混合直流輸電系統(tǒng)綜述

馮 明，李興源，李 寬

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065）

混合直流輸電系統(tǒng)綜述

馮 明，李興源，李 寬

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065）

混合直流輸電系統(tǒng)是通過結(jié)合各種電流源型換流器（CSC）和電壓源型換流器（VSC）的技術(shù)特點(diǎn)，互相取長補(bǔ)短而形成的新型直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在簡要介紹CSC和VSC基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分別闡述了混合兩端、混合多端、混合多饋入、混合雙極直流輸電系統(tǒng)和混雜換流器各自的技術(shù)特點(diǎn)、控制方式、應(yīng)用場景和研究進(jìn)展，最后總結(jié)了混合直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足，展望了未來混合直流技術(shù)的研究和發(fā)展方向。通過對混合直流輸電技術(shù)的研究成果的總結(jié)和工程應(yīng)用的介紹，表明混合直流輸電是一種獨(dú)具特色，擁有廣泛應(yīng)用前景的新型高壓直流輸電技術(shù)。

混合直流；電流源型換流器；電壓源型換流器；多端直流輸電；多饋入直流輸電

0　引 言

高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與電力電子器件制造技術(shù)以及高壓大容量換流技術(shù)的發(fā)展密不可分［1］。高壓直流輸電技術(shù)先后經(jīng)歷了汞弧閥換流時(shí)期、晶閘管換流閥時(shí)期以及柔性直流輸電技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)期［2］。

1970年瑞典在原先使用汞弧閥的哥特蘭工程上擴(kuò)建了10MW、50KV采用晶閘管換流閥的試驗(yàn)工程。1972年世界上第一個(gè)采用晶閘管換流閥的伊爾河背靠背直流工程在加拿大投入運(yùn)行，從此以后新建的直流工程全都采用了晶閘管換流閥，并且原來采用汞弧閥的直流工程也逐漸被晶閘管所替代。20世紀(jì)90年代以后，新型電力電子器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）逐漸在工業(yè)換流領(lǐng)域得到了應(yīng)用。隨著IGBT耐壓等級和容量的不斷提升，這使得采用IGBT構(gòu)成的電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）來進(jìn)行直流輸電成為了可能［3］。1997年，世界上首個(gè)使用VSC技術(shù)的直流輸電工程——赫爾斯揚(yáng)實(shí)驗(yàn)性工程投入運(yùn)行。隨著器件制造技術(shù)、脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）和控制保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)的傳輸容量越來越大，電壓等級也越來越高［45］。ABB公司宣稱其容量上限已經(jīng)可以達(dá)到1 800MW、±500KV［6］。

我國高壓直流輸電工程起步較晚，但發(fā)展非常迅速。從1989年我國第一條自主建設(shè)的舟山直流輸電工程投入運(yùn)行以來，迄今為止我國已建成20余條直流輸電工程。額定電壓達(dá)到±800KV，額定容量達(dá)到7 200MW，均為世界之冠［7］。在基于VSC的柔性直流輸電（HVDC-Elexible）領(lǐng)域，我國還處于起步階段，但發(fā)展前景巨大。亞洲首條兩端柔性直流輸電示范工程——上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電工程已于2011年7月正式投入運(yùn)行［89］。由南方電網(wǎng)公司自主研發(fā)，被列入國家863智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)（一期）重大專項(xiàng)課題的“大型風(fēng)電場柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)”配套示范工程——南澳柔性直流輸電示范工程于2013年12月已正式投運(yùn)，該工程將成為世界上第一個(gè)真正意義上的多端柔性直流工程，它將有效解決分布式能源靈活接入和送電問題。我國正在建設(shè)的浙江舟山海島多端柔性直流輸電項(xiàng)目將是世界上第一個(gè)五端柔性直流輸電工程［10］。隨著我國建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的一步步推進(jìn)，直流輸電技術(shù)在多個(gè)方面都體現(xiàn)出了相較于交流輸電技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，可以預(yù)計(jì)在將來的電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)過程中直流輸電技術(shù)一定會發(fā)揮越來越重要的作用［1112］。

