淺析柔性直流輸電系統拓撲結構

王克 甘瑜前 汪天呈

摘要：柔性直流輸電系統具有線路損耗低、可控性強等優勢，成為當前電力網大力發展的輸電方案。柔性直流輸電系統的拓撲結構則是輸電工程中的關鍵技術之一，決定輸電網絡的性能。文章分析了柔性直流輸電系統的技術原理，重點對柔性直流輸電系統的拓撲結構進行了研究，為柔性直流輸電系統的拓撲結構方案設計與應用提供理論參考。

關鍵詞：柔性直流;輸電系統;拓撲結構;輸電方案

一、 引言

隨著國民經濟的快速發展，能源的需求不斷攀升，電力能源無論在發電、輸電、配電等方面都有著很大的技術發展，但隨著電力能源的發展，也出現了很多新的技術難題傳統的交流輸電和直流輸電技術目前還無法在技術效益和經濟效益上有效地解決以上難題。而隨著電力電子器件和控制技術的發展，采用 IGBT、IGCT 等新型全控電力電子器件構成電壓源型換流站（Voltage Source Converter，VSC） 進行直流輸電成為可能。柔性直流輸電技術不需要交流系統提供換相容量、可以向無源負荷供電，在促進大規模風力發電場并網、城市供電和孤島供電等新技術的發展，滿足持續快速增長的能源需求和能源的清潔高效利用，有著非常顯著的作用。

二、柔性直流輸電系統的技術原理

目前工程領域常用的柔性直流輸電系統主要采用3種方式：兩電平電壓源換流器、多電平電壓源換流器和模塊化多電平電壓源換流器（MMC）。

1.兩電平電壓源換流器的技術原理

兩電平電壓源換流器的每一相都有2個橋臂，因此共有6個橋臂構成，每個橋臂都是由二極管和IGBT通過并聯方式組成，如圖1所示。在工程應用中，為了提高柔性直流輸電系統的供電電壓和供電容量，一般可將多個二極管和IGBT并聯再串聯。并聯的二極管與IGBT所串聯的個數直接決定VSC的額定功率和耐壓強度。在兩電平電壓源換流器的設計中，每一相的2個橋臂上的IGBT均可以單獨導通，并單獨輸出2個電平，最后通過PWM對輸出電平進行調制，最終得到柔性直流輸電波形。

兩電平電壓源換流器通過增加串聯的二極管和GBIT提高供電電壓和電流，因此在大容量直流輸電方面存在較大技術缺陷。隨著串聯的二極管和GBIT個數的增加，將增加動態電壓的不穩定性，而且串聯的二極管和GBIT也會增加輸電系統輸電波形的諧波含量，進而降低柔性直流輸電系統的功率和效率。

2.多電平電壓源換流器的技術原理

多電平電壓源換流器技術在兩電平電壓源換流器技術基礎上發展而來。相比于兩電平電壓源換流器，多電平電壓源換流器共用了直流電容器，通過多接幾組共用的二極管，就可形成多個電壓等級的換流器。多電平電壓源換流器可比兩電平電壓源換流器多輸出不同的直流輸出電平。多電平電壓源換流器如圖2所示。多電平電壓源換流器可在相同的電力開關器件基礎上實現比兩電平電壓源換流器更多倍的輸出電壓，因此可有效提高直流電壓等級。但是多電平電壓源換流器的本質仍與兩電平電壓源換流器相似，也無法從根本上解決大容量直流輸電系統存在的動態電壓的不穩和諧波含量大的問題。

3.模塊化多電平電壓源換流器的技術原理

模塊化多電平電壓源換流器與兩電平SVC的區別是每一相的橋臂不再是由二極管和GBIT串聯而成，而是利用多個相對獨立的子模塊和串聯的電抗器構成。其中獨立的子模塊主要實現兩路電流同時開通、同時中斷、某一路電流單獨通斷等功能。MMC在工程應用中，為保證直流側的電壓恒定不變，必須是三相中所采用的子模塊數量相統一。若在三相中所采用的子模塊不同，則會因三相直流電壓不相等，直流母線可能產生沖擊電壓，從而造成輸電系統故障。為避免此類故障，一般要在各個橋臂接入電抗器，實現直流側不同電壓的動態無功補償。

