A, JACOBINA C B, MELLO J P R A, et al. Shunt active power filter based on cascaded transformers coupled with three-phase bridge converters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(5): 4673-4681.

[118] 黃海宏,江念濤,黃楠楠,等.三電平有源電力濾波器死區(qū)效應(yīng)分析與補(bǔ)償[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2017,37(11):99-103.

HUANG Haihong, JIANG Niantao, HUANG Nannan, et al. Analysis and compensation of dead-time effect of three-level active power filter[J]. Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(11): 99-103.

[119] AKAGI H, FUJITA H. A new power line conditioner for harmonic compensation in power systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1995, 10(3): 1570-1575.

[120] 龍?jiān)撇?徐云飛,肖湘寧,等.采用模塊化多電平換流器的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器預(yù)充電控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(7):182-187.DOI:10.7500/AEPS20140513006.

LONG Yunbo, XU Yunfei, XIAO Xiangning, et al. Pre-charging control for unified power quality conditioner based on modular multilevel converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(7): 182-187. DOI: 10.7500/AEPS20140513006.

[121] 王浩,劉進(jìn)軍,梅桂華.一種串聯(lián)側(cè)三相解耦型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(2):215-220.

WANG Hao, LIU Jinjun, MEI Guihua. A unified power quality conditioner with three-phase decoupling in series section[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(2): 215-220.

[122] RAUF A M, SANT A V, KHADKIKAR V, et al. A novel ten-switch topology for unified power quality conditioner[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(10): 6937-6946.

[123] XU Q, MA F, LUO A, et al. Analysis and control of M3C-based UPQC for power quality improvement in medium/high-voltage power grid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(12): 8182-8194.

[124] SHU Y H, CHI K L, WU F F. Electric springs—a new smart grid technology[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012, 3(3): 1552-1561.

[125] 程明,王青松,張建忠.電力彈簧理論分析與控制器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(10):2436-2444.

CHENG Ming, WANG Qingsong, ZHANG Jianzhong. Theoretical analysis and controller design of electric springs[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(10): 2436-2444.

[126] 苑賓,許建中,趙成勇,等.模塊化多電平換流器PR環(huán)流抑制器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(10):2567-2575.

YUAN Bin, XU Jianzhong, ZHAO Chengyong, et al. Optimal design of PR circulating current suppressing controllers for modular multilevel converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(10): 2567-2575.

[127] 馬皓,祁峰,張霓.基于混雜系統(tǒng)的DC-DC變換器建模與控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(36):92-96.

MA Hao, QI Feng, ZHANG Ni. Modeling and control for DC-DC converters based on hybrid system[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(36): 92-96.

[128] CESPEDES M, SUN J. Impedance modeling and analysis of grid-connected voltage-source converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(3): 1254-1261.

[129] QIANG C, JING L, RUI L, et al. Impedance modeling of modular multilevel converter based on harmonic state space[C]// IEEE Control and Modeling for Power Electronics, June 27-30, 2016 Trondheim, Norway: 1-5.

[130] JOVCIC D, JAMSHIDIFAR A A. Phasor model of modular multilevel converter with circulating current suppression control[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(4): 1889-1897.

[131] WANG W, BARNES M, MARJANOVIC O, et al. Impact of DC breaker systems on multiterminal VSC-HVDC stability[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 31(2): 769-779.

[132] GU Y, BOTTRELL N, GREEN T C. Reduced-order models for representing converters in power system studies[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(4): 3644-3654.

[133] SUN J. Impedance-based stability criterion for grid-connected inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(11): 3075-3078.

[134] LYU J, CAI X, MOLINAS M. Optimal design of controller parameters for improving the stability of MMC-HVDC for wind farm integration[J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2018, 6(1): 40-53.

[135] WANG X, HARNEFORS L, BLAABJERG F. Unified impedance model of grid-connected voltage-source converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 33(2): 1775-1787.

[136] 辛煥海,李子恒,董煒,等.三相變流器并網(wǎng)系統(tǒng)的廣義阻抗及穩(wěn)定判據(jù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(5):1277-1293.

XIN Huanhai, LI Ziheng, DONG Wei, et al. Generalized-impedance and stability criterion for grid-connected converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(5): 1277-1293.

[137] 周俊,郭劍波,胡濤,等.高壓直流輸電系統(tǒng)數(shù)字物理動(dòng)態(tài)仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(5):221-228.

