模塊化多電平換流器在柔性直流輸電技術(shù)中的應(yīng)用

張和陽

（國(guó)能浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)入新階段，全球能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向?qū)⑥D(zhuǎn)變?yōu)槌毕馨l(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電。我國(guó)始終堅(jiān)持節(jié)約型、低能耗的可持續(xù)發(fā)展道路。應(yīng)當(dāng)將綠色發(fā)展內(nèi)化于心，外化于行，堅(jiān)決不走“先污染，后治理”的老路。文獻(xiàn)[1]分析了新能源發(fā)電發(fā)展的局限性及利用模塊化多電平換流器發(fā)展新能源發(fā)電的好處和意義：新能源發(fā)電沒有前人的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，有不穩(wěn)定、難以集中、地理位置偏遠(yuǎn)等缺陷?；贛MC的柔性直流輸電系統(tǒng)（high voltage direct current transmission system，HVDC）不但能充分利用新能源對(duì)無源系統(tǒng)輸電，最重要的是其自身是低碳無污染的。同時(shí)，MMC-HVDC諧波少、模塊化程度高、附屬設(shè)備生產(chǎn)時(shí)間短，前期的安裝運(yùn)行和后期的維護(hù)檢修等都會(huì)更加簡(jiǎn)便。綜上，柔性直流輸電技術(shù)十分契合我國(guó)建設(shè)美麗中國(guó)的目標(biāo)。

有針對(duì)性地對(duì)MMC進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性分析，在科技和經(jīng)濟(jì)兩方面都有著重大意義，不僅能提升我國(guó)未來在直流輸電領(lǐng)域的地位和話語權(quán)，而且還能增強(qiáng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力?？傊?，有利于我國(guó)直流輸配電系統(tǒng)的完善和進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、實(shí)惠、有效、靈敏的相統(tǒng)一。

1 直流輸電技術(shù)的歷史發(fā)展

人類對(duì)電力的最初認(rèn)識(shí)起源于直流電。過去，直流發(fā)電機(jī)常被用作電源，經(jīng)直流輸電線路向負(fù)載供電，但由于直流發(fā)電機(jī)存在換向火花腐蝕換向器、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，且輸電電壓受到限制，所以那時(shí)的直流輸電效率很低，并沒有得到深入發(fā)展。

為了保證直流輸電的質(zhì)量，人們始終堅(jiān)持著對(duì)高壓直流輸電的研究。第二次工業(yè)革命之后，人類社會(huì)進(jìn)入了“電氣時(shí)代”，對(duì)于電能的要求不斷提高，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，交流輸電故障多、電容電流損耗等局限性突出。1954年，瑞典阿西亞公司建成了全球第一條工業(yè)性直流輸電線路，是一條海底輸電電纜[2]，提高電壓的辦法由過去用多臺(tái)直流發(fā)電機(jī)串聯(lián)轉(zhuǎn)變?yōu)槔脫Q流設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將低壓變?yōu)楦邏?，送至線路的末端，經(jīng)換流站轉(zhuǎn)換后供給用戶使用。

第一個(gè)以VSC為基礎(chǔ)的直流輸電工程建成后，CIGRE和IEEE將這種直流輸電技術(shù)正式命名為“VSC-HVDC（電壓源換流器型高壓直流輸電）”。我國(guó)在2006年5月于北京舉行的研討會(huì)中，將該技術(shù)命名為柔性直流輸電[3]。

2 發(fā)展柔性直流輸電技術(shù)的必要性

相比交流輸電技術(shù)，直流輸電技術(shù)在長(zhǎng)距離大容量輸電場(chǎng)景下能夠大幅提升經(jīng)濟(jì)效益，這是因?yàn)橹绷鬏旊妰H用正負(fù)兩根導(dǎo)線替代了交流輸電的a、b、c三相導(dǎo)線，經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約了近1/3，雖然直流換流站的造價(jià)相比交流變電站要高出些許，但隨著輸電距離的增加，輸電線節(jié)省的成本隨之增加，其經(jīng)濟(jì)效益越發(fā)明顯。

