關于混合直流輸電技術
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摘要：基于電網換相換流器(linecommutatedconverter,LCC)和電壓源型換流器(voltagesourceconverter,VSC)的混合直流輸電技術結合了LCC的經濟優勢和VSC的技術優勢。本文針對常規直流工程改造，首先給出了受端LCC改造成真雙極和偽雙極VSC兩種主回路拓撲結構，并對兩者的工程改造范圍和工程改造量進行了對比分析，指出了真雙極和偽雙極結構作為改造拓撲的優缺點。然后，通過對國內外模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter,MMC)拓撲及其變結構拓撲的調研，詳細研究了5類MMC優化拓撲結構在直流故障清除、送端交流故障功率不間斷、低電壓運行、潮流反轉等方面的技術特性以及在改造成本、運行損耗等經濟方面的優劣性，并直觀地對比總結了5類MMC優化拓撲的綜合特性，為未來MMC技術在常規直流輸電系統受端換流閥改造中的應用提供了技術參考。
關鍵詞：常規直流；混合直流；電網換相換流器；模塊化多電平換流器；改造DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2017.0161
0引言
自1954年瑞典哥特蘭島直流輸電工程投運以來，世界各國已有上百個基于電網換相換流器的直流輸電（linecommutatedconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，LCC-HVDC）工程建成投運。我國自1989年舟山直流輸電工程投運以來，已有近三十年的高壓直流輸電發展歷史[1-2]。伴隨主設備老化、輔助系統損壞、接地極腐蝕嚴重等問題接踵而至，較為早期的直流輸電系統正面臨著技術升級、設備改造等問題，以保障直流輸電系統的可靠運行。近年來，基于電壓源型換流器的直流輸電（voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，VSC-HVDC）技術得到了迅猛發展，目前已廣泛應用于可再生能源并網、孤島供電等領域[3-4]。其中，模塊化多電平換流器（modularmultilevelconverter，MMC）更以開關損耗小、擴展性強、無需IGBT直接串聯均壓技術等優點備受青睞[4]。相比于LCC-HVDC技術，VSC-HVDC具有有功無功解耦控制、無換相失敗風險等優勢，但由于目前IGBT造價昂貴，VSC-HVDC經濟性相對較差。結合LCC的經濟優勢和VSC的技術優勢，一端采用LCC另一端采用VSC的混合直流輸電技術為常規直流輸電系統的改造提供了一種技術方案[5-6]。針對一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統，文獻[7]較早提出了送端采用LCC受端采用兩電平VSC的拓撲形式，并對系統工作原理和技術特點進行了研究分析。文獻[8-10]針對直流故障自清除等問題，提出受端采用MMC變結構的混合直流技術方案。文獻[11-12]分別針對多端直流和直流電網應用場景，提出了多換流器混合連接的結構方式。針對風電等新能源輸電場景，文獻[13-14]提出新能源端采用VSC，受端采用LCC的混合直流輸電技術。文獻[15-16]利用VSC偽雙極拓撲結構，提出了受端采用VSC饋入無源網絡的控制策略以及送端采用VSC受端采用LCC的啟動策略。當前，已投運的常規直流輸電系統主要用于遠距離輸電、異步電網互聯、向島嶼供電等應用場景，受端改造成VSC的優勢將明顯好于送端改造，如避免換相失敗，向無源網絡供電等。因此，本文所討論的常規直流輸電改造僅限送端沿用LCC，受端改造成VSC的混合直流輸電技術。
