模塊化多電平換流器型高壓直流輸電綜述

滕松，宋新立，李廣凱，葉小暉，劉濤，仲悟之

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100085）

模塊化多電平換流器型高壓直流輸電綜述

滕松1，宋新立2，李廣凱1，葉小暉2，劉濤2，仲悟之2

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100085）

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現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，使直流輸電又一次登上歷史舞臺(tái)，與交流輸電并駕齊驅(qū)。1954年，世界上第一條工業(yè)性的高壓直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，從此，直流輸電技術(shù)在海底電纜送電、遠(yuǎn)距離大功率輸電、不同頻率或相同頻率交流系統(tǒng)之間的聯(lián)結(jié)等場(chǎng)合得到了廣泛地應(yīng)用。GTO、IGBT的出現(xiàn)，促使了VSC-HVDC和MMC-HVDC的產(chǎn)生，成為直流輸電技術(shù)的一次重大變革。

傳統(tǒng)的直流輸電主要基于晶閘管電流源換流器，其具有以下固有缺陷：

1）只能工作在有源逆變狀態(tài)，且受端系統(tǒng)必須有足夠大的短路容量，否則容易發(fā)生換相失敗。

2）換流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量大。

3）換流器需吸收大量的無(wú)功功率，需要大量的濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置。

4）換流站占地面積大、投資大。

5）由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因，在近距離小容量的輸電場(chǎng)合難以應(yīng)用。

因此，傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)主要用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、海底電纜輸電和交流電網(wǎng)的互聯(lián)等領(lǐng)域[1-2]。

隨著能源緊缺和環(huán)境污染等問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，國(guó)家將大力開(kāi)發(fā)和利用可再生清潔能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，其固有的分散性、小型性、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心等特點(diǎn)，使得采用交流輸電技術(shù)或傳統(tǒng)的電流源換流器型直流輸電技術(shù)聯(lián)網(wǎng)顯得很不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，海上鉆探平臺(tái)、孤立小島等無(wú)源負(fù)荷，目前采用昂貴的本地發(fā)電裝置，既不經(jīng)濟(jì)，又污染環(huán)境。另外，城市用電負(fù)荷的快速增加，需要不斷擴(kuò)充電網(wǎng)容量。因此，迫切需要采用更加靈活、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的輸電方式解決以上問(wèn)題。

由于采用以全控型可關(guān)斷器件構(gòu)成的電壓源換流器以及PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)為基礎(chǔ)，使得MMC-HVDC輸電方式有一些傳統(tǒng)HVDC無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如這種輸電技術(shù)能向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制、換流站間不需要通訊而且易于實(shí)現(xiàn)多端系統(tǒng)。另外，該輸電技術(shù)能同時(shí)向系統(tǒng)提供有功功率和無(wú)功功率的緊急支援，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具有優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)電壓源換流器型直流輸電（VSC-HVDC），MMC-HVDC也有其優(yōu)越之處[3-6]。首先是由于MMC將VSC的兩電平或三電平提高到幾十電平甚至上百電平，從而在維持耐壓水平的基礎(chǔ)之上增大系統(tǒng)電壓等級(jí)、大大減少了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率從而減小開(kāi)關(guān)損耗、輸出電壓波形更趨近正弦波從而進(jìn)一步減產(chǎn)諧波含量，另外，MMC采用完全一致的模塊化技術(shù)，其模塊化結(jié)構(gòu)使其可擴(kuò)展性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)冗余控制，在研發(fā)、制造、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓以及減小環(huán)流方面有著重要優(yōu)勢(shì)。3種直流輸電方式比較見(jiàn)表1。

表13 種直流輸電方式比較Tab.1 The comparison of three kinds of DC power transmission

1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本原理

1.1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出其為橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上下橋臂各串聯(lián)n個(gè)子模塊并通過(guò)電抗器與交流電源相連。MMC子模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。子模塊由2個(gè)IGBT構(gòu)成的半橋、2個(gè)反并聯(lián)二極管和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容器組成，每個(gè)子模塊都是一個(gè)兩端元件，可以在2種方向電流的情況下通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)在全模塊電壓和0電壓之間轉(zhuǎn)換，根據(jù)電流的方向不同，可以實(shí)現(xiàn)電容的充、放電[7-8]。

