林進(jìn)鈿，倪曉軍，裘 鵬

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

LFAC（低頻輸電）技術(shù)[1]，也被稱作FFTS（分頻輸電技術(shù)）[2]，通過交交變頻裝置將50 Hz 工頻電力降低為非工頻進(jìn)行傳輸，或是由可再生能源直接發(fā)出低頻電力進(jìn)行輸送，一方面大大減小了線路電抗與充電無功，顯著提升線路輸送容量；另一方面仍可沿用交流變壓器與斷路器技術(shù)，具備交流易實現(xiàn)電壓等級變化、故障易開斷、易于組網(wǎng)的優(yōu)勢。LFAC 是一種結(jié)合了直流輸電與常規(guī)交流輸電共同優(yōu)勢的新型輸電技術(shù)。

針對低頻輸電的工/低頻交交變頻方案，國內(nèi)外學(xué)者已提出了較多的技術(shù)路線，包括三倍頻變壓器[3]和同步變頻機[4]等早期的鐵磁、旋轉(zhuǎn)變頻方式，以及基于半控型晶閘管的相控交交變頻器[5]、周波變換器[6]、矩陣型變換器[7]等。上述變頻方式結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，可靠性較高，然而鐵磁型變頻器的效率低且諧波較大，基于半控型晶閘管的交交變頻器存在諧波大、動態(tài)響應(yīng)慢、故障穿越能力較差、需要無功補償裝置和大量的濾波裝置以及換相失敗等問題[8]。

隨著可關(guān)斷電力電子器件的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，以基于全控型電力電子器件的柔性交交變頻器為核心部件，以脈寬調(diào)制為理論基礎(chǔ)的新一代低頻輸電技術(shù)——柔性低頻交流輸電隨之出現(xiàn)。而能源變革的持續(xù)深入，電力系統(tǒng)形態(tài)的深刻演變，則為柔性低頻技術(shù)的應(yīng)用提供了新的土壤。國內(nèi)外學(xué)者在柔性低頻輸電的典型應(yīng)用場景、關(guān)鍵設(shè)備、控制策略等領(lǐng)域開展了積極研究，憑借其兼顧交直流輸電的優(yōu)勢，柔性低頻輸電技術(shù)被認(rèn)為在遠(yuǎn)距離大容量輸電、海上風(fēng)電送出、海島電網(wǎng)互聯(lián)、城市電網(wǎng)等典型場景下較工頻交流和柔性直流更具備技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢[9-14]。

柔性低頻輸電關(guān)鍵技術(shù)研究和關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)還處于初級階段，亟需對低頻輸電的應(yīng)用場景、裝置開發(fā)、運行控制等方面進(jìn)行深入研究。本文針對低頻輸電的技術(shù)特點、應(yīng)用場景及發(fā)展歷程進(jìn)行梳理總結(jié)，詳細(xì)介紹了柔性低頻輸電的關(guān)鍵設(shè)備與關(guān)鍵技術(shù)，對柔性低頻輸電技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 柔性低頻輸電基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 柔性低頻輸電基本原理

典型的柔性低頻輸電技術(shù)原理如圖1 所示，通過柔性交交變頻站將工頻電力轉(zhuǎn)換為低頻傳輸，或是由可再生能源直接發(fā)出低頻電力進(jìn)行傳輸（通常為50/3 Hz），從而實現(xiàn)降低線路電抗、提升輸電距離與傳輸容量的目的。

圖1 柔性低頻輸電原理

假設(shè)輸電頻率由50 Hz 降低為50/3 Hz，且忽略線路電阻，根據(jù)式（1）、式（2）所示的線路靜穩(wěn)極限功率和電壓降落公式，由于線路的電抗降低為工頻的1/3，理論上靜穩(wěn)極限功率將增大3倍，電壓波動也相應(yīng)減小。

式中：Pmax為線路靜穩(wěn)極限功率，代表線路在保證小干擾穩(wěn)定下能傳輸?shù)臉O限功率；X 為線路電抗，與輸電頻率成正比；U 為線電壓；ΔU 為線路壓降；Q 為線路無功功率。

然而，對于實際線路尤其是電纜，輸送容量主要受到充電功率限制，根據(jù)式（3）、式（4），降低頻率理論上將減少2/3 的充電無功功率，釋放大量線路容量用于有功傳輸。

