陜西省長(zhǎng)安大學(xué)附屬學(xué)校 賈勇鑫

0 引言

高壓直流(high voltage direct current, HVDC)輸電已經(jīng)廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)距離大容量輸電、海底電纜輸電和非同步聯(lián)網(wǎng)等工程領(lǐng)域，目前世界范圍內(nèi)已投運(yùn)了100多個(gè)直流輸電工程。高壓直流輸電在我國(guó)“西電東送，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略中，起著舉足輕重的作用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，電力電子技術(shù)快速發(fā)展，取得了一系列新的研究成果，柔性直流作為電力領(lǐng)域中的新一代前沿科技，為電網(wǎng)中的諸多問(wèn)題提供了優(yōu)異的解決方案，為進(jìn)行輸電方式變革和建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)提供了有利的保障。

1990年，加拿大McGill大學(xué)Boon-Teck等學(xué)者最早提出了基于電壓源型換流器的高壓直流輸電這一概念?；陔妷涸葱蛽Q流器的高壓直流輸電可以通過(guò)控制電壓源換流器中全控型電力電子器件——絕緣柵雙極型晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的開斷，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，從而控制系統(tǒng)交流側(cè)功率水平，因此可以進(jìn)行功率輸送和穩(wěn)定電網(wǎng)，從而可以避免現(xiàn)有輸電技術(shù)存在的許多問(wèn)題，國(guó)內(nèi)稱之為柔性直流輸電。

較早時(shí)期的柔性直流輸電工程中，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面采用的是兩電平或三電平換流器，這種系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的缺點(diǎn)是諧波含量高、開關(guān)損耗大，但是目前的實(shí)際工程對(duì)系統(tǒng)電壓等級(jí)和容量水平的要求不斷提高。2001年，德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）拓?fù)?，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)將子模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后將其進(jìn)行串聯(lián)，從而較為方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高壓大容量化，輸出多電平效果的電壓，系統(tǒng)的諧波性能優(yōu)異。MMC技術(shù)的提出和工程中的應(yīng)用，提升了柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，加快了柔性直流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用[1-3]。

本文先介紹了柔性直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成，重點(diǎn)介紹了模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)，分析了柔性直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，最后展望了其應(yīng)用前景。

1.模塊化多電平換流器（MMC）結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電系統(tǒng)主要包括以下幾部分：電壓源換流器、橋臂電抗器、聯(lián)結(jié)變壓器、交流開關(guān)設(shè)備、直流電容、輸電線路、直流開關(guān)設(shè)備、測(cè)量系統(tǒng)、控制與保護(hù)裝置等。換流站是柔性直流輸電系統(tǒng)最主要的組成部分，根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)的不同，可以將其分為整流站和逆變站，換流器是構(gòu)成換流站的重要設(shè)備之一。

MMC具有“模塊化”的特點(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)需要，靈活控制輸出的階梯波波形。當(dāng)系統(tǒng)子模塊數(shù)量較少時(shí)，電平間壓差大，階梯波鋸齒明顯，但是當(dāng)子模塊數(shù)量較多時(shí)，波形品質(zhì)明顯變好。模塊化多電平換流器這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用最近電平逼近調(diào)制，這一調(diào)制方式不僅可以極大的降低子模塊器件的開關(guān)頻率，同時(shí)還能夠保證系統(tǒng)較好的波形品質(zhì)，還可以降低的諧波含量[2,3]。

2.柔性直流輸電的特點(diǎn)

2.1 優(yōu)勢(shì)

柔性直流輸電相對(duì)于傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)，存在以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率，沒有換相失敗問(wèn)題。傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站需要吸收大量的無(wú)功功率，因此必須增設(shè)諸多無(wú)功補(bǔ)償裝置；同時(shí)，傳統(tǒng)直流輸電在換相過(guò)程中，依賴交流系統(tǒng)的電壓支撐，如果交流系統(tǒng)的電壓支撐能力較弱，可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，而柔性直流技術(shù)不存在換相失敗的問(wèn)題。

（2）柔性直流輸電技術(shù)可以在4象限內(nèi)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制有功和無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電。柔性直流輸電可以作為STATCOM應(yīng)用，對(duì)交流側(cè)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，穩(wěn)定交流電壓。傳統(tǒng)直流輸電只能在2象限運(yùn)行，不能對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行獨(dú)立控制。

（3）諧波含量較小，幾乎不需要濾波裝置。柔性直流輸電的開關(guān)頻率相對(duì)較高，因此系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波較少，從而幾乎不需要進(jìn)行濾波。

2.2 局限性

由于受到元件制造工藝水平和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制約，柔性直流輸電技術(shù)也存在一定的局限性。

（1）輸送容量有限。目前柔性直流輸電工程的輸送容量較低，一方面是受到電壓源換流器器件結(jié)溫容量的限制，系統(tǒng)單個(gè)器件的通流能力較低；另一方面受到直流電纜電壓的制約。

