柔性直流輸電技術的特點及應用前景分析

陜西省長安大學附屬學校 賈勇鑫

0 引言

高壓直流(high voltage direct current, HVDC)輸電已經廣泛應用在遠距離大容量輸電、海底電纜輸電和非同步聯網等工程領域，目前世界范圍內已投運了100多個直流輸電工程。高壓直流輸電在我國“西電東送，全國聯網”發展戰略中，起著舉足輕重的作用。在實際工程應用中，電力電子技術快速發展，取得了一系列新的研究成果，柔性直流作為電力領域中的新一代前沿科技，為電網中的諸多問題提供了優異的解決方案，為進行輸電方式變革和建設堅強電網提供了有利的保障。

1990年，加拿大McGill大學Boon-Teck等學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，調節系統電壓，從而控制系統交流側功率水平，因此可以進行功率輸送和穩定電網，從而可以避免現有輸電技術存在的許多問題，國內稱之為柔性直流輸電。

較早時期的柔性直流輸電工程中，系統拓撲結構方面采用的是兩電平或三電平換流器，這種系統在運行過程中的缺點是諧波含量高、開關損耗大，但是目前的實際工程對系統電壓等級和容量水平的要求不斷提高。2001年，德國慕尼黑聯邦國防軍大學R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）拓撲，該拓撲結構通過將子模塊進行標準化，然后將其進行串聯，從而較為方便地實現系統的高壓大容量化，輸出多電平效果的電壓，系統的諧波性能優異。MMC技術的提出和工程中的應用，提升了柔性直流輸電系統的運行特性，加快了柔性直流輸電技術的推廣應用[1-3]。

本文先介紹了柔性直流輸電系統的構成，重點介紹了模塊化多電平換流器的結構，分析了柔性直流輸電系統的特點，最后展望了其應用前景。

1.模塊化多電平換流器（MMC）結構

柔性直流輸電系統主要包括以下幾部分：電壓源換流器、橋臂電抗器、聯結變壓器、交流開關設備、直流電容、輸電線路、直流開關設備、測量系統、控制與保護裝置等。換流站是柔性直流輸電系統最主要的組成部分，根據其運行狀態的不同，可以將其分為整流站和逆變站，換流器是構成換流站的重要設備之一。

MMC具有“模塊化”的特點，可以根據系統需要，靈活控制輸出的階梯波波形。當系統子模塊數量較少時，電平間壓差大，階梯波鋸齒明顯，但是當子模塊數量較多時，波形品質明顯變好。模塊化多電平換流器這一拓撲結構可以采用最近電平逼近調制，這一調制方式不僅可以極大的降低子模塊器件的開關頻率，同時還能夠保證系統較好的波形品質，還可以降低的諧波含量[2,3]。

2.柔性直流輸電的特點

2.1 優勢

柔性直流輸電相對于傳統高壓直流輸電技術，存在以下幾個方面的優勢：

（1）不需要交流側提供無功功率，沒有換相失敗問題。傳統高壓直流輸電系統中，換流站需要吸收大量的無功功率，因此必須增設諸多無功補償裝置；同時，傳統直流輸電在換相過程中，依賴交流系統的電壓支撐，如果交流系統的電壓支撐能力較弱，可能導致系統發生換相失敗，而柔性直流技術不存在換相失敗的問題。

（2）柔性直流輸電技術可以在4象限內運行，可以實現獨立控制有功和無功功率，從而實現向無源網絡供電。柔性直流輸電可以作為STATCOM應用，對交流側的無功功率進行補償，穩定交流電壓。傳統直流輸電只能在2象限運行，不能對有功功率和無功功率進行獨立控制。

（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頻率相對較高，因此系統產生的諧波較少，從而幾乎不需要進行濾波。

2.2 局限性

由于受到元件制造工藝水平和拓撲結構的制約，柔性直流輸電技術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溫容量的限制，系統單個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系統的大電流進行開斷，而在拓撲方面，柔性直流輸電系統不能完全阻斷故障電流，因此系統對直流側故障不能夠自清除，降低系統的故障承受能力和可靠性。

（3）損耗較大。柔性直流輸電技術與傳統直流輸電相比來說，開關頻率較高，因此導致開關損耗很大。目前模塊化多電平的柔性直流輸電工程中，系統損耗可以實現在系統輸送功率的1%以內，與傳統直流輸電系統的損耗百分比很接近，但是系統容量較低，如將系統的容量提升，則系統損耗也進一步增大。

（4）輸電距離較短。目前的技術中架空線傳輸的缺點仍然存在，因此柔性直流輸電工程的電壓水平很難得到進一步的提高，同時柔性直流輸電系統的損耗相較于傳統直流來說比較大，從而限制了柔性直流輸電的輸電距離[4,5]。

3.柔性直流輸電的應用前景

柔性直流輸電在我國的發展前景較好，應用廣泛，主要分析以下幾個方面。

（1）大規模送電和交直流系統聯網

我國西部地區能源含量充足，負荷較少；而東部地區的特點是能源含量缺乏，負荷較多。能源儲備和負荷分布有地區差異，對系統進行大容量、遠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

分布式電源單臺機組容量較小，非常容易受到風、光等氣候因素干擾，具有明顯的波動性和間歇性。

（3）電網增容改造與進行直流供電

柔性直流輸電系統運行過程中的諧波含量較少，可以快速地控制系統功率，從而有效提高電能質量；柔性直流輸電換流站比傳統直流輸電占地面積小，可以進一步節約土地資源，減少不必要的浪費；同時系統能夠根據系統需求控制交流側的電流，使得控制系統短路容量成為可能。

（4）向弱系統或孤島供電

柔性直流輸電系統在換相過程中，不需系統外提供換相電壓，同時系統可以在無源逆變狀態下運行，無源網絡也可以作為受端系統，可以很好的為偏遠地區進行供電，但是柔性直流輸電采用架空線路時所存在的供電可靠性問題仍需解決[4,6-7]。

4 結論

柔性直流輸電技術可以建設出靈活、堅強、高效的電網結構，是充分發揮可再生能源優勢的有效途徑，代表著直流輸電領域的發展和研究方向，已在全世界得到了廣泛的發展和應用。

（1）柔性直流輸電系統主要由電壓源換流器、橋臂電抗器、聯結變壓器、交流開關設備、直流電容、輸電線路、直流開關設備、測量系統、控制與保護裝置等構成，模塊化多電平換流器的特點之一就是模塊化，可以根據系統要求方便地進行多電平階梯波輸出。

（2）柔性直流輸電不存在換相失敗問題，可以獨立控制系統的有功和無功功率，具有諧波含量小等優勢；但同時也有輸送容量有限，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用于大規模送電和交直流聯網，分布式電源并網，大城市電網增容與直流供電，向弱系統或孤島供電。

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