式中：Qc為電纜充電無功功率；C 為電纜電容；l為電纜距離；SN為視在功率；PR為最大有功傳輸容量。

1.2 柔性低頻輸電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 所示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括柔性交交變頻器、低頻變壓器、低頻斷路器及低頻電纜。

1.2.1 柔性交交變頻器

基于大容量可關(guān)斷型器件的柔性交交變頻器是實現(xiàn)電能工/低頻轉(zhuǎn)換的核心裝置。兩電平、三電平變頻器器件耐壓能力與功率不足，開關(guān)器件直接串聯(lián)難以實現(xiàn)觸發(fā)一致與完全均壓，不能滿足高壓大容量柔性低頻輸電需求。自2001 年德國學(xué)者R.Marquardt 提出模塊化多電平拓?fù)渲骩15]，BTB-MMC 結(jié)構(gòu)的交交變頻器受到了廣泛關(guān)注與研究，BTB-MMC 通過子模塊級聯(lián)大幅提高了電壓等級，波形輸出更為平滑，開關(guān)頻率的降低使得損耗減小[16]，用于柔性低頻輸電的BTB-MMC如圖2 所示[17]。然而低頻運行將導(dǎo)致BTB-MMC子模塊電容充、放電時間變長，電壓波動加劇[18]，需要采取注入橋臂共模電流等方法平抑電壓波動，BTB-MMC 在低頻工況下還面臨橋臂環(huán)流增大，子模塊損耗與橋臂應(yīng)力增大等問題[19]。

圖2 典型BTB-MMC 柔性交交變頻器結(jié)構(gòu)

M3C 柔性交交變頻器是近年來的研究熱點，具有低能量存儲、高功率密度和多電平輸出波形的特點[20]，其相比BTB-MMC 的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：省去中間直流環(huán)節(jié)；AC/AC 直接變換比BTBMMC 節(jié)省1/4 的橋臂數(shù)量；橋臂支路內(nèi)部功率交換可解決低頻工況下電容能量波動大的問題。但是，M3C 變頻器仍面臨所需的子模塊數(shù)量較多、系統(tǒng)控制邏輯復(fù)雜等問題，單側(cè)M3C 變頻器的模塊數(shù)量及規(guī)模大于相同容量柔直換流站，影響變頻站整體投資。M3C 柔性交交變頻器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 M3C 柔性交交變頻器結(jié)構(gòu)

針對M3C 變頻器拓?fù)涞膬?yōu)化，有研究提出了Hexveter（六邊形變頻器拓?fù)洌21]、Y 形變頻器[22]等拓?fù)洹exveter 可以看作是M3C 每相斷開一個橋臂，采用剩余6 個橋臂運行，相比M3C 減少了1/3 的橋臂數(shù)量，大大降低設(shè)備體積和造價。此外也有研究提出了一種九邊形變頻器拓?fù)鋄23]，可實現(xiàn)多個風(fēng)電場集群的多端低頻互聯(lián)。Hexveter 與九邊形變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 Hexveter 與九邊形變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的模塊化多電平柔性交交變頻器已經(jīng)具備實現(xiàn)大容量低頻輸電的基礎(chǔ)條件，但是仍需要在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略等方面進(jìn)行優(yōu)化，以提高變頻站建設(shè)、運行的經(jīng)濟性。

1.2.2 低頻變壓器

柔性低頻輸電本質(zhì)上仍然屬于交流輸電，可通過交流變壓器對電壓等級進(jìn)行調(diào)整。變壓器的感應(yīng)電動勢如式（5）所示[12]：

式中：f 為頻率；N 為變壓器繞組匝數(shù)；Bsat為磁通密度；Acore為鐵心截面積。

根據(jù)式（5），在維持變壓器感應(yīng)電動勢與磁通密度不變的前提下，變壓器的匝數(shù)和鐵心截面積與頻率成反比，意味著當(dāng)變壓器運行在低頻工況時，為了避免磁飽和，變壓器匝數(shù)與鐵心截面積比在工頻時要增大[12]，造成低頻變壓器的體積、重量、造價上升[24]。在低頻變壓器損耗方面，由于頻率的降低，變壓器的磁滯效應(yīng)、渦流效應(yīng)以及線圈的趨膚效應(yīng)都將弱化，單位體積的鐵損和單位長度銅損都將降低[25]。但另一方面，頻率降低，繞組電抗減小，可能導(dǎo)致低頻變壓器空載電流增大和短路電壓降低，造成電壓電流波形失真、容量降低以及動穩(wěn)定能力下降。

