VSC-HVDC 系统概述

侯

（机械工业北京电工技术经济研究所）

0 引言

柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，CIGRE和IEEE将之定义为VSC-HVDC，该技术是由常规直流输电技术演化发展而来的新型技术，除了具有输送电压高、输送量大、输电稳定可靠、可有效消除输电中存在的故障等优点外，还具备以下几项常规直流输电技术不具备的优势，即遇突发事故后可以快速恢复供电、输电电压稳定、设计更加科学合理便于运输安装、双极运输无需接入地极等新的优点作为新一代直流输电技术，柔性直流输电为电网输电方式的变革和构建未来电网提供了有效的解决方案。

常规高压直流输电技术的研究和应用在我国已非常深入和成熟，有多个直流工程的广泛实践，并建设了世界上电压等级最高、输送容量最大的±800 kV 特高压直流工程。柔性直流输电技术的研究正处于技术不断改进，工程应用不断增长的高速发展期，未来随着电力电子技术的进步和发展，柔性直流输电在解决远离，大容量输电，新能源分布式电源接入，以及特大型交直流混合电网面临的诸多问题时都将展现出其特有的优势。

图1 VSC-HVDC 结构示意图

1 发展背景

加拿大McGill 大学的Boon Teck Ooi 等于1990 年提出了基于PWM 的VSC 直流输电概念，在此基础上ABB 公司把VSC 和聚合物电缆相结合提出了轻型直流输电的概念，并于 1997年3 月在瑞典中部的赫尔斯杨（Hellsjon）进行了首次工业性试验（±10kV，150A，3MW，10km）。这种以VSC、全控器件和PWM 技术为基础的直流输电技术，国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE）将其称为“VSC-HVDC”,即“电压源换流器型直流输电”。ABB 公司称其为“轻型直流（HVDC-Light）”，西门子公司称其为“新型直流（HVDC-Plus）”，中国电力科学院等专家称其为 “柔性直流（HVDC-Flexible）”。 自从 ABB 公司 1997 年赫尔斯扬实验性工程的试验成功以来，VSC-HVDC 技术在世界各国得到迅速发展。

2 VSC-HVDC 系统结构

图1所示为用于风电场并网的柔性直流输电系统单线结构示意图，包括一个风电场、两个换流站、两条直流线路（电缆或架空线）和一个交流系统。风电场侧换流站为送端换流站，工作在整流方式，将风电场输出的交流电变成直流电通过直流线路传输到受端换流站；电网侧换流站为受端换流站，工作在逆变方式，将直流电逆变成交流电后并入交流电网。

柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统）等。电压源换流器包括换流电路和直流电容器，实现交流电和直流电转换的换流电路由一个或多个换流桥并联（或串联）组成。电压源型换流桥可以采用多种拓扑结构，工程中常用的有三相两电平、二极管箝位式三电平和模块化多电平结构。换流器中的每个桥有三个相单元，一个相单元有上下两个桥臂，每个桥臂或由一重阀（两电平）构成，或由两重阀（三电平）构成，或由多重阀（多电平）构成。柔性直流输电系统的换流阀由于并联了续流二极管阀，因而具有双向导通性，一个换流阀由一个或多个阀段组成，每个阀段又由多个阀层组成。在已投运的柔性直流工程中，阀层就是由压装式 IGBT 连同驱动电路、散热片及其他辅助电路共同构成的。直流电容器为电压源换流器提供直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；相电抗器是电压源换流器与交流系统进行能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用；交流滤波器的作用是滤除交流侧高次谐波；联结变压器是带抽头的普通变压器，其作用是为电压源换流器提供合适的工作电压，保证电压源换流器输出最大的有功功率和无功功率。

3 VSC-HVDC 工作原理

图2所示为VSC-HVDC 交流侧基波等效原理图以及基波相量图。当不计联结变压器和相电抗的电阻时，电压源换流器交流母线电压基频分量 Us与交流输出电压的基频分量Uc共同作用于联结变压器和相电抗的等效电抗Xc，并决定了电压源换流器与交流系统之间传输的有功功率P和无功功率Q分别为式（1）和式（2）。

图2 VSC-HVDC 交流侧基波等效原理图及基波相量图

由式（1）和式（2）可以得到图2b所示的换流器稳态运行时的基波相量图。由图可知，有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于 Uc。因此，通过调节δ就可以控制VSC-HVDC 输电系统传输有功功率的大小和方向，通过控制 Uc的幅值就可以控制电压源换流器吸收或发出的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。