圖1 三相MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topological structure of three-phase MMC

圖2 MMC子模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 The submodule structure of MMC

其中，電抗器的主要作用是提供環(huán)流阻抗，限制橋臂間環(huán)流，同時(shí)有效地減小了換流器內(nèi)部或外部故障時(shí)的電流上升率，從而使IGBT在較低的過(guò)電流水平下關(guān)斷，為系統(tǒng)提供更為有效和可靠的保護(hù)。直流儲(chǔ)能電容可視為獨(dú)立的直流電壓源，為子模塊提供全模塊電壓Uc。反并聯(lián)二極管不僅可以為IGBT穩(wěn)壓，同時(shí)為充放電提供回路。

根據(jù)以上介紹，總結(jié)MMC拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

1）高度的模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，整體設(shè)計(jì)非常靈活。

2）較低的開(kāi)關(guān)頻率，從而降低開(kāi)關(guān)損耗，系統(tǒng)效率得到提高。

3）允許使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件，具有較好的器件供應(yīng)，提高了系統(tǒng)可靠性。

4）橋臂電流工作于連續(xù)模式，當(dāng)直流母線發(fā)生短路故障時(shí)，交流電抗器可以限制交流電流，起到保護(hù)作用；直流母線短路電流不會(huì)對(duì)電容進(jìn)行放電，所以故障恢復(fù)較快。

MMC在降低開(kāi)關(guān)損耗和電磁兼容等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，更適合在高壓領(lǐng)域應(yīng)用。

1.2 MMC基本原理

MMC-HVDC通過(guò)子模塊的串聯(lián)來(lái)增加電平數(shù)，從交流側(cè)看，每相上/下橋臂所有子模塊都是串聯(lián)在一起的，其交流輸出電壓是所有子模塊輸出電壓的代數(shù)和，多電平換流器是由多個(gè)電平臺(tái)階來(lái)合成階梯波，以逼近正弦輸出電壓，電平數(shù)越多，所得到的階梯波電平臺(tái)階就越多，從而越接近正弦波，諧波成分越少。從理論上講，多電平換流器可以通過(guò)合成無(wú)窮多個(gè)電平臺(tái)階，最終實(shí)現(xiàn)零諧波的輸出[9]。但在實(shí)際應(yīng)用中，受到硬件條件和控制復(fù)雜性的制約，通常在滿足性能指標(biāo)的前提下，并不追求過(guò)高的電平數(shù)。

MMC子模塊正常工作共有3種狀態(tài)：

1）閉鎖狀態(tài)。T1和T2均關(guān)斷。一般在啟動(dòng)和故障時(shí)候使用。

2）投入狀態(tài)。T1（上面的IGBT）開(kāi)通，T2（下面的IGBT）關(guān)斷，此時(shí)子模塊輸出電壓為電容電壓Vc。

3）切除狀態(tài)。T1（上面的IGBT）關(guān)斷，T2（下面的IGBT）開(kāi)通，此時(shí)子模塊輸出電壓為0。

每個(gè)子模塊都可看作1個(gè)可控的電壓源，通過(guò)控制2個(gè)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)子模塊的端口輸出電壓在0和電容電壓Vc之間切換，實(shí)現(xiàn)了該子模塊從對(duì)應(yīng)橋臂中投入或切除。通過(guò)控制上、下橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，就可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)制，從而在輸出端得到所需要的交流電壓。另外MMC在正常工作時(shí)要注意維持直流電壓的穩(wěn)定，就是3個(gè)相單元中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)都相等且不變，使三相上下橋臂電壓之和相等。

2 MMC-HVDC技術(shù)特點(diǎn)

1）正常運(yùn)行時(shí)，MMC可以同時(shí)且獨(dú)立地控制有功功率和無(wú)功功率，控制更加靈活方便。

2）MMC電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無(wú)源逆變方式，所以不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，使利用HVDC為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能[9-10]。

3）MMC不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率而且能夠起到STATCOM的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時(shí)，如果MMC容量允許，那么MMC-HVDC系統(tǒng)既可向故障系統(tǒng)提供有功功率的緊急支援，又可提供無(wú)功功率緊急支援，從而既能提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性，又能提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

