大容量架空線柔性直流輸電適用于架空線場(chǎng)合的換流器拓?fù)鋵?duì)比分析

現(xiàn)有拓?fù)浞诸悓⑷嵝灾绷骷夹g(shù)推廣到架空線的應(yīng)用場(chǎng)合，關(guān)鍵在于電壓源換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能否具有直流故障自清除能力。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和處理直流故障的方式不同，現(xiàn)有可穿越直流故障的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為3 類，如圖2所示。第1 類是將直流故障轉(zhuǎn)化為交流故障，直流回路故障電流自由衰減，交流系統(tǒng)饋入換流站的有功功率、無(wú)功功率不可控；第2 類是換流器利用二極管單向?qū)ㄌ匦裕龑?dǎo)儲(chǔ)能電容提供反電勢(shì)同時(shí)吸收故障回路的能量，隔斷交直流網(wǎng)絡(luò)連接通路，完全閉鎖后交流系統(tǒng)向換流站饋入有功功率、無(wú)功功率均為零；第3 類，故障期間將換流器解耦為兩部分，交流部分可以運(yùn)行在靜止無(wú)功補(bǔ)償器(staticsynchronous compensator，

STATCOM)模式，可向系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支持，而直流回路故障電流受到二極管單向?qū)ㄐ缘淖韪簟?/p>

1.1 直流故障脆弱性分析

直流側(cè)故障下的生存能力是評(píng)估直流輸電系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在架空線輸電場(chǎng)合導(dǎo)線裸露在空間中，線路容易發(fā)生短路、閃絡(luò)等暫時(shí)性故障。然而柔性直流技術(shù)存在固有缺陷，即無(wú)法像傳統(tǒng)直流技術(shù)那樣單純依靠換流器控制來(lái)完成直流側(cè)故障的清除。直流側(cè)故障期間，故障電流存在兩個(gè)通路：

1）電容放電通路；

2）交流系統(tǒng)饋能通路。即使閉鎖換流器，交流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)換流器內(nèi)部?jī)上鄻虮壑衅骷姆床⒙?lián)續(xù)流二極管以及直流故障點(diǎn)仍可構(gòu)成能量流動(dòng)路徑，故障電流無(wú)法中斷。柔性直流系統(tǒng)直流側(cè)故障的脆弱性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

①對(duì)直流系統(tǒng)(或換流器本身)的影響，故障電流會(huì)對(duì)器件造成沖擊；

②對(duì)所連交流系統(tǒng)的影響，相當(dāng)于電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，對(duì)交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性非常不利。特別是對(duì)于多端直流系統(tǒng)，單點(diǎn)直流短路故障等效于同時(shí)發(fā)生多點(diǎn)交流短路故障。

1.2 直流短路故障的解決方案

原理上講，處理直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障的基本途徑有3 種：

1）利用交流斷路器切斷直流網(wǎng)絡(luò)與交流系統(tǒng)的連接；

2）跳開(kāi)直流斷路器以隔離直流短路故障點(diǎn)；

3）借助換流器自身控制實(shí)現(xiàn)直流側(cè)短路故障的自清除。

，借助交流斷路器切斷故障電流幾乎是所有已建柔性直流工程處理直流側(cè)短路故障唯一經(jīng)濟(jì)可行的手段。然而開(kāi)斷交流斷路器屬于機(jī)械動(dòng)作，響應(yīng)速度慢，最快動(dòng)作時(shí)間大約2~3 個(gè)周波，期間開(kāi)關(guān)器件仍存在承受過(guò)電壓過(guò)電流的風(fēng)險(xiǎn)，故需要采取如提高器件額定參數(shù)、增大橋臂電抗以限制故障電流上升率、子模塊內(nèi)配置快速旁路開(kāi)關(guān)等輔助性措施(以MMC 為例)，這增大了換流器的體積和重量，提高了系統(tǒng)造價(jià)。故障清除后，重啟動(dòng)時(shí)各設(shè)備配合動(dòng)作時(shí)序復(fù)雜、系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

