[科普中国]-大容量架空线柔性直流输电

简述

与传统直流输电技术相比，以电压源换流器(voltage sourced converter，VSC)为核心部件、脉宽调制(pulse width modulation，PWM)控制为理论基础的新一代直流输电技术具有不存在换相失败风险、可实现有功无功快速解耦控制、输出电压电流谐波含量低等诸多优点[1-6]。国际上将该技术正式命名为“电压源换流器型高压直流输电(voltage sourceconverter based high voltage direct current ，VSC-HVDC)”，ABB 公司称其为“HVDC Light”，Siemens 公司称其为“HVDC PLUS”，Alstom 公司称之为“HVDC MaxSine”。

2006 年5 月，由国家电网公司组织国内权威专家在北京召开了“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，与会专家一致建议将基于VSC 技术的直流输电统称为“柔性直流输电”。

柔性直流输电技术是伴随电力电子器件、换流器拓扑结构和调制控制策略的进步而发展的，就其发展过程和趋势可将柔性直流输电技术分为3 代。第1 代技术采用两电平或三电平换流器，换流阀由IGBT 器件直接串联构成，制造难度大，功率器件开关频率高，损耗大。第2 代技术采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)[7]，子模块采用半桥结构(half bridge sub-module ，HBSM)，换流阀由子模块级联构成，不需要IGBT器件直接串联，制造难度较低，功率器件开关频率低，损耗低。ABB 公司提出的级联两电平换流器(cascaded two-level converter，CTL)[8]也属于第2 代技术范畴。第3 代技术目前正在开发中，还没有定型，与前两代技术相比，第3 代技术主要解决两个问题，第1 个问题是架空线路的适用性问题，也就是柔性直流系统直流侧故障的自清除问题；第2个问题是大容量问题。

直流故障脆弱性分析及其解决方案1.1 直流故障脆弱性分析

直流侧故障下的生存能力是评估直流输电系统性能的重要指标。在架空线输电场合导线裸露在空间中，线路容易发生短路、闪络等暂时性故障。然而目前柔性直流技术存在固有缺陷，即无法像传统直流技术那样单纯依靠换流器控制来完成直流侧故障的清除。直流侧故障期间，故障电流存在两个通路：

1）电容放电通路；

2）交流系统馈能通路。即使闭锁换流器，交流系统经过换流器内部两相桥臂中器件的反并联续流二极管以及直流故障点仍可构成能量流动路径，故障电流无法中断。柔性直流系统直流侧故障的脆弱性表现在两个方面：

①对直流系统(或换流器本身)的影响，故障电流会对器件造成冲击；

②对所连交流系统的影响，相当于电网发生三相短路故障，对交流系统的安全稳定性非常不利。特别是对于多端直流系统，单点直流短路故障等效于同时发生多点交流短路故障。

1.2 直流短路故障的解决方案

原理上讲，处理直流输电系统直流侧短路故障的基本途径有3 种：

1）利用交流断路器切断直流网络与交流系统的连接；

2）跳开直流断路器以隔离直流短路故障点；

3）借助换流器自身控制实现直流侧短路故障的自清除。

目前，借助交流断路器切断故障电流几乎是所有已建柔性直流工程处理直流侧短路故障唯一经济可行的手段。然而开断交流断路器属于机械动作，响应速度慢，最快动作时间大约2~3 个周波，期间开关器件仍存在承受过电压过电流的风险，故需要采取如提高器件额定参数、增大桥臂电抗以限制故障电流上升率、子模块内配置快速旁路开关等辅助性措施(以MMC 为例)，这增大了换流器的体积和重量，提高了系统造价。故障清除后，重启动时各设备配合动作时序复杂、系统恢复时间较长。

直流断路器设计研制工作开展得很早，型式多样，如机械式、固态式和混合式等，其中最有应用前景的应属结合常规机械开关和电力电子器件特点的混合式断路器，2012 年ABB 公司完成相关样机并通过实验[23]，国网智能电网研究院等也开展了类似的研究设计。然而，由于存在技术层面和应用层面两方面的原因，直流断路器在高压大容量场合仍鲜有应用：

