浅析柔性直流输电系统拓扑结构

王克 甘瑜前 汪天呈

摘要：柔性直流输电系统具有线路损耗低、可控性强等优势，成为当前电力网大力发展的输电方案。柔性直流输电系统的拓扑结构则是输电工程中的关键技术之一，决定输电网络的性能。文章分析了柔性直流输电系统的技术原理，重点对柔性直流输电系统的拓扑结构进行了研究，为柔性直流输电系统的拓扑结构方案设计与应用提供理论参考。

关键词：柔性直流;输电系统;拓扑结构;输电方案

一、 引言

随着国民经济的快速发展，能源的需求不断攀升，电力能源无论在发电、输电、配电等方面都有着很大的技术发展，但随着电力能源的发展，也出现了很多新的技术难题传统的交流输电和直流输电技术目前还无法在技术效益和经济效益上有效地解决以上难题。而随着电力电子器件和控制技术的发展，采用 IGBT、IGCT 等新型全控电力电子器件构成电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC） 进行直流输电成为可能。柔性直流输电技术不需要交流系统提供换相容量、可以向无源负荷供电，在促进大规模风力发电场并网、城市供电和孤岛供电等新技术的发展，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，有着非常显著的作用。

二、柔性直流输电系统的技术原理

目前工程领域常用的柔性直流输电系统主要采用3种方式：两电平电压源换流器、多电平电压源换流器和模块化多电平电压源换流器（MMC）。

1.两电平电压源换流器的技术原理

两电平电压源换流器的每一相都有2个桥臂，因此共有6个桥臂构成，每个桥臂都是由二极管和IGBT通过并联方式组成，如图1所示。在工程应用中，为了提高柔性直流输电系统的供电电压和供电容量，一般可将多个二极管和IGBT并联再串联。并联的二极管与IGBT所串联的个数直接决定VSC的额定功率和耐压强度。在两电平电压源换流器的设计中，每一相的2个桥臂上的IGBT均可以单独导通，并单独输出2个电平，最后通过PWM对输出电平进行调制，最终得到柔性直流输电波形。

两电平电压源换流器通过增加串联的二极管和GBIT提高供电电压和电流，因此在大容量直流输电方面存在较大技术缺陷。随着串联的二极管和GBIT个数的增加，将增加动态电压的不稳定性，而且串联的二极管和GBIT也会增加输电系统输电波形的谐波含量，进而降低柔性直流输电系统的功率和效率。

2.多电平电压源换流器的技术原理

多电平电压源换流器技术在两电平电压源换流器技术基础上发展而来。相比于两电平电压源换流器，多电平电压源换流器共用了直流电容器，通过多接几组共用的二极管，就可形成多个电压等级的换流器。多电平电压源换流器可比两电平电压源换流器多输出不同的直流输出电平。多电平电压源换流器如图2所示。多电平电压源换流器可在相同的电力开关器件基础上实现比两电平电压源换流器更多倍的输出电压，因此可有效提高直流电压等级。但是多电平电压源换流器的本质仍与两电平电压源换流器相似，也无法从根本上解决大容量直流输电系统存在的动态电压的不稳和谐波含量大的问题。

3.模块化多电平电压源换流器的技术原理

模块化多电平电压源换流器与两电平SVC的区别是每一相的桥臂不再是由二极管和GBIT串联而成，而是利用多个相对独立的子模块和串联的电抗器构成。其中独立的子模块主要实现两路电流同时开通、同时中断、某一路电流单独通断等功能。MMC在工程应用中，为保证直流侧的电压恒定不变，必须是三相中所采用的子模块数量相统一。若在三相中所采用的子模块不同，则会因三相直流电压不相等，直流母线可能产生冲击电压，从而造成输电系统故障。为避免此类故障，一般要在各个桥臂接入电抗器，实现直流侧不同电压的动态无功补偿。