4）MMC-HVDC系統(tǒng)在潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，與傳統(tǒng)HVDC恰好相反。這個(gè)特點(diǎn)有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又有較高可靠性地并聯(lián)多端直流系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)多端HVDC系統(tǒng)并聯(lián)連接時(shí)潮流控制不便、串聯(lián)連接時(shí)又影響可靠性的缺點(diǎn)[11]。

5）由于MMC交流側(cè)電流可以被控制，所以不會(huì)增加系統(tǒng)的短路功率。這意味著增加新的MMC-HVDC線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定基本不需改變。

6）MMC通常采用PWM技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，經(jīng)過(guò)高通濾波后就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，從而簡(jiǎn)化了換流站的結(jié)構(gòu)，并且基本不需要濾波裝置[12]。

7）模塊化設(shè)計(jì)使MMC-HVDC的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時(shí)，換流站的占地面積僅約同容量下傳統(tǒng)直流輸電的20%。

8）MMC-HVDC可以用于電網(wǎng)黑啟動(dòng)。

9）MMC-HVDC的電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制能力良好。

10）換流站間的通訊不是必需的，其控制結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

3 MMC-HVDC關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電容電壓平衡

系統(tǒng)直流側(cè)電壓是由各個(gè)子模塊直流側(cè)電容來(lái)支撐的，因此，需要控制同一相各個(gè)子模塊直流側(cè)電容電壓的均衡。但由于各個(gè)子模塊的電容提供給驅(qū)動(dòng)電路電源的功率不可能完全相同，各個(gè)子模塊的損耗也不完全一致，加上控制算法中各個(gè)子模塊的通斷時(shí)刻也不一致，將使得各個(gè)子模塊直流電容電壓不平衡和不穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[13-14]提出一種周期性測(cè)量每個(gè)橋臂各個(gè)子模塊的直流側(cè)電容電壓的大小和各個(gè)橋臂的電流方向，并將其進(jìn)行分類，然后根據(jù)控制算法得到橋臂所處的電平數(shù)和橋臂的電流方向，對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行控制，最終達(dá)到模塊化多電平換流器橋臂內(nèi)部各個(gè)子模塊電容電壓的均衡。

文獻(xiàn)[15]在分析靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的各個(gè)直流電容電壓不平衡原因的基礎(chǔ)上，提出“分層控制”的思想建立直流電壓均衡的控制策略。即采用3個(gè)步驟：合理選擇直流電壓的調(diào)定值和直流電容的參數(shù)值；通過(guò)調(diào)制策略來(lái)平衡直流電壓；通過(guò)控制策略保持直流電壓的穩(wěn)定。

以上2種方法都需要采樣各個(gè)直流側(cè)電容電壓的大小，并將其送至系統(tǒng)的總控制器中，進(jìn)行一定繁瑣的排序計(jì)算，需要很好的測(cè)量和傳輸方法，在一定程度上增加了控制的復(fù)雜性和難度，

文獻(xiàn)[16]分析了鏈?zhǔn)侥孀兤鞯腟TATCOM直流電容電壓穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，揭示了電容電壓不平衡現(xiàn)象的機(jī)理，提出基于直流母線能量交換的直流電容電壓平衡的方法和基于交流電源母線能量交換的最大（或最?。╇娙蓦妷壕獾姆椒ā５@2種方法的缺點(diǎn)是需要1個(gè)乃至2個(gè)隔離變壓器和其他換流器，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)起來(lái)的難度。

另外，可以在子模塊直流側(cè)電容兩端并聯(lián)1個(gè)IGBT和電阻R串聯(lián)的分支。在各個(gè)子模塊中，實(shí)時(shí)的測(cè)量電容電壓的值，當(dāng)電容電壓的值大于某1個(gè)設(shè)定的最大值的時(shí)候，開(kāi)通IGBT通過(guò)功率電阻R對(duì)電容進(jìn)行放電，使得電容電壓降低，而原來(lái)電容電壓低的子模塊，根據(jù)系統(tǒng)直流側(cè)電壓由各個(gè)子模塊直流側(cè)電容電壓組合得到的工作原理，其電容電壓會(huì)自動(dòng)地得到抬升。通過(guò)這種電路就能很容易地實(shí)現(xiàn)電容電壓的均衡，并且該結(jié)構(gòu)只是對(duì)電容電壓進(jìn)行微調(diào)，并不一直使IGBT開(kāi)通，即消耗在卸載電阻R上的功率很小，不會(huì)造成大的功率損耗。