綜上，低頻變壓器可通過對現(xiàn)有工頻變壓器的鐵心、繞組進(jìn)行改造得到，但是低頻變壓器的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運行特性尚不明確，有待進(jìn)一步試驗研究。

1.2.3 低頻斷路器

低頻輸電可采用交流斷路器利用電流過零點斷開電弧，但是工頻斷路器在低頻工況運行時，面臨燃弧時間變長、電弧能量增大[26]等問題，可能造成開斷能力下降、觸頭過熱燒損，甚至可能導(dǎo)致斷路器擊穿和開斷失敗[27]。文獻(xiàn)[27]研究了12 kV 真空斷路器在不同頻率下的短路電流開斷能力，計算與實驗結(jié)果表明，10 Hz 左右斷路器的開斷能力僅為工頻的一半左右。文獻(xiàn)[28]提出了一種具備選相分閘功能的低頻斷路器，控制斷路器每相觸頭在指定相角打開，提升動作機構(gòu)和觸頭的精確性，能有效降低電流頻率對斷路器開斷能力的影響。文獻(xiàn)[29]則提出了一種具有長時間氣吹能力的低頻斷路器，以滿足長時間燃弧情況下的分?jǐn)嘁?。文獻(xiàn)[30]指出頻率降低能在一定程度上減少斷路器穩(wěn)態(tài)運行溫升、渦流損耗。

低頻輸電所需的低頻斷路器，可以使用開斷能力更高的工頻交流斷路器代替，但需要對常規(guī)工頻交流斷路器的低頻運行性能進(jìn)行全面的試驗研究與分析。

1.2.4 低頻線路

低頻輸電在典型場景通常采用XLPE（交聯(lián)聚乙烯電纜）。XLPE 應(yīng)用于高壓直流輸電仍存在空間電荷積聚、電纜接頭局部放電等技術(shù)瓶頸[31]。而現(xiàn)有的研究認(rèn)為既有XLPE 線路可直接用于低頻輸電，不需新建。

在線路絕緣方面，XLPE 運行在低頻工況時不存在空間電荷積聚[32]，有利于線路絕緣?，F(xiàn)有線路交流耐壓試驗和局部放電試驗[33]表明頻率變化對正常電纜的絕緣并無明顯影響。在線路穩(wěn)定性方面，文獻(xiàn)[34]研究指出較短的低頻電纜相比長電纜更易受電流控制帶寬與電容的諧波不穩(wěn)定影響。文獻(xiàn)[35]則指出低頻線路相比工頻具有更高的穩(wěn)定裕度。文獻(xiàn)[36]通過仿真研究了低頻線路電壓穩(wěn)定性，結(jié)果表明線路運行在低頻工況時具有更強的魯棒性。在線路保護(hù)方面，文獻(xiàn)[27]指出低頻線路阻抗降低有利于階梯式線路保護(hù)的配置，但另一方面，阻抗降低也導(dǎo)致低頻線路故障電流顯著大于工頻線路。

根據(jù)現(xiàn)有研究，常規(guī)交流線路可直接用于低頻輸電。除提升線路容量和降低損耗外，低頻輸電相比直流對電纜絕緣壽命影響小，較工頻有更高的電壓穩(wěn)定性與魯棒性，傳統(tǒng)交流線路保護(hù)配置方案仍可沿用，但需針對低頻環(huán)境重新整定。

2 柔性低頻輸電技術(shù)特點

2.1 柔性低頻輸電技術(shù)的優(yōu)勢

1）相比工頻交流提升電能輸送能力。

在提升輸電容量層面，柔性低頻輸電減少了線路充電無功，釋放線路有功容量，同時可提升電纜熱極限，相對工頻交流提升約1.1 倍最大載流量[11]；在減少電壓損耗層面，頻率降低減少了線路末端電壓波動，同時還能減弱電纜的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，降低線路的交流電阻，從而降低電壓損耗，總損耗相比工頻減少約8%[13]。相比工頻交流，低頻輸電可用更小截面積和回數(shù)的線路實現(xiàn)相同功率的傳輸，大大降低線路投資。