1主回路拓撲結構
目前，已投運的LCC-HVDC絕大部分都采用真雙極大地回線的拓撲形式[2]。改造成混合直流輸電系統后，VSC端可采用真雙極[17]和偽雙極[18]兩種拓撲結構，其結構示意圖分別如圖1(a)和(b)所示。送端LCC由雙極中性點接地的12脈動或6脈動換流器（連接上海和嵊泗的蘆嵊直流采用6脈動換流器結構）構成。真雙極結構中，VSC由兩組換流器串聯構成，兩組換流器之間的中性點接地，可運行于雙極平衡、雙極不平衡、單極大地回線等方式，運行可靠性高，但是換流變壓器存在直流電壓偏置問題。偽雙極結構中，VSC僅含一組換流器，直流出口側無接地點，換流變壓器不存在直流電壓偏置問題。由于不具備雙極接線方式的單極運行模式，因此偽雙極結構運行可靠性不高。另外，受限于單換流器輸送容量有限，偽雙極更適用于小容量直流輸電系統。
2改造范圍比較
本文僅限受端改造，因此，送端LCC和直流線路等設備的改造或擴容以及升壓，均不在本文考慮范圍內。受端從LCC改造成VSC，根據VSC的主接線特點，涉及改造或新增的主要設備有：1）換流閥；2）控保系統；3）換流變壓器；4）橋臂電抗器；5）啟動電阻器；6）電壓電流互感器；7）避雷器；8）閥冷設備等。換流閥、控保系統、橋臂電抗器、啟動電阻器和閥冷系統是VSC所特有的設備，在改造過程中必須新增。偽雙極結構與原受端差異較大，尤其是涉及到直流電壓偏置方面的設備，需要更換的較多。真雙極結構能夠沿用部分電壓電流互感器以及避雷器，尤其是直流極線和接地極上的相關設備。對于真雙極結構而言，VSC側換流器的個數可與原LCC6脈動換流器的個數相一致，假設單個6脈動換流器的閥側線電壓有效值為Uv，輸出的直流電壓為Ud，則存在如下關系式[1]：d32(coscos())2vUU???????(1)其中，α為觸發角，μ為換相重疊角。在正常運行情況下，假設α=15°，μ=20°，式(1)可改寫為Ud=1.205Uv。假設改造后的VSC要繼續沿用該換流變壓器，那么在該變比下，VSC電壓調制比m[3]為：d2/3=1.355/2vUmU?(2)可見，VSC將處于過調制運行狀態。雖然VSC可利用全橋子模塊（full-bridgesub-module，FBSM）的負電平輸出能力實現過調制運行，但伴隨而來的是投資成本和運行損耗的增加。因此，真雙極結構中原換流變壓器不建議重新使用。實際上，待改造的LCC一般主設備或老化或已近服役期限，可利用時間有限；另外，由于VSC和LCC技術差異性較大，改造后系統的過電壓和過電流特性存在明顯不同，需要仔細校核現有設備的適用性。因此，受端LCC改造成VSC時，更為可能的方式為全站設備更新。如此，偽雙極結構的改造價格將明顯低于真雙極結構：1）換流閥方面，在相同冗余度的情況下，偽雙極與真雙極結構的子模塊個數相同，造價相同；2）控保方面，偽雙極的閥控設備相比真雙極減少一套；3）換流變壓器方面，真雙極結構需要多個且具有承受直流電壓偏置能力的換流變壓器，偽雙極結構僅需一個容量較大的聯結變壓器，造價和占地面積均低于前者；4）啟動電阻、電壓電流互感器和避雷器方面，偽雙極相比真雙極均減少一半。另外，VSC和LCC閥結構完全不同，閥廳（承重，構造）也需要改造。由于絕緣需要，不同橋臂間的閥塔需要間隔一定的距離，真雙極擁有較多橋臂，因此在閥廳占地方面，真雙極將明顯多于偽雙極。
