適用于常規(guī)直流改造的混合直流輸電系統(tǒng)主電路拓?fù)溲芯?/h1>
2018-12-13 05:13趙文強(qiáng)宣佳卓李繼紅王永平汪楠楠
電力自動(dòng)化設(shè)備 2018年12期
趙文強(qiáng)，宣佳卓，陸 翌，李繼紅，王永平，汪楠楠，盧 宇
(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106；2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)
0 引言
自1954年世界上第一個(gè)直流輸電工程建成以來，高壓直流輸電技術(shù)持續(xù)發(fā)展，目前世界上已有一百多個(gè)高壓直流輸電工程建成投運(yùn)，其中，基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電(LCC-HVDC)系統(tǒng)經(jīng)過四十多年的發(fā)展，技術(shù)已非常成熟[1]。目前LCC-HVDC廣泛用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、異步電網(wǎng)互聯(lián)等場(chǎng)合。然而，LCC-HVDC由于換相對(duì)所連交流電網(wǎng)有要求，存在逆變側(cè)易發(fā)生換相失敗、無法對(duì)弱交流系統(tǒng)供電、無法實(shí)現(xiàn)無源運(yùn)行、運(yùn)行過程中需消耗大量無功功率等缺陷，在一定程度上限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。此外，在我國的華東電網(wǎng)和南方電網(wǎng)地區(qū)LCC-HVDC直流落點(diǎn)密集，一旦發(fā)生交流系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗，進(jìn)一步導(dǎo)致功率缺失，對(duì)受端交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重威脅[2- 4]。
近年來，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)系統(tǒng)因其有功功率和無功功率可以實(shí)現(xiàn)解耦控制，無需無功功率補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小，無需交流電網(wǎng)的短路容量支持換相，不存在換相失敗，從而解決了直流輸電向弱系統(tǒng)或無源電網(wǎng)供電的問題，得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛青睞[5]。但是VSC-HVDC造價(jià)昂貴、運(yùn)行損耗大，系統(tǒng)傳輸容量相較于LCC-HVDC仍有較大差距，更為重要的是其無法經(jīng)濟(jì)有效地處理直流架空線路故障，制約了其在遠(yuǎn)距離大功率輸電場(chǎng)合的運(yùn)用[6]。
在LCC-HVDC和VSC-HVDC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，1992年有學(xué)者提出了混合直流輸電的概念，稱之為混合高壓直流輸電(hybrid HVDC)系統(tǒng)[7]。近年來，隨著新型大功率電力電子器件的不斷涌現(xiàn)及器件電壓和電流水平的不斷提升，特別是2001年，由德國學(xué)者提出的基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)的出現(xiàn)[8]，混合高壓直流輸電技術(shù)開始得到了廣泛關(guān)注，并不斷有混合直流輸電工程投入運(yùn)行，有學(xué)者提出通過將現(xiàn)有的常規(guī)直流輸電工程的受端換流站升級(jí)改造為柔性直流換流站，構(gòu)成混合直流輸電系統(tǒng)，從而解決多饋入直流輸電的困擾[9]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)從混合直流輸電的基本原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制與保護(hù)方法等方面進(jìn)行了大量研究[10-13]，但針對(duì)適用于常規(guī)直流改造的混合直流輸電主電路拓?fù)溥M(jìn)行系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)較少，因此有必要展開深入的研究。
本文從混合直流輸電系統(tǒng)的主接線方式出發(fā)，分析并指出了適用于混合直流輸電系統(tǒng)的接線方式；總結(jié)并分析了4種處理柔性直流架空線故障的方法，指出了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)指出了適用于常規(guī)直流改造為混合直流的架空線故障處理方法；結(jié)合上述方法，總結(jié)分析了工程中可行的4種適用于常規(guī)直流改造為混合直流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出了2種子模塊混合非對(duì)稱型混合直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)這6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用場(chǎng)景；通過PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)相關(guān)分析進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
1 混合直流主接線方式
混合直流輸電系統(tǒng)的主接線兼具LCC-HVDC和VSC-HVDC系統(tǒng)的主接線方式。VSC-HVDC系統(tǒng)的接線方式依據(jù)換流器輸出的直流電壓極性分為對(duì)稱單極和雙極2種接線方式。對(duì)稱單極是指換流器2個(gè)直流端子上輸出的直流電壓對(duì)稱；不對(duì)稱單極是指換流器2個(gè)直流端子上輸出的直流電壓不對(duì)稱，通常一端接地；雙極是指2個(gè)或2個(gè)以上電壓源型換流器(VSC)不對(duì)稱單極構(gòu)成1個(gè)雙極直流，包括大地回線和金屬回線2種運(yùn)行方式。現(xiàn)有常規(guī)直流輸電系統(tǒng)一般均采用雙極接線方式，因此，混合直流輸電系統(tǒng)一般也依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，采用對(duì)稱單極或雙極2種接線方式，具體如圖1所示。