直流斷路器設(shè)計(jì)研制工作開(kāi)展得很早，型式多樣，如機(jī)械式、固態(tài)式和混合式等，其中最有應(yīng)用前景的應(yīng)屬結(jié)合常規(guī)機(jī)械開(kāi)關(guān)和電力電子器件特點(diǎn)的混合式斷路器，2012 年ABB 公司完成相關(guān)樣機(jī)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)[23]，國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院等也開(kāi)展了類似的研究設(shè)計(jì)。然而，由于存在技術(shù)層面和應(yīng)用層面兩方面的原因，直流斷路器在高壓大容量場(chǎng)合仍鮮有應(yīng)用：

①技術(shù)上各類型斷路器大多存在如下缺點(diǎn)，比如滅弧非常困難，開(kāi)斷速度較慢，線路能量不易耗散，運(yùn)行損耗大，造價(jià)昂貴，技術(shù)復(fù)雜不成熟等[19,25-26]。2013 年國(guó)際大電網(wǎng)(CIGRE)工作組向ABB、Siemens 和ALSTOM 等公司調(diào)研直流斷路器研發(fā)速度，得到的結(jié)論是研制500kV 和800 kV 級(jí)別的直流斷路器大約分別需要10 年和15年；

②在大容量遠(yuǎn)距離輸電場(chǎng)合，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩端或基于兩端的多端技術(shù)(如印度的NEA800 直流工程)仍是最主流的輸電方式，處理直流故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)必然會(huì)受到影響，不能正常輸電，故直流斷路器“隔離故障區(qū)域保證健全部分的”的優(yōu)勢(shì)無(wú)法發(fā)揮。

利用換流器自身控制實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障的自清除，具有無(wú)需機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作、系統(tǒng)恢復(fù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于大容量遠(yuǎn)距離直流輸電系統(tǒng)。事實(shí)上傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)就是這么做的，即通過(guò)強(qiáng)制移相使整流器進(jìn)入逆變方式，使弧道電流和弧道電壓迅速降低為零實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障快速消除。尋找具有直流故障穿越能力的新型電壓源換流器是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。ALSTOM 公司提出橋臂交替導(dǎo)通多電平換流器(alternate-arm multilevelconverter，AAMC)和混合級(jí)聯(lián)多電平換流器(hybrid cascaded multilevel converter，HCMC)，結(jié)合了兩電平換流器和MMC 拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)。德國(guó)學(xué)者Rainer Marquardt 提出了基于全橋子模塊(fullbridge sub-module，F(xiàn)BSM)和箝位雙子模塊(clampdouble sub-module，CDSM)的改進(jìn)型MMC，相應(yīng)地被稱為F-MMC 和C-MMC。浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)我國(guó)遠(yuǎn)距離大容量輸電具有潮流單向性的特點(diǎn)，提出了整流側(cè)采用傳統(tǒng)晶閘管換流器(LCC)，逆變側(cè)采用MMC，其中逆變側(cè)MMC 的直流出口處裝設(shè)大功率二極管閥的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CC-D-MMC 結(jié)構(gòu))，以下稱直流側(cè)出口裝有二極管閥的MMC 為D-MMC(MMC withdiodes)。

與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，以電壓源換流器(voltage sourced converter，VSC)為核心部件、脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)控制為理論基礎(chǔ)的新一代直流輸電技術(shù)具有不存在換相失敗風(fēng)險(xiǎn)、可實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功快速解耦控制、輸出電壓電流諧波含量低等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-6]。國(guó)際上將該技術(shù)正式命名為“電壓源換流器型高壓直流輸電(voltage sourceconverter based high voltage direct current ，VSC-HVDC)”，ABB 公司稱其為“HVDC Light”，Siemens 公司稱其為“HVDC PLUS”，Alstom 公司稱之為“HVDC MaxSine”。

2006 年5 月，由國(guó)家電網(wǎng)公司組織國(guó)內(nèi)權(quán)威專家在北京召開(kāi)了“輕型直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架研討會(huì)”，與會(huì)專家一致建議將基于VSC 技術(shù)的直流輸電統(tǒng)稱為“柔性直流輸電”。