3VSC拓撲方案
兩、三電平VSC存在IGBT串聯均壓、一致觸發等問題，制造運行難度較大，尤其是在高壓大容量方面，因此，本文只針對采用模塊化多電平技術的換流器進行討論。基于半橋子模塊的MMC（half-bridgesub-module(HBSM)basedMMC，H-MMC）為最早提出的模塊化多電平結構，如附錄A圖A1所示，具有結構簡單、易擴展等優異特性，目前已被廣泛應用于實際工程。但是，H-MMC不具有直流故障自清除能力，嚴重限制了其在架空線等場合的應用和發展。為提升MMC的直流故障處理能力，至目前為止，已有較多文獻從子模塊優化、拓撲改造等方面入手，提出了多種方案，可以分為以下幾類：1）HBSM和具有直流故障清除能力的子模塊混合型MMC[9,20-27]（hybridMMC）；2）全橋MMC[28-29]（FBSMbasedMMC，F-MMC）；3）橋臂交替導通多電平換流器[30-32]（alternativearmmultilevelconverter，AAMC）和混合級聯多電平換流器[33-35]（hybridcascadedmultilevelconverter，HCMC）；4）二極管阻斷型MMC[8,36]（MMCwithdiodes，D-MMC）；5）LCC和H-MMC混合串聯[37-38]。
3.1HBSM和具有直流故障清除能力的子模塊混合型MMC具有直流故障清除能力的子模塊還可以分為含負電平子模塊[20,22-24]（sub-modulewithnegativelevel，WNSM）和不含負電平子模塊[20-23,27]（sub-modulewithoutnegativelevel，WTNSM）兩類，其區別在于子模塊是否能夠輸出負電平。FBSM和交叉連接型子模塊（cross-connectedsubmodule，CCSM）屬于WNSM，拓撲結構如附錄A圖A2(a)和(b)所示。FBSM通過對IGBT的控制，可以輸出0、Uc、-Uc三種電平。閉鎖狀態下，FBSM的電流回路如圖A2(a)紅色虛線和藍色虛線所示，對外等效為電容與二極管串聯形式，電容在故障回路中提供反電勢，迅速阻斷故障電流。CCSM可以輸出0、±Uc、±2Uc五種電平。閉鎖狀態下，CCSM的電流回路如圖A2(b)紅色虛線和藍色虛線所示，對外等效為兩電容與二極管串聯形式。CCSM的T5和T6需要承受2Uc的電壓差，因此，T5和T6實際是由兩個IGBT串聯而成，CCSM每個電平的等效IGBT個數與FBSM相同。目前，WTNSM種類較多但在運行特性方面差異不大，較為經典的有箝位雙子模塊（clampdoublesub-module，CDSM）、類全橋子模塊（simpleFBSM，SFBSM）等。以SFBSM為例，其拓撲結構如附錄A圖A3所示，與FBSM相比，SFBSM少了一個IGBT器件T3，因而只具有0，Uc兩種電平輸出能力。SFBSM閉鎖后，由于二極管和電容構成的通路與FBSM相同，因此，SFBSM具有與FBSM相同的直流故障清除能力。無論是WNSM還是WTNSM，當整個換流器都采用相同的子模塊時，換流器閉鎖狀態下的電容反電勢均會超出交流線電壓幅值。因此，采用與HBSM混合的方式不僅能夠滿足直流故障清除的目的，還能夠減少IGBT的使用個數，降低投資成本和運行損耗。由HBSM+WTNSM和LCC構成的混合直流運行特性如下：（1）HBSM+WTNSM受電壓調制比限制，允許的直流電壓下降程度有限，當送端LCC所在的交流系統發生故障，尤其是交流電壓跌落較為嚴重時，LCC側直流電壓將隨之下降，從而，將出現受端直流電壓高于送端的現象。