4 VSC-HVDC 系统特点

4.1 VSC-HVDC 系统的优点

柔性直流输电是采用可控关断型电力电子器件和PWM 技术，具有如下显著的技术优势。

1）柔性直流输电线路相比于交流线路来说要少用一根导线，这使其线路造价较低、损耗较小，而且占用的输电走廊也比较窄。

2）柔性直流电缆线路输送容量大、损耗小、使用寿命长，并且输送距离基本上不受限制。

3）柔性直流输电一般使用地下或海底电缆，在铺设时可以使用直埋技术，不仅降低了工程成本、缩短了工程时间，还减小了对环境的影响

4）柔性直流输电不存在交流输电的稳定性问题。

5）柔性直流输电克服了常规直流输电受端系统必须是有源网络的根本缺陷，使利用 HVDC 为远距离的孤立负荷送电成为可能。

6）柔性直流输电克服了常规直流输电不能单独控制有功功率和无功功率的不足，可独立、精确、灵活方便地对有功功率和无功功率进行控制。此外，能够起到静止同步补偿器的作用，提高系统稳定性。

7）在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，这与常规直流输电恰好相反。从而克服了传统多端直流输电系统并联连接时潮流控制不便和串联连接时影响可靠性的问题。

8）较常规直流输电而言，其产生的谐波大为减弱，从而减小了滤波装置的容量，简化了换流站的结构，换流站占地面积仅为同容量下传统HVDC 的20%左右。

此外，柔性直流输电不会增加系统的短路容量，具有良好的电网故障后快速恢复控制和黑启动能力，模块化设计使柔性直流输电的设计、生产、安装和调试周期大大缩短，换流站间无需快速通信，可以相互独立控制，易于实现无人值守等。

4.2 VSC-HVDC 系统的不足

从已投运的柔性直流输电工程来看，其也有相对不尽如人意的地方，具体如下：

1）输送容量有限。目前柔性直流输电工程的输送容量普遍不高，相对于特高压直流输电可以达到8000MW以上的输送有功功率，柔性直流输电目前最高设计输送有功功率为1000MW。其受到限制的主要原因是一方面是由于受到电压源型换流器件结温容量限制，单个器件的通流能力普遍不高，正常运行电流最高只能做到2000A左右；另一方面是由于受到直流电缆的电压限制，目前的XLPE挤包绝缘直流电缆的最高电压等级为320kV，因此柔性直流换流站的极线电压也受到限制。如果采用架空线路，电压水平能够提高，但是可靠性却大大降低；如果采用油纸绝缘电缆则建设成本会大幅提高，输电距离也会受到影响。

2）单位输送容量成本高。相比于成熟的常规直流输电工程，柔性直流输电工程目前所需设备的制造商较少，主要设备尤其是子模块电容器、直流电缆等供货商都是国际上有限的几家企业，甚至需要根据工程定制，安排排产，因此成本高昂。IGBT器件目前国内已经具备一定的生产能力，但是其内部的硅晶片仍然主要依靠进口。从目前国内舟山、厦门等柔性直流工程的建设成本来看，其单位容量造价约为常规直流输电工程的4～5 倍。

3）故障承受能力和可靠性较低。由于目前没有适用于大电流开断的直流断路器，而柔性直流输电从拓扑结构上无法通过IGBT 器件完全阻断故障电流，不具备直流侧故障自清除能力，因此一旦发生直流侧短路故障，必须切除交流断路器，闭锁整个直流系统，整个故障恢复周期较长，相对于传统直流，柔性直流的故障承受能力和可靠性较低。如果采用双极对称接线方案可以一定程度上提高可靠性，但是故障极的恢复时间仍会受到交流断路器动作时间的限制，整个系统完全恢复的速度比不上传统直流。这也是架空线在柔性直流输电中的应用受到限制的主要原因。

4）损耗较大。目前虽然采用子模块多电平的柔性直流工程多将损耗控制在1%以内，与传统直流的损耗相当，但是输送容量相对于传统直流还是很小，而如果容量提升，则必然需要更大规模的子模块和更快的开关频率，因此损耗也会相应提高。

5）输电距离较短。由于没有很好地解决架空线传输的问题，柔性直流输电工程的电压普遍不高，同时，柔性直流系统相对损耗较大，这就限制了其有效的输电距离。

5 VSC-HVDC 系统的应用场合

柔性直流输电系统克服了常规直流的固有缺陷，可以快速独立地控制与交流系统交换有功和无功功率、控制公共连接点的交流电压、潮流反转方便灵活、可以自换相，因此具有提高交流系统电压稳定性、功角稳定性、降低损耗、事故后快速恢复、便于电力交易等功能。加之设计施工方便灵活、施工周期短、电磁场污染、噪声污染小、没有油污染的特点，使得柔性直流特别适合在连接分散的新能源电源、弱交流节点处的交流电网非同步互联、偏远负荷供电、海上钻井平台或孤岛供电、提高配电网电能质量等领域应用。它的出现为直流输电技术开辟了更广阔的应用领域，其主要适用的场合如下：

1）新能源并网。

2）异步电网互联。

3）构建城市直流输配电网。

4）向远方孤立负荷点送电。

5）提高配电网电能质量。

6）电力交易。

6 结束语

柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。