大容量架空線柔性直流輸電

大容量架空線柔性直流輸電技術是指以電壓源換流器為核心部件、脈寬調製(pulse width modulation，PWM)控制為理論基礎的新一代直流輸電技術。

作為一種新型的基於電壓源換流器的直流輸電技術，相對於傳統直流輸電有很多優勢。目前的柔性直流輸電工程通常採用電纜輸電方式，電纜輸電線路適合海底鋪設輸電，或者城市內部地上面積緊張，需要地下走線的應有場合。雖然電纜輸電線路具備故障率等特點，但是其存在一些問題，制約著柔性直流輸電技術的套用推廣。所以架空線柔性直流輸電技術的發展成為必然，但目前直流斷路器等保護技術尚不成熟。

基本介紹

• 中文名：大容量架空線柔性直流輸電
• 外文名：VSC-HVDC
• 優點：不存在換相失敗風險
• 名稱規範時間：2006年5月
• 問題：直流線路故障難以快速清等除
• 技術瓶頸：直流側故障下的生存能力

簡述

與傳統直流輸電技術相比，以電壓源換流器(voltage sourced converter，VSC)為核心部件、脈寬調製(pulse width modulation，PWM)控制為理論基礎的新一代直流輸電技術具有不存在換相失敗風險、可實現有功無功快速解耦控制、輸出電壓電流諧波含量低等諸多優點[1-6]。國際上將該技術正式命名為“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，由國家電網公司組織國內權威專家在北京召開了“輕型直流輸電系統關鍵技術研究架構研討會”，與會專家一致建議將基於VSC 技術的直流輸電統稱為“柔性直流輸電”。

柔性直流輸電技術是伴隨電力電子器件、換流器拓撲結構和調製控制策略的進步而發展的，就其發展過程和趨勢可將柔性直流輸電技術分為3 代。第1 代技術採用兩電平或三電平換流器，換流閥由IGBT 器件直接串聯構成，製造難度大，功率器件開關頻率高，損耗大。第2 代技術採用模組化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)[7]，子模組採用半橋結構(half bridge sub-module ，HBSM)，換流閥由子模組級聯構成，不需要IGBT器件直接串聯，製造難度較低，功率器件開關頻率低，損耗低。ABB 公司提出的級聯兩電平換流器(cascaded two-level converter，CTL)[8]也屬於第2 代技術範疇。第3 代技術目前正在開發中，還沒有定型，與前兩代技術相比，第3 代技術主要解決兩個問題，第1 個問題是架空線路的適用性問題，也就是柔性直流系統直流側故障的自清除問題；第2個問題是大容量問題。

直流故障脆弱性分析及其解決方案

1.1 直流故障脆弱性分析

直流側故障下的生存能力是評估直流輸電系統性能的重要指標。在架空線輸電場合導線裸露在空間中，線路容易發生短路、閃絡等暫時性故障。然而目前柔性直流技術存在固有缺陷，即無法像傳統直流技術那樣單純依靠換流器控制來完成直流側故障的清除。直流側故障期間，故障電流存在兩個通路：

1）電容放電通路；

2）交流系統饋能通路。即使閉鎖換流器，交流系統經過換流器內部兩相橋臂中器件的反並聯續流二極體以及直流故障點仍可構成能量流動路徑，故障電流無法中斷。柔性直流系統直流側故障的脆弱性表現在兩個方面：

①對直流系統(或換流器本身)的影響，故障電流會對器件造成衝擊；

②對所連交流系統的影響，相當於電網發生三相短路故障，對交流系統的安全穩定性非常不利。特別是對於多端直流系統，單點直流短路故障等效於同時發生多點交流短路故障。

1.2 直流短路故障的解決方案

原理上講，處理直流輸電系統直流側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路與交流系統的連線；

2）跳開直流斷路器以隔離直流短路故障點；

3）藉助換流器自身控制實現直流側短路故障的自清除。

目前，藉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短路故障唯一經濟可行的手段。然而開斷交流斷路器屬於機械動作，回響速度慢，最快動作時間大約2~3 個周波，期間開關器件仍存在承受過電壓過電流的風險，故需要採取如提高器件額定參數、增大橋臂電抗以限制故障電流上升率、子模組內配置快速旁路開關等輔助性措施(以MMC 為例)，這增大了換流器的體積和重量，提高了系統造價。故障清除後，重啟動時各設備配合動作時序複雜、系統恢復時間較長。