從直流輸電技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)來看，將來直流輸電的分布格局極有可能會出現(xiàn)傳統(tǒng)直流與柔性直流共存，相互互聯(lián)，相互影響的情況。而這種不同的連接方式便形成了混合直流輸電系統(tǒng)（hybrid HVDC）的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種不同于以往的混合直流輸電技術(shù)提供了一種可以利用傳統(tǒng)直流和柔性直流技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)、改進(jìn)其不足的新的研究方向?；旌现绷鬏旊娂夹g(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，在特定條件下可以表現(xiàn)出比傳統(tǒng)直流和柔性直流技術(shù)更優(yōu)越的技術(shù)性能，比柔性直流低廉的造價(jià)和更廣泛的應(yīng)用場景。因此，對混合直流輸電技術(shù)的深入研究是十分必要的。

迄今為止，有關(guān)于混合直流的研究成果還比較少，且主要集中于混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)控制特性、主控制器設(shè)計(jì)以及電磁暫態(tài)仿真建模的研究。下面將首先介紹常見換流器的基本結(jié)構(gòu)和特性；然后分別介紹混合直流輸電中幾種重要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)、控制方式、應(yīng)用場景和研究進(jìn)展；最后將分析總結(jié)混合直流輸電領(lǐng)域?qū)淼难芯糠较颉?/p>

1　常見換流器的基本結(jié)構(gòu)和特性

換流器有多種分類方式，按照直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以將換流器分為電流源型換流器（current source converter，CSC）和電壓源型換流器［13］。下面將按照此種分類方式對常用換流器的基本結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行簡單的介紹。

1.1電流源型換流器

電流源型換流器對于直流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)電流源，一般在直流側(cè)串聯(lián)有大電感。應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域的電流源型換流器主要是基于晶閘管換流閥的6脈波或12脈波換流器，以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的電容換相換流器［14］。在一些工業(yè)用換流裝置和一些研究中也有使用可關(guān)斷晶閘管（GTO），絕緣柵雙極晶體管（IGBT），集成門極換相晶閘管（IGCT）等全控型電力電子器件來構(gòu)成電流源換流器主電路拓?fù)涞那闆r［1518］。

典型的基于晶閘管換流閥的6脈波三相全波橋式整流等效電路如圖1所示。

圖1　基于晶閘管閥的換流器等效電路

基于此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)已經(jīng)有了50多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其控制和保護(hù)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。傳統(tǒng)直流輸電與交流輸電技術(shù)相比在遠(yuǎn)距離大容量輸電、異步電網(wǎng)互聯(lián)、遠(yuǎn)距離電纜送電等領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢。但傳統(tǒng)直流也存在一些固有的缺陷難以克服，如換流器需要消耗大量無功功率，產(chǎn)生大量諧波，不能向弱交流系統(tǒng)供電，會發(fā)生換相失敗，換流站投資高于交流變電站等［3］。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)的種種不足，不斷有新的改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制方法和保護(hù)措施被提出。其中電容換相換流器（capacitor commutated converter，CCC）是比較重要的且已經(jīng)應(yīng)用于工程實(shí)踐的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CCC是在常規(guī)換流器和換流變壓器之間串聯(lián)換相電容而構(gòu)成的，其等效電路如圖2所示。

圖2　電容換相換流器等效電路

電容換相換流器能夠有效地降低換流器所消耗的無功；當(dāng)作為逆變器時(shí)，引起換相失敗的可能性比傳統(tǒng)直流要??；當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)其短路電流比傳統(tǒng)直流要小。但是這種拓?fù)湓诟纳苽鹘y(tǒng)直流的同時(shí)也會帶來新的問題，如當(dāng)換相電容器上電壓不平衡時(shí)，逆變器的換相性能將降低，甚至發(fā)生換相失??；使換流閥換相電壓升高，換流閥阻尼回路和避雷器中的損耗增加；換相變壓器閥側(cè)繞組絕緣水平要比傳統(tǒng)直流高［19］。