柔性直流輸電技術(shù)是伴隨電力電子器件、換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制控制策略的進(jìn)步而發(fā)展的，就其發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)可將柔性直流輸電技術(shù)分為3 代。第1 代技術(shù)采用兩電平或三電平換流器，換流閥由IGBT 器件直接串聯(lián)構(gòu)成，制造難度大，功率器件開(kāi)關(guān)頻率高，損耗大。第2 代技術(shù)采用模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)[7]，子模塊采用半橋結(jié)構(gòu)(half bridge sub-module ，HBSM)，換流閥由子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成，不需要IGBT器件直接串聯(lián)，制造難度較低，功率器件開(kāi)關(guān)頻率低，損耗低。ABB 公司提出的級(jí)聯(lián)兩電平換流器(cascaded two-level converter，CTL)[8]也屬于第2 代技術(shù)范疇。第3 代技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中，還沒(méi)有定型，與前兩代技術(shù)相比，第3 代技術(shù)主要解決兩個(gè)問(wèn)題，第1 個(gè)問(wèn)題是架空線路的適用性問(wèn)題，也就是柔性直流系統(tǒng)直流側(cè)故障的自清除問(wèn)題；第2個(gè)問(wèn)題是大容量問(wèn)題。

式換流器的單元擴(kuò)展方式對(duì)于 MMC 而言，提升容量和電壓的傳統(tǒng)手段是增加子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量，盡管理論上子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量可無(wú)限增加，但會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題：

1）需要大量I/O 數(shù)據(jù)通訊和交換，硬件實(shí)現(xiàn)十分困難；

2）電容電壓平衡策略一般需要對(duì)子模塊電容電壓測(cè)量值進(jìn)行排序，模塊數(shù)目增加后排序所需的計(jì)算時(shí)間也大大增加；

3）控制系統(tǒng)的采樣頻率需要很高才能識(shí)別電平變化；

4）換流器最大輸送功率受制于換流變壓器容量，無(wú)法達(dá)到大容量的要求。將 3 個(gè)單相換流器串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)高電壓的目標(biāo)，該三相串聯(lián)的換流器概念最早由ABB 公司于2009年提出。在此基礎(chǔ)上，基于半橋子模塊的三相串聯(lián)MMC 結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

相串聯(lián)MMC 可拓展到架空線輸電場(chǎng)合。然而該拓?fù)湎鄬?duì)于采用三相橋式電路的MMC通流能力下降。為實(shí)現(xiàn)大容量高電壓的要求，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了以MMC 為基本換流單元進(jìn)行串并聯(lián)擴(kuò)展構(gòu)成組合式換流器的技術(shù)路線。

理論上，柔性直流輸電系統(tǒng)的接地方式包括兩類基本形式，一是采用交流側(cè)接地方式，如圖4(a)、(b)所示；二是采用直流側(cè)接地方式，如圖4(c)—(f)所示。圖 4(a)采用換流變中心點(diǎn)直接接地方式，該方式需要換流變采用Δ/Y0 或Y/Y0 聯(lián)結(jié)型式，附加設(shè)備較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，南匯示范工程即采用該接地方式，該工程連接于35 kV 交流電網(wǎng)。為抑制直流偏磁電流，需要配置較大的中性點(diǎn)接地電阻，但這種高阻接地方式主要應(yīng)用在中低壓電網(wǎng)。

對(duì)于 110 kV 及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)，一般采用變壓器中性點(diǎn)直接或經(jīng)低阻抗接地，故換流變壓器多采用Y0/Δ聯(lián)結(jié)型式，而且此型式能夠起到隔離零序分量在換流器與交流系統(tǒng)之間傳遞的作用。故如果仍然采用交流側(cè)接地方式，則需要另外配置接地支路。如圖4(b)所示的星形電抗經(jīng)小電阻接地方式，在美國(guó)Transbay 工程得到應(yīng)用。由于星形電抗要消耗大量無(wú)功，當(dāng)電抗值取得過(guò)小則消耗無(wú)功過(guò)多，當(dāng)電抗過(guò)大則制造裝配困難，該方式對(duì)換流站的正常運(yùn)行范圍有影響。利用曲折接線(Zig-Zag)變壓器以構(gòu)建交流側(cè)有效接地的方式。

