淺析柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

王克 甘瑜前 汪天呈

摘要：柔性直流輸電系統(tǒng)具有線路損耗低、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢，成為當(dāng)前電力網(wǎng)大力發(fā)展的輸電方案。柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是輸電工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定輸電網(wǎng)絡(luò)的性能。文章分析了柔性直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)原理，重點對柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，為柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案設(shè)計與應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：柔性直流;輸電系統(tǒng);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);輸電方案

一、 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的需求不斷攀升，電力能源無論在發(fā)電、輸電、配電等方面都有著很大的技術(shù)發(fā)展，但隨著電力能源的發(fā)展，也出現(xiàn)了很多新的技術(shù)難題傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術(shù)目前還無法在技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益上有效地解決以上難題。而隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，采用 IGBT、IGCT 等新型全控電力電子器件構(gòu)成電壓源型換流站（Voltage Source Converter，VSC） 進(jìn)行直流輸電成為可能。柔性直流輸電技術(shù)不需要交流系統(tǒng)提供換相容量、可以向無源負(fù)荷供電，在促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)、城市供電和孤島供電等新技術(shù)的發(fā)展，滿足持續(xù)快速增長的能源需求和能源的清潔高效利用，有著非常顯著的作用。

二、柔性直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)原理

目前工程領(lǐng)域常用的柔性直流輸電系統(tǒng)主要采用3種方式：兩電平電壓源換流器、多電平電壓源換流器和模塊化多電平電壓源換流器（MMC）。

1.兩電平電壓源換流器的技術(shù)原理

兩電平電壓源換流器的每一相都有2個橋臂，因此共有6個橋臂構(gòu)成，每個橋臂都是由二極管和IGBT通過并聯(lián)方式組成，如圖1所示。在工程應(yīng)用中，為了提高柔性直流輸電系統(tǒng)的供電電壓和供電容量，一般可將多個二極管和IGBT并聯(lián)再串聯(lián)。并聯(lián)的二極管與IGBT所串聯(lián)的個數(shù)直接決定VSC的額定功率和耐壓強(qiáng)度。在兩電平電壓源換流器的設(shè)計中，每一相的2個橋臂上的IGBT均可以單獨導(dǎo)通，并單獨輸出2個電平，最后通過PWM對輸出電平進(jìn)行調(diào)制，最終得到柔性直流輸電波形。

兩電平電壓源換流器通過增加串聯(lián)的二極管和GBIT提高供電電壓和電流，因此在大容量直流輸電方面存在較大技術(shù)缺陷。隨著串聯(lián)的二極管和GBIT個數(shù)的增加，將增加動態(tài)電壓的不穩(wěn)定性，而且串聯(lián)的二極管和GBIT也會增加輸電系統(tǒng)輸電波形的諧波含量，進(jìn)而降低柔性直流輸電系統(tǒng)的功率和效率。

2.多電平電壓源換流器的技術(shù)原理

多電平電壓源換流器技術(shù)在兩電平電壓源換流器技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來。相比于兩電平電壓源換流器，多電平電壓源換流器共用了直流電容器，通過多接幾組共用的二極管，就可形成多個電壓等級的換流器。多電平電壓源換流器可比兩電平電壓源換流器多輸出不同的直流輸出電平。多電平電壓源換流器如圖2所示。多電平電壓源換流器可在相同的電力開關(guān)器件基礎(chǔ)上實現(xiàn)比兩電平電壓源換流器更多倍的輸出電壓，因此可有效提高直流電壓等級。但是多電平電壓源換流器的本質(zhì)仍與兩電平電壓源換流器相似，也無法從根本上解決大容量直流輸電系統(tǒng)存在的動態(tài)電壓的不穩(wěn)和諧波含量大的問題。

3.模塊化多電平電壓源換流器的技術(shù)原理

模塊化多電平電壓源換流器與兩電平SVC的區(qū)別是每一相的橋臂不再是由二極管和GBIT串聯(lián)而成，而是利用多個相對獨立的子模塊和串聯(lián)的電抗器構(gòu)成。其中獨立的子模塊主要實現(xiàn)兩路電流同時開通、同時中斷、某一路電流單獨通斷等功能。MMC在工程應(yīng)用中，為保證直流側(cè)的電壓恒定不變，必須是三相中所采用的子模塊數(shù)量相統(tǒng)一。若在三相中所采用的子模塊不同，則會因三相直流電壓不相等，直流母線可能產(chǎn)生沖擊電壓，從而造成輸電系統(tǒng)故障。為避免此類故障，一般要在各個橋臂接入電抗器，實現(xiàn)直流側(cè)不同電壓的動態(tài)無功補償。