2）相比柔性直流易實現(xiàn)組網(wǎng)運行。

直流變壓器與直流斷路器目前技術(shù)尚不成熟，價格高昂，而低頻輸電本質(zhì)上仍屬于交流輸電，一方面可采用變壓器進(jìn)行靈活調(diào)壓，另一方面可使用交流斷路器并借鑒常規(guī)交流保護(hù)配置方案進(jìn)行組網(wǎng)[37]。在構(gòu)成多端多電壓等級系統(tǒng)時，可顯著降低直流變壓器、直流斷路器的成本，220 kV低頻交流斷路器造價約為相同規(guī)格直流斷路器的1/10。通過柔性低頻輸電構(gòu)造多端互聯(lián)系統(tǒng)，可實現(xiàn)多分區(qū)功率互濟、潮流控制、無功支援，且不增加系統(tǒng)短路電流。

3）低頻發(fā)電機組送端無需建設(shè)變頻站。

常用的直驅(qū)風(fēng)機可通過機端全功率換流器直接輸出任意頻率低頻電力，而雙饋風(fēng)機通過降低齒輪箱變速比實現(xiàn)低頻輸出，水輪機則只需減少極對數(shù)，不會對機組造價及效率造成顯著影響[2]。采用柔性低頻輸電技術(shù)路線，當(dāng)機組直接輸出低頻電能時，送端不再需要建設(shè)換流站，只需通過低頻升壓站直接提升電壓等級。相比柔性直流輸電，尤其是在海上風(fēng)電應(yīng)用場景下，柔性低頻輸電能省去海上換流站建設(shè)、運維成本，同時減少多步換流損耗?，F(xiàn)有研究顯示，柔性低頻輸電用于400 MW 海上風(fēng)電場送出的經(jīng)濟區(qū)間為100～300 km[10]，以如東1 100 MW 海上風(fēng)電為例，采用柔性低頻輸電方案預(yù)計將節(jié)約工程一次投資7.4 億元。

4）提升供電可靠性。

柔性低頻輸電無海上換流站，較柔性直流輸電可減少檢修維護(hù)時間，交交變頻器在故障和檢修時，可以通過變頻器旁路開關(guān)轉(zhuǎn)帶負(fù)荷改常規(guī)工頻運行，一方面能夠保障重要負(fù)荷的供電可靠性，另一方面有助于提高風(fēng)電利用小時數(shù)。此外，低頻交流電纜無空間電荷積聚現(xiàn)象，能夠進(jìn)一步提升線路供電可靠性[32]。

2.2 柔性低頻輸電不足之處

1）柔性低頻輸電仍屬于交流輸電范疇，相比工頻雖大幅提升了輸電能力，但仍不及柔性直流，后者已接近線路的熱極限，線路總體投資的經(jīng)濟性在一定區(qū)間內(nèi)具有優(yōu)勢。

2）為避免鐵磁設(shè)備低頻飽和，柔性低頻輸電所采用的低頻變壓器、電抗器、互感器體積和重量均大于工頻交流，將影響升壓站和海上升壓平臺的造價。

3）現(xiàn)有的柔性交交變頻站單側(cè)所需的子模塊數(shù)量、占地面積、投資成本相對柔性直流單側(cè)換流站都更大，相應(yīng)的橋臂結(jié)構(gòu)以及控制策略都更為復(fù)雜。

4）直驅(qū)風(fēng)機可通過修改控制策略實現(xiàn)低頻輸出，改造相對簡單，而雙饋風(fēng)機需改造齒輪箱機械結(jié)構(gòu)。此外風(fēng)機變壓器與濾波器體積的增大，可能面臨重新布置，風(fēng)機內(nèi)還需加裝工/低頻變頻器以滿足廠用電需求。

3 國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 技術(shù)發(fā)展歷程

低頻輸電技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3 個階段，分別是：通過倍頻變壓器、同步變頻機等鐵磁、旋轉(zhuǎn)設(shè)備實現(xiàn)頻率變換，基于半控型器件晶閘管構(gòu)成周波變換器實現(xiàn)頻率變換，基于全控電力電子器件的新一代柔性低頻輸電技術(shù)。

