柔性直流換流器結(jié)構(gòu)及技術(shù)展望

趙敏，李順昕，呂昕，楊金剛，楊敏

(國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038)

柔性直流換流器結(jié)構(gòu)及技術(shù)展望

趙敏，李順昕，呂昕，楊金剛，楊敏

(國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038)

柔性直流輸電技術(shù)是采用全控型電力電子器件以及電壓源換流器的新型輸電技術(shù)。本文分析了兩電平、三電平以及模塊化多電平三大類換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從器件層面、換流器層面以及系統(tǒng)層面展開了柔性直流與傳統(tǒng)直流技術(shù)的比較，展望了柔性直流技術(shù)的發(fā)展局限性以及應(yīng)用場(chǎng)景。

柔性直流；換流器；高壓直流輸電；模塊化多電平

1 概述

柔性直流輸電技術(shù)（HVDC Flexible，其中HVDC指高壓直流輸電），簡(jiǎn)稱柔性直流，又稱為電壓源換流器型高壓直流輸電（VSC-HVDC或VSCTransmission，其中VSC指電壓源換流器）、輕型直流（HVDC Light）以及新型直流（HVDC Plus），是指采用IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）等全控型電力電子器件以及電壓源換流器的第三代直流輸電技術(shù)。相比于采用晶閘管以及電流源換流器的第二代直流輸電技術(shù)（文中稱為“傳統(tǒng)直流輸電”），柔性直流具有一系列新特點(diǎn)，目前受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

2 換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

柔性直流的換流器包含逆變器和整流器，原理相通。換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩電平、三電平和模塊化多電平三大類，對(duì)應(yīng)換流器直流側(cè)單相原始輸出電壓（未濾波前）的電平數(shù)量。

2.1 兩電平

兩電平結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。換流器共有六個(gè)橋臂，每相對(duì)應(yīng)兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由多個(gè)基本單元串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)基本單元由單個(gè)IGBT和與之反并聯(lián)的二極管構(gòu)成。三相的脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）公用同一個(gè)三角波載波信號(hào)，調(diào)制信號(hào)依次相差120°，每相輸出電壓的PWM波形只有±Udc/2兩種電平，其中Udc為直流側(cè)電壓。該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電容器數(shù)量少，占地面積小，易于模塊化構(gòu)造。主要劣勢(shì)在于開關(guān)器件的投切頻率高，損耗大；交流側(cè)波形較差，諧波含量高；換流閥承受的電壓較高。早期的以及國外的柔性直流工程換流器主要以兩電平結(jié)構(gòu)為主。

2.2 三電平

三電平又稱為二極管鉗位型三電平結(jié)構(gòu)。與兩電平結(jié)構(gòu)相比，三電平結(jié)構(gòu)的主拓?fù)湓跇虮叟c地電壓之間增加了鉗位二極管；三相的脈寬調(diào)制公用載波由正側(cè)三角波和負(fù)側(cè)三角波兩個(gè)三角波共同構(gòu)成；每相的PWM輸出波形有±Udc/2和0三種電平。該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于：開關(guān)損耗較低，電容器取值較小，閥承受電壓較小，占地面積小，交流電壓波形質(zhì)量較高，階躍電壓較小。主要劣勢(shì)在于：器件數(shù)量增多，電容電壓易不平衡，不利于模塊化實(shí)現(xiàn)。國外的一部分柔性直流工程換流器采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 模塊化多電平

模塊化多電平橋臂采用了子模塊級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成，而非由開關(guān)器件直接串聯(lián)而成，從而降低了對(duì)器件一致性的需求，打破了單一公司的技術(shù)壟斷。子模塊的具體結(jié)構(gòu)又可分為半橋型子模塊、雙箝位型子模塊和全橋型子模塊等。相比于兩電平或者三電平結(jié)構(gòu)，模塊化多電平結(jié)構(gòu)采用階梯波而非PWM波逼近正弦波，使得諧波分量更少，節(jié)省濾波器投資。總體來說，模塊化多電平的優(yōu)勢(shì)在于制造難度下降；開關(guān)頻率低，損耗??；波形質(zhì)量高，交流濾波器容量小甚至不需要；故障處理能力強(qiáng)，提升換流的可靠性；階躍電壓降低，開關(guān)器件承受應(yīng)力降低，產(chǎn)生的高頻輻射降低。主要劣勢(shì)在于所用器件數(shù)量多；技術(shù)難度轉(zhuǎn)移到了控制方面。目前國內(nèi)的柔性直流工程換流器基本上采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)。

3 技術(shù)展望

3.1 與傳統(tǒng)直流輸電的主要區(qū)別

（1）器件層面。傳統(tǒng)直流采用晶閘管，柔性直流采用IGBT。從被控程度來看，前者是半控型器件，后者是全控型器件。從驅(qū)動(dòng)性質(zhì)來看，前者是電流驅(qū)動(dòng)型，后者是電壓驅(qū)動(dòng)型。從導(dǎo)通與關(guān)斷原理角度，當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極（控制極）有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通，一旦導(dǎo)通，僅通過門極無法關(guān)斷，需主電路電流降到接近于零的某一數(shù)值以下；IGBT的開通和關(guān)斷由柵極（控制極）電壓來控制，相對(duì)于源極，柵極加正電壓時(shí)，IGBT導(dǎo)通，柵極加負(fù)電壓或者電壓為0 時(shí)，IGBT關(guān)斷。從器件開關(guān)頻率角度，前者低，后者較高。從極限電壓和電流角度，前者高，后者中等。從損耗角度，前者小，后者較大。從制造成本角度，前者低，后者較高。