MMC所采用的子模塊數(shù)量越多，直流輸電系統(tǒng)所輸出的電力波形越接近于正弦波，因此可有效降低諧波的比例，提高直流輸電系統(tǒng)功率和效率。

三、柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要考慮選擇合適的換流器、接地點、工程成本等，因此選擇合適的柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對輸電網(wǎng)絡(luò)的輸電效率、經(jīng)濟(jì)效益均有較大意義。本文結(jié)合國內(nèi)外當(dāng)前主流的柔性直流輸電系統(tǒng)，介紹3種柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1.基于SVC或MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在柔性直流輸電系統(tǒng)工程應(yīng)用的早期，由于輸電容量較低且直接采用電纜作為柔性直流輸電系統(tǒng)的直流線路，因此多采用基于SVC或MMC的基本換流器組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計輸電系統(tǒng)?；赟VC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，接地的是直流側(cè)的電容器的中點。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成了一種正負(fù)極對稱的線路形式，從而確保柔性直流輸電系統(tǒng)在正常運行時不會有工作流經(jīng)過接地點，保證了輸電系統(tǒng)的安全性和可靠性。而基于MMC換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于直流側(cè)并沒有集中布置的電容器，因此無法選擇類似SVC結(jié)構(gòu)中的接地點。為了降低MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流輸電線路中的絕緣水平，需要在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中構(gòu)造正負(fù)極對稱的線路布局，從而達(dá)到良好的直流輸電效果。

2.基于組合式換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單一的SVC或MMC雖然可通過增加串聯(lián)的級數(shù)實現(xiàn)輸電線路容量和電壓級別，但是終究存在輸電壓力不穩(wěn)及諧波影響。通過將SVC和MMC組合的方式構(gòu)建柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可以達(dá)到提高直流輸電系統(tǒng)容量目的，也可以有效降低輸電線路諧波干擾。

在組合式換流器構(gòu)建的柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用n個SVC或MMC構(gòu)成整個整流器，每個SVC或MMC都有相對獨立的輸電接地點;通過n個SVC或MMC的級聯(lián)，形成了n倍SVC單元輸電電壓和輸電電流的柔性直流輸電系統(tǒng)。采用組合式換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流輸電系統(tǒng)，解決了基于SVC或MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中單一故障對整個輸電系統(tǒng)的影響，從而極大地提高了柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性。另外，級聯(lián)的SVC或MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也降低了柔性直流輸電系統(tǒng)的絕緣水平，對柔性直流輸電系統(tǒng)的輸電效率具有極大改善作用。

3.其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

除當(dāng)前常用的幾種柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，根據(jù)我國電力能源的分布和消耗情況，也有一些針對性的柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對我國電力能源的“西電東送”，設(shè)計了LCC整流站+MMC逆變站的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)式合計方案。成熟的LCC整流站技術(shù)加上MMC逆變站設(shè)計，從而解決了單相輸電時載荷系統(tǒng)換相失敗的難題。但是這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅適用于單向直流電力傳輸，若能源需求發(fā)生變化，則該線路無法適應(yīng)。針對風(fēng)力發(fā)電的直流輸電問題，設(shè)計了基于

VSC整流站+LCC逆變站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，VSC整流站可適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的交流電壓調(diào)整，避免單獨LCC線路換相失敗的問題。

總之，柔性直流輸電技術(shù)相對于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢，隨著電力電子器件的發(fā)展及各種柔性直流輸電技術(shù)的完善，將在電力領(lǐng)域有著越來越大的作用。采取合理的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及主接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在構(gòu)建高效率高可靠性柔性直流輸電系統(tǒng)上也起著越來越關(guān)鍵的作用。

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作者簡介：王克（1986.11.20—），男;籍貫：江西;漢;碩士研究生;研究方向：新能源電力系統(tǒng)設(shè)計;