因LCC晶閘管的單向導通特性，直流電流將快速下降至0，出現功率傳輸中斷。功率傳輸中斷時間幾乎與故障持續時間相同。（2）LCC只具有直流電壓反向能力，HBSM+WTNSM只具有直流電流反向能力，因此，該混合直流方案不具有潮流快速反轉能力，只能通過開關的停電倒閘操作實現潮流反轉。（3）當HBSM+WTNSM應用于偽雙極結構且直流線路發生單極接地故障時，受端受電壓調制比限制等因素，極間電壓將維持于額定電壓附近。因此，非故障極直流電壓將被抬升至2倍左右，同時，該電壓將施加于LCC側非故障極換流器上，對LCC側相關設備、輸電線路以及避雷器帶來較大過電壓沖擊。需要建立準確的仿真模型來評估改造后直流系統的過電壓水平，校核現有避雷器參數是否適用，以及評估輸電線路的絕緣強度。尤其是對于長期使用且因錨害等因素已有多個接頭的海底電纜而言，本身絕緣特性已明顯下降，近2倍的過電壓容易導致非故障極海纜絕緣擊穿，引發二次故障。由HBSM+WNSM構成的MMC具有降直流電壓運行能力。該能力與HBSM和WNSM的等效電平（等效電平=子模塊個數×子模塊最大正(負)電平）成正比。假設一個橋臂內，HBSM的等效電平為Nh，WNSM的等效電平為Nn，那么，Nh=Nn表明MMC具有直流電壓降低至0的能力，Nh<Nn表明MMC具有直流電壓反向能力。因此，（1）對于HBSM+WTNSM所遇到的送端LCC交流系統故障功率傳輸中斷和潮流不能快速反轉等問題，HBSM+WNSM可根據子模塊比例的不同，實現相應的功能（不同比例對應于不同的投資成本和運行損耗）；（2）當HBSM+WNSM應用于偽雙極結構時，直流線路單極接地故障后，MMC可通過對直流電壓的控制，實現2倍過電壓的快速消除。雖然，受控制延時等影響，直流系統仍可能會出現瞬間2倍過電壓現象，但相較于閉鎖換流閥再斷開交流開關這種用時較長的傳統方式，直接電壓控制會使得過電壓嚴重情況明顯緩解。
3.2F-MMCF-MMC可視為HBSM+FBSM內Nh=0的情況，因此，具備上述HBSM+WNSM的所有優點。相比于子模塊混合結構，F-MMC增加了IGBT個數和運行損耗，經濟性有所下降，但隨之而來的是性能的提升。F-MMC在具備電流反向能力的同時還具有直流全電壓反向能力，能夠滿足潮流的快速滿額反轉，系統可運行于多種直流電壓等級狀態。采用F-MMC的混合直流輸電系統具備兩種直流故障清除方法：1）直流故障發生后，將LCC觸發角增大至120°~150°，同時閉鎖F-MMC，若直流系統要執行重啟動，則將LCC觸發角移相至90°以下某一個較大的角度值以判斷故障還是否存在，再按正常流程恢復系統運行；2）直流故障發生后，將LCC觸發角增大至120°~150°，控制F-MMC直流電壓為0，此時F-MMC可繼續為交流系統提供無功支撐，系統運行更為靈活。若直流系統要執行重啟動，則將F-MMC的直流電壓指令值調整至一個較小值（如0.05pu），若直流電流維持為0不變，則故障已消失，否則，故障仍存在。方法2在直流故障期間F-MMC不閉鎖，對受端交流系統的支援更為有利。HBSM+WNSM中，Nh≤Nn的情況，方法2同樣適用。