①技术上各类型断路器大多存在如下缺点，比如灭弧非常困难，开断速度较慢，线路能量不易耗散，运行损耗大，造价昂贵，技术复杂不成熟等[19,25-26]。2013 年国际大电网(CIGRE)工作组向ABB、Siemens 和ALSTOM 等公司调研直流断路器研发速度，得到的结论是研制500kV 和800 kV 级别的直流断路器大约分别需要10 年和15年；

②在大容量远距离输电场合，点对点两端或基于两端的多端技术(如印度的NEA800 直流工程)仍是最主流的输电方式，处理直流故障时整个系统必然会受到影响，不能正常输电，故直流断路器“隔离故障区域保证健全部分的”的优势无法发挥。

利用换流器自身控制实现直流侧故障的自清除，具有无需机械开关动作、系统恢复速度快等优点，特别适合于大容量远距离直流输电系统。事实上传统直流输电技术就是这么做的，即通过强制移相使整流器进入逆变方式，使弧道电流和弧道电压迅速降低为零实现直流侧故障快速消除。寻找具有直流故障穿越能力的新型电压源换流器是目前学术界和工业界的研究热点。ALSTOM 公司提出桥臂交替导通多电平换流器(alternate-arm multilevelconverter，AAMC)和混合级联多电平换流器(hybrid cascaded multilevel converter，HCMC)，结合了两电平换流器和MMC 拓扑的优点。德国学者Rainer Marquardt 提出了基于全桥子模块(fullbridge sub-module，FBSM)和箝位双子模块(clampdouble sub-module，CDSM)的改进型MMC，相应地被称为F-MMC 和C-MMC。浙江大学研究团队针对我国远距离大容量输电具有潮流单向性的特点，提出了整流侧采用传统晶闸管换流器(LCC)，逆变侧采用MMC，其中逆变侧MMC 的直流出口处装设大功率二极管阀的混合拓扑结构(简称为LCC-D-MMC 结构)，以下称直流侧出口装有二极管阀的MMC 为D-MMC(MMC withdiodes)。

适用于架空线场合的换流器拓扑对比分析现有拓扑分类将柔性直流技术推广到架空线的应用场合，关键在于电压源换流器拓扑结构能否具有直流故障自清除能力。

根据拓扑结构和处理直流故障的方式不同，现有可穿越直流故障的拓扑结构可分为3 类，如图1所示。第1 类是将直流故障转化为交流故障，直流回路故障电流自由衰减，交流系统馈入换流站的有功功率、无功功率不可控；第2 类是换流器利用二极管单向导通特性，引导储能电容提供反电势同时吸收故障回路的能量，隔断交直流网络连接通路，完全闭锁后交流系统向换流站馈入有功功率、无功功率均为零；第3 类，故障期间将换流器解耦为两部分，交流部分可以运行在静止无功补偿器(staticsynchronous compensator，

STATCOM)模式，可向系统提供动态无功支持，而直流回路故障电流受到二极管单向导通性的阻隔。1

传统换流器提升容量手段的缺陷和组合式换流器的单元扩展方式对于 MMC 而言，提升容量和电压的传统手段是增加子模块级联数量，尽管理论上子模块级联数量可无限增加，但会带来诸多问题：

1）需要大量I/O 数据通讯和交换，硬件实现十分困难；

2）电容电压平衡策略一般需要对子模块电容电压测量值进行排序，模块数目增加后排序所需的计算时间也大大增加；

3）控制系统的采样频率需要很高才能识别电平变化；

4）换流器最大输送功率受制于换流变压器容量，无法达到大容量的要求。将 3 个单相换流器串联可实现高电压的目标，该三相串联的换流器概念最早由ABB 公司于2009年提出。在此基础上，基于半桥子模块的三相串联MMC 结构，如图所示。

相串联MMC 可拓展到架空线输电场合。然而该拓扑相对于采用三相桥式电路的MMC通流能力下降。为实现大容量高电压的要求，浙江大学研究团队提出了以MMC 为基本换流单元进行串并联扩展构成组合式换流器的技术路线。

接地方式和主接线选择理论上，柔性直流输电系统的接地方式包括两类基本形式，一是采用交流侧接地方式，如图(a)、(b)所示；二是采用直流侧接地方式，如图(c)—(f)所示。图 (a)采用换流变中心点直接接地方式，该方式需要换流变采用Δ/Y0 或Y/Y0 联结型式，附加设备较少，结构简单，南汇示范工程即采用该接地方式，该工程连接于35 kV 交流电网。为抑制直流偏磁电流，需要配置较大的中性点接地电阻，但这种高阻接地方式主要应用在中低压电网。