第一代低頻輸電技術(shù)的同步變頻機在德國、美國的電氣化鐵路中應(yīng)用已近百年。20 世紀(jì)初期，受制于串勵電機的轉(zhuǎn)子火花以及工頻渦流損耗等問題，部分國家構(gòu)建了鐵路供電專用16.7 Hz或25 Hz 電力系統(tǒng)[38]。同時期，美國紐約州受大量重工業(yè)串勵電機限制，也采用了25 Hz 頻率，通過若干同步變頻機與60 Hz 主網(wǎng)互聯(lián)[4]。

第二代基于半控型器件的交交變頻器廣泛應(yīng)用于變頻電機的驅(qū)動領(lǐng)域，在德國鐵路電網(wǎng)中也曾有極少量基于汞弧閥和晶閘管的50 Hz/16.7 Hz靜止變頻所，但都是基于單相鐵路供電的拓?fù)鋄39]。

伴隨著電力電子新技術(shù)的高速發(fā)展、第三代柔性低頻輸電技術(shù)的提出，使得高壓、大容量、遠(yuǎn)距離低頻輸電具備了技術(shù)可行性。而電力系統(tǒng)形態(tài)的深刻演變，新的應(yīng)用場景層出不窮，低頻輸電憑借著在典型場景下的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，引發(fā)了廣泛關(guān)注。

3.2 柔性低頻輸電典型場景研究應(yīng)用

3.2.1 遠(yuǎn)距離大容量輸電

針對偏遠(yuǎn)地區(qū)水電、風(fēng)電的外送，王錫凡院士在1994 年提出基于倍頻變壓器的遠(yuǎn)距離大容量分頻輸電系統(tǒng)[2]，文獻(xiàn)[40]首次開展了基于倍頻變壓器的低頻輸電動模試驗并驗證了該項技術(shù)的有效性。隨著半控型電力電子器件的成熟，也有學(xué)者開展了基于相控交交變頻器[41]、周波變換器[42]以及矩陣變頻器[43]的遠(yuǎn)距離大容量低頻輸電研究。

在全控型器件方面，文獻(xiàn)[14]提出了基于GTO的兩電平低頻輸電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[44]建立了基于M3C變頻器的小規(guī)模動模試驗系統(tǒng)并實現(xiàn)了20 Hz 和5 Hz 的頻率轉(zhuǎn)換，驗證了全控型M3C 的有效性。文獻(xiàn)[45]提出通過基于M3C 的柔性低頻輸電向遠(yuǎn)距離電網(wǎng)、孤島送電，并提供慣性與頻率支撐。文獻(xiàn)[46]提出利用M3C 構(gòu)成多端低頻電網(wǎng)，并通過虛擬同步機控制策略維持各端同步與頻率穩(wěn)定。

3.2.2 海上風(fēng)電經(jīng)低頻并網(wǎng)

低頻輸電應(yīng)用于海上風(fēng)電送出時可避免建設(shè)海上換流站，被認(rèn)為是該項技術(shù)最具潛力的應(yīng)用場景。文獻(xiàn)[47]于2008 年首次提出一種基于相控交交變頻器的風(fēng)電分頻送出系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6-7，48]分別提出了基于周波變換器、6 脈波晶閘管變頻器和強迫換向矩陣式變頻器的海上風(fēng)電低頻送出方案。文獻(xiàn)[10，13]針對常規(guī)交流、柔性直流、低頻輸電3 種海上風(fēng)電送出方案（見圖5）進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟比較。相比柔性直流輸電，低頻輸電能省去海上換流站的建設(shè)費用，但是線路、海上升壓站和變頻站單站投資相對較高，文獻(xiàn)[5]在動模實驗室設(shè)計了低頻風(fēng)電經(jīng)過12 脈波相控交交變頻器并網(wǎng)的系統(tǒng)，并向系統(tǒng)成功輸送20 kW 有功功率，驗證了風(fēng)電經(jīng)低頻送出技術(shù)路線的可行性。在全控型柔性交交變頻器的應(yīng)用方面，有研究提出了采用基于兩電平變頻器或BTB-MMC[17，49]的海上風(fēng)電送出方案，并開展了控制策略研究和仿真驗證，而針對M3C 變頻器，已有研究開展了其用于海上風(fēng)電的控制策略仿真和千瓦級小規(guī)模樣機開發(fā)與試驗[50]。