3.3AAMC和HCMC附錄A圖A4和圖A5分別給出了AAMC和HCMC兩種換流器拓撲結構。AAMC和HCMC均包含由IGBT串聯組成的導通開關和FBSM級聯而成的整形電路。AAMC的整形電路與導通開關成串聯形式，構成橋臂；HCMC的整形電路位于交流側，導通開關直接構成橋臂。HCMC中的導通開關存在同步觸發等問題，需要硬開通、硬關斷，與兩電平VSC相同。目前全世界只有ABB等幾個廠家具有較為完備的制造能力，本文不再對其展開討論。AAMC需要導通開關與整形電路相互協調來完成能量的平穩傳輸。導通開關一般只在兩端電壓過零點附近開通或關斷，從而實現了電壓的軟通斷，電壓應力小。另外，與HCMC相比，AAMC內的導通開關每個工頻周期僅需通斷一次，開關頻率要求低且損耗小。因此，從制造工藝的難易程度來看，AAMC相比于HCMC更具推廣前景。AAMC中由于導通開關承受一部分直流電壓，因而FBSM的使用個數能夠相應減少。極限條件下，導通開關可以承受一半的直流電壓，AAMC的子模塊數量與F-MMC(或H-MMC)相比減少了一半，在經濟性上明顯優于F-MMC。假設H-MMC每個橋臂包含N個HBSM（即2N個IGBT，N個電容），且AAMC中無論是導通開關還是FBSM，所有的IGBT都采用具有相同承壓能力的產品型號，則AAMC每個橋臂包含近0.5N個FBSM和0.5N個串聯而成的IGBT（即2.5N個IGBT和0.5N個電容），因此，AAMC相比于H-MMC增加了0.5N個IGBT但減少了0.5N個電容。若不考慮AAMC導通開關特殊工藝所需的額外費用，僅從目前一個子模塊電容的價格占單個HBSM一半造價的現狀來看，AAMC的投資成本反而低于H-MMC，具有較好經濟性。由于AAMC整形電路采用FBSM，具有負電平輸出能力，因此，AAMC能夠降壓運行，最低可至0，但不能運行于反向電壓狀態。因此，LCC-AAMC除不能實現功率快速反轉外，送端交流系統故障功率中斷、直流故障自清除等問題均能有效解決，運行方式較為靈活。
3.4二極管阻斷型MMC附錄A圖A6給出了D-MMC的結構示意圖，在H-MMC直流出口處串聯了大功率二極管閥組。當直流線路故障時，H-MMC內交流系統與直流故障點流經換流閥的故障電流回路被二極管閥組阻斷，直流故障得以清除。二極管閥組造價便宜且無需控制設備，具有較好的經濟性，但直流故障阻隔階段，二極管兩端需要承受直流系統級的反向電壓，對二極管閥組的承壓及與之配合的避雷器參數配置提出了要求，在設計階段應給予充分考慮。受限于二極管閥組的單向導通性，D-MMC只能作為功率受端，因此，LCC-D-MMC不具備功率反轉能力。在降電壓運行等靈活性方面，D-MMC等同于H-MMC，遜色于HBSM+WNSM。因此，LCC-D-MMC存在送端交流系統故障功率中斷問題；當D-MMC采用偽雙極結構時，直流線路單極故障會引發非故障極直流過電壓。
3.5LCC和H-MMC混合串聯文獻[37-38]給出了一種LCC與H-MMC串聯構成一極閥組的拓撲結構，如附錄A圖A7所示。LCC具有直流電流單向、直流電壓可反向特性，H-MMC具有直流電壓單向、直流電流可反向特性。因此，結合換流閥旁通開關倒閘等措施，LCC+H-MMC結構具有多種運行模式，且能低電壓運行。從文獻[38]的研究成果可以看出，采用LCC+H-MMC的混合直流輸電系統不僅具備直流故障自清除能力，還能有效解決送端交流故障功率傳輸中斷問題。相比于H-MMC，LCC造價便宜，LCC+H-MMC的造價明顯少于純粹的H-MMC。但是，LCC伴隨有交直流諧波，需要添加交流濾波器和直流濾波器，導致換流站占地面積增加。在功率快速反轉方面，圖A7中的LCC可電壓反向運行于整流狀態，但H-MMC降壓運行能力有限，若LCC運行于最大反向電壓而H-MMC運行于最小直流電壓（最大電壓調制比）狀態時，LCC+H-MMC具有一定的功率反轉能力，此時LCC處于整流送功率狀態，H-MMC處于逆變吸功率狀態，兩者的功率差為潮流反轉功率。