直流斷路器設計研製工作開展得很早，型式多樣，如機械式、固態式和混合式等，其中最有套用前景的應屬結合常規機械開關和電力電子器件特點的混合式斷路器，2012 年ABB 公司完成相關樣機並通過實驗[23]，國網智慧型電網研究院等也開展了類似的研究設計。然而，由於存在技術層面和套用層面兩方面的原因，直流斷路器在高壓大容量場合仍鮮有套用：

①技術上各類型斷路器大多存在如下缺點，比如滅弧非常困難，開斷速度較慢，線路能量不易耗散，運行損耗大，造價昂貴，技術複雜不成熟等[19,25-26]。2013 年國際大電網(CIGRE)工作組向ABB、Siemens 和ALSTOM 等公司調研直流斷路器研發速度，得到的結論是研製500kV 和800 kV 級別的直流斷路器大約分別需要10 年和15年；

②在大容量遠距離輸電場合，點對點兩端或基於兩端的多端技術(如印度的NEA800 直流工程)仍是最主流的輸電方式，處理直流故障時整個系統必然會受到影響，不能正常輸電，故直流斷路器“隔離故障區域保證健全部分的”的優勢無法發揮。

利用換流器自身控制實現直流側故障的自清除，具有無需機械開關動作、系統恢復速度快等優點，特別適合於大容量遠距離直流輸電系統。事實上傳統直流輸電技術就是這么做的，即通過強制移相使整流器進入逆變方式，使弧道電流和弧道電壓迅速降低為零實現直流側故障快速消除。尋找具有直流故障穿越能力的新型電壓源換流器是目前學術界和工業界的研究熱點。ALSTOM 公司提出橋臂交替導通多電平換流器(alternate-arm multilevelconverter，AAMC)和混合級聯多電平換流器(hybrid cascaded multilevel converter，HCMC)，結合了兩電平換流器和MMC 拓撲的優點。德國學者Rainer Marquardt 提出了基於全橋子模組(fullbridge sub-module，FBSM)和箝位雙子模組(clampdouble sub-module，CDSM)的改進型MMC，相應地被稱為F-MMC 和C-MMC。浙江大學研究團隊針對我國遠距離大容量輸電具有潮流單向性的特點，提出了整流側採用傳統晶閘管換流器(LCC)，逆變側採用MMC，其中逆變側MMC 的直流出口處裝設大功率二極體閥的混合拓撲結構(簡稱為LCC-D-MMC 結構)，以下稱直流側出口裝有二極體閥的MMC 為D-MMC(MMC withdiodes)。

適用於架空線場合的換流器拓撲對比分析

現有拓撲分類將柔性直流技術推廣到架空線的套用場合，關鍵在於電壓源換流器拓撲結構能否具有直流故障自清除能力。

根據拓撲結構和處理直流故障的方式不同，現有可穿越直流故障的拓撲結構可分為3 類，如圖1所示。第1 類是將直流故障轉化為交流故障，直流迴路故障電流自由衰減，交流系統饋入換流站的有功功率、無功功率不可控；第2 類是換流器利用二極體單嚮導通特性，引導儲能電容提供反電勢同時吸收故障迴路的能量，隔斷交直流網路連線通路，完全閉鎖後交流系統向換流站饋入有功功率、無功功率均為零；第3 類，故障期間將換流器解耦為兩部分，交流部分可以運行在靜止無功補償器(staticsynchronous compensator，

STATCOM)模式，可向系統提供動態無功支持，而直流迴路故障電流受到二極體單嚮導通性的阻隔。

傳統換流器提升容量手段的缺陷和組合

式換流器的單元擴展方式對於 MMC 而言，提升容量和電壓的傳統手段是增加子模組級聯數量，儘管理論上子模組級聯數量可無限增加，但會帶來諸多問題：

1）需要大量I/O 數據通訊和交換，硬體實現十分困難；

2）電容電壓平衡策略一般需要對子模組電容電壓測量值進行排序，模組數目增加後排序所需的計算時間也大大增加；

3）控制系統的採樣頻率需要很高才能識別電平變化；

4）換流器最大輸送功率受制於換流變壓器容量，無法達到大容量的要求。將 3 個單相換流器串聯可實現高電壓的目標，該三相串聯的換流器概念最早由ABB 公司於2009年提出。在此基礎上，基於半橋子模組的三相串聯MMC 結構，如圖所示。

相串聯MMC 可拓展到架空線輸電場合。然而該拓撲相對於採用三相橋式電路的MMC通流能力下降。為實現大容量高電壓的要求，浙江大學研究團隊提出了以MMC 為基本換流單元進行串並聯擴展構成組合式換流器的技術路線。