圖5 海上風(fēng)電送出3 種技術(shù)方案

海上風(fēng)電送出被認(rèn)為是低頻輸電最具競爭力的領(lǐng)域，現(xiàn)有的研究尚處于控制策略研究、系統(tǒng)仿真分析以及小規(guī)模樣機開發(fā)的階段。低頻輸電在海上風(fēng)電應(yīng)用時面臨升壓站和變頻站規(guī)模增大的挑戰(zhàn)，對現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是發(fā)揮其經(jīng)濟優(yōu)勢的關(guān)鍵。

3.2.3 城市電網(wǎng)

城市供電需求增長與土地資源緊缺的矛盾突出。在現(xiàn)有線路兩端建設(shè)變頻裝置，降低輸電頻率，能夠在不新建線路前提下提升輸電容量（見圖6）。文獻(xiàn)[1]從電纜適用性、多端互聯(lián)、潮流控制等方面論證了低頻輸電在城市電網(wǎng)應(yīng)用的可行性。文獻(xiàn)[51]建立了城市雙端互聯(lián)低頻輸電，根據(jù)運行模式的不同設(shè)計了4 種控制方式，并開展了控制策略的仿真驗證。文獻(xiàn)[37]提出了工/低頻交直流混聯(lián)多端系統(tǒng)的潮流計算方法。

圖6 城市電網(wǎng)分區(qū)多端低頻互聯(lián)

除提升線路傳輸能力之外，低頻輸電還可實現(xiàn)供區(qū)合環(huán)運行和多端組網(wǎng)，在解決分區(qū)間潮流調(diào)控的同時，增強分區(qū)間潮流互濟能力，不增加系統(tǒng)短路電流，相比柔性直流輸電顯著降低直流斷路器、直流變壓器的成本。

3.3 交流變頻驅(qū)動

交流變頻電機所用的大功率變頻器與低頻輸電類似，國產(chǎn)基于IGBT/IGCT 器件的大功率變頻器也已廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有最大功率可達(dá)100 MW[52]，但是電壓等級集中在2.3～12.8 kV 且都是兩電平結(jié)構(gòu)。德國紐倫堡50 Hz/16.7 Hz 鐵路牽引變頻站采用IGBT 構(gòu)成了模塊化多電平拓?fù)?，功率達(dá)到2×30 MW，但采用的是單相拓?fù)?，僅適用于機車驅(qū)動。水下采油系統(tǒng)通過長距離臍帶纜輸電，利用水下變頻器驅(qū)動電機，若采用低頻輸電為水下采油系統(tǒng)供電將有利于減少線路的損耗。文獻(xiàn)[53]中提出了包括海上風(fēng)電以及水下采油系統(tǒng)在內(nèi)的低頻網(wǎng)絡(luò)，并對Hexveter 變頻器的控制策略進(jìn)行了研究，但是其經(jīng)濟性和技術(shù)可行性有待進(jìn)一步論證。

4 柔性低頻輸電關(guān)鍵技術(shù)展望

4.1 柔性低頻輸電系統(tǒng)接入技術(shù)研究

明確柔性低頻輸電接入系統(tǒng)后的運行方式和運行特性是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。目前，柔性低頻輸電的頻率亟需統(tǒng)一，而針對柔性低頻輸電的系統(tǒng)構(gòu)建方式、工/低頻混聯(lián)交流系統(tǒng)運行方式、暫/穩(wěn)態(tài)運行及故障特性、低頻系統(tǒng)主設(shè)備過電壓水平和暫態(tài)電氣應(yīng)力情況均尚未明確，需開展相應(yīng)的離線仿真研究和硬件在環(huán)實時仿真研究，明確低頻輸電系統(tǒng)接入特性。

