兩種柔性直流輸電技術(shù)的比較研究

劉光輝 徐春麗 張新剛

1.山東電力設(shè)備有限公司 山東 濟(jì)南 250022

2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司 北京 100120

3.中國(guó)電力技術(shù)裝備有限公司 北京 100052

0 引言

作為新興的智能化輸配電技術(shù)，柔性直流輸電已經(jīng)在國(guó)際上獲得了成功應(yīng)用。與傳統(tǒng)的高壓直流輸電不同，該技術(shù)采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等全控型半導(dǎo)體器件來構(gòu)成電壓源型換流器，通過調(diào)節(jié)換流器輸出電壓的幅值和相位，可實(shí)現(xiàn)接入點(diǎn)有功、無功的獨(dú)立快速控制。而且，換流站所連接的交流系統(tǒng)不需要提供換相電壓和無功功率，甚至可以是無源系統(tǒng)。此外，柔性直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)電壓極性不會(huì)反轉(zhuǎn)；一方面，為多端直流互連提供了很大便利；另一方面，使得聚合材料單極擠壓電纜得到成功應(yīng)用——盡管這種電纜的電壓極性不能改變，但具有高強(qiáng)度、環(huán)保和方便掩埋等特點(diǎn)，尤其適合深海等惡劣環(huán)境?；谶@些顯著優(yōu)勢(shì)，柔性直流輸電技術(shù)為可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、黑啟動(dòng)、大型城市中心區(qū)域增容等提供了良好的解決方案[1]。

目前，ABB和SIMENS兩大國(guó)際電氣公司已經(jīng)擁有了柔性直流輸電項(xiàng)目業(yè)績(jī)。ABB的HVDC-light技術(shù)采用IGBT直接串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電，目前，已投運(yùn)的工程包括：Murraylink、Cross Sound Cable、Troll A和NordE.ON1等十余個(gè)，其中，德國(guó)境內(nèi)的NordE.ON 1風(fēng)電并網(wǎng)工程輸送容量最大，達(dá)到400 MW。SIMENS的HVDC-plus技術(shù)則采用模塊化多電平（MMC）的方式；2010年底，美國(guó)境內(nèi)的“Trans Bay Cable”工程成功投運(yùn)，該工程輸送容量也達(dá)到400 MW[2-6]。

本文通過深入分析HVDC-light和HVDC-plus的工作原理，對(duì)兩種技術(shù)路線進(jìn)行了比較研究，從工程實(shí)施角度總結(jié)了各自的優(yōu)勢(shì)。

1 HVDC-light和HVDC-plus的基本原理

基于HVDC-light技術(shù)的兩電平換流站如圖1[7]。

圖1 兩電平HVDC-light原理圖

圖1中，換流變用于轉(zhuǎn)換電壓等級(jí)，使閥側(cè)電壓與換流器輸出電壓相匹配。濾波器用于濾除換流器輸出電壓的高頻分量。相電抗是換流器與交流系統(tǒng)之間的連接電抗，是實(shí)現(xiàn)有功、無功交換的途徑。直流電容器用來支撐直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)與交流系統(tǒng)的能量交換。換流器是換流站的核心元件，由6個(gè)橋臂組成，按照傳統(tǒng)高壓直流輸電的習(xí)慣，這些橋臂可以稱作“換流閥”。每相包括上、下2個(gè)橋臂；每個(gè)橋臂均由大量IGBT直接串聯(lián)形成。如圖2所示，采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)控制各個(gè)橋臂的導(dǎo)通、關(guān)斷，即可使換流器輸出寬度可調(diào)的方波電壓Uc[8]。

設(shè)Uc的基波分量為，系統(tǒng)電壓與之間的相角差為δ，相電抗和變壓器漏抗之和為X，則換流器與交流系統(tǒng)之間傳輸?shù)挠泄和無功Q為：

圖2 脈寬調(diào)制（PWM）

此外，基于HVDC-light的二極管鉗位型三電平拓?fù)湟苍贏BB的工程中得到了成功應(yīng)用，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在一定程度上減少諧波含量，降低橋臂兩端的階躍電壓，其原理與兩電平拓?fù)漕愃啤?/p>