（2）故障承受能力和可靠性偏低。由于目前工程中的直流斷路器不能對(duì)系統(tǒng)的大電流進(jìn)行開斷，而在拓?fù)浞矫?，柔性直流輸電系統(tǒng)不能完全阻斷故障電流，因此系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)故障不能夠自清除，降低系統(tǒng)的故障承受能力和可靠性。

（3）損耗較大。柔性直流輸電技術(shù)與傳統(tǒng)直流輸電相比來(lái)說(shuō)，開關(guān)頻率較高，因此導(dǎo)致開關(guān)損耗很大。目前模塊化多電平的柔性直流輸電工程中，系統(tǒng)損耗可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)輸送功率的1%以內(nèi)，與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的損耗百分比很接近，但是系統(tǒng)容量較低，如將系統(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，因此柔性直流輸電工程的電壓水平很難得到進(jìn)一步的提高，同時(shí)柔性直流輸電系統(tǒng)的損耗相較于傳統(tǒng)直流來(lái)說(shuō)比較大，從而限制了柔性直流輸電的輸電距離[4,5]。

3.柔性直流輸電的應(yīng)用前景

柔性直流輸電在我國(guó)的發(fā)展前景較好，應(yīng)用廣泛，主要分析以下幾個(gè)方面。

（1）大規(guī)模送電和交直流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

我國(guó)西部地區(qū)能源含量充足，負(fù)荷較少；而東部地區(qū)的特點(diǎn)是能源含量缺乏，負(fù)荷較多。能源儲(chǔ)備和負(fù)荷分布有地區(qū)差異，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大容量、遠(yuǎn)距離輸電提出了要求，因此需要大量布局特高壓直流輸電工程。

（2）分布式電源并網(wǎng)

分布式電源單臺(tái)機(jī)組容量較小，非常容易受到風(fēng)、光等氣候因素干擾，具有明顯的波動(dòng)性和間歇性。

（3）電網(wǎng)增容改造與進(jìn)行直流供電

柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的諧波含量較少，可以快速地控制系統(tǒng)功率，從而有效提高電能質(zhì)量；柔性直流輸電換流站比傳統(tǒng)直流輸電占地面積小，可以進(jìn)一步節(jié)約土地資源，減少不必要的浪費(fèi)；同時(shí)系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)需求控制交流側(cè)的電流，使得控制系統(tǒng)短路容量成為可能。

（4）向弱系統(tǒng)或孤島供電

柔性直流輸電系統(tǒng)在換相過(guò)程中，不需系統(tǒng)外提供換相電壓，同時(shí)系統(tǒng)可以在無(wú)源逆變狀態(tài)下運(yùn)行，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)也可以作為受端系統(tǒng)，可以很好的為偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行供電，但是柔性直流輸電采用架空線路時(shí)所存在的供電可靠性問(wèn)題仍需解決[4,6-7]。

4 結(jié)論

柔性直流輸電技術(shù)可以建設(shè)出靈活、堅(jiān)強(qiáng)、高效的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是充分發(fā)揮可再生能源優(yōu)勢(shì)的有效途徑，代表著直流輸電領(lǐng)域的發(fā)展和研究方向，已在全世界得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

（1）柔性直流輸電系統(tǒng)主要由電壓源換流器、橋臂電抗器、聯(lián)結(jié)變壓器、交流開關(guān)設(shè)備、直流電容、輸電線路、直流開關(guān)設(shè)備、測(cè)量系統(tǒng)、控制與保護(hù)裝置等構(gòu)成，模塊化多電平換流器的特點(diǎn)之一就是模塊化，可以根據(jù)系統(tǒng)要求方便地進(jìn)行多電平階梯波輸出。

（2）柔性直流輸電不存在換相失敗問(wèn)題，可以獨(dú)立控制系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率，具有諧波含量小等優(yōu)勢(shì)；但同時(shí)也有輸送容量有限，可靠性較低，損耗較大，輸電距離較短等局限性。

（3）柔性直流輸電主要應(yīng)用于大規(guī)模送電和交直流聯(lián)網(wǎng)，分布式電源并網(wǎng)，大城市電網(wǎng)增容與直流供電，向弱系統(tǒng)或孤島供電。

[1]湯廣福,賀之淵,龐輝.柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(15):3-14.

[2]文俊,殷威揚(yáng),溫家良,韓民曉.高壓直流輸電系統(tǒng)換流器技術(shù)綜述[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2015,9(02):16-24.

[3]徐政.柔性直流輸電系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[4]李巖,羅雨,許樹楷,周月賓,袁志昌.柔性直流輸電技術(shù):應(yīng)用、進(jìn)步與期望[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2015,9(01):7-13.

[5]蔣冠前,李志勇,楊慧霞,楊靜.柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(15):145-153.

[6]馬為民,吳方劼,楊一鳴,張濤.柔性直流輸電技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].高電壓技術(shù),2014,40(08):2429-2439.

[7]徐政,陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述[J].高電壓技術(shù),2007,(01):1-10.