4.2 柔性交交變頻器主電路拓?fù)湓O(shè)計

理想的柔性交交變頻器應(yīng)能夠在滿足工程所需容量與電壓等級需求前提下，簡化主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、減少模塊串聯(lián)數(shù)量、降低器件開關(guān)損耗、降低控保與調(diào)制的復(fù)雜程度?，F(xiàn)有交交變頻器拓?fù)湟丫邆溟_展柔性低頻輸電應(yīng)用的條件，但是BTB-MMC 在低頻工況下對環(huán)流與電容電壓控制難度較大，M3C 所需開關(guān)器件數(shù)量多、控制系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜，Hexveter 等新型拓?fù)渖性谄鸩诫A段，仍需進(jìn)一步探索適用性和效率更高的變頻器拓?fù)洹?/p>

4.3 柔性低頻輸電控制與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

針對M3C 變頻器的裝置級的控制策略已開展了較多研究。目前的路線主要分為：雙αβ0 解耦控制[54]、橋臂電流直接控制[55]、電壓空間矢量控制[56]。橋臂電流直接控制方法需要在每個橋臂中串聯(lián)橋臂電抗，造成系統(tǒng)復(fù)雜程度增大、設(shè)備制造成本增加，電壓空間矢量控制方法的開關(guān)狀態(tài)指數(shù)隨著模塊數(shù)量的增加而增加，多電平場景下難以滿足計算量要求，有必要開展交交變頻器控制策略的優(yōu)化設(shè)計，同時重點開展環(huán)流抑制、電容電壓控制優(yōu)化的研究。針對柔性低頻輸電的站級和系統(tǒng)級控制策略也有待深入研究。此外，還需開展交流保護(hù)對低頻的適應(yīng)性改造和新保護(hù)技術(shù)的開發(fā)，針對交交變頻器也需要設(shè)計相應(yīng)的故障限流技術(shù)與快速穿越技術(shù)。

4.4 柔性低頻輸電諧波與電能質(zhì)量分析

柔性交交變頻器的高頻開關(guān)、快速電壓控制、電流控制環(huán)節(jié)可能向系統(tǒng)引入諧波，與電網(wǎng)中的無源器件（如電容器、濾波電抗以及長距離電纜）產(chǎn)生相互影響。低頻輸電的典型應(yīng)用場合往往采用長距離電纜，使得諧振頻率顯著降低，同時由于電纜損耗的減少，阻尼效應(yīng)也明顯降低，可能帶來潛在的諧波穩(wěn)定性問題。對低頻輸電諧波產(chǎn)生、傳導(dǎo)以及抑制進(jìn)行機理分析和仿真研究，可以為濾波系統(tǒng)、PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制的設(shè)計及其優(yōu)化，噪音和無線電干擾的降低提供理論基礎(chǔ)，同時也是保障低頻交流系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。

4.5 柔性低頻輸電主設(shè)備低頻適應(yīng)性研究

現(xiàn)有研究認(rèn)為低頻輸電的斷路器、變壓器、電纜、風(fēng)機等主設(shè)備的開發(fā)不存在技術(shù)瓶頸，但需開展主設(shè)備低頻適應(yīng)性分析并進(jìn)行低頻化改造。針對低頻斷路器的分閘性能與快速開斷方法、低頻變壓器經(jīng)濟設(shè)計方法以及風(fēng)機低頻改造和低頻控制策略有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

近十年來，柔性低頻交流輸電技術(shù)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注，針對該技術(shù)在典型場景的應(yīng)用，已經(jīng)開展了較多技術(shù)經(jīng)濟性分析、控制策略開發(fā)和試驗樣機研制工作，但是該項技術(shù)總體上與實際工程應(yīng)用還有一定距離。柔性低頻輸電系統(tǒng)的運行特點及系統(tǒng)設(shè)計有待進(jìn)一步明確，現(xiàn)有交交變頻器等主設(shè)備的效率和經(jīng)濟性仍需進(jìn)一步提高，主設(shè)備低頻運行適應(yīng)性需開展深入試驗分析?？梢韵嘈?，隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善，設(shè)備效率的提升，控制策略的優(yōu)化，柔性低頻交流輸電的優(yōu)勢將不斷凸顯，加上能源革命的持續(xù)推進(jìn)和能源結(jié)構(gòu)的不斷完善，柔性低頻交流輸電必將在遠(yuǎn)距離大容量輸電、海上風(fēng)電送出、城市電網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域得到更快的發(fā)展。