对于 110 kV 及以上电压等级的电网，一般采用变压器中性点直接或经低阻抗接地，故换流变压器多采用Y0/Δ联结型式，而且此型式能够起到隔离零序分量在换流器与交流系统之间传递的作用。故如果仍然采用交流侧接地方式，则需要另外配置接地支路。如图(b)所示的星形电抗经小电阻接地方式，在美国Transbay 工程得到应用。由于星形电抗要消耗大量无功，当电抗值取得过小则消耗无功过多，当电抗过大则制造装配困难，该方式对换流站的正常运行范围有影响。利用曲折接线(Zig-Zag)变压器以构建交流侧有效接地的方式。

传统两电平柔性直流系统利用直流侧分裂电容引出接地支路，其电容同时起到支撑直流电压的作用，MMC 型柔性直流系统仍可借鉴。然而MMC桥臂包含有大量分布式悬浮电容，直流侧完全可以省略集中布置的电容，故可用箝位大电阻替代以引出接地电位，如图(d)所示。不过该接地方式与箝位电阻参数选取密切相关，当电阻取得过小则稳态运行损耗较大，影响系统综合效益；当电阻取得过大则整个系统近似不接地，无法实现为整个换流站提供参考电位的功能。

图 (a)—(d)为目前柔性直流输电选择的基本接地形式，其特点为单换流器构成自然双极(伪双极)结构，即极和换流器没有清晰区别开来，换流器故障后会导致整个系统停运。除引言所述的限制因素外，单换流器构成伪双极的主接线方式也是造成柔性直流输电能力低的重要因素。

图 (e)给出借鉴传统直流输电工程的接地方式，直流侧采用专门的接地极，其从双极结构中性母线经接地引线引入；正极和负极相对独立，一极故障对健全极影响较小，可参照传统直流系统成熟的设计流程。采用双极结构形式，运行方式灵活多样，系统可靠性高，易于系统分期建设和增容扩建，非洲的Caprivilink 工程[51]和正在规划中的加拿大Nelson River 第3 个双极直流工程(Bipole 3)均采用该接地方式，但此方式下接地极占地面积较大，换流变需要采用专门的换流变压器以承受直流偏置电压。

图 (f)—(h)给出了图(e)的3 种变形方式，即上下极不共交流场、组合式换流器内部串联和并联单元不共交流场。这种MMC 换流单元分散接入交流系统的形式，有利于大容量功率的接受和消纳，降低了所连交流系统故障对直流网络的影响。2

挑战机遇和前景展望利用换流单元串并联技术构成组合式换流器，是柔性直流实现大容量输电的发展方向；采用具有直流故障自清除能力的换流器拓扑，是柔性直流扩展到架空线场合的重要途径。然而推进大容量架空线柔性直流技术的工程应用，还需要开展大量的工作，至少包括以下几个方面：

1）主回路关键参数的成套设计及优化方法研究。例如组合式换流器内换流单元个数和单元内模块数目如何优化配合，换流变压器、直流侧平波电抗等关键参数如何选择。

2）过电压计算和绝缘配合的研究。组合式换流器各单元的绝缘水平不同，所连接的换流变压器存在直流偏置电压，因此如何确定换流单元连接点绝缘水平、组合式换流器的避雷器布置方式及参数是一个崭新的课题。

3）组合式换流器协同控制策略研究。各换流单元可独立控制，运行方式灵活多变。某个换流单元投入或退出运行，对系统协调和设备配合提出了要求；此外组合型拓扑启停控制、稳态运行及故障处理的控制保护策略及整体解决方案亟待研究。

4）混合直流系统中整流侧交流系统故障对整个交直流系统安全稳定性的影响。当整流侧交流系统故障后，引起交流电压跌落进而导致直流电压下降；而逆变侧换流器囿于电压调制比运行范围的限制(不能过调制)，其直流电压向下可调能力非常有限。一旦逆变侧直流电压高于整流侧直流电压后，导致直流电流迅速下降到零，造成功率输送中断。需要研究整流侧交流系统故障时由于直流线路功率中断对整个系统稳定性的影响。3