ZHOU Jun, GUO Jianbo, HU Tao, et al. Digital/analog dynamic simulation for ±500 kV HVDC transmission system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(5): 221-228.

[138] 李國(guó)慶,江守其,辛業(yè)春,等.柔性高壓直流輸電系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真功率接口及其算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(7):1915-1924.

LI Guoqing, JIANG Shouqi, XIN Yechun, et al. A novel interface algorithm of power hardware-in-the-loop simulation for MMC-HVDC[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7): 1915-1924．

[139] 孟超,吳濤,劉平,等.光伏和儲(chǔ)能并網(wǎng)物理數(shù)字混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(6):90-95．

MENG Chao, WU Tao, LIU Ping, et al. A physical digital hybrid simulation experimental scheme for photovoltaic and energy storage grid-connected system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(6): 90-95．

[140] LENTIJO S, D’ARCO S, MONTI A. Comparing the dynamic performances of power hardware-in-the-loop interfaces[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(4): 1195-1207.

[141] FARUQUE M O O, DINAVAHI V. Hardware-in-the-loop simulation of power electronic systems using adaptive discretization[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(4): 1146-1158.

[142] CARNE G D, LANGWASSER M, GAO X, et al. Power-hardware-in-loop setup for power electronics tests[C]// PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, May 16-18, 2017, Nuremberg, Germany.

[143] EICHER S, RAHIMO M, TSYPLAKOV E, et al. StakPak: a 4.5 kV press-pack IGBT with extremely rugged SPT chips[C]// The 39th JAS annual meeting, October 3-7, 2004, Seattle, USA.

[144] KAUFMANN S, LANG T, CHOKHAWALA R. Innovative press pack modules for high power IGBTs[C]// IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICS, June 7, 2001, Osaka, Japan: 59-62.

[145] KITAGAWA M, OMURA I, HASEGAWA S, et al. A 4 500 V injection enhanced insulated gate bipolar transistor (IEGT) operating in a mode similar to a thyristor[C]// IEEE Electron Devices Meeting, December 5-8, 1993, Washington, DC, USA: 4p.

[146] 錢照明,張軍明,盛況.電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(29):34-37.

QIAN Zhaoming, ZHANG Junming, SHENG Kuang, et al. Status and development of power semiconductor devices and its applications[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(29): 34-37.

[147] 盛況,郭清,張軍明,等.碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應(yīng)用展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(30):1-7.

SHENG Kuang, GUO Qing, ZHANG Junming, et al. Development and prospect of SiC power devices in power grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(30): 1-7.

[148] PALMOUR J W. Silicon carbide power device development for industrial markets[C]// IEEE Electron Devices Meeting, December 15-17, 2014, San Francisco, CA, USA: 1.1.1-1.1.8.

[149] 何湘寧,石巍,李武華,等.基于大數(shù)據(jù)的大容量電力電子系統(tǒng)可靠性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(1):209-220.

HE Xiangning, SHI Wei, LI Wuhua, et al. Reliability enhancement of power electronics systems by big data science[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(1): 209-220.

[150] JULIAN A L, ORITI G. A comparison of redundant inverter topologies to improve voltage source inverter reliability[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 43(5): 1371-1378.

[151] RICHARDEAU F, PHAM T T L. Reliability calculation of multilevel converters: theory and applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(10): 4225-4233.

[152] WU Y, KANG J, ZHANG Y, et al. Study of reliability and accelerated life test of electric drive system[C]// IEEE Power Electronics and Motion Control Conference, Ipemc’09, May 17-20, 2009, Wuhan, China: 1060-1064.

[153] CHAN F, CALLEJA H. Reliability estimation of three single-phase topologies in grid-connected PV systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(7): 2683-2689.

[154] BAZZI A M, DOMINGUEZ-GARCIA A, KTEIN P T. Markov reliability modeling for induction motor drives under field-oriented control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(2): 534-546.

徐殿國(guó)(1960—),男,博士,教授,主要研究方向：電力電子技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)、電機(jī)與傳動(dòng)控制技術(shù)等。E-mail： xudiang@hit.edu.cn

張書鑫(1989—),男,博士研究生,主要研究方向：電力系統(tǒng)柔性一次設(shè)備。E-mail： zhang_shu_xin@126.com

李彬彬(1989—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向：柔性直流輸電技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)、模塊化多電平技術(shù)等。E-mail： libinbinhit@126.com