模塊化多電平換流器在柔性直流輸電技術中的應用

張和陽

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

人類社會發(fā)展進入新階段，全球能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴峻，未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向將轉變?yōu)槌毕馨l(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電。我國始終堅持節(jié)約型、低能耗的可持續(xù)發(fā)展道路。應當將綠色發(fā)展內化于心，外化于行，堅決不走“先污染，后治理”的老路。文獻[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)電沒有前人的經驗可以借鑒，有不穩(wěn)定、難以集中、地理位置偏遠等缺陷。基于MMC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無源系統(tǒng)輸電，最重要的是其自身是低碳無污染的。同時，MMC-HVDC諧波少、模塊化程度高、附屬設備生產時間短，前期的安裝運行和后期的維護檢修等都會更加簡便。綜上，柔性直流輸電技術十分契合我國建設美麗中國的目標。

有針對性地對MMC進行穩(wěn)態(tài)運行特性分析，在科技和經濟兩方面都有著重大意義，不僅能提升我國未來在直流輸電領域的地位和話語權，而且還能增強相關產業(yè)的競爭力。總之，有利于我國直流輸配電系統(tǒng)的完善和進步，實現(xiàn)節(jié)能、實惠、有效、靈敏的相統(tǒng)一。

1 直流輸電技術的歷史發(fā)展

人類對電力的最初認識起源于直流電。過去，直流發(fā)電機常被用作電源，經直流輸電線路向負載供電，但由于直流發(fā)電機存在換向火花腐蝕換向器、結構復雜等問題，且輸電電壓受到限制，所以那時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量，人們始終堅持著對高壓直流輸電的研究。第二次工業(yè)革命之后，人類社會進入了“電氣時代”，對于電能的要求不斷提高，電網不斷擴大，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直流發(fā)電機串聯(lián)轉變?yōu)槔脫Q流設備將交流電轉換為直流電，將低壓變?yōu)楦邏海椭辆€路的末端，經換流站轉換后供給用戶使用。

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

2 發(fā)展柔性直流輸電技術的必要性

相比交流輸電技術，直流輸電技術在長距離大容量輸電場景下能夠大幅提升經濟效益，這是因為直流輸電僅用正負兩根導線替代了交流輸電的a、b、c三相導線，經濟成本節(jié)約了近1/3，雖然直流換流站的造價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，其經濟效益越發(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問題，直流輸電線路方便實現(xiàn)互聯(lián)；而在發(fā)生單根導線故障時，由于直流兩極是相互獨立的，彼此不會影響對方，故當一極發(fā)生故障時，只需停運故障線路，另一極線路仍可輸送一半以上的電能。

與傳統(tǒng)直流輸電技術相比，柔性直流輸電技術采用全控型的電力電子器件而非傳統(tǒng)直流輸電技術所采用的半控性器件，因此能夠實現(xiàn)潮流反轉、有功無功率的單獨控制。現(xiàn)如今，傳統(tǒng)直流輸電技術由于只能調節(jié)電網頻率但卻不能控制電壓，不能完整支撐電網運行而逐漸被淘汰。因此，柔性直流輸電技術的優(yōu)勢主要概括為3個方面：

（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，提升電網的穩(wěn)定性；

（3）可以實現(xiàn)非同步運行電網之間連接，提升電網電能質量。

現(xiàn)代電力電子技術的不斷進步與成熟，催生了模塊化多電平換流器，使柔性直流輸電進入了新階段，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 三種典型結構

柔性直流輸電技術也被稱為基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術，可見電壓源換流器是其輸電技術的核心。柔性直流輸電技術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）。

兩電平換流器的拓撲結構如圖1（a）所示，一個組件由一個IGBT晶體管與其并聯(lián)的反向二極管構成，而每個橋臂串聯(lián)多個組件，這樣的結構能提高換流器容量及電壓等級。其串聯(lián)的具體數(shù)量由換流器的功率大小、電壓高低和內部開關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，每相可輸出兩個電平，即

