柔性直流输电多电平换流器拓扑结构分析

许国宏

(国网铜陵供电公司，安徽 铜陵 244000)

0 引言

柔性直流输电技术(HVDC Flexible)发展于20世纪90年代，是继传统高压直流输电之后的又一代更为环保和灵活的直流输电技术，采用电压源换流器和全控型电力电子器件——绝缘栅双极晶体管(IGBT)，使其在可再生能源并网，在向特殊地区和能源紧缺地区供电、海岛供电等领域发挥特有的优势。

HVDC Flexible技术以全控型开关器件、脉宽调制技术和电压源型换流器为基础发展起来的新一代直流输电技术。能够提高电力系统稳定性，实现向无源网络供电，增加系统动态无功支撑，独立控制有功无功，解决非线性负荷、三相不平衡和冲击性负荷等产生的问题，无需站间通讯和易于构成多端直流输电网络，改善电能质量。

近年来，我国也加快了风力发电技术的柔性直流输电的研究开发和示范工程建设。我国HVDC Flexible示范项目起点高，厦门示范项目完全采用自主化研发设计技术，电压等级全球最高，预计到2015年我国HVDC Flexible有望进入商业化推广阶段。我国具有自主知识产权的柔性直流输电示范工程——上海南汇柔性直流输电工程，连接着书院变电站和南汇风电场，两端交流母线电压为35kV，直流电压等级为±30kV，输电距离8km，直流输电电流为600A。上海南汇柔性直流输电通过直流输电线连接，一端为整流站，一端为逆变站。该工程是我国大功率电力电子领域中又一重大科技创新成果，标志着我国柔性直流输电进入商业化运行阶段，同时开启了柔性直流输电应用的新篇章。柔性直流技术以其优于常规直流输电技术的技术优势，在新能源并网中具有广阔应用前景。

1 HVDC Flexible系统结构

HVDC Flexible中换流器均采用电压源型结构，主要由换流站、换流变压器、传输电缆、换流电抗器、直流电容、交流滤波器等部分构成。换流站主要由可控关断型电力电子器件IGBT和反并联二极管构成，IGBT的通断电流3kA，耐受电压6.5kV，IGBT通过光缆进行连接，由控制设备进行控制。

直流输电系统的结构分为两端和多端直流输电系统。其中，两端直流输电仅有一个送端站和一个受端站，通过两个连接端口与交流系统进行互联，是结构最简单的直流输电系统。多端通过三个或以上的端口与交流系统互联，因此有三个或以上的换流站。可以将系统分为多个孤立的电网或联系多个交流系统，还可以解决多落点受电或多电源供电的问题。整个MTDC系统中传输的功率必须保持平衡。

图1为两端柔性直流输电系统的结构图。换流电抗器作为交流系统和VSC间功率传输的纽带决定VSC功率传输能力，能够抑制短路电流，同时能够抑制换流器输出交流电压、电流谐波含量，获得期望的输出波形。

图1 两端柔性直流输电系统结构图

2 多电平换流器主要拓扑结构

电压源型多电平换流器至今已经有近三十年的发展历史，在这三十多年的时间里不断提出新的拓扑电路［1－2］。对于多电平VSC常见的主电路拓扑结构主要为:二极管箝位型多电平换流器(diodeclamped multilevel converter，DCMC)、电容箝位型(flying-capacitor multilevel converter，FCMC)、级联 H 桥型(cascaded H-bridge multilevel converter，CHMC)、模块组合多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)。

2.1 中点箝位多电平逆变器

DCMC是开发最早同时应用最广泛的一种多电平换流器，其优点主要是主电路拓扑结构简单，功率双向流动的控制简便，控制策略及控制电路简单;缺点是随着电平的增加，所需半导体器件急剧增加，直流端电容电压难以实现均衡，存在中点电压平衡问题，因此限制了此类拓扑结构在更高电平领域的应用。二极管中点箝位多电平换流器是研究其他箝位式多电平换流器的基础。二极管箝位三电平换流器的拓扑电路如图2所示，由三个桥臂、共12个开关器件组成。每个桥臂由4个开关器件构成，通过控制这4个开关器件通断决定换流器输出电压的电平数，可以输出E/2、0、－E/2三种电平。