基于HVDC-plus技術(shù)的模塊化多電平（MMC）換流站如圖3所示[10]。與HVDC-light相似，換流器也是由6個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由子模塊串聯(lián)組成，此外，每個(gè)橋臂均串聯(lián)有橋臂電抗。這些橋臂電抗是換流器與交流系統(tǒng)間交換有功、無功交換的途徑；在正、負(fù)極短路時(shí)，可以起到限制短路電流的作用；同時(shí)，還具有濾除換流器電壓高次諧波的作用。但是，與HVDC-light不同，HVDC-plus換流器的橋臂不會(huì)在整體上導(dǎo)通或截止電流，而是通過每個(gè)子模塊的投入、退出來完成交、直流系統(tǒng)的能量交換，因此，HVDC-plus的橋臂不是嚴(yán)格意義上的換流閥。

圖3 HVDC-plus的MMC原理圖

子模塊是基本的能量交換單元。每個(gè)子模塊由2個(gè)IGBT、1個(gè)電容器、保護(hù)元件和其他輔助元件構(gòu)成，可以處于“閉鎖”、“投入”和“退出”三種狀態(tài)。

當(dāng)子模塊“閉鎖”時(shí)，兩個(gè)IGBT均閉鎖，電容器可以通過D1自然充電。當(dāng)子模塊“投入”時(shí)，上端IGBT導(dǎo)通時(shí)，電容器接入主電路，橋臂的電壓將升高一級(jí)。當(dāng)子模塊“退出”時(shí)，電容器被旁路，橋臂的電壓將降低一級(jí)?！伴]鎖”狀態(tài)通常出現(xiàn)在換流站啟動(dòng)和停運(yùn)的順序操作中，“投入”和“退出”狀態(tài)通常出現(xiàn)在換流站正常運(yùn)行時(shí)。

圖4 子模塊的工作狀態(tài)

通過控制每個(gè)橋臂中子模塊“投入”和“退出”的個(gè)數(shù)，即可控制換流器輸出的電壓。理論上，交流系統(tǒng)注入上、下橋臂的電流大小相等，方向相反，對(duì)直流側(cè)而言，上、下橋臂電抗的壓降之和近似為零。設(shè)單相上、下橋臂橋臂生成的電壓分別為U1、U2，則U1、U2與正負(fù)極間直流電壓Ud的關(guān)系如圖5所示。

圖5 上、下橋臂橋臂與直流電壓的關(guān)系

通過控制每個(gè)閥生成的電壓，即可控制換流器輸出電壓的幅值、相位，從而控制換流器與交流系統(tǒng)之間傳輸?shù)挠泄和無功Q。

由于橋臂上的子模塊個(gè)數(shù)是有限的，因此，換流器輸出的電壓是包絡(luò)線為正弦的階梯波。合理設(shè)計(jì)橋臂電抗器，可有效濾除高次諧波分量。

2 換流器的諧波

HVDC-light技術(shù)通常采用三角波作為載波，采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波或優(yōu)化后的正弦波作為調(diào)制波，以PWM的方式來控制連接在每相上的橋臂，換流器輸出電壓UC的躍變大，諧波含量較高。而且，諧波含量隨PWM的方式而有所區(qū)別[11]。

圖6 HVDC-light換流器電壓頻譜

由于UC中存在明顯的高次諧波分量，換流器在接入交流電網(wǎng)前必須經(jīng)濾波器濾除高次諧波。同時(shí)，極高頻率的諧波會(huì)以電磁波的形式向外輻射，為確保換流站周邊電磁環(huán)境，閥廳需要嚴(yán)格的電磁屏蔽處理。

