柔性直流换流器结构及技术展望

131中国设备工程EngineeringhinaCPlant中国设备工程2017.05（上）柔性直流换流器结构及技术展望赵敏，李顺昕，吕昕，杨金刚，杨敏(国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京100038)摘要：柔性直流输电技术是采用全控型电力电子器件以及电压源换流器的新型输电技术。本文分析了两电平、三电平以及模块化多电平三大类换流器拓扑结构的特点，从器件层面、换流器层面以及系统层面展开了柔性直流与传统直流技术的比较，展望了柔性直流技术的发展局限性以及应用场景。关键词：柔性直流；换流器；高压直流输电；模块化多电平中图分类号：TM721.1文献标识码：A文章编号：1671-0711（2017）05（上）-0131-021 概述柔性直流输电技术（HVDCFlexible，其中HVDC指高压直流输电），简称柔性直流，又称为电压源换流器型高压直流输电（VSC-HVDC或VSC-Transmission，其中VSC指电压源换流器）、轻型直流（HVDCLight）以及新型直流（HVDCPlus），是指采用IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管）等全控型电力电子器件以及电压源换流器的第三代直流输电技术。相比于采用晶闸管以及电流源换流器的第二代直流输电技术（文中称为“传统直流输电”），柔性直流具有一系列新特点，目前受到国内外的广泛关注。2 换流器拓扑结构柔性直流的换流器包含逆变器和整流器，原理相通。换流器的拓扑结构主要分为两电平、三电平和模块化多电平三大类，对应换流器直流侧单相原始输出电压（未滤波前）的电平数量。2.1 两电平两电平结构最为简单。换流器共有六个桥臂，每相对应两个桥臂，每个桥臂由多个基本单元串联构成，每个基本单元由单个IGBT和与之反并联的二极管构成。三相的脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）公用同一个三角波载波信号，调制信号依次相差120°，每相输出电压的PWM波形只有±Udc/2两种电平，其中Udc为直流侧电压。该结构的主要优势在于结构简单，电容器数量少，占地面积小，易于模块化构造。主要劣势在于开关器件的投切频率高，损耗大；交流侧波形较差，谐波含量高；换流阀承受的电压较高。早期的以及国外的柔性直流工程换流器主要以两电平结构为主。2.2 三电平三电平又称为二极管钳位型三电平结构。与两电平结构相比，三电平结构的主拓扑在桥臂与地电压之间增加了钳位二极管；三相的脉宽调制公用载波由正侧三角波和负侧三角波两个三角波共同构成；每相的PWM输出波形有±Udc/2和0三种电平。该结构的主要优势在于：开关损耗较低，电容器取值较小，阀承受电压较小，占地面积小，交流电压波形质量较高，阶跃电压较小。主要劣势在于：器件数量增多，电容电压易不平衡，不利于模块化实现。国外的一部分柔性直流工程换流器采用三电平拓扑结构。2.3 模块化多电平模块化多电平桥臂采用了子模块级联的方式构成，而非由开关器件直接串联而成，从而降低了对器件一致性的需求，打破了单一公司的技术垄断。子模块的具体结构又可分为半桥型子模块、双箝位型子模块和全桥型子模块等。相比于两电平或者三电平结构，模块化多电平结构采用阶梯波而非PWM波逼近正弦波，使得谐波分量更少，节省滤波器投资。总体来说，模块化多电平的优势在于制造难度下降；开关频率低，损耗小；波形质量高，交流滤波器容量小甚至不需要；故障处理能力强，提升换流的可靠性；阶跃电压降低，开关器件承受应力降低，产生的高频辐射降低。主要劣势在于所用器件数量多；技术难度转移到了控制方面。目前国内的柔性直流工程换流器基本上采用模块化多电平结构。3 技术展望3.1 与传统直流输电的主要区别（1）器件层面。传统直流采用晶闸管，柔性直流采用IGBT。从被控程度来看，前者是半控型器件，后者是全控型器件。从驱动性质来看，前者是电流驱动型，后者是电压驱动型。从导通与关断原理角度，当晶闸管承受正向电压时，仅在门极（控制极）有触发电流的情132研究与探索ResearchandExploration·探讨与创新中国设备工程2017.05(上)况下晶闸管才能导通，一旦导通，仅通过门极无法关断，需主电路电流降到接近于零的某一数值以下；IGBT的开通和关断由栅极（控制极）电压来控制，相对于源极，栅极加正电压时，IGBT导通，栅极加负电压或者电压为0时，IGBT关断。从器件开关频率角度，前者低，后者较高。