3.2 子模塊電容值及電平數(shù)的選取

文獻(xiàn)[17]深入分析模塊化多電平換流器的本質(zhì)工作機(jī)制，從換流器橋臂功率脈動(dòng)與能量脈動(dòng)角度，結(jié)合子模塊電壓紋波系數(shù)，對(duì)其子模塊電容參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

以上文獻(xiàn)沒(méi)有考慮子模塊電壓的波動(dòng)與運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系。文獻(xiàn)[18]從MMC-HVDC系統(tǒng)能量交換過(guò)程、有功功率控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、暫態(tài)能量交換過(guò)程及直流雙極短路故障時(shí)橋臂的保護(hù)要求等方面分析了子模塊電容電壓值與直流系統(tǒng)運(yùn)行特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并根據(jù)分析結(jié)果，給出了子模塊電容值的選取原則。

文獻(xiàn)[19]分析了影響換流器輸出電壓電平數(shù)的3個(gè)關(guān)鍵因素，即控制其出發(fā)頻率、子模塊個(gè)數(shù)和電壓調(diào)制比，推導(dǎo)了影響電平數(shù)的2個(gè)控制器觸發(fā)頻率臨界值，并得出了換流器輸出電壓總畸變率與以上三者的關(guān)系，為電平數(shù)的確定提供了理論依據(jù)。

3.3 MMC橋臂相間環(huán)流

由于MMC的三相橋臂相當(dāng)于并聯(lián)在直流側(cè)，而穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各橋臂間的電壓不可能完全一致，因此，必然會(huì)在MMC的三相橋臂間產(chǎn)生環(huán)流，從而使正弦的橋臂電流波形發(fā)生畸變。

文獻(xiàn)[20-21]對(duì)環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出可以通過(guò)適當(dāng)增大橋臂電抗的取值，將內(nèi)部環(huán)流的大小限制在一定的范圍內(nèi)。但僅采用增大橋臂電抗的方式，只是被動(dòng)地增大了環(huán)流阻抗，不可能完全消除環(huán)流，并且這種方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的成本較高。

文獻(xiàn)[22]采用二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將換流器內(nèi)部的三相環(huán)流分解為2個(gè)直流分量，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的環(huán)流抑制控制器，從而消除了橋臂電流中的環(huán)流分量，大大減小了橋臂電流的畸變程度，使其更逼近正弦波，可以在不用增大橋臂電抗值的情況下，有效地抑制換流器的內(nèi)部環(huán)流，同時(shí)不會(huì)對(duì)MMC外部輸出的交流電壓和電流產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.4 MMC控制策略

3.4.1 消諧波PWM法（SH-PWM）

SH-PWM的原理是電路的每相使用1個(gè)正弦調(diào)制波與幾個(gè)平行的三角波進(jìn)行比較[23-24]。其優(yōu)點(diǎn)是能很好地控制諧波，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)特性差，計(jì)算量隨著電平數(shù)的增大而急劇增大，因此適用于電平數(shù)不太多的場(chǎng)合。

3.4.2 載波移相正弦脈寬調(diào)制（CPS-SPWM）

載波移相SPWM技術(shù)的基本思想是n個(gè)變換器單元采用n個(gè)移位的三角波與正弦波進(jìn)行比較[25]。其特點(diǎn)有：

1）各變換器單元的開(kāi)關(guān)頻率低，便于組成大功率變流裝置，降低器件開(kāi)關(guān)損耗。

2）輸出諧波小，可大大減小濾波器的體積。

3）等效開(kāi)關(guān)頻率高，傳輸頻帶寬，傳輸線性好，容易引入一些優(yōu)秀的控制方法，如滯環(huán)電流控制、單周控制等。

3.4.3 空間矢量調(diào)制（SVPWM）

空間電壓矢量技術(shù)的原理是通過(guò)指定區(qū)域相應(yīng)的電壓矢量適時(shí)切換合成得到要求的空間電壓矢量。其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在模型簡(jiǎn)單，在大范圍的調(diào)制比內(nèi)具有很好的性能，并且母線利用率高[26-28]。但是，應(yīng)用于5電平以上的多電平電路時(shí)其控制算法將變得非常復(fù)雜。隨著電平數(shù)量的增加，空間矢量調(diào)制技術(shù)存在器件導(dǎo)通負(fù)荷不均衡的現(xiàn)象。