傳統(tǒng)兩電平柔性直流系統(tǒng)利用直流側(cè)分裂電容引出接地支路，其電容同時(shí)起到支撐直流電壓的作用，MMC 型柔性直流系統(tǒng)仍可借鑒。然而MMC橋臂包含有大量分布式懸浮電容，直流側(cè)完全可以省略集中布置的電容，故可用箝位大電阻替代以引出接地電位，如圖4(d)所示。不過(guò)該接地方式與箝位電阻參數(shù)選取密切相關(guān)，當(dāng)電阻取得過(guò)小則穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗較大，影響系統(tǒng)綜合效益；當(dāng)電阻取得過(guò)大則整個(gè)系統(tǒng)近似不接地，無(wú)法實(shí)現(xiàn)為整個(gè)換流站提供參考電位的功能。

圖4 (a)—(d)為柔性直流輸電選擇的基本接地形式，其特點(diǎn)為單換流器構(gòu)成自然雙極(偽雙極)結(jié)構(gòu)，即極和換流器沒(méi)有清晰區(qū)別開(kāi)來(lái)，換流器故障后會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)。除引言所述的限制因素外，單換流器構(gòu)成偽雙極的主接線方式也是造成柔性直流輸電能力低的重要因素。

圖 4(e)給出借鑒傳統(tǒng)直流輸電工程的接地方式，直流側(cè)采用專門(mén)的接地極，其從雙極結(jié)構(gòu)中性母線經(jīng)接地引線引入；正極和負(fù)極相對(duì)獨(dú)立，一極故障對(duì)健全極影響較小，可參照傳統(tǒng)直流系統(tǒng)成熟的設(shè)計(jì)流程。采用雙極結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)行方式靈活多樣，系統(tǒng)可靠性高，易于系統(tǒng)分期建設(shè)和增容擴(kuò)建，非洲的Caprivilink 工程[51]和正在規(guī)劃中的加拿大Nelson River 第3 個(gè)雙極直流工程(Bipole 3)均采用該接地方式，但此方式下接地極占地面積較大，換流變需要采用專門(mén)的換流變壓器以承受直流偏置電壓。

圖4 (f)—(h)給出了圖4(e)的3 種變形方式，即上下極不共交流場(chǎng)、組合式換流器內(nèi)部串聯(lián)和并聯(lián)單元不共交流場(chǎng)。這種MMC 換流單元分散接入交流系統(tǒng)的形式，有利于大容量功率的接受和消納，降低了所連交流系統(tǒng)故障對(duì)直流網(wǎng)絡(luò)的影響。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