雖然基于電流源型換流器的傳統(tǒng)HVDC輸電技術(shù)不斷向前發(fā)展，但要想徹底地解決其固有缺陷就必然要采用新型的電力電子器件和新的控制手段。采用全控型器件和脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的柔性直流輸電技術(shù)就是在這種需求之下產(chǎn)生的。

1.2電壓源型換流器

電壓源型換流器的直流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)電壓源，一般在直流側(cè)并聯(lián)有大電容，直流電壓基本無波動。柔性直流輸電系統(tǒng)中構(gòu)成電壓源型換流器的開關(guān)元件一般選擇全控型電力電子器件，如GTO，IGBT，IGCT等。迄今為止，所有已建的柔性直流輸電工程都是使用的IGBT閥。閥組控制方面一般都采用了PWM技術(shù)［20］。

電壓源型換流器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較常見的有三相兩電平電路、二極管箝位型三電平電路、電容箝位型三電平電路、級聯(lián)型多電平電路和模塊化多電平電路等［2122］。由于ABB公司在兩電平和三電平換流器制造方面的壟斷，已建的柔性直流多采用的是兩電平結(jié)構(gòu)，某些采用了箝位型三電平。近年來，由西門子公司開發(fā)的模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也開始在工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用，如美國的傳斯貝爾工程（400MW，±200KV）［23］。下面以基于IGBT閥的三相兩電平結(jié)構(gòu)為例簡要介紹電壓源型換流器的工作原理。

三相兩電平電壓源換流器包括6個(gè)反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT元件，如圖3所示。利用PWM技術(shù)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖依次控制各個(gè)閥的開通或關(guān)斷。PWM控制中的脈寬調(diào)制比M和移相角δ分別影響換流站吸收或發(fā)出的無功功率和有功功率［24］。通過對這兩個(gè)量的快速獨(dú)立的控制，來實(shí)現(xiàn)對柔性直流輸電系統(tǒng)有功和無功的控制，從而使系統(tǒng)具有較好的控制性能。其有功和無功功率控制量只能各選其一。有功功率類控制有：定直流電壓控制、頻率控制、定有功功率控制；無功功率類控制有：定交流電壓控制、定無功功率控制。

采用電壓源型換流器的柔性直流輸電技術(shù)是從傳統(tǒng)直流發(fā)展來的，因此傳統(tǒng)直流輸電的優(yōu)點(diǎn)柔性直流也基本上都具有，而且由于采用了全控型器件IGBT以及使用了PWM控制技術(shù)，所以其還具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢［4］：①柔性直流可以在運(yùn)行范圍內(nèi)快速獨(dú)立地控制有功和無功功率；②潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，電壓極性不變，只需改變電流方向；③提高交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和功角穩(wěn)定性；④在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可以利用黑啟動能力快速恢復(fù)供電；⑤受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)。除了電氣特性方面的優(yōu)點(diǎn)外，由于柔性直流多采用模塊化設(shè)計(jì)，主要設(shè)備在工程內(nèi)封裝現(xiàn)場調(diào)試組裝，且大部分設(shè)備可以安放在室內(nèi)，故其施工工期短，占地面積小。當(dāng)采用電纜線路時(shí)，由于其潮流反轉(zhuǎn)時(shí)不改變電壓極性，故可使用環(huán)保型的塑料聚合物絕緣電纜（XLPE），對環(huán)境的影響?。?5］。