圖1 3種電壓源換流器的拓撲結構

二極管鉗位型三電平換流器的拓撲結構如圖1（b）所示，每相有4個IGBT閥，改善了諧波問題。上部分的兩個IGBT導通，得到較高的電壓電平中間的兩個IGBT導通，得到中間（或零）電壓電平，下部分的兩個IGBT導通，得到較低的電壓電平

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）的拓撲結構如圖1（c）所示，單相包含上、下兩個橋臂，每個橋臂由N個子模塊（sub-module，SM)級聯(lián)后再和一個橋臂電抗器L0串聯(lián)組成。其中每一個模塊都代表了特定的電壓電平。其中，子模塊內部電容電壓記為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

兩電平換流器的內部元件參數(shù)和容量相同，因此便于生產制造時的模塊化設計和運行后的檢修維護。兩電平換流器能適用于不同的電壓等級，可通過改變半導體器件的數(shù)目來調整其額定電壓，前提是保證拓撲結構、調制方式和控制環(huán)節(jié)不變。兩電平拓撲的主要優(yōu)點有：①占地面積小；②電路不復雜，簡單易懂；③相同元件參數(shù)相同，易于實現(xiàn)模塊化；④電容少，成本低。目前電力電子器件的生產技術無法跟上輸電系統(tǒng)的需求，存在耐壓等級低、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IGBT是高速器件，后開通的元件承壓會更多，這樣換流器的均壓控制存在困難，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會造成較大的影響。另外采用兩電平電路時電壓的變化率較高，輸出波形與理論存在較大誤差，且對交流設備極為有害，若不能有效地處理，會帶來一系列的問題。總之，兩電平換流器的主要缺點有：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構與兩電平換流器類似。二者相比，前者具有優(yōu)點[4]：①IGBT承受的電壓小；②輸出波形符合預期；③損耗小；④輸出諧波小等優(yōu)勢，減少了濾波器等的使用，從而可有效減小占地面積。因此，它的實際應用從中壓大功率系統(tǒng)走向了低壓的并網系統(tǒng)。從拓撲結構可以看出，二極管鉗位型三電平換流器存在中點電壓平衡問題，難以實現(xiàn)模塊化。嚴重時，上下兩電容的電壓極不平衡，輸出的波形受到強烈影響，甚至對功率半導體器件造成無法修復的損傷。其主要缺點有：①器件個數(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脈沖寬度調制更復雜。

兩電平、三電平換流器拓撲結構簡單，可是，隨著柔性直流輸電系統(tǒng)輸送容量和電壓等級的升高，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電壓波形質量，又無須精確控制同一橋臂每個電力電子器件同時開通。另外，在直流側不存在大型電容器儲存能量，而是分布于各個模塊。

MMC與傳統(tǒng)的兩種電壓源換流器相比，具有以下幾點顯著優(yōu)勢[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)能夠限制直流側短路時的故障電流，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等半導體器件在開關暫態(tài)過程中受到的沖擊力度，保證其安全穩(wěn)定運行，同時大幅度降低電磁高頻輻射，保證人體的健康。

（3）對于高電壓大容量的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）模塊化的結構便于對其進行拓展和改造，能夠滿足日益復雜的電力系統(tǒng)的需要和實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中的應用

4.1 優(yōu)勢

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，換流站內包括變壓器和換流器等設備。其控制系統(tǒng)分為內環(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、交流電壓及直流側電壓等。MMC-HVDC必須有一端控制，另一端的控制對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相比，MMC-HVDC和VSC-HVDC共同的優(yōu)點是都以電壓源換流器為核心器件，大幅提升了實際運行過程中的效能，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）MMC-HVDC的可拓展性很強，更加容易進行容量升級，為了獲得更大容量與更高電壓等級，可以通過增加MMC拓撲中子模塊數(shù)量。