MMC每相常由幾十個(gè)甚至上百個(gè)模塊級(jí)聯(lián)而成，因此MMC交流側(cè)輸出的脈寬調(diào)制（PWM）電壓階梯數(shù)較高。此時(shí)，通過(guò)不同的PWM方式如消諧波PWM（SH-PWM）、載波相移正弦脈寬調(diào)制（CPS-SPWM）、空間矢量PWM（SVPWM）等得到的多電平輸出電壓，其諧波性能之間的差距已經(jīng)退居為次要因素。電平數(shù)很高時(shí)，PWM算法的簡(jiǎn)單性、快速性、能否占用較小的硬件資源躍居為主要因素。

3.4.4 階梯波脈寬調(diào)制

階梯波脈寬調(diào)制技術(shù)的原理是用階梯波來(lái)逼近正弦波，階梯波調(diào)制就能達(dá)到很好的輸出特性，且其開(kāi)關(guān)次數(shù)小于PWM，能夠明顯減少開(kāi)關(guān)損耗。這種策略的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率最低（等于基波頻率），因而開(kāi)關(guān)損耗最小，器件的主要損耗是通態(tài)損耗[29-30]。通過(guò)調(diào)節(jié)直流母線電壓或移相角來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，此外，還可以通過(guò)選擇每個(gè)電平持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，來(lái)實(shí)現(xiàn)低次諧波的消除和抑制。

3.4.5 最近電平逼近（NLM）技術(shù)

其原理是使用最近電平瞬時(shí)逼近調(diào)制波，適合用于電平數(shù)較多的場(chǎng)合。使用N L M策略的MMC在較大的工作范圍內(nèi)都具有很好的調(diào)制波跟蹤能力和較低的諧波水平。隨著電平數(shù)的增多，最近電平逼近法更具有優(yōu)勢(shì)[31-32]。

可以看出MMC的調(diào)制策略紛繁復(fù)雜，特點(diǎn)各異，每種調(diào)制策略也因此適用于不同的場(chǎng)合使用來(lái)滿足MMC系統(tǒng)對(duì)某項(xiàng)特性的更好匹配，現(xiàn)將以上提到的經(jīng)典控制策略的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合總結(jié)如表2所示。

表2 控制策略特性比較Tab.2 The comparison of characteristics for control strategy

4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用

4.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自從1997年瑞典的Hellsjon工業(yè)試驗(yàn)工程成功運(yùn)行以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就對(duì)新型的柔性直流輸電技術(shù)給予了厚望，并開(kāi)展了廣泛并且深入的研究。隨著研究的深入，VSC-HVDC技術(shù)不斷成熟[32]，短短幾年之內(nèi)已有十幾條線路投運(yùn)，基本由ABB公司承擔(dān)。

而后，西門子公司在VSC基礎(chǔ)之上，將電平數(shù)提高，并將器件完全模塊化，發(fā)展了模塊化多電平換流器MMC，保留并大大提升了柔性直流輸電的各方面性能。

對(duì)于MMC，國(guó)內(nèi)的研究比較活躍，MMC的技術(shù)較新，中國(guó)電力科學(xué)研究院、華北電力大學(xué)、浙江大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等單位已經(jīng)開(kāi)展了這方面的基礎(chǔ)理論研究，研究工作主要集中在MMC-HVDC的建模仿真，MMC-HVDC的控制和保護(hù)策略等，并取得了相應(yīng)的成果。

4.2 MMC-HVDC工程應(yīng)用

由Siemens公司承擔(dān)的美國(guó)Trans Bay Cable工程是世界上第一個(gè)采用模塊化多電平換流器（MMC）技術(shù)的電壓源換流器型直流輸電工程。該項(xiàng)目從匹茲堡通過(guò)一個(gè)全長(zhǎng)約82.295km的海底輸電線路延伸至舊金山，輸送功率達(dá)到400M W，以確保舊金山電力的可靠性。