MMC所采用的子模塊數量越多，直流輸電系統所輸出的電力波形越接近于正弦波，因此可有效降低諧波的比例，提高直流輸電系統功率和效率。

三、柔性直流輸電系統拓撲結構分析

柔性直流輸電系統的拓撲結構需要考慮選擇合適的換流器、接地點、工程成本等，因此選擇合適的柔性直流輸電系統的拓撲結構對輸電網絡的輸電效率、經濟效益均有較大意義。本文結合國內外當前主流的柔性直流輸電系統，介紹3種柔性直流輸電系統拓撲結構設計方案。

1.基于SVC或MMC的拓撲結構

在柔性直流輸電系統工程應用的早期，由于輸電容量較低且直接采用電纜作為柔性直流輸電系統的直流線路，因此多采用基于SVC或MMC的基本換流器組成的拓撲結構設計輸電系統。基于SVC的拓撲結構中，接地的是直流側的電容器的中點。這種拓撲結構形成了一種正負極對稱的線路形式，從而確保柔性直流輸電系統在正常運行時不會有工作流經過接地點，保證了輸電系統的安全性和可靠性。而基于MMC換流器的拓撲結構中，由于直流側并沒有集中布置的電容器，因此無法選擇類似SVC結構中的接地點。為了降低MMC拓撲結構的直流輸電線路中的絕緣水平，需要在拓撲結構中構造正負極對稱的線路布局，從而達到良好的直流輸電效果。

2.基于組合式換流器的拓撲結構

單一的SVC或MMC雖然可通過增加串聯的級數實現輸電線路容量和電壓級別，但是終究存在輸電壓力不穩及諧波影響。通過將SVC和MMC組合的方式構建柔性直流輸電系統拓撲結構，既可以達到提高直流輸電系統容量目的，也可以有效降低輸電線路諧波干擾。

在組合式換流器構建的柔性直流輸電系統拓撲結構中，采用n個SVC或MMC構成整個整流器，每個SVC或MMC都有相對獨立的輸電接地點;通過n個SVC或MMC的級聯，形成了n倍SVC單元輸電電壓和輸電電流的柔性直流輸電系統。采用組合式換流器拓撲結構的柔性直流輸電系統，解決了基于SVC或MMC的拓撲結構中單一故障對整個輸電系統的影響，從而極大地提高了柔性直流輸電系統的可靠性。另外，級聯的SVC或MMC拓撲結構，也降低了柔性直流輸電系統的絕緣水平，對柔性直流輸電系統的輸電效率具有極大改善作用。

3.其他拓撲結構

除當前常用的幾種柔性直流輸電系統拓撲結構外，根據我國電力能源的分布和消耗情況，也有一些針對性的柔性直流輸電系統拓撲結構。針對我國電力能源的“西電東送”，設計了LCC整流站+MMC逆變站的混合拓撲結構式合計方案。成熟的LCC整流站技術加上MMC逆變站設計，從而解決了單相輸電時載荷系統換相失敗的難題。但是這類拓撲結構僅適用于單向直流電力傳輸，若能源需求發生變化，則該線路無法適應。針對風力發電的直流輸電問題，設計了基于

VSC整流站+LCC逆變站的拓撲結構設計，VSC整流站可適應風力發電的交流電壓調整，避免單獨LCC線路換相失敗的問題。

總之，柔性直流輸電技術相對于傳統直流輸電技術的優勢，隨著電力電子器件的發展及各種柔性直流輸電技術的完善，將在電力領域有著越來越大的作用。采取合理的換流器拓撲結構及主接線拓撲結構，在構建高效率高可靠性柔性直流輸電系統上也起著越來越關鍵的作用。

參考文獻

[1]馬為民，吳方劼，楊一鳴，張濤. 柔性直流輸電技術的現狀及應用前景分析[J]. 高電壓技術，2014，40（08）：2429-2439.

[2]仉雪娜，趙成勇，龐輝，林暢. 基于MMC的多端直流輸電系統直流側故障控制保護策略[J]. 電力系統自動化，2013，37（15）：140-145.

作者簡介：王克（1986.11.20—），男;籍貫：江西;漢;碩士研究生;研究方向：新能源電力系統設計;