此外，直流輸電不存在由電容電流引發(fā)的輸電損耗；由于不存在頻率波動(dòng)問題，直流輸電線路方便實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；而在發(fā)生單根導(dǎo)線故障時(shí)，由于直流兩極是相互獨(dú)立的，彼此不會(huì)影響對(duì)方，故當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障線路，另一極線路仍可輸送一半以上的電能。

與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，柔性直流輸電技術(shù)采用全控型的電力電子器件而非傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)所采用的半控性器件，因此能夠?qū)崿F(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)、有功無功率的單獨(dú)控制?，F(xiàn)如今，傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)由于只能調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率但卻不能控制電壓，不能完整支撐電網(wǎng)運(yùn)行而逐漸被淘汰。因此，柔性直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要概括為3個(gè)方面：

（1）降低輸電的成本，改善環(huán)境；

（2）提高太陽能、潮汐能等可再生能源的利用率，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性；

（3）可以實(shí)現(xiàn)非同步運(yùn)行電網(wǎng)之間連接，提升電網(wǎng)電能質(zhì)量。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，催生了模塊化多電平換流器，使柔性直流輸電進(jìn)入了新階段，MMC-HVDC成為直流輸電的又一重大變革。

3 電壓源換流器的分類

3.1 三種典型結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電技術(shù)也被稱為基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)，可見電壓源換流器是其輸電技術(shù)的核心。柔性直流輸電技術(shù)采用的電壓源換流器主要有三種：兩電平換流器（two-level converter），二極管鉗位型三電平換流器（diode clamp type three-level converter，DCMC）及模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）。

兩電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，一個(gè)組件由一個(gè)IGBT晶體管與其并聯(lián)的反向二極管構(gòu)成，而每個(gè)橋臂串聯(lián)多個(gè)組件，這樣的結(jié)構(gòu)能提高換流器容量及電壓等級(jí)。其串聯(lián)的具體數(shù)量由換流器的功率大小、電壓高低和內(nèi)部開關(guān)元件的電流流通程度與限制電壓決定。它使用PWM控制IGBT，以幫助形成波形。兩電平換流器，顧名思義，每相可輸出兩個(gè)電平，即

圖1 3種電壓源換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二極管鉗位型三電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，每相有4個(gè)IGBT閥，改善了諧波問題。上部分的兩個(gè)IGBT導(dǎo)通，得到較高的電壓電平中間的兩個(gè)IGBT導(dǎo)通，得到中間（或零）電壓電平，下部分的兩個(gè)IGBT導(dǎo)通，得到較低的電壓電平

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，單相包含上、下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊（sub-module，SM)級(jí)聯(lián)后再和一個(gè)橋臂電抗器L0串聯(lián)組成。其中每一個(gè)模塊都代表了特定的電壓電平。其中，子模塊內(nèi)部電容電壓記為Uc，子模塊端口電壓和電流記為MMC的單相輸出電壓為階梯波。

3.2 基本特點(diǎn)

兩電平換流器的內(nèi)部元件參數(shù)和容量相同，因此便于生產(chǎn)制造時(shí)的模塊化設(shè)計(jì)和運(yùn)行后的檢修維護(hù)。兩電平換流器能適用于不同的電壓等級(jí)，可通過改變半導(dǎo)體器件的數(shù)目來調(diào)整其額定電壓，前提是保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方式和控制環(huán)節(jié)不變。兩電平拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點(diǎn)有：①占地面積??；②電路不復(fù)雜，簡(jiǎn)單易懂；③相同元件參數(shù)相同，易于實(shí)現(xiàn)模塊化；④電容少，成本低。目前電力電子器件的生產(chǎn)技術(shù)無法跟上輸電系統(tǒng)的需求，存在耐壓等級(jí)低、系統(tǒng)功率容量小等問題。如果輸電系統(tǒng)的電壓提高，就需要更換IGBT，選擇能承受更高最大電壓的器件，或者采用IGBT串聯(lián)的方式。但I(xiàn)GBT是高速器件，后開通的元件承壓會(huì)更多，這樣換流器的均壓控制存在困難，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)造成較大的影響。另外采用兩電平電路時(shí)電壓的變化率較高，輸出波形與理論存在較大誤差，且對(duì)交流設(shè)備極為有害，若不能有效地處理，會(huì)帶來一系列的問題?？傊?，兩電平換流器的主要缺點(diǎn)有：①承受電壓高；②不利于系統(tǒng)穩(wěn)定；③損耗大；④輸出的交流波形差。