2008年8月，國(guó)家電網(wǎng)公司開(kāi)始開(kāi)展柔性直流關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程（上海南匯風(fēng)電場(chǎng)）實(shí)施，并與2011年3月成功試運(yùn)行。該工程是我國(guó)首個(gè)采用模塊化多電平換流器直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)的工程，該工程容量為20M V·A，電壓等級(jí)為±30kV。

表3 MMC-HVDC工程主要技術(shù)指標(biāo)Tab.3 The main technical indexes of MMC-HVDC

5 結(jié)語(yǔ)

MMC-HVDC工程涉及電力系統(tǒng)、材料、控制等學(xué)科。由于目前國(guó)內(nèi)研究尚處于起步階段，相關(guān)工程實(shí)踐還不多，經(jīng)驗(yàn)還不是很足，因此在開(kāi)展MMC-HVDC技術(shù)工程應(yīng)用的研究中，要充分調(diào)研國(guó)外MMC-HVDC技術(shù)的研究成果和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

可以相信，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，MMC-HVDC的輸送容量、電壓等級(jí)將不斷提高，而系統(tǒng)損耗和成本將不斷下降，加上國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有實(shí)際工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及能源戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和完善，MMC-HVDC必將在分布式發(fā)電并網(wǎng)、新能源發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、電網(wǎng)黑啟動(dòng)、交流電網(wǎng)互聯(lián)、城市電網(wǎng)供電等應(yīng)用領(lǐng)域得到更快的發(fā)展。

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A Survey on HVDC Transmission with Modular Multilevel Converters

TENG Song1，SONG Xin-li2，LI Guang-kai1，YE Xiao-hui2，LIU Tao2，ZHONG Wu-zhi2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100085，China）

HVDC transmission with modular multilevel converter（MMC），a new generation of dc transmission technology，has been rapidly growing.This paper，firstly，compares the MMCHVDC with the traditional HVDC and VSC-HVDC to demonstrate the superior performanceof the MMC-HVDC，Secondly，a comprehensive analysis is made in the aspects of topology structure and working principle with a focus on the technical characteristics and key technology of the MMC.Comparisons and analyses are made on the different control strategies，the advantages，and the disadvantages，and the specific applicable occasions.In addition，the paper reviews recent research and the engineering applications of the MMC-HVDC at home and abroad，concluding that the MMC-HVDC has a wide prospect of applications and it is an important developing direction of HVDC in the future.

modular multilevel converter； HVDC； voltage balance of the capacitor；MMC

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）型直流輸電采用模塊化結(jié)構(gòu)，是新一代直流輸電技術(shù)，發(fā)展非常迅速。將MMC-HVDC和傳統(tǒng)直流、VSC-HVDC進(jìn)行了比較，說(shuō)明了其優(yōu)越的性能；對(duì)MMC從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理作了全面分析并重點(diǎn)研究了MMC的技術(shù)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)比分析了不同控制策略的優(yōu)勢(shì)與不足以及分別的適用場(chǎng)合；通過(guò)介紹MMC-HVDC的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用，表明模塊化多電平換流器型直流輸電應(yīng)用前景廣泛，是未來(lái)直流輸電的一個(gè)重要發(fā)展方向。

模塊化多電平換流器；HVDC；電容電壓平衡；MMC

國(guó)家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目課題（SGCC-MPLG001-2012）。

1674-3814（2012）08-0043-08

TM 721

A

2012-04-19。

滕 松（1986—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿嵝愿邏褐绷鬏旊娂半娏ο到y(tǒng)仿真軟件開(kāi)發(fā)；

宋新立（1971—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)仿真軟件開(kāi)發(fā)和電力系統(tǒng)分析工程研究；

李廣凱（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行、控制、新型輸配電等技術(shù)；

葉小暉（1985—），男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)仿真建模與軟件開(kāi)發(fā)，電力系統(tǒng)仿真分析研究；

劉 濤（1984—），男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)仿真建模與軟件開(kāi)發(fā)、電力系統(tǒng)分析工程研究；

仲悟之（1979—），男，博士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)仿真與分析。

（編輯 董小兵）