基于MMC柔性直流輸電系統性能的分析

陳海燕 康美金 張顏真

摘 要：闡述基于模塊化多電平換流器（MMC）的柔性直流輸電系統的基本原理以及各種控制模式，分別討論了采用不同方式控制時靜止無功補償器（STATCOM）和高壓直流輸電（HVDC）兩種運行模式下柔性直流系統的性能。表明柔性直流輸電在傳輸有功功率的同時，也可維持交流系統電壓穩定以及電網穩定，并且具有長時間穩定運行的能力。

關鍵詞：柔性直流輸電；模塊化多電平換流器；靜止無功補償器；高壓直流輸電

1 概述

IGBT元件這一可自關斷器件作為柔性直流輸電系統的核心器件，比傳統直流輸電，可以獨立控制換流站有功功率和無功功率的流向；并且柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統可以向無源負荷供電，不需要交流系統提供換相容量；同時，柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統換流站的輸出電壓諧波量較小，其換流閥的開關頻率相對較高。因此，柔性直流輸電技術具有很高的應用價值，領域包括在城市電網供電、孤島供電以及分布式能源并網等方面。

特別是具有可關斷能力的新型半導體器件的出現，譬如IGBT、GTO等，并伴隨著時代發展以及現代電力電子技術的進步，應用于HVDC中的這些新型全控型器件取代傳統半控型晶閘管，大大促進了HVDC這一輸電技術在歷史上重大變革。全控型功率器件的發展及其性能發展進步，基于VSC換流技術的高壓直流輸電的工程隨著不斷改善，其應用越來越廣泛。觀其實際工程運行和技術特點方面來看，非常適合應用于光伏、風力等可再生分布式能源發電的并網、地區城市電網及孤島的供電、以及交流異步電網互聯等等相關領域上。

文章先簡要地介紹柔性直流輸電的基本原理，柔性直流輸電系統基于MMC的各種控制模式，然后介紹采用定無功功率、定直流電壓、定有功功率、定交流電壓等各種控制方式，STATCOM和HVDC兩種運行模式下，輸送不同功率時柔性直流輸電系統的性能。表明在傳輸有功功率的同時，還可以維持交流系統電壓穩定，柔性直流輸電具有長時間穩定運行的能力，對維持電網穩定運行具有重要的意義。

2 Flexible DC transmission基本原理

假設忽略系統的諧波分量，并且假設換流電抗器是無損耗時，柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統結構示意圖如圖1所示，換流閥和交流電網之間傳輸的有功功率P和無功功率Q分別如公式（1）和公式（2）所述。

圖1 柔性直流輸電系統結構示意圖

（1）

（2）

Us：交流母線電壓的基波分量；Uc：換流閥輸出電壓的基波分量；？啄：Us和Uc之間的相角差；X：換流電抗器電抗。

3 Flexible DC transmission控制模式

具有更強的功率控制方式的柔性直流輸電（Flexible DC transmission）系統。相比較于傳統交流輸電系統或者直流輸電系統，對于柔性直流換流站而言，為單站精致無功補償STATCOM方式運行以及兩站HVDC方式運行，有功功率和無功功率的控制方式在不同的運行模式下也不同，即為兩種運行模式。譬如在HVDC的模式下，可以選擇控制的方式有：定有功功率控制、定直流電壓控制、定頻率控制（有功方式控制）、定無功功率控制、定交流電壓控制（無功方式控制）。又譬如在STATCOM模式下，可以選擇控制的方式有：定直流電壓控制（有功方式控制）、定無功功率控制、定交流電壓控制（無功方式控制）。無論是哪種控制方式下，均是通過求解式（1）和式（2）得到橋臂電壓的調值參考值，通過計算出當前的所需要的有功功率和無功功率的數值，然后進而進行實際控制換流閥操作，最終調制出相應的電壓波形?；镜牟襟E大致上是如此的。

4 柔性直流輸電系統性能分析

4.1 STATCOM運行方式下Flexible DC transmission系統的性能

在進行交流電壓控制后，有時發出無功功率，有時吸收無功功率，柔性直流換流站輸出的無功功率不斷變化，以實時進行無功補償，從而確保交流母線電壓恒定。采用定交流電壓控制前，交流母線電壓有較大的波動，柔性直流輸電（Flexible DC transmission）在單站STATCOM系統運行模式下，采用定直流電壓、定交流電壓控制時，輸出的無功功率波形和交流母線電壓波形進而接入和增強系統的可擴展性。

4.2 HVDC運行方式下（Flexible DC transmission）系統的性能

Flexible DC transmission系統輸送額定容量負荷時，換流站的有功和無功的輸出相對平穩，譬如，有功功率設定值為18.0MW，無功功率設定值為2.0Mvar，無功功率瞬時值在0～4.5Mvar之間變化，有功功率瞬時值在16.5～19.5MW之間變化，直流電壓在瞬時54.2～64.1kV之間變化。

柔性直流系統（Flexible DC transmission）在輸送額定容量負荷時，在傳輸功率調整到額定值后，柔性直流輸電系統輸出的恒定的有功和無功功率，可以計算得到，其直流電壓有效值也幾乎沒有波動。

柔性直流系統傳輸額定負荷時，輸出閥側電壓諧波含量很小，波形為無畸變的正弦波。上、下橋臂的電流波形為帶有直流偏置的正弦波，有文獻曾經提及，結合相關的理論分析，其二者結果完全一致。正負極的直流電壓對稱且恒定。直流電流幅值上有一定的波動，但其平均值維持在290A左右，上下橋臂電流合成后閥側電流波形，沒有偏置量，是正弦波。同時對于換流閥交直流側的電壓、電流波形，指明經柔性直流輸電系統逆變產生的交流電壓、電流波形，其諧波含量小，系統穩定性較高。更進一步證實了柔性直流輸電的優點。

具有更多的功率控制方式，柔性直流換流站與傳統的交直流變電站相比。我國陸續實踐的工程上的調試的結果表明，柔性直流換流閥逆變輸出的電壓和電流波形含有較少諧波分量，輸出穩定的正弦波，其上下換流站橋臂的電流波形和理論分析結果相符。其有功功率、無功功率在柔性直流輸電系統額定容量運行時，能輸出平穩準確。同時交直流電壓、電流等均能維持穩定運行，柔直系統的換流站在單站運行時，能夠通過發出或吸收無功功率，進而維持交流電壓穩定。

5 結束語

具有長時間穩定運行的能力的柔性直流輸電，既可在傳輸有功功率時期，還可維持交流系統的電壓側穩定，柔直輸電系統在額定容量時具有良好的性能。采用該MMC技術對維持電網穩定具有重要的意義。

參考文獻

[1]毛穎科，桂順生，賀之淵，等.基于MMC技術的柔性直流輸電系統性能分析[J].華東電力，2011，7：1133-1136.

作者簡介：陳海燕（1982，2-），女，吉林伊通人，工學學士，國網福建省電力有限公司檢修分公司工程師，主要研究：柔性直流輸電。