圖3　三相兩電平電壓源換流器

但是柔性直流輸電技術(shù)還是存在一些難以解決的不足之處：如①柔性直流的系統(tǒng)損耗要高于傳統(tǒng)直流。換流器損耗是直流輸電系統(tǒng)損耗的主要組成部分。由于采用了PWM技術(shù)，IGBT的開關(guān)頻率很高，增大了換流器損耗。當(dāng)采用三相兩電平結(jié)構(gòu)，開關(guān)頻率為1 950Hz時(shí)，換流站損耗為額定功率的6%左右；當(dāng)采用三電平結(jié)構(gòu)，開關(guān)頻率為1 260Hz時(shí)，換流站損耗為額定功率的3.6%左右；當(dāng)采用優(yōu)化的正弦波控制策略和改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，可以將損耗降低到1.6%。但是這仍高于傳統(tǒng)直流0.8%左右的損耗水平。②無法切斷直流側(cè)短路電流。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，直流電容器將被短路，而VSC逆變器上的反并聯(lián)二極管起到整流作用，所以無法僅僅通過觸發(fā)控制來減少直至切斷直流電流。這種情況下，要清除故障，只能通過加裝直流斷路器或者跳開逆變端的交流斷路器。由于沒有自然過零點(diǎn)，直流斷路器制造困難、造價(jià)比較昂貴。同時(shí)，在大功率直流輸電的場合，也應(yīng)盡量避免頻繁操作交流斷路器，而最好依靠直流的控制系統(tǒng)來排除故障。③IGBT等全控型器件耐壓等級和功率傳輸水平?jīng)]有晶閘管高。④柔性直流的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富。

2　幾種重要的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1混合兩端直流輸電系統(tǒng)

文獻(xiàn)［26］最早對一端采用電流源型換流器，一端采用電壓源型換流器的混合兩端直流輸電系統(tǒng)（Hybrid Two-terminal HVDC）進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。其整流側(cè)采用的是晶閘管閥，逆變側(cè)采用的是GTO閥。整流側(cè)采用定直流電壓控制，逆變側(cè)采用PWM技術(shù)，對直流電流和交流電壓進(jìn)行控制。文章在EMTDC環(huán)境下對混合直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了電磁暫態(tài)仿真，驗(yàn)證了其在各種故障情況下的輸電性能，證明了混合兩端直流輸電技術(shù)的可行性。隨后，不斷有學(xué)者對這類新型的直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了有益的研究。由于柔性直流輸電工程多采用IGBT閥，故在后續(xù)研究中大多使用IGBT閥進(jìn)行建模仿真。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　混合兩端直流輸電系統(tǒng)

文獻(xiàn)［27 29］推導(dǎo)了如圖4所示混合兩端直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型；設(shè)計(jì)了混合直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制策略，整流側(cè)采用定直流電流、逆變側(cè)采用定直流電壓和交流電壓控制方式；仿真結(jié)果表明受端采用VSC可以有效防止交流系統(tǒng)電壓跌落，提高交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［30］對使用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)向無源網(wǎng)絡(luò)供電的系統(tǒng)進(jìn)行了建模，對其在啟動、甩負(fù)荷、交流系統(tǒng)短路故障等情況下的暫態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明采用混合直流輸電系統(tǒng)向無源網(wǎng)絡(luò)供電是可行的。文獻(xiàn)［31］中的混合直流輸電系統(tǒng)送端為VSC整流器，采用定直流電流控制；受端為CSC逆變器，采用定直流電壓控制。仿真結(jié)果表明，當(dāng)送端交流系統(tǒng)較弱時(shí)，該系統(tǒng)仍能夠?qū)⒐β士煽克统觥?/p>