《柔性直流輸電建模和仿真技術(shù)》針對(duì)柔性直流輸電的控制策略、系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)闡述，詳細(xì)介紹了構(gòu)造完整柔性直流輸電閉環(huán)仿真系統(tǒng)所必備的相關(guān)策略。本書(shū)共8章，主要內(nèi)容包括柔性直流輸電的基本原理，兩電平、三電平柔性直流輸電的建模與仿真，MMC型柔性直流輸電建模與仿真，多端柔性直流輸電仿真，柔性直流輸電的RTDS建模和仿真，具備直流故障穿越能力的MMC-HVDC系統(tǒng)和MMC-HVDC高速建模與仿真等。附錄中還介紹了典型的柔性直流輸電工程，以及VCSTrans程序和NPC型SVC-HVDC程序。 趙成勇，華北電力大學(xué)教授、博導(dǎo)。業(yè)研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娕c柔性直流輸電。主持或主要參與以下重點(diǎn)項(xiàng)目： 1.高壓直流輸電和柔性直流控制保護(hù)策略庫(kù)開(kāi)發(fā)，國(guó)家科技支撐重大項(xiàng)目“新型柔性交流電力控制關(guān)鍵技術(shù)與示范”（2010BAA01B01）子課題，2010.10-2013.9，40萬(wàn)，趙成勇負(fù)責(zé)。 2.Control&protectionstrategiesofHVDCbasedonsinglefull-bridgeconverter.韓國(guó)LSIndustrialSystemsCo.Ltd.12萬(wàn)美元，2011.1-2012.10，趙成勇負(fù)責(zé)。 3.基于電壓源型換流器直流輸電的柔性聯(lián)網(wǎng)方法研究，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50577018），2006.1-2008.12，23萬(wàn)元，趙成勇負(fù)責(zé)。 4.基于RTDS的電磁－機(jī)電暫態(tài)混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)，“十一五...(展開(kāi)全部) 趙成勇，華北電力大學(xué)教授、博導(dǎo)。業(yè)研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娕c柔性直流輸電。主持或主要參與以下重點(diǎn)項(xiàng)目： 1.高壓直流輸電和柔性直流控制保護(hù)策略庫(kù)開(kāi)發(fā)，國(guó)家科技支撐重大項(xiàng)目“新型柔性交流電力控制關(guān)鍵技術(shù)與示范”（2010BAA01B01）子課題，2010.10-2013.9，40萬(wàn)，趙成勇負(fù)責(zé)。 2.Control&protectionstrategiesofHVDCbasedonsinglefull-bridgeconverter.韓國(guó)LSIndustrialSystemsCo.Ltd.12萬(wàn)美元，2011.1-2012.10，趙成勇負(fù)責(zé)。 3.基于電壓源型換流器直流輸電的柔性聯(lián)網(wǎng)方法研究，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50577018），2006.1-2008.12，23萬(wàn)元，趙成勇負(fù)責(zé)。 4.基于RTDS的電磁－機(jī)電暫態(tài)混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)，“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“特高壓輸變電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與示范”課題十七（2006BAA02A17）的子課題，150萬(wàn)元，2006.11-2009.12，負(fù)責(zé)人之一，排名第二。 5.多電平柔性直流輸電系統(tǒng)的RTDS模型研究，北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司科技項(xiàng)目，2011年1月完成。趙成勇負(fù)責(zé) 6.“一種雙饋入直流輸電系統(tǒng)”，發(fā)明專利，ZL200710185454.0發(fā)明人：趙成勇。 7.“一種高壓直流輸電啟動(dòng)和運(yùn)行方式”，發(fā)明專利，ZL200810079471.0發(fā)明人：趙成勇，郭春義。 8.一種模塊化多電平換流器直流輸電損耗計(jì)算方法，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?01110074399.4發(fā)明人：趙成勇，陸翌等。 9.擴(kuò)大RTDS下MMC-HVDC模型仿真規(guī)模的方法，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?01110074466.2發(fā)明人：趙成勇，石巖等。2100433B

《柔性直流輸電系統(tǒng)（第2版）》系統(tǒng)講述了柔性直流輸電的理論和應(yīng)用。內(nèi)容包括柔性直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用，模塊化多電平換流器（MMC）的工作原理、主電路參數(shù)選擇與損耗計(jì)算，兩端柔性直流輸電系統(tǒng)與多端柔性直流輸電網(wǎng)的控制和故障保護(hù)策略，單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)柔性直流輸電系統(tǒng)，交流線路改造成直流線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特性研究，柔性直流輸電應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)，柔性直流輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真方法和機(jī)電暫態(tài)仿真方法，柔性直流輸電換流站的絕緣配合設(shè)計(jì)，MMC閥的設(shè)計(jì)等。《柔性直流輸電系統(tǒng)（第2版）》適合于從事柔性直流輸電技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的技術(shù)人員和電力系統(tǒng)科研、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行的工程師，以及高等學(xué)校電力系統(tǒng)專業(yè)的教師和研究生閱讀。

《柔性直流輸電用變壓器技術(shù)規(guī)范》（GB/T 37011-2018）規(guī)范了柔性直流輸電變壓器設(shè)備技術(shù)要求，在充分總結(jié)吸收世界特高壓直流輸電及柔性直流輸電用變壓器技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，使變壓器技術(shù)要求最合理，確保變壓器的可靠性、安全性以及維護(hù)簡(jiǎn)便，為中國(guó)柔性直流輸電變壓器提供設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支持。