接地方式和主接線選擇

理論上，柔性直流輸電系統的接地方式包括兩類基本形式，一是採用交流側接地方式，如圖(a)、(b)所示；二是採用直流側接地方式，如圖(c)—(f)所示。圖 (a)採用換流變中心點直接接地方式，該方式需要換流變採用Δ/Y0 或Y/Y0 聯結型式，附加設備較少，結構簡單，南匯示範工程即採用該接地方式，該工程連線於35 kV 交流電網。為抑制直流偏磁電流，需要配置較大的中性點接地電阻，但這種高阻接地方式主要套用在中低壓電網。

對於 110 kV 及以上電壓等級的電網，一般採用變壓器中性點直接或經低阻抗接地，故換流變壓器多採用Y0/Δ聯結型式，而且此型式能夠起到隔離零序分量在換流器與交流系統之間傳遞的作用。故如果仍然採用交流側接地方式，則需要另外配置接地支路。如圖(b)所示的星形電抗經小電阻接地方式，在美國Transbay 工程得到套用。由於星形電抗要消耗大量無功，當電抗值取得過小則消耗無功過多，當電抗過大則製造裝配困難，該方式對換流站的正常運行範圍有影響。利用曲折接線(Zig-Zag)變壓器以構建交流側有效接地的方式。

傳統兩電平柔性直流系統利用直流側分裂電容引出接地支路，其電容同時起到支撐直流電壓的作用，MMC 型柔性直流系統仍可借鑑。然而MMC橋臂包含有大量分散式懸浮電容，直流側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(d)所示。不過該接地方式與箝位電阻參數選取密切相關，當電阻取得過小則穩態運行損耗較大，影響系統綜合效益；當電阻取得過大則整個系統近似不接地，無法實現為整個換流站提供參考電位的功能。

圖 (a)—(d)為目前柔性直流輸電選擇的基本接地形式，其特點為單換流器構成自然雙極(偽雙極)結構，即極和換流器沒有清晰區別開來，換流器故障後會導致整個系統停運。除引言所述的限制因素外，單換流器構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 (e)給出借鑑傳統直流輸電工程的接地方式，直流側採用專門的接地極，其從雙極結構中性母線經接地引線引入；正極和負極相對獨立，一極故障對健全極影響較小，可參照傳統直流系統成熟的設計流程。採用雙極結構形式，運行方式靈活多樣，系統可靠性高，易於系統分期建設和增容擴建，非洲的Caprivilink 工程[51]和正在規劃中的加拿大Nelson River 第3 個雙極直流工程(Bipole 3)均採用該接地方式，但此方式下接地極占地面積較大，換流變需要採用專門的換流變壓器以承受直流偏置電壓。

圖 (f)—(h)給出了圖(e)的3 種變形方式，即上下極不共交流場、組合式換流器內部串聯和並聯單元不共交流場。這種MMC 換流單元分散接入交流系統的形式，有利於大容量功率的接受和消納，降低了所連交流系統故障對直流網路的影響。

挑戰機遇和前景展望

利用換流單元串並聯技術構成組合式換流器，是柔性直流實現大容量輸電的發展方向；採用具有直流故障自清除能力的換流器拓撲，是柔性直流擴展到架空線場合的重要途徑。然而推進大容量架空線柔性直流技術的工程套用，還需要開展大量的工作，至少包括以下幾個方面：

1）主迴路關鍵參數的成套設計及最佳化方法研究。例如組合式換流器內換流單元個數和單元內模組數目如何最佳化配合，換流變壓器、直流側平波電抗等關鍵參數如何選擇。

2）過電壓計算和絕緣配合的研究。組合式換流器各單元的絕緣水平不同，所連線的換流變壓器存在直流偏置電壓，因此如何確定換流單元連線點絕緣水平、組合式換流器的避雷器布置方式及參數是一個嶄新的課題。

3）組合式換流器協同控制策略研究。各換流單元可獨立控制，運行方式靈活多變。某個換流單元投入或退出運行，對系統協調和設備配合提出了要求；此外組合型拓撲啟停控制、穩態運行及故障處理的控制保護策略及整體解決方案亟待研究。

4）混合直流系統中整流側交流系統故障對整個交直流系統安全穩定性的影響。當整流側交流系統故障後，引起交流電壓跌落進而導致直流電壓下降；而逆變側換流器囿於電壓調製比運行範圍的限制(不能過調製)，其直流電壓向下可調能力非常有限。一旦逆變側直流電壓高於整流側直流電壓後，導致直流電流迅速下降到零，造成功率輸送中斷。需要研究整流側交流系統故障時由於直流線路功率中斷對整個系統穩定性的影響。