2.2 飞跨电容型多电平逆变器

FCMC基本结构和DCMC基本类似，只是将二极管箝位换为用电容箝位。图3所示为三相FCMC拓扑结构。

其优点主要是:开关状态具有更大灵活性;由于飞跨电容的引进，通过同一电平不同开关的组合方式，使直流侧中分压电容的电压保持均衡;损耗小、效率高。缺点主要是:由于每个桥臂上均需要一个箝位电容，体积大、成本高且不易封装;控制方法相对复杂，实现起来较困难，系统的可靠性降低，寿命大大缩短。

图2 二级管箝位型三电平逆变器拓扑结构图

图3 三相飞跨电容箝位三电平逆变器拓扑结构图

图4 具有独立直流电源的级联H桥型多电平换流器拓扑结构图

2.3 级联H桥型多电平换流器

具有独立直流电源的级联H桥型多电平换流器拓扑结构如图4所示，其采用N个全桥型环流单元直接级联形式输出多电平高电压，其输出相电压电平数Nlevel与每相级联单元数N的关系为Nlevel=N+1。

其中每个功率单元直流侧为相互独立的直流电压，易于实现PWM控制，不存在电压不均衡问题，系统可靠性高，某一功率单元故障时通过旁路设置使其他单元能够正常工作，实现不间断供电，功率变换器相对于DCMC和FCMC拓扑来说可以输出更多电平数，谐波含量小;其缺点是需采用变压器与电网进行连接，结构复杂，成本增加，由于没有公共的直流侧，能量只能单向流动，无法实现四象限运行。

图5 模块化组合多电平换流器拓扑结构图及子模块图

2.4 模块化多电平换流器

一种新型模块化组合多电平变换器的拓扑结构最早由德国学者于2003年提出，拓扑如图5所示，与两电平VSC相比，直流侧故障的穿越能力更强，具有广泛的应用前景［3－4］。

MMC没有上述多电平换流器的直流侧电容器组，还有级联型“模块化”的特点。由于具有公共直流母线，MMC可以实现整流和逆变，适用于大功率工业传动领域、高压直流输电、静止同步补偿等领域。采用半桥子模块串联构成换流阀结构，谐波含量低、输出电压更加接近于理想正弦波，因此，具有无需大容量交流滤波器、损耗小、开关频率低、故障穿越能力强、易于实现冗余和易封装等特点;基于MMC的多端直流输电技术，比两电平VSC多端系统输出特性更优，但由于采用电容进行储能，电容电压均衡控制成为MMC控制的技术难点。

这种拓扑结构的每一个功率单元，除了可以采用西门子公司的模块结构之外，还可以采用压接式IGBT直接串联形式。这种拓扑结构一方面可以避免单个IGBT故障时短路造成的电容过度放电，另一方面多个IGBT器件串联结构，使得在一个器件故障时，其他器件能够承受过压水平也不高，避免了增加其他辅助设备来隔离故障模块，能有效提高系统的故障穿越能力及可靠性。

3 结束语

柔性直流作为电力电子领域里最高端的技术手段，对推动我国电力发展向高端技术化、智能设备化、能源节约化发展具有重要的意义。同时，柔性直流输电技术对新能源并网发展意义重大，从柔性直流技术本身来讲，能够提供优异的并网性能;它能够提供良好的动态无功支撑作用，避免增加风场的无功补偿投资;由于具有电压支撑作用，能大幅提升风场在交流系统故障情况下的低电压穿越能力;另外，柔性直流输电技术不受输电距离的限制，因此成为大型远距离风电场并网的唯一可选方案。文章分析了二极管箝位型、电容箝位型、级联H桥型、模块组合多电平换流器拓扑结构及其优缺点。模块组合多电平换流器由于具有较强的直流侧故障穿越能力，大大降低了系统的输电损耗，简化了系统结构，获得了广泛的应用。

［1］吴洪洋，何湘宁.高功率多电平变换器的研究和应用［J］.电气传动，2000(2):7-12.

［2］汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［3］毛颖科，桂顺生，贺之渊，等.基于MMC技术的柔性直流输电系统性能分析［J］.华东电力，2011，39(7):1133-1136.

［4］丁冠军，汤广福，丁明，等.新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略［J］.中国电机工程学报，2009，29(36):1-8.