两种柔性直流输电技术的比较研究

刘光辉 徐春丽 张新刚

1.山东电力设备有限公司 山东 济南 250022

2.华北电力设计院工程有限公司 北京 100120

3.中国电力技术装备有限公司 北京 100052

0 引言

作为新兴的智能化输配电技术，柔性直流输电已经在国际上获得了成功应用。与传统的高压直流输电不同，该技术采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控型半导体器件来构成电压源型换流器，通过调节换流器输出电压的幅值和相位，可实现接入点有功、无功的独立快速控制。而且，换流站所连接的交流系统不需要提供换相电压和无功功率，甚至可以是无源系统。此外，柔性直流输电系统的直流侧电压极性不会反转；一方面，为多端直流互连提供了很大便利；另一方面，使得聚合材料单极挤压电缆得到成功应用——尽管这种电缆的电压极性不能改变，但具有高强度、环保和方便掩埋等特点，尤其适合深海等恶劣环境。基于这些显著优势，柔性直流输电技术为可再生能源并网、孤岛供电、黑启动、大型城市中心区域增容等提供了良好的解决方案[1]。

目前，ABB和SIMENS两大国际电气公司已经拥有了柔性直流输电项目业绩。ABB的HVDC-light技术采用IGBT直接串联的方式来实现柔性直流输电，目前，已投运的工程包括：Murraylink、Cross Sound Cable、Troll A和NordE.ON1等十余个，其中，德国境内的NordE.ON 1风电并网工程输送容量最大，达到400 MW。SIMENS的HVDC-plus技术则采用模块化多电平（MMC）的方式；2010年底，美国境内的“Trans Bay Cable”工程成功投运，该工程输送容量也达到400 MW[2-6]。

本文通过深入分析HVDC-light和HVDC-plus的工作原理，对两种技术路线进行了比较研究，从工程实施角度总结了各自的优势。

1 HVDC-light和HVDC-plus的基本原理

基于HVDC-light技术的两电平换流站如图1[7]。

图1 两电平HVDC-light原理图

图1中，换流变用于转换电压等级，使阀侧电压与换流器输出电压相匹配。滤波器用于滤除换流器输出电压的高频分量。相电抗是换流器与交流系统之间的连接电抗，是实现有功、无功交换的途径。直流电容器用来支撑直流侧电压，实现与交流系统的能量交换。换流器是换流站的核心元件，由6个桥臂组成，按照传统高压直流输电的习惯，这些桥臂可以称作“换流阀”。每相包括上、下2个桥臂；每个桥臂均由大量IGBT直接串联形成。如图2所示，采用脉宽调制（PWM）技术控制各个桥臂的导通、关断，即可使换流器输出宽度可调的方波电压Uc[8]。

设Uc的基波分量为，系统电压与之间的相角差为δ，相电抗和变压器漏抗之和为X，则换流器与交流系统之间传输的有功P和无功Q为：

图2 脉宽调制（PWM）

此外，基于HVDC-light的二极管钳位型三电平拓扑也在ABB的工程中得到了成功应用，这种拓扑结构可在一定程度上减少谐波含量，降低桥臂两端的阶跃电压，其原理与两电平拓扑类似。

基于HVDC-plus技术的模块化多电平（MMC）换流站如图3所示[10]。与HVDC-light相似，换流器也是由6个桥臂组成，每个桥臂由子模块串联组成，此外，每个桥臂均串联有桥臂电抗。这些桥臂电抗是换流器与交流系统间交换有功、无功交换的途径；在正、负极短路时，可以起到限制短路电流的作用；同时，还具有滤除换流器电压高次谐波的作用。但是，与HVDC-light不同，HVDC-plus换流器的桥臂不会在整体上导通或截止电流，而是通过每个子模块的投入、退出来完成交、直流系统的能量交换，因此，HVDC-plus的桥臂不是严格意义上的换流阀。