二極管鉗位型三電平換流器的結(jié)構(gòu)與兩電平換流器類似。二者相比，前者具有優(yōu)點(diǎn)[4]：①IGBT承受的電壓??；②輸出波形符合預(yù)期；③損耗小；④輸出諧波小等優(yōu)勢(shì)，減少了濾波器等的使用，從而可有效減小占地面積。因此，它的實(shí)際應(yīng)用從中壓大功率系統(tǒng)走向了低壓的并網(wǎng)系統(tǒng)。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，二極管鉗位型三電平換流器存在中點(diǎn)電壓平衡問題，難以實(shí)現(xiàn)模塊化。嚴(yán)重時(shí)，上下兩電容的電壓極不平衡，輸出的波形受到強(qiáng)烈影響，甚至對(duì)功率半導(dǎo)體器件造成無法修復(fù)的損傷。其主要缺點(diǎn)有：①器件個(gè)數(shù)與系統(tǒng)輸出電平數(shù)成正比，成本急劇上升；②二極管器件多，耗材大；③脈沖寬度調(diào)制更復(fù)雜。

兩電平、三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可是，隨著柔性直流輸電系統(tǒng)輸送容量和電壓等級(jí)的升高，換流器橋臂需增加串聯(lián)的電力電子器件，使得控制同一橋臂電力電子器件同時(shí)開通成為較大的困擾。模塊化多電平換流器既可以提高輸出側(cè)電壓波形質(zhì)量，又無須精確控制同一橋臂每個(gè)電力電子器件同時(shí)開通。另外，在直流側(cè)不存在大型電容器儲(chǔ)存能量，而是分布于各個(gè)模塊。

MMC與傳統(tǒng)的兩種電壓源換流器相比，具有以下幾點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)[5]。

（1）橋臂電抗器除了降低諧波分量的作用外，它與子模塊中的電容串聯(lián)能夠限制直流側(cè)短路時(shí)的故障電流，能夠快速容易地消除直流母線的故障。

（2）橋臂電壓、電流的變化率低，減小了IGBT等半導(dǎo)體器件在開關(guān)暫態(tài)過程中受到的沖擊力度，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)大幅度降低電磁高頻輻射，保證人體的健康。

（3）對(duì)于高電壓大容量的MMC，子模塊數(shù)目很多，輸出的電平數(shù)自然也很多，其電壓階梯波的波形好，質(zhì)量高，已近似于正弦波，各次諧波分量很低，不需要濾波器。

（4）模塊化的結(jié)構(gòu)便于對(duì)其進(jìn)行拓展和改造，能夠滿足日益復(fù)雜的電力系統(tǒng)的需要和實(shí)際中多種多樣的工程需求。

4 模塊化多電平換流器在柔性直流輸電技術(shù)中的應(yīng)用

4.1 優(yōu)勢(shì)

在輸電行業(yè)中，一般把基于MMC的雙端柔性直流輸電系統(tǒng)稱為MMC-HVDC，換流站內(nèi)包括變壓器和換流器等設(shè)備。其控制系統(tǒng)分為內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器兩類。其中后者起到確定MMC-HVDC控制的具體方式的作用。外環(huán)功率控制器控制的物理量分為有功、無功功率類物理量，主要包括交流系統(tǒng)的有功P、無功Q、頻率f、交流電壓及直流側(cè)電壓等。MMC-HVDC必須有一端控制，另一端的控制對(duì)象在其余物理量中選擇。因此，柔性直流輸電系統(tǒng)的控制方式多樣化，由許多不同控制變量的集合組成。