混合兩端直流輸電系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)直流和柔性直流各自的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了其不足，是一種經(jīng)濟(jì)有效的折中方案。混合直流系統(tǒng)的損耗，造價(jià)均介于兩者之間，且可以解決向無源網(wǎng)絡(luò)供電，換相失敗等傳統(tǒng)直流無法解決的問題。其主要缺點(diǎn)是它的輸送功率極限由VSC側(cè)決定，而VSC的輸送功率還未能達(dá)到傳統(tǒng)直流的功率輸送能力。但隨著器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，這一問題有望得到解決。另一個(gè)缺點(diǎn)是混合直流系統(tǒng)不容易實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)。這是由于CSC側(cè)實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)需要改變電壓極性，但VSC側(cè)實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)需要改變電流方向。另外，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意防止平波電抗器和直流電容發(fā)生諧振。

雖然混合直流系統(tǒng)有些不易解決的問題，但是其在某些功率傳遞方向固定的場合，如向城市負(fù)荷中心、偏遠(yuǎn)及海島地區(qū)供電，小型風(fēng)電送出等是有很大的應(yīng)用前景的。

2.2混合多端直流輸電系統(tǒng)

傳統(tǒng)直流一般為兩端系統(tǒng)，當(dāng)多個(gè)交流系統(tǒng)間使用直流互聯(lián)時(shí)需要建設(shè)多條直流線路，此時(shí)多端直流輸電系統(tǒng)（Multi-terminal HVDC，MTDC）就成為了一種解決多電源供電和多落點(diǎn)受電問題的最佳方案［32］。當(dāng)多端直流輸電系統(tǒng)中既有CSC換流站，又有VSC換流站時(shí)，就形成了混合多端直流輸電系統(tǒng)（Hybrid MTDC）。

與傳統(tǒng)CSC換流站相比，VSC換流站更容易在傳統(tǒng)直流線路的基礎(chǔ)上方便地實(shí)現(xiàn)多端直流輸電系統(tǒng)。文獻(xiàn)［33］最早闡述了使用VSC換流器在傳統(tǒng)直流線路上引出分支線路構(gòu)成多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)的方法，提出了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的有效控制方法，并使用EMTDC進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)［34］在傳統(tǒng)直流線路上并聯(lián)了多條VSC線路，并對該混合直流系統(tǒng)的進(jìn)行了穩(wěn)定性研究。文獻(xiàn)［35 36］對混合三端直流系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對VSC作為整流站或逆變站時(shí)分別進(jìn)行了建模仿真。文獻(xiàn)［37］對使用VSC換流器進(jìn)行多個(gè)風(fēng)電場并網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明使用VSC技術(shù)進(jìn)行風(fēng)電廠并網(wǎng)在各種并網(wǎng)方案中是性能最好的。這種方案也同時(shí)適用于多個(gè)分散的小型發(fā)電廠并網(wǎng)。文獻(xiàn)［38］對于使用混合多端系統(tǒng)來進(jìn)行大型風(fēng)電場的并網(wǎng)進(jìn)行了研究。文中搭建了一個(gè)五端系統(tǒng)，其中風(fēng)電場通過VSC整流站并網(wǎng)，系統(tǒng)中還有2個(gè)CSC整流站，1個(gè)CSC逆變站，1個(gè)VSC逆變站分別連接不同的交流系統(tǒng)。文章通過仿真驗(yàn)證了使用混合多端系統(tǒng)進(jìn)行大型風(fēng)電場并網(wǎng)的可行性；系統(tǒng)在各種故障情況下均可保證安全穩(wěn)定運(yùn)行，VSC可以有效減小對風(fēng)電場發(fā)電機(jī)組的影響。

在混合多端直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)VSC作為逆變站時(shí)，穩(wěn)態(tài)下VSC一般采用定直流電流控制，而原傳統(tǒng)直流的控制策略基本上可以不改變，但一定要保持整個(gè)系統(tǒng)中作為整流器發(fā)出的功率一定要等于作為逆變器吸收的功率和系統(tǒng)損耗之和［39］。當(dāng)VSC的交流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，為了防止整個(gè)系統(tǒng)直流電壓的崩潰，VSC可以快速轉(zhuǎn)換到定直流電壓控制方式。當(dāng)VSC作為整流側(cè)時(shí)，一般采用定直流電壓控制，其余換流站通過定直流電流控制平衡整個(gè)系統(tǒng)的直流功率。對于混合多端直流輸電系統(tǒng)，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，VSC側(cè)將產(chǎn)生很大的過電流，危及設(shè)備安全，且必須要切除或閉鎖整個(gè)多端系統(tǒng)才能切除故障電流［40］。

