劉振興

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南昆明650203）

0 引言

目前，日益嚴(yán)峻的環(huán)境與能源緊缺問(wèn)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(jì)環(huán)保地實(shí)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(wú)法很好地解決上述難題。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術(shù)，可使當(dāng)前交直流輸電技術(shù)面臨的諸多問(wèn)題迎刃而解，為輸電方式變革和未來(lái)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(diǎn)

從高壓直流輸電的發(fā)展來(lái)看，1954年世界上第一個(gè)直流輸電工程投入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)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(jì)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(biāo)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(wèn)世以來(lái)已經(jīng)過(guò)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(shì)：

（1）不存在穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)有功功率實(shí)現(xiàn)靈活控制；

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

（4）可實(shí)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(yuǎn)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(wú)功功率控制能力較弱并且自身需要大量無(wú)功補(bǔ)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(wú)法滿足當(dāng)今復(fù)雜的輸配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)直流輸電系統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)、靈活、完全可控的需求。

2 VSC-HVDC直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)

電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，新型全控性開關(guān)器件的相繼問(wèn)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(xué)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(xiàng)目中被順利運(yùn)用，促進(jìn)了該項(xiàng)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(shì)：

（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(huì)出現(xiàn)換相失敗，可聯(lián)結(jié)弱、無(wú)源電網(wǎng)。

（3）傳統(tǒng)的HVDC潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)直流電流不變，需改變直流電壓極性；VSC-HVDC潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，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(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程可在很短的時(shí)間內(nèi)完成。

（4）易于四象限運(yùn)行，在電網(wǎng)中的作用等同于一個(gè)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的發(fā)電機(jī)，在對(duì)輸送的有功功率進(jìn)行快速、靈活控制的同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償，提高系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定性，起到靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的作用，從而增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)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(diǎn)

基于VSC-HVDC的技術(shù)特點(diǎn)，德國(guó)學(xué)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?fù)洌琈MC設(shè)計(jì)靈活，易于擴(kuò)展，有著兩電平VSC和NPC型三電平VSC不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)的VSC相比，MMC主要具備以下優(yōu)勢(shì)：

3.1 可擴(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣

嚴(yán)格的模塊化結(jié)構(gòu)可縮短開發(fā)周期和延長(zhǎng)使用周期。通過(guò)子模塊級(jí)聯(lián)的方式，能夠提高換流器的功率與電壓等級(jí)，不僅有利于容量升級(jí)，而且解決了電平數(shù)增加時(shí)控制電路軟硬件實(shí)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(yùn)用于電力機(jī)車牽引和大功率電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，也十分適用于柔性直流輸電等場(chǎng)合。

3.2 穩(wěn)定可靠，運(yùn)行效率高

通過(guò)較低的開關(guān)頻率便可達(dá)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(yùn)行效率。不必配置濾波器件對(duì)換流器直流側(cè)實(shí)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(wèn)題，增強(qiáng)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(cuò)性能強(qiáng)

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(qiáng)，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單方便。對(duì)子模塊單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)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(jì)。實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)子模塊單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)控制電路切換到備用子模塊，可確保換流器正常工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

3.4 可實(shí)現(xiàn)“黑啟動(dòng)”

由于設(shè)有公共直流母線，且MMC的直流側(cè)儲(chǔ)能容量較大，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，直流側(cè)不會(huì)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(shí)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(yùn)行，也可縮短故障恢復(fù)時(shí)間，從而具備了較強(qiáng)的“黑啟動(dòng)”能力。

3.5 具備不平衡運(yùn)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(duì)稱，工作原理一致，相與相之間互不影響，故可對(duì)各相單元進(jìn)行獨(dú)立控制。

MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 國(guó)內(nèi)外MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 國(guó)內(nèi)MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)已投運(yùn)和建設(shè)中的柔性直流輸電工程都采用MMC拓?fù)洹?/p>

2011年，上海南匯風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電工程建成并投運(yùn)，直流電壓為±30 kV，額定功率為18 MW，其用于實(shí)現(xiàn)南匯風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)，并形成交流線路和柔性直流輸電線路并列運(yùn)行方式，該工程也是亞洲首個(gè)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(yùn)，直流電壓為±160 kV，額定功率為200 MW，該工程同樣用于大型風(fēng)電場(chǎng)接入交流電網(wǎng)，是世界上首個(gè)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(yùn)，該工程用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(yùn)，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(shí)現(xiàn)廈門城市中心供電，是我國(guó)首個(gè)1000MW級(jí)的柔性直流輸電工程。

2016年投運(yùn)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(dá)1 000 MW，直流電壓達(dá)±350 kV。

值得一提的是，國(guó)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(jí)將達(dá)到±500 kV，單端容量達(dá)3 000 MW，若建成，該工程也將成為世界上首個(gè)直流電網(wǎng)工程。

4.2 國(guó)外MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀

同時(shí)，國(guó)外也已有多項(xiàng)MMC柔性直流輸電工程投運(yùn)或在建設(shè)中。

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

ABB公司將其壓接技術(shù)和換流器的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)合，設(shè)計(jì)了級(jí)聯(lián)兩電平換流器CTLC，其本質(zhì)仍為MMC拓?fù)?，但其結(jié)合了壓接技術(shù)，從而使單個(gè)子模塊的電壓等級(jí)成倍提高，基于CTLC，ABB公司也建設(shè)并投運(yùn)了多項(xiàng)柔性直流輸電工程，如德國(guó)DolWin1離岸風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)工程等。

5 結(jié)語(yǔ)

柔性直流輸電除了具備傳統(tǒng)直流輸電固有的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有四象限運(yùn)行、對(duì)交流系統(tǒng)要求低、可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電以及占地面積小等優(yōu)勢(shì)，因此在一些特定的場(chǎng)合，如長(zhǎng)距離跨海電纜送電、擁擠的城市供電、遠(yuǎn)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(shí)由于它在功率反向時(shí)改變電流方向而電壓極性不變，因此對(duì)于未來(lái)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(jī)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(jià)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(zhǎng)距離送電，但這必將是柔性直流輸電一個(gè)重要的發(fā)展方向。

未來(lái)隨著電力電子器件、計(jì)算機(jī)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(jí)將不斷提高，而系統(tǒng)損耗和成本將逐漸下降，加上我國(guó)能源戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)的有序調(diào)整和完善以及國(guó)內(nèi)外工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，柔性直流輸電將會(huì)在更多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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