图3 HVDC-plus的MMC原理图

子模块是基本的能量交换单元。每个子模块由2个IGBT、1个电容器、保护元件和其他辅助元件构成，可以处于“闭锁”、“投入”和“退出”三种状态。

当子模块“闭锁”时，两个IGBT均闭锁，电容器可以通过D1自然充电。当子模块“投入”时，上端IGBT导通时，电容器接入主电路，桥臂的电压将升高一级。当子模块“退出”时，电容器被旁路，桥臂的电压将降低一级。“闭锁”状态通常出现在换流站启动和停运的顺序操作中，“投入”和“退出”状态通常出现在换流站正常运行时。

图4 子模块的工作状态

通过控制每个桥臂中子模块“投入”和“退出”的个数，即可控制换流器输出的电压。理论上，交流系统注入上、下桥臂的电流大小相等，方向相反，对直流侧而言，上、下桥臂电抗的压降之和近似为零。设单相上、下桥臂桥臂生成的电压分别为U1、U2，则U1、U2与正负极间直流电压Ud的关系如图5所示。

图5 上、下桥臂桥臂与直流电压的关系

通过控制每个阀生成的电压，即可控制换流器输出电压的幅值、相位，从而控制换流器与交流系统之间传输的有功P和无功Q。

由于桥臂上的子模块个数是有限的，因此，换流器输出的电压是包络线为正弦的阶梯波。合理设计桥臂电抗器，可有效滤除高次谐波分量。

2 换流器的谐波

HVDC-light技术通常采用三角波作为载波，采用标准正弦波或优化后的正弦波作为调制波，以PWM的方式来控制连接在每相上的桥臂，换流器输出电压UC的跃变大，谐波含量较高。而且，谐波含量随PWM的方式而有所区别[11]。

图6 HVDC-light换流器电压频谱

由于UC中存在明显的高次谐波分量，换流器在接入交流电网前必须经滤波器滤除高次谐波。同时，极高频率的谐波会以电磁波的形式向外辐射，为确保换流站周边电磁环境，阀厅需要严格的电磁屏蔽处理。

HVDC-plus技术实时计算为满足系统工作要求，当前时刻换每个桥臂应该产生的电压，然后，通过每相上、下两个桥臂的配合，换流器将形成三相阶梯状电压。通过控制每个桥臂的电压，可以保证换流器电压波形的包络线为正弦形式，而且，每个桥臂子模块数目增加，阶梯数目将随之增加，阶梯状电压就越接近平滑的正弦波形。由于换流器生成的电压是实时计算出来的，除增加每桥臂的子模块数目外，换流器输出电压的谐波含量也可以通过特定算法来优化。HVDC-plus技术的电压跃变小，谐波含量较小，一般情况下，桥臂电抗器即可滤除高次系统，换流站内可以不配置专用的滤波器，而且，对外辐射的电磁波能量很低，只需对阀厅进行常规电磁屏蔽处理，换流站周边电磁环境即可满足要求。

3 桥臂控制

阀基电子设备（VBE）是用于监视桥臂，并根据控制保护系统的指令对阀进行控制的自动化设备。

HVDC-light要求每个桥臂的IGBT同时开通，同时关断。因此，VBE需要根据控制保护系统的指令，以PWM的形式开通或关断对应的桥臂，同时，监视各桥臂中的IGBT，在异常情况下采取必要的保护措施。

由于在HVDC-plus中，即使同一个桥臂中的子模块，投入和退出的状态也不同，因此，VBE必须对每个子模块单独控制和监视。在正常运行时，每个子模块的电容都不能长时间持续充电或放电，否则，电容电压将偏离允许的范围，造成子模块不能正常工作。因此，VBE不仅要控制每个桥臂的子模块，生成控制保护系统要求的电压值，还需要在生成电压的过程中合理控制子模块的投入、退出时刻，确保所有子模块的电压都维持在正常的范围内。当然，VBE也需要实时监视各个子模块的状态，在异常情况下采取必要的保护措施。

HVDC-light，由于桥臂中的IGBT为串联结构，若IGBT失效后爆炸破碎，则该阀将出现断路，这在运行中是不可接受的；因此，HVDC-light要求每个IGBT元件在失效后应如同晶闸管那样呈短路状态。