綜上所述，使用VSC技術(shù)在傳統(tǒng)直流的基礎(chǔ)上改造成多端系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價(jià)值。特別是在現(xiàn)在傳統(tǒng)直流主要擔(dān)任大功率遠(yuǎn)距離送出任務(wù)的情況下，VSC可以在原有線路的基礎(chǔ)上方便地實(shí)現(xiàn)分支，而且VSC換流站既可以作為整流器將分散的小型電力輸送出去，也可以對城市負(fù)荷中心、偏遠(yuǎn)海島地區(qū)提供高質(zhì)量的電能。

2.3混合多饋入直流輸電系統(tǒng)

當(dāng)多條直流線路共享一條公共交流母線，或者連接到電氣距離很近的交流母線上時(shí)，就構(gòu)成了多饋入直流輸電系統(tǒng)（Multi-infeed HVDC，MIDC）。當(dāng)連接在交流母線上的既有CSC換流站，又有VSC換流站時(shí)就形成了混合多饋入直流輸電系統(tǒng)（hybrid MIDC）。在多饋入系統(tǒng)中，如果一個(gè)換流站暫時(shí)中止傳輸功率，那么交流側(cè)過剩的無功就會引起很高的過電壓甚至產(chǎn)生非特征諧波，而且可能會導(dǎo)致各個(gè)換流站間的控制方式轉(zhuǎn)移和諧波相互作用。在多饋入系統(tǒng)的暫態(tài)過程中，由于鄰近直流系統(tǒng)之間的相互作用，可能會導(dǎo)致電壓的畸變、不對稱以及幅值和相位的變化，進(jìn)而會影響整個(gè)系統(tǒng)性能。在以往的研究中多采用靜止無功補(bǔ)償裝置來改善多饋入系統(tǒng)的性能。隨著傳統(tǒng)直流和柔性直流工程的不斷建設(shè)，當(dāng)多條直流向同一交流系統(tǒng)供電時(shí)（如向大中城市供電），很容易就會形成混合多饋入直流系統(tǒng)。在混合多饋入系統(tǒng)中，由于VSC本身就具有動態(tài)補(bǔ)償無功，穩(wěn)定交流母線電壓的作用，故在這種情況下，只要VSC換流站的容量允許，就可以不裝設(shè)或少裝設(shè)其他無功補(bǔ)償裝置。

文獻(xiàn)［41 43］對混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。在正常運(yùn)行情況下，對于HVDC子系統(tǒng)來說，基本的控制策略是在整流側(cè)采用定直流電流控制方式，逆變側(cè)采用定熄弧角控制方式；對于VSC-HVDC整流側(cè)采用定直流電壓和定無功控制方式，逆變側(cè)采用定直流電流和定無功控制或定交流電壓的控制方式。在受端交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，逆變側(cè)交流母線電壓可能會降低，系統(tǒng)無功功率將大量缺失，這時(shí)需要VSC-HVDC提供快速無功功率緊急支援，穩(wěn)定交流母線電壓。如果VSC-HVDC逆變側(cè)采用定無功控制方式，勢必會導(dǎo)致系統(tǒng)的無功功率進(jìn)一步缺失，引起逆變側(cè)交流母線電壓進(jìn)一步惡化，從而造成嚴(yán)重后果。而采用定交流電壓控制方式能在系統(tǒng)受擾動期間動態(tài)補(bǔ)償無功功率，防止交流母線電壓產(chǎn)生過大波動，使系統(tǒng)在干擾過后能快速平穩(wěn)地恢復(fù)。在上述分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，并在PSCAD/EMTDC中搭建模型進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)［43］的受端更是使用了無源系統(tǒng)進(jìn)行了建模。仿真結(jié)果表明，該混合直流輸電系統(tǒng)可以有效提高受端交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，防止其余CSC逆變器在交流母線電壓跌落時(shí)發(fā)生換相失敗，并可以實(shí)現(xiàn)向無源網(wǎng)絡(luò)供電。