（2）換流器層面。傳統(tǒng)直流采用電流源換流器，柔性直流采用電壓源換流器。從觸發(fā)控制方式來看，前者采用相控觸發(fā)，后者可采用脈寬調(diào)制。從是否會(huì)發(fā)生換相失敗的角度，前者會(huì)發(fā)生，后者不會(huì)發(fā)生。從直流電壓及電流方向的角度，前者直流電流是單向的，直流電壓極性隨直流潮流而變化，后者直流電壓是單向的，直流電流極性隨直流潮流而變化。從容量的角度，前者大，后者較小。從無功補(bǔ)償?shù)慕嵌?，前者需要，后者不需要。從占地角度，同等容量的換流站，前者占地較大，后者占地較小。

（3）系統(tǒng)層面。傳統(tǒng)直流由交流側(cè)提供換相電流，受端為有源網(wǎng)絡(luò)，且容量需足夠大，否則易發(fā)生換相失??；柔性直流電流自關(guān)斷，可向無源網(wǎng)絡(luò)供電。傳統(tǒng)直流吸收大量的無功功率，需要大量的無功功率補(bǔ)償和濾波設(shè)備；柔性直流不需要交流側(cè)提供無功功率，并且在需要的情況下，可起到STATCOM（Static Synchronous Compensator，靜止無功補(bǔ)償器）的作用，補(bǔ)償交流母線的無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)，傳統(tǒng)直流的直流電流方向不變，直流電壓極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，不利于構(gòu)建多端直流輸電系統(tǒng)；而柔性直流的直流電流反向，直流電壓極性不變，有利于構(gòu)成并聯(lián)多端直流系統(tǒng)。從有功無功控制角度，前者只能2個(gè)象限運(yùn)行，不可單獨(dú)控制有功功率或無功功率；后者可在4個(gè)象限運(yùn)行，可獨(dú)立控制有功和無功功率。從通訊角度，前者換流站間需要通訊，后者換流站間的通訊不是必須的。

3.2 發(fā)展局限性

當(dāng)前柔性直流技術(shù)正處于迅速發(fā)展的階段，但從廣泛應(yīng)用的角度，仍存在一定局限性。一是電壓等級(jí)、傳輸容量以及輸電距離有限。已投運(yùn)的工程中，柔性直流電壓等級(jí)最高為±320kV，容量最大為1000MW，輸電距離最長(zhǎng)為970km（非同一工程），而傳統(tǒng)直流電壓等級(jí)最高為±800kV，容量最大為7200MW，輸電距離最長(zhǎng)為2059km。二是造價(jià)昂貴。當(dāng)前國內(nèi)柔性直流單位容量造價(jià)約為傳統(tǒng)直流的4～5倍。由于直流電纜制造工藝復(fù)雜，電壓等級(jí)受到制約，且造價(jià)高昂，未來發(fā)展架空線路柔性直流將成為趨勢(shì)。三是直流故障不易清除，可靠性較低。以國內(nèi)最常用的基于半橋型子模塊的模塊化多電平結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生極間短路時(shí)，即使閉鎖換流閥，交流系統(tǒng)依然可通過閥的反并聯(lián)二極管為直流側(cè)提供故障電流，此時(shí)相當(dāng)于交流側(cè)三相短路，只能跳開交流進(jìn)線斷路器才能清除故障，限制了直流恢復(fù)時(shí)間。四是直流斷路器研制困難。由于缺少可靠的高壓大容量直流斷路器，直接限制了直流多端網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。五是單站損耗較大。傳統(tǒng)直流單站損耗約為0.6%；柔性直流（以模塊化多電平結(jié)構(gòu)為例）單站損耗約在0.8%～1.2%左右。

3.3 應(yīng)用場(chǎng)景

基于前述特點(diǎn)，柔性直流的典型應(yīng)用場(chǎng)景包括且不限于：孤島（例如海上鉆井平臺(tái)）供電、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、光伏發(fā)電并網(wǎng)、城市供電、多端直流互聯(lián)、弱電網(wǎng)聯(lián)結(jié)、異步電網(wǎng)互聯(lián)以及構(gòu)建地區(qū)電力供應(yīng)商交換電力的平臺(tái)。

以冀北范圍內(nèi)的張家口地區(qū)為例，風(fēng)電、光伏等可再生發(fā)電資源豐富，而本地負(fù)荷量較小，新能源就地消納率低，附近有北京、天津、唐山等負(fù)荷中心，適合采用柔性直流技術(shù)將張家口的可再生能源發(fā)電送往多處負(fù)荷中心，并且一定程度上解決大型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)帶來的一系列穩(wěn)定性問題。

4 結(jié)語

柔性直流輸電技術(shù)是基于全控型電力電子器件以及電壓源換流器的第三代直流輸電技術(shù)。其換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩電平、三電平和模塊化多電平三大類。國內(nèi)已投運(yùn)的示范工程均采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)。由于柔性直流具有能為交流側(cè)提供無功支持，能對(duì)有功和無功進(jìn)行獨(dú)立控制，可在系統(tǒng)不停電的情況下實(shí)現(xiàn)功率傳輸?shù)姆崔D(zhuǎn)等特點(diǎn)，在孤島供電、風(fēng)電或光伏發(fā)電并網(wǎng)、城市供電、多端直流互聯(lián)、弱電網(wǎng)聯(lián)結(jié)、異步電網(wǎng)互聯(lián)以及電力市場(chǎng)有著良好的應(yīng)用前景。但柔性直流也具有電壓等級(jí)、傳輸容量以及輸電距離有限，造價(jià)昂貴，直流故障不易清除，直流斷路器研制困難，單站損耗大等應(yīng)用局限性。相信隨著技術(shù)發(fā)展和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，柔性直流輸電技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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