HVDC-plus技術(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算為滿足系統(tǒng)工作要求，當(dāng)前時(shí)刻換每個(gè)橋臂應(yīng)該產(chǎn)生的電壓，然后，通過每相上、下兩個(gè)橋臂的配合，換流器將形成三相階梯狀電壓。通過控制每個(gè)橋臂的電壓，可以保證換流器電壓波形的包絡(luò)線為正弦形式，而且，每個(gè)橋臂子模塊數(shù)目增加，階梯數(shù)目將隨之增加，階梯狀電壓就越接近平滑的正弦波形。由于換流器生成的電壓是實(shí)時(shí)計(jì)算出來的，除增加每橋臂的子模塊數(shù)目外，換流器輸出電壓的諧波含量也可以通過特定算法來優(yōu)化。HVDC-plus技術(shù)的電壓躍變小，諧波含量較小，一般情況下，橋臂電抗器即可濾除高次系統(tǒng)，換流站內(nèi)可以不配置專用的濾波器，而且，對(duì)外輻射的電磁波能量很低，只需對(duì)閥廳進(jìn)行常規(guī)電磁屏蔽處理，換流站周邊電磁環(huán)境即可滿足要求。

3 橋臂控制

閥基電子設(shè)備（VBE）是用于監(jiān)視橋臂，并根據(jù)控制保護(hù)系統(tǒng)的指令對(duì)閥進(jìn)行控制的自動(dòng)化設(shè)備。

HVDC-light要求每個(gè)橋臂的IGBT同時(shí)開通，同時(shí)關(guān)斷。因此，VBE需要根據(jù)控制保護(hù)系統(tǒng)的指令，以PWM的形式開通或關(guān)斷對(duì)應(yīng)的橋臂，同時(shí)，監(jiān)視各橋臂中的IGBT，在異常情況下采取必要的保護(hù)措施。

由于在HVDC-plus中，即使同一個(gè)橋臂中的子模塊，投入和退出的狀態(tài)也不同，因此，VBE必須對(duì)每個(gè)子模塊單獨(dú)控制和監(jiān)視。在正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)子模塊的電容都不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)充電或放電，否則，電容電壓將偏離允許的范圍，造成子模塊不能正常工作。因此，VBE不僅要控制每個(gè)橋臂的子模塊，生成控制保護(hù)系統(tǒng)要求的電壓值，還需要在生成電壓的過程中合理控制子模塊的投入、退出時(shí)刻，確保所有子模塊的電壓都維持在正常的范圍內(nèi)。當(dāng)然，VBE也需要實(shí)時(shí)監(jiān)視各個(gè)子模塊的狀態(tài)，在異常情況下采取必要的保護(hù)措施。

HVDC-light，由于橋臂中的IGBT為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，若IGBT失效后爆炸破碎，則該閥將出現(xiàn)斷路，這在運(yùn)行中是不可接受的；因此，HVDC-light要求每個(gè)IGBT元件在失效后應(yīng)如同晶閘管那樣呈短路狀態(tài)。

同時(shí)，IGBT失效時(shí)，可能會(huì)發(fā)生爆炸，從而在IGBT兩端形成斷路。為確保IGBT爆炸時(shí)橋臂依然處于可控的導(dǎo)通狀態(tài)，不會(huì)因一個(gè)IGBT損壞而影響橋臂甚至整個(gè)換流站的工作，要求保護(hù)元件必須快速動(dòng)作。

4 橋臂設(shè)計(jì)

HVDC-light橋臂的電氣連接如圖7所示。

圖7 HVDC-light橋臂的電氣圖

HVDC-light橋臂設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題是確保在開通過程、關(guān)斷過程和完全截止?fàn)顟B(tài)下，每個(gè)IGBT所承擔(dān)的電壓近似相等。由于IGBT關(guān)斷時(shí)的電流變化率（di/dt）、電壓變化率（dv/dt）均非常大，雜散電感和雜散電容會(huì)顯著影響每個(gè)IGBT的電壓。在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮雜散電感、雜散電容以及由制造工藝引起的分散性等因素對(duì)均壓結(jié)果的影響，合理設(shè)計(jì)電氣連接和均壓回路。因此，HVDC-light橋臂往往由少數(shù)幾個(gè)IGBT閥段構(gòu)成，每個(gè)閥段由多個(gè)IGBT和水冷散熱器緊密壓接形成，閥段之間采用特殊連接，盡可能降低雜散參數(shù)的影響。這就決定了HVDC-light橋臂的結(jié)構(gòu)緊湊，形狀固定。橋臂實(shí)物如圖8所示。