為進一步提升功率反轉能力，可借鑒文獻[39-40]的做法，將HBSM的旁通晶閘管改為雙向晶閘管，在需要潮流反轉的時候，閉鎖H-MMC，斷開交流開關并將雙向晶閘管觸發導通，此時H-MMC直流側處于短路狀態，由LCC提供50%及以上的反轉功率。LCC饋入受端易受交流系統故障影響引發換相失敗。從LCC換相失敗的本質可知，換相失敗期間LCC一相的上下橋臂都處于導通狀態，致使LCC直流側近似短路，直流電壓將直接施加于H-MMC上，導致H-MMC直流側過電壓（近兩倍過電壓）引發子模塊電容電壓抬升，因此，要在H-MMC直流側并聯避雷器組，并校核相關絕緣參數。
4拓撲方案比較
通過上述分析，表1統計了各種換流器拓撲結構的定性比較結果。從表1的最后一行“改造成本”來看，D-MMC以左價格偏低，以右價格偏高。D-MMC相比于H-MMC增加了造價較為便宜的二極管閥組，同時增加了故障自清除能力，但是其他方面的運行特性并未優化，二者特性相似造價差異不大。LCC+H-MMC改造費用最低、運行損耗最低，同時與H-MMC相比，除諧波和換相失敗風險外，各項運行特性均優于H-MMC。雖然交直流濾波器會增加換流站面積，但原LCC本就配有濾波場，可直接沿用原先的交流場和直流場空間，無需考慮額外征地。如前文所述，AAMC的導通開關具有軟通斷特性，若導通開關制造工藝成熟，AAMC的造價將小于H-MMC，除運行損耗稍高外，AAMC的各項運行特性均優于H-MMC。F-MMC是所有拓撲方案中運行特性最好，但價格和損耗最高的拓撲方式。從H-MMC到HBSM+WNSM再到F-MMC，換流閥使用的IGBT個數逐漸增加，造價和運行損耗也逐個提高，同時，運行性能逐漸提升。常規直流改造可依據投資成本、功能需求、運行可靠性、控制靈活性等因素進行拓撲選型，以滿足實際工程需要，并兼和性價比。
5結論
采用VSC類換流器對常規直流受端進行改造能夠提升受端電網的運行靈活性和可靠性，但是，在不同的接線方式以及諸多的換流閥拓撲結構中，并非所有拓撲都適用。受端換流器改造可采用偽雙極和真雙極兩種結構形式。雖然真雙極結構能夠沿用部分電壓電流互感器和避雷器，但從整體改造費用而言，真雙極結構仍將高于偽雙極結構。受限于單換流器輸送容量，偽雙極結構一般只適用于小容量直流輸電系統。偽雙極結構直流線路發生單極接地故障時，非故障極直流電壓將被瞬間抬升至2倍左右，對原有設備產生過電壓沖擊。雖然采用AAMC、F-MMC等具備直流電壓降壓運行能力的換流器能夠緩解過電壓情況，但仍需依據工程過電壓校核情況，分析改造方案的可行性。真雙極結構適用于高壓大容量或采用架空線路的常規直流改造。受限于送/受端換流器在電流源和電壓源拓撲本質上的區別，受端宜采用具有直流電壓降壓能力的換流器，功能更為全面，特性更為優異。若忽略投資成本，F-MMC最具優勢，運行方式最為靈活，性能最優；若軟通斷下IGBT串聯技術普及，AAMC具有較大的競爭力，各方面性能都優于H-MMC；若忽略占地面積的約束，現階段LCC+H-MMC的結構形式最具競爭力，技術成熟，推廣性強。需進一步研究的工作如下：（1）偽雙極結構中，直流線路單極接地故障，過電壓快速抑制策略；（2）HBSM+WNSM和F-MMC的不閉鎖直流故障自適應（無通訊）穿越策略；（3）LCC+H-MMC諧波特性和各種暫穩態下的換流閥電壓電流應力分析。
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作者：許烽1，宣曉華1，江道灼2，黃曉明1，虞海泓1，陸翌1，裘鵬1 單位：1．國網浙江省電力公司電力科學研究院；2．浙江大學電氣工程學院，浙江省杭州市