根據(jù)前面的討論，與傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)相比，MMC-HVDC和VSC-HVDC共同的優(yōu)點(diǎn)是都以電壓源換流器為核心器件，大幅提升了實(shí)際運(yùn)行過程中的效能，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）MMC-HVDC的可拓展性很強(qiáng)，更加容易進(jìn)行容量升級(jí)，為了獲得更大容量與更高電壓等級(jí)，可以通過增加MMC拓?fù)渲凶幽K數(shù)量。

（2）MMC-HVDC將電容分散到各相橋臂的子模塊中，不需要進(jìn)行直流側(cè)的濾波，因此可以杜絕直流側(cè)投切大負(fù)載或發(fā)生短路故障時(shí)產(chǎn)生過電流，避免內(nèi)部器件由于溫度過高被燒毀甚至爆炸，防止系統(tǒng)受到損傷，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）傳統(tǒng)電壓源型換流器是包含多個(gè)IGBT串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)這些半導(dǎo)體器件開斷時(shí)，回路會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的電壓不平衡，從而產(chǎn)生均壓?jiǎn)栴}，而MMC-HVDC中的換流站避免了這一問題。保證波形品質(zhì)高且平滑，諧波含量低，與正弦波十分接近。它對(duì)交流變壓器的抗強(qiáng)干擾能力要求較低，故采用普通標(biāo)準(zhǔn)的交流變壓器即可，能夠減少電力系統(tǒng)的設(shè)備成本，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

（4）上、下橋臂中各有一半的MMC的交流側(cè)電流，因此能夠保證流過功率半導(dǎo)體元件的電流處于一個(gè)低水平，避免元件損毀等危害的發(fā)生。此外，橋臂電流的頻率很高且是連續(xù)的，因此濾波的需求不大，交流側(cè)僅需要普通濾波電感技能滿足需求，能夠降低成本。

（5）抗干擾能力強(qiáng)。由于MMC各橋臂結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理完全相同，且能夠獨(dú)立控制，局部發(fā)生故障時(shí)，MMC也可以穩(wěn)定工作，因此能有效減少頻率波動(dòng)，杜絕跳閘等情況的發(fā)生。當(dāng)發(fā)生單相不平衡故障時(shí)，剩余兩相依舊能夠保持正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)功率的傳輸。

（6）故障后恢復(fù)速度快。因?yàn)樵撓到y(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)時(shí)有許多子模塊未投入運(yùn)行，發(fā)生故障時(shí)，正常且未投入的子模塊能夠代替故障子模塊運(yùn)行，能夠限制沖擊電流的上升速度，讓系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。實(shí)際工程中的MMC子模塊數(shù)量龐大，且每個(gè)子模塊里都有一個(gè)直流電容，保證直流電壓恒定，保障了MMC穩(wěn)定運(yùn)行。

（7）模塊化程度高。極大簡(jiǎn)化了其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝與調(diào)試，并縮短了周期，降低了成本。各子模塊采用相同的直流電容與開關(guān)器件，系統(tǒng)維護(hù)方便，可替代性很強(qiáng)。模塊間相互獨(dú)立，橋臂電壓與電流的變化幅度小，使其能應(yīng)用在大容量的場(chǎng)合。

4.2 存在問題

由于現(xiàn)階段元件制造工藝水平無法滿足日益增多的電力系統(tǒng)需求，以及MMC自身結(jié)構(gòu)的限制，柔性直流輸電技術(shù)也存在一定的局限性。

（1）傳輸?shù)娜萘康?。主要原因是受到VSC和MMC內(nèi)部半導(dǎo)體器件結(jié)溫容量的限制和直流電纜電壓的制約，現(xiàn)階段電壓源換流器型高壓直流輸電的輸送容量無法滿足電力系統(tǒng)的要求。

（2）可靠性偏低。由于目前工程中的直流斷路器無法對(duì)大電流做出反應(yīng)，加之自身拓?fù)涞闹萍s，故障電流在柔性直流輸電系統(tǒng)仍會(huì)存在，因此系統(tǒng)無法做到自清除直流側(cè)故障。