从极限电压和电流角度，前者高，后者中等。从损耗角度，前者小，后者较大。从制造成本角度，前者低，后者较高。（2）换流器层面。传统直流采用电流源换流器，柔性直流采用电压源换流器。从触发控制方式来看，前者采用相控触发，后者可采用脉宽调制。从是否会发生换相失败的角度，前者会发生，后者不会发生。从直流电压及电流方向的角度，前者直流电流是单向的，直流电压极性随直流潮流而变化，后者直流电压是单向的，直流电流极性随直流潮流而变化。从容量的角度，前者大，后者较小。从无功补偿的角度，前者需要，后者不需要。从占地角度，同等容量的换流站，前者占地较大，后者占地较小。（3）系统层面。传统直流由交流侧提供换相电流，受端为有源网络，且容量需足够大，否则易发生换相失败；柔性直流电流自关断，可向无源网络供电。传统直流吸收大量的无功功率，需要大量的无功功率补偿和滤波设备；柔性直流不需要交流侧提供无功功率，并且在需要的情况下，可起到STATCOM（StaticSynchronousCompensator，静止无功补偿器）的作用，补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。潮流翻转时，传统直流的直流电流方向不变，直流电压极性发生翻转，不利于构建多端直流输电系统；而柔性直流的直流电流反向，直流电压极性不变，有利于构成并联多端直流系统。从有功无功控制角度，前者只能2个象限运行，不可单独控制有功功率或无功功率；后者可在4个象限运行，可独立控制有功和无功功率。从通讯角度，前者换流站间需要通讯，后者换流站间的通讯不是必须的。3.2 发展局限性当前柔性直流技术正处于迅速发展的阶段，但从广泛应用的角度，仍存在一定局限性。一是电压等级、传输容量以及输电距离有限。已投运的工程中，柔性直流电压等级最高为±320kV，容量最大为1000MW，输电距离最长为970km（非同一工程），而传统直流电压等级最高为±800kV，容量最大为7200MW，输电距离最长为2059km。二是造价昂贵。当前国内柔性直流单位容量造价约为传统直流的4～5倍。由于直流电缆制造工艺复杂，电压等级受到制约，且造价高昂，未来发展架空线路柔性直流将成为趋势。三是直流故障不易清除，可靠性较低。以国内最常用的基于半桥型子模块的模块化多电平结构为例，当直流侧发生极间短路时，即使闭锁换流阀，交流系统依然可通过阀的反并联二极管为直流侧提供故障电流，此时相当于交流侧三相短路，只能跳开交流进线断路器才能清除故障，限制了直流恢复时间。四是直流断路器研制困难。由于缺少可靠的高压大容量直流断路器，直接限制了直流多端网络的发展。五是单站损耗较大。传统直流单站损耗约为0.6%；柔性直流（以模块化多电平结构为例）单站损耗约在0.8%～1.2%左右。3.3 应用场景基于前述特点，柔性直流的典型应用场景包括且不限于：孤岛（例如海上钻井平台）供电、风力发电并网、光伏发电并网、城市供电、多端直流互联、弱电网联结、异步电网互联以及构建地区电力供应商交换电力的平台。以冀北范围内的张家口地区为例，风电、光伏等可再生发电资源丰富，而本地负荷量较小，新能源就地消纳率低，附近有北京、天津、唐山等负荷中心，适合采用柔性直流技术将张家口的可再生能源发电送往多处负荷中心，并且一定程度上解决大型风力发电并网带来的一系列稳定性问题。4 结语柔性直流输电技术是基于全控型电力电子器件以及电压源换流器的第三代直流输电技术。其换流器拓扑结构主要分为两电平、三电平和模块化多电平三大类。国内已投运的示范工程均采用模块化多电平结构。由于柔性直流具有能为交流侧提供无功支持，能对有功和无功进行独立控制，可在系统不停电的情况下实现功率传输的反转等特点，在孤岛供电、风电或光伏发电并网、城市供电、多端直流互联、弱电网联结、异步电网互联以及电力市场有着良好的应用前景。但柔性直流也具有电压等级、传输容量以及输电距离有限，造价昂贵，直流故障不易清除，直流断路器研制困难，单站损耗大等应用局限性。相信随着技术发展和运行经验的积累，柔性直流输电技术将得到更加广泛的应用。参考文献：[1]徐政,等.柔性直流输电系统[M].机械工业出版社,2012:2-6.[2]赵国亮,赵鹏豪,赵成勇,等.模块化多电平换流器子模块拓扑结构对比分析[J].华北电力大学学报,2015,42(3):15-21.[3]马为民，吴方劼，杨一鸣等.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J].高电压技术，2014,40(8):2429-2439.