圖5　混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)

綜上，混合多饋入直流輸電系統(tǒng)相較于只由傳統(tǒng)直流構(gòu)成的多饋入系統(tǒng)來說，其優(yōu)勢在于可以利用VSC對無功功率的靈活控制，在一定程度上改善對于傳統(tǒng)多饋入直流輸電系統(tǒng)的電壓和無功特性。

2.4混合雙極直流輸電系統(tǒng)

混合雙極直流輸電系統(tǒng)（hybrid bipolar HVDC，HB-HVDC）是另一種利用VSC對有功和無功的快速控制來改善傳統(tǒng)直流和受端交流系統(tǒng)運(yùn)行特性的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正在建設(shè)中的SKagerraK 4工程就是在原有3極LCC直流的基礎(chǔ)上使用VSC換流站構(gòu)建第4極，從而實(shí)現(xiàn)混合雙極系統(tǒng)的，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　混合雙極直流輸電系統(tǒng)

文獻(xiàn)［44］對LCC子系統(tǒng)和VSC子系統(tǒng)的控制方式及其協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。需要注意的是，要保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行必須要使兩極線路上的直流電流相等。故VSC逆變側(cè)采取定直流電流控制時(shí)，其整定值的大小必須與LCC線路中的直流電流相互配合。在PSCAD/EMTDC中進(jìn)行的仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效對受端交流母線無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，穩(wěn)定交流母線電壓，減小CSC逆變器發(fā)生換相失敗的幾率。對于混合雙極直流輸電系統(tǒng)，其主要不足之處是由于CSC和VSC的直流電流必須相互配合，故限制了其傳輸功率的能力。隨著柔性直流輸電容量的不斷提高，VSC子系統(tǒng)對LCC子系統(tǒng)的無功支撐能力也將進(jìn)一步提高，故當(dāng)兩個(gè)子系統(tǒng)的輸送能力相匹配時(shí)，該技術(shù)有望解決LCC換相失敗的問題。

2.5混雜換流器

將傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)的換流器與無變壓器的換流器（NTC）、電容器換相的換流器（CCC）、電壓源換流器（VSC）等分別結(jié)合，盡可能克服各類換流器的原有缺點(diǎn)，綜合它們的優(yōu)點(diǎn)，就形成了輸電特性更好的混雜換流器［45］。前面所介紹的混合直流系統(tǒng)均為CSC和VSC在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵用嫔系慕Y(jié)合，從而達(dá)到改善系統(tǒng)某些方面輸電特性的目的。而混雜換流器，則是對單個(gè)換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變和輸出特性的優(yōu)化。

如圖7所示為混雜換流器的可能結(jié)構(gòu)之一。該換流器將傳統(tǒng)使用晶閘管閥的12脈波整流橋與使用GTO、IGBT、IGCT等全控型器件的VSC換流器串聯(lián)，從而利用VSC對功率調(diào)節(jié)的靈活性提高交流側(cè)的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。當(dāng)該混雜換流器用于逆變器時(shí)，可以通過VSC的定直流電壓能力減小CSC發(fā)生換相失敗的幾率。

圖7中的12脈波整流橋可以替換為更高脈波數(shù)的整流橋，或者替換為NTC、CCC式的整流橋。而VSC換流器前可加入換流變壓器，這樣VSC端就可以直接接地。圖中VSC也可以替換為多橋的VSC換流器。通過各種類型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理組合就可以派生出多種其他類型的混雜換流器。