（3）損耗較大。模塊化多電平換流器中的半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率較高，因此導(dǎo)致開關(guān)損耗很大。目前在MMC-HVDC中，雖然系統(tǒng)損耗在輸送功率的占比很小，但隨著系統(tǒng)的容量提升，則系統(tǒng)損耗也進(jìn)一步增大。

（4）輸電距離較短。目前的技術(shù)中架空線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)仍然存在，因此VSC-HVDC的電壓水平很難提高，同時(shí)在上述第（3）點(diǎn)中說明了其損耗較大，為了保證輸送電能的質(zhì)量，只能選擇短距離輸電。

4.3 發(fā)展前景

雖然我國(guó)在柔性直流輸電技術(shù)方面的研究與應(yīng)用相較于西方國(guó)家起步較晚，但隨著我國(guó)科技工作者的不斷努力鉆研，在技術(shù)和應(yīng)用層面我國(guó)已經(jīng)邁入了世界前列。柔性直流輸電技術(shù)在我國(guó)的涉及面越來越廣，發(fā)展前景十分廣闊[6]。

（1）構(gòu)建城市的輸配電網(wǎng)。隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程的深度推進(jìn)，城市電網(wǎng)如何在承擔(dān)更多負(fù)荷的同時(shí)保證電能的質(zhì)量是一個(gè)核心的問題。VSC-HVDC與交流輸電技術(shù)相比，輸送的電能所含諧波分量較少、換流站的占地面積小，這些特點(diǎn)使得其便于控制，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還起到緩解土地資源緊缺等作用。

（2）對(duì)弱系統(tǒng)進(jìn)行供電。我國(guó)地勢(shì)呈三級(jí)階梯分布，西部偏遠(yuǎn)地區(qū)山脈多，海拔高，由于經(jīng)濟(jì)落后，輸配電系統(tǒng)不完善，與大電網(wǎng)連接不緊密。柔性直流輸電能夠?qū)o源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，而且換相簡(jiǎn)單易成功，因此與偏遠(yuǎn)地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的對(duì)接，保證輸電的質(zhì)量，能夠防止對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)距離交流輸電時(shí)，因?yàn)槭艿綈毫犹鞖獾挠绊懚霈F(xiàn)電壓嚴(yán)重跌落的現(xiàn)象。但由于大部分的偏遠(yuǎn)地區(qū)地勢(shì)陡峭，難以敷設(shè)電纜，因此，采取VSC-HVDC和MMC-HVDC還需要克服架空線路供電會(huì)遇到的各種困難，保證供電的安全性。

（3）優(yōu)化能源供需格局。近年來，我國(guó)華北地區(qū)長(zhǎng)期受到霧霾、沙塵暴等惡劣天氣的侵襲，人民的正常生活和身體健康受到了嚴(yán)重影響。因此，必須改變過去以燃煤為主的能源供給方式，使用可再生能源和新能源，堅(jiān)持綠色發(fā)展，將導(dǎo)致惡劣天氣的因素徹底解決。由于我國(guó)西部和北部的山地和森林眾多，生態(tài)環(huán)境多樣，能源貯藏量大，而中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市人口密集，工廠繁多，對(duì)于電能的需求量很大。而VSC-HVDC和MMC-HVDC能解決電能遠(yuǎn)距離輸送的運(yùn)力矛盾，優(yōu)化資源配置，真正做到“六保”當(dāng)中的保能源安全。

5 結(jié)語

本文首先介紹了直流輸電技術(shù)的歷史發(fā)展、柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的必要性。然后介紹了作為柔性直流輸電技術(shù)中的核心器件電壓源換流器的3種主要類型，即兩電平換流器、二極管鉗位型三電平換流器及模塊化多電平換流器MMC，對(duì)其分別展開了論述，以MMC為主，分析了它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本特點(diǎn)。最后，論述了現(xiàn)有基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、存在問題及發(fā)展前景。