（2）MMC-HVDC將電容分散到各相橋臂的子模塊中，不需要進行直流側的濾波，因此可以杜絕直流側投切大負載或發(fā)生短路故障時產生過電流，避免內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IGBT串聯(lián)的結構，因此當這些半導體器件開斷時，回路會出現(xiàn)瞬時的電壓不平衡，從而產生均壓問題，而MMC-HVDC中的換流站避免了這一問題。保證波形品質高且平滑，諧波含量低，與正弦波十分接近。它對交流變壓器的抗強干擾能力要求較低，故采用普通標準的交流變壓器即可，能夠減少電力系統(tǒng)的設備成本，提升系統(tǒng)經濟性。

（4）上、下橋臂中各有一半的MMC的交流側電流，因此能夠保證流過功率半導體元件的電流處于一個低水平，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。由于MMC各橋臂結構和運行原理完全相同，且能夠獨立控制，局部發(fā)生故障時，MMC也可以穩(wěn)定工作，因此能有效減少頻率波動，杜絕跳閘等情況的發(fā)生。當發(fā)生單相不平衡故障時，剩余兩相依舊能夠保持正常運行，實現(xiàn)功率的傳輸。

（6）故障后恢復速度快。因為該系統(tǒng)運行在穩(wěn)態(tài)時有許多子模塊未投入運行，發(fā)生故障時，正常且未投入的子模塊能夠代替故障子模塊運行，能夠限制沖擊電流的上升速度，讓系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定可靠。實際工程中的MMC子模塊數(shù)量龐大，且每個子模塊里都有一個直流電容，保證直流電壓恒定，保障了MMC穩(wěn)定運行。

（7）模塊化程度高。極大簡化了其設計、生產、安裝與調試，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器件，系統(tǒng)維護方便，可替代性很強。模塊間相互獨立，橋臂電壓與電流的變化幅度小，使其能應用在大容量的場合。

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自身結構的限制，柔性直流輸電技術也存在一定的局限性。

（1）傳輸?shù)娜萘康汀Ｖ饕蚴鞘艿絍SC和MMC內部半導體器件結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大電流做出反應，加之自身拓撲的制約，故障電流在柔性直流輸電系統(tǒng)仍會存在，因此系統(tǒng)無法做到自清除直流側故障。

（3）損耗較大。模塊化多電平換流器中的半導體器件開關頻率較高，因此導致開關損耗很大。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)損耗也進一步增大。

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

4.3 發(fā)展前景

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

（1）構建城市的輸配電網。隨著我國社會的不斷發(fā)展，城市化進程的深度推進，城市電網如何在承擔更多負荷的同時保證電能的質量是一個核心的問題。VSC-HVDC與交流輸電技術相比，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）對弱系統(tǒng)進行供電。我國地勢呈三級階梯分布，西部偏遠地區(qū)山脈多，海拔高，由于經濟落后，輸配電系統(tǒng)不完善，與大電網連接不緊密。柔性直流輸電能夠對無源網絡進行供電，而且換相簡單易成功，因此與偏遠地區(qū)能夠實現(xiàn)良好的對接，保證輸電的質量，能夠防止對偏遠地區(qū)進行遠距離交流輸電時，因為受到惡劣天氣的影響而出現(xiàn)電壓嚴重跌落的現(xiàn)象。但由于大部分的偏遠地區(qū)地勢陡峭，難以敷設電纜，因此，采取VSC-HVDC和MMC-HVDC還需要克服架空線路供電會遇到的各種困難，保證供電的安全性。

（3）優(yōu)化能源供需格局。近年來，我國華北地區(qū)長期受到霧霾、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，堅持綠色發(fā)展，將導致惡劣天氣的因素徹底解決。由于我國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，而中東部經濟發(fā)達城市人口密集，工廠繁多，對于電能的需求量很大。而VSC-HVDC和MMC-HVDC能解決電能遠距離輸送的運力矛盾，優(yōu)化資源配置，真正做到“六保”當中的保能源安全。

5 結語

本文首先介紹了直流輸電技術的歷史發(fā)展、柔性直流輸電技術發(fā)展的必要性。然后介紹了作為柔性直流輸電技術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，對其分別展開了論述，以MMC為主，分析了它們的拓撲結構及基本特點。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的優(yōu)勢、存在問題及發(fā)展前景。