MMC所采用的子模块数量越多，直流输电系统所输出的电力波形越接近于正弦波，因此可有效降低谐波的比例，提高直流输电系统功率和效率。

三、柔性直流输电系统拓扑结构分析

柔性直流输电系统的拓扑结构需要考虑选择合适的换流器、接地点、工程成本等，因此选择合适的柔性直流输电系统的拓扑结构对输电网络的输电效率、经济效益均有较大意义。本文结合国内外当前主流的柔性直流输电系统，介绍3种柔性直流输电系统拓扑结构设计方案。

1.基于SVC或MMC的拓扑结构

在柔性直流输电系统工程应用的早期，由于输电容量较低且直接采用电缆作为柔性直流输电系统的直流线路，因此多采用基于SVC或MMC的基本换流器组成的拓扑结构设计输电系统。基于SVC的拓扑结构中，接地的是直流侧的电容器的中点。这种拓扑结构形成了一种正负极对称的线路形式，从而确保柔性直流输电系统在正常运行时不会有工作流经过接地点，保证了输电系统的安全性和可靠性。而基于MMC换流器的拓扑结构中，由于直流侧并没有集中布置的电容器，因此无法选择类似SVC结构中的接地点。为了降低MMC拓扑结构的直流输电线路中的绝缘水平，需要在拓扑结构中构造正负极对称的线路布局，从而达到良好的直流输电效果。

2.基于组合式换流器的拓扑结构

单一的SVC或MMC虽然可通过增加串联的级数实现输电线路容量和电压级别，但是终究存在输电压力不稳及谐波影响。通过将SVC和MMC组合的方式构建柔性直流输电系统拓扑结构，既可以达到提高直流输电系统容量目的，也可以有效降低输电线路谐波干扰。

在组合式换流器构建的柔性直流输电系统拓扑结构中，采用n个SVC或MMC构成整个整流器，每个SVC或MMC都有相对独立的输电接地点;通过n个SVC或MMC的级联，形成了n倍SVC单元输电电压和输电电流的柔性直流输电系统。采用组合式换流器拓扑结构的柔性直流输电系统，解决了基于SVC或MMC的拓扑结构中单一故障对整个输电系统的影响，从而极大地提高了柔性直流输电系统的可靠性。另外，级联的SVC或MMC拓扑结构，也降低了柔性直流输电系统的绝缘水平，对柔性直流输电系统的输电效率具有极大改善作用。

3.其他拓扑结构

除当前常用的幾种柔性直流输电系统拓扑结构外，根据我国电力能源的分布和消耗情况，也有一些针对性的柔性直流输电系统拓扑结构。针对我国电力能源的“西电东送”，设计了LCC整流站+MMC逆变站的混合拓扑结构式合计方案。成熟的LCC整流站技术加上MMC逆变站设计，从而解决了单相输电时载荷系统换相失败的难题。但是这类拓扑结构仅适用于单向直流电力传输，若能源需求发生变化，则该线路无法适应。针对风力发电的直流输电问题，设计了基于

VSC整流站+LCC逆变站的拓扑结构设计，VSC整流站可适应风力发电的交流电压调整，避免单独LCC线路换相失败的问题。

总之，柔性直流输电技术相对于传统直流输电技术的优势，随着电力电子器件的发展及各种柔性直流输电技术的完善，将在电力领域有着越来越大的作用。采取合理的换流器拓扑结构及主接线拓扑结构，在构建高效率高可靠性柔性直流输电系统上也起着越来越关键的作用。

参考文献

[1]马为民，吴方劼，杨一鸣，张涛. 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（08）：2429-2439.

[2]仉雪娜，赵成勇，庞辉，林畅. 基于MMC的多端直流输电系统直流侧故障控制保护策略[J]. 电力系统自动化，2013，37（15）：140-145.

作者简介：王克（1986.11.20—），男;籍贯：江西;汉;硕士研究生;研究方向：新能源电力系统设计;