同时，IGBT失效时，可能会发生爆炸，从而在IGBT两端形成断路。为确保IGBT爆炸时桥臂依然处于可控的导通状态，不会因一个IGBT损坏而影响桥臂甚至整个换流站的工作，要求保护元件必须快速动作。

4 桥臂设计

HVDC-light桥臂的电气连接如图7所示。

图7 HVDC-light桥臂的电气图

HVDC-light桥臂设计的一个关键问题是确保在开通过程、关断过程和完全截止状态下，每个IGBT所承担的电压近似相等。由于IGBT关断时的电流变化率（di/dt）、电压变化率（dv/dt）均非常大，杂散电感和杂散电容会显著影响每个IGBT的电压。在设计时必须充分考虑杂散电感、杂散电容以及由制造工艺引起的分散性等因素对均压结果的影响，合理设计电气连接和均压回路。因此，HVDC-light桥臂往往由少数几个IGBT阀段构成，每个阀段由多个IGBT和水冷散热器紧密压接形成，阀段之间采用特殊连接，尽可能降低杂散参数的影响。这就决定了HVDC-light桥臂的结构紧凑，形状固定。桥臂实物如图8所示。

图8 基于HVDC-light技术的桥臂

HVDC-plus通过子模块串联形成桥臂。如图9所示，在单个子模块内部，IGBT与电容器之间存在杂散电感。由于IGBT关断瞬间的电流变化率较大，该杂散电感会产生感应电压，从而影响IGBT的安全。因此，设计时，必须尽可能降低IGBT引线、电容器及连接母排的电感。

图9 HVDC-plus子模块的电气图

由于HVDC-plus桥臂不需要截止电流，因此，电流波形平缓，di/dt较小。那么，在每个桥臂中，即使连接各子模块的导体存在较大杂散电感，也不会产生明显的感应电压。而且，各子模块的均压是通过VBE的控制来实现的，因此，HVDC-plus不需要对桥臂中子模块之间的杂散电感和杂散电容进行非常严格的控制。在损耗允许、机械应力及绝缘等因素允许的范围内，子模块之间可以通过较长的导体连接，布局可以采用松散、灵活的方式。基于HVDC-plus技术的桥臂三维图如图10所示。图中，桥臂布置在一层，但如果占地面积有限，这些桥臂可以分两层放置。

图10 基于HVDC-plus技术的桥臂

在正常工作时，HVDC-plus桥臂的每个子模块必然只有一个IGBT导通，另一个IGBT截止。因此，理论上，要形成相同的直流电压，HVDC-plus需要的IGBT数目是HVDC-light的两倍。但是，在HVDC-light中，桥臂需要承受关断过程中引起的电压过冲，而HVDC-plus中，每个IGBT的开通、关断只发生在子模块内部，不会有很高的过电压系数，因此，实际IGBT用量不会相差如此悬殊。

5 结论

文章分析比较了HVDC-light、HVDC-plus两种柔性直流输电技术，主要结论如下：

1）HVDC-light技术中，每个桥臂上的所有IGBT同时开通、关断，换流器输出电压存在明显的高次谐波分量，换流站需要配置滤波器，同时，高次谐波可能形成电磁辐射，阀厅需要严格的电磁屏蔽处理；HVDC-plus技术中，每个桥臂上的子模块通过内部的IGBT独立投入、退出，桥臂上的电压是以正弦为包络线的阶梯波，谐波分量较小，一般情况下，桥臂电抗器即可滤除高次系统，换流站内可以不配置专用的滤波器，而且，对外辐射的电磁波能量很低，只需对阀厅进行常规电磁屏蔽处理。

2）HVDC-light技术中，VBE只需控制每个桥臂的导通、关断，控制算法相对简单；HVDC-plus技术中，VBE需要分别控制所有桥臂所有子模块的投入、退出，控制算法复杂。

3）HVDC-light技术中，桥臂结构紧凑，很难改变；HVDC-plus技术中，对子模块之间杂散电感的要求不严格，桥臂结构松散、灵活。

4）形成相同的直流电压，HVDC-light使用的IGBT数目较少，HVDC-plus使用的IGBT数目较多。

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