圖8 基于HVDC-light技術(shù)的橋臂

HVDC-plus通過子模塊串聯(lián)形成橋臂。如圖9所示，在單個(gè)子模塊內(nèi)部，IGBT與電容器之間存在雜散電感。由于IGBT關(guān)斷瞬間的電流變化率較大，該雜散電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而影響IGBT的安全。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，必須盡可能降低IGBT引線、電容器及連接母排的電感。

圖9 HVDC-plus子模塊的電氣圖

由于HVDC-plus橋臂不需要截止電流，因此，電流波形平緩，di/dt較小。那么，在每個(gè)橋臂中，即使連接各子模塊的導(dǎo)體存在較大雜散電感，也不會(huì)產(chǎn)生明顯的感應(yīng)電壓。而且，各子模塊的均壓是通過VBE的控制來實(shí)現(xiàn)的，因此，HVDC-plus不需要對(duì)橋臂中子模塊之間的雜散電感和雜散電容進(jìn)行非常嚴(yán)格的控制。在損耗允許、機(jī)械應(yīng)力及絕緣等因素允許的范圍內(nèi)，子模塊之間可以通過較長(zhǎng)的導(dǎo)體連接，布局可以采用松散、靈活的方式?；贖VDC-plus技術(shù)的橋臂三維圖如圖10所示。圖中，橋臂布置在一層，但如果占地面積有限，這些橋臂可以分兩層放置。

圖10 基于HVDC-plus技術(shù)的橋臂

在正常工作時(shí)，HVDC-plus橋臂的每個(gè)子模塊必然只有一個(gè)IGBT導(dǎo)通，另一個(gè)IGBT截止。因此，理論上，要形成相同的直流電壓，HVDC-plus需要的IGBT數(shù)目是HVDC-light的兩倍。但是，在HVDC-light中，橋臂需要承受關(guān)斷過程中引起的電壓過沖，而HVDC-plus中，每個(gè)IGBT的開通、關(guān)斷只發(fā)生在子模塊內(nèi)部，不會(huì)有很高的過電壓系數(shù)，因此，實(shí)際IGBT用量不會(huì)相差如此懸殊。

5 結(jié)論

文章分析比較了HVDC-light、HVDC-plus兩種柔性直流輸電技術(shù)，主要結(jié)論如下：

1）HVDC-light技術(shù)中，每個(gè)橋臂上的所有IGBT同時(shí)開通、關(guān)斷，換流器輸出電壓存在明顯的高次諧波分量，換流站需要配置濾波器，同時(shí)，高次諧波可能形成電磁輻射，閥廳需要嚴(yán)格的電磁屏蔽處理；HVDC-plus技術(shù)中，每個(gè)橋臂上的子模塊通過內(nèi)部的IGBT獨(dú)立投入、退出，橋臂上的電壓是以正弦為包絡(luò)線的階梯波，諧波分量較小，一般情況下，橋臂電抗器即可濾除高次系統(tǒng)，換流站內(nèi)可以不配置專用的濾波器，而且，對(duì)外輻射的電磁波能量很低，只需對(duì)閥廳進(jìn)行常規(guī)電磁屏蔽處理。

2）HVDC-light技術(shù)中，VBE只需控制每個(gè)橋臂的導(dǎo)通、關(guān)斷，控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單；HVDC-plus技術(shù)中，VBE需要分別控制所有橋臂所有子模塊的投入、退出，控制算法復(fù)雜。

3）HVDC-light技術(shù)中，橋臂結(jié)構(gòu)緊湊，很難改變；HVDC-plus技術(shù)中，對(duì)子模塊之間雜散電感的要求不嚴(yán)格，橋臂結(jié)構(gòu)松散、靈活。

4）形成相同的直流電壓，HVDC-light使用的IGBT數(shù)目較少，HVDC-plus使用的IGBT數(shù)目較多。

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