在進(jìn)行混雜換流器的設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對具體的應(yīng)用場景選取合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)需要注意平波電抗器和電容器參數(shù)的相互配合，以免發(fā)生諧振問題。

圖7　混雜換流器

3　結(jié)束語

作為一種新興的高壓直流輸電技術(shù)，混合直流輸電還未得到廣泛應(yīng)用，但是在當(dāng)今傳統(tǒng)直流和柔性直流共同發(fā)展，不斷在各自所擅長的領(lǐng)域中開拓創(chuàng)新的情況下，CSC和VSC必將在某種程度或一些特定情景下構(gòu)成混合直流輸電系統(tǒng)，故對混合直流輸電系統(tǒng)的研究是極具現(xiàn)實(shí)意義的?？傮w來說，利用VSC控制上的靈活性和快速性來改善傳統(tǒng)直流及其受端系統(tǒng)的穩(wěn)定性；利用CSC的低損耗、低造價(jià)來降低柔性直流的系統(tǒng)損耗和工程造價(jià)是混合直流輸電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。但是不得不承認(rèn)，混合直流輸電技術(shù)還存在許多缺點(diǎn)和不足，很多方面的研究仍處于空白階段。以下是將來這一領(lǐng)域可能的研究方向：

①混合直流輸電系統(tǒng)的故障和保護(hù)策略，特別是對于不對稱故障的研究還不夠深入；

②對于混合多端直流系統(tǒng)的研究多集中于輻射狀直流網(wǎng)絡(luò)，而對于網(wǎng)狀連接的多端系統(tǒng)的研究還處于空白階段。

③對于混合多饋入直流系統(tǒng)來說，其各個(gè)直流輸電子系統(tǒng)的相互影響的方式；受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)怎么樣利用VSC對有功無功的獨(dú)立控制來提高系統(tǒng)故障恢復(fù)的性能；當(dāng)多饋入系統(tǒng)中既有整流器又有逆變器時(shí)，其控制和保護(hù)策略如何配置，都還有待于進(jìn)一步研究。

④對于混合多極系統(tǒng)和混雜換流器，其由于需要CSC和VSC的協(xié)調(diào)控制，其控制策略比較復(fù)雜，如何進(jìn)一步在VSC容量一定的情況下減小換相失敗的幾率還有待進(jìn)一步加以研究。

⑤當(dāng)利用VSC對CSC進(jìn)行無功功率支援時(shí)，VSC的控制方式與CSC本身的無功補(bǔ)償裝置的控制之間的配合還需進(jìn)一步研究。

總之，混合直流輸電技術(shù)方興未艾，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和控制保護(hù)方式的不斷改進(jìn)，其輸電特性將會得到進(jìn)一步改善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)玫竭M(jìn)一步拓展。

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（責(zé)任編輯:林海文）

A Review on Hybrid HVDCSystem

EENG Ming，LI Xingyuan，LI Kuan
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Hybrid HVDCis a novel topology which combines advantages of both current source converter（CSC）and the voltage source converter（VSC）.After a brief introduction of the basic structure and technical characteristics of CSC and VSC，the technical characteristics，control strategy，application scenarios，and research progress of the hybrid twoterminal，hybrid MTDC，hybrid MIDC，hybrid bipolar HVDC and the mixed converter are represented separately. In the end，the advantages and disadvantages of the hybrid HVDC is summarized，and the research and development direction of hybrid HVDC are predicted.The research results and introduction of project application demonstrate that the hybrid HVDCis a unique technology，which has a bright application prospect.

hybrid HVDC；CSC；VSC；MTDC；MIDC

1007-2322（2015）02-0001-08

A

TM72

2014-04-23

馮 明（1988—），男，博士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制，E-mail：fengming1987@sina.com；李興源（1945—），男，教授，博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；

李 寬（1988—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制。

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51037003）；南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（K-KU2013-001）