圖1 混合直流輸電系統(tǒng)的主接線方式Fig.1 Main connection modes of hybrid HVDC system
圖1(a)為采用對(duì)稱單極接線方式的混合直流輸電系統(tǒng)，采用此種接線方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，柔直換流站設(shè)備數(shù)量少，造價(jià)低，損耗?。徽＿\(yùn)行時(shí)，柔直換流變壓器不需要耐受直流偏置電壓，可采用普通變壓器；直流線路單極接地情況下交流電網(wǎng)不提供故障電流。然而此種接線方式也存在以下缺點(diǎn)：?jiǎn)螛O設(shè)備故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)退出運(yùn)行，可靠性差；直流線路發(fā)生單極接地故障后，非故障極的對(duì)地電壓將上升至原來的2倍左右，這將給非故障極的直流架空線路、柔直站換流變壓器及閥側(cè)交流設(shè)備的對(duì)地絕緣水平帶來挑戰(zhàn)；只適用于容量較小的直流工程,對(duì)于國內(nèi)常見的500 kV/3 000 MW常規(guī)直流輸電工程而言，若要改造為此種接線方式的混合直流工程，則VSC-HVDC換流站即使采用單相雙繞組聯(lián)結(jié)變壓器，每臺(tái)的容量也將達(dá)到1 160 MV·A，這將給聯(lián)結(jié)變壓器的生產(chǎn)制造及運(yùn)輸帶來極大的困難。
圖1(b)為采用雙極接線方式的混合直流輸電系統(tǒng)，采用此種接線方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)換流器冗余，當(dāng)其中任何一極設(shè)備發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，剩余另一極仍可繼續(xù)工作，甚至可以轉(zhuǎn)代故障極的功率，從而不造成功率損失影響所連交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而此種接線方式也存在如下缺點(diǎn)：相同的輸送容量下與對(duì)稱單極接線相比成本較高，占地較大；接地極需要特殊設(shè)計(jì)(需要對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，得到許可)；換流變壓器需要承受直流偏置電壓。
此外，雙極接線方式下當(dāng)輸電線路或換流站的一個(gè)極因故障退出運(yùn)行時(shí)，健全極可以依據(jù)情況轉(zhuǎn)為如下3種單極運(yùn)行方式：?jiǎn)螛O大地回線，單極金屬回線，單極雙線并聯(lián)大地回線。同時(shí)還可以利用健全極的過負(fù)荷能力，減少功率損失，減小對(duì)兩端交流電網(wǎng)的沖擊。因此雙極接線方式具有較高的運(yùn)行可靠性和靈活性，且此種接線方式也最適合于常規(guī)直流改造為混合直流。
2 處理直流架空線路故障的方法
直流架空線路故障隔離與恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，通過控制晶閘管換流器快速移相，可以迅速清除暫態(tài)直流短路故障電流，從而實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的快速再啟動(dòng)。而基于半橋子模塊的模塊化多電平換流器(MMC)并不能通過換流器的自身動(dòng)作來處理直流架空線路故障，其原因在于半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中即使所有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)全部關(guān)斷，交流系統(tǒng)仍可通過IGBT反并聯(lián)的二極管向故障點(diǎn)饋入電流，這對(duì)于交流系統(tǒng)的影響而言相當(dāng)于三相短路。理論上VSC-HVDC可以采用以下4種方式處理直流架空線路故障：方式a，利用交流斷路器；方式b，利用直流斷路器；方式c，采用具有直流故障穿越能力的VSC；方式d，采用電流源型換流器與VSC組合。
方式a是目前主流的方法，國內(nèi)外已投運(yùn)的柔性直流工程均采用此方法。該方法最為經(jīng)濟(jì)，但交流斷路器為機(jī)械開關(guān)，動(dòng)作速度慢，且只能在電流過零點(diǎn)時(shí)切除故障。而實(shí)際發(fā)生直流線路故障時(shí)直流側(cè)故障電流衰減較慢，若不引入橋臂阻尼裝置[14]，線路發(fā)生故障后的電流衰減時(shí)間通常為數(shù)百毫秒[15]，整個(gè)系統(tǒng)的重啟恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，通常為秒級(jí)。且故障期間換流器必須閉鎖，這樣會(huì)導(dǎo)致所連交流系統(tǒng)將不僅失去有功功率，也將失去無功功率，不利于交直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。
方式b是最易想到也最為直接的方法，但直流斷路器技術(shù)目前還不成熟，尚處在研究及工程試用階段且造價(jià)相當(dāng)昂貴[16-17]。直流斷路器的最大開斷電流能力受功率開關(guān)器件的限制，開斷能力有限，因此必須增加限流電抗以限制故障電流幅值，以及限制故障電流上升速率，但加入過多的直流電抗器會(huì)影響系統(tǒng)暫態(tài)特性，同時(shí)不利于直流斷路器的快速開斷?？紤]到直流斷路器可以隔離故障，因此故障期間換流器可以不閉鎖，繼續(xù)為所連交流系統(tǒng)提供無功電壓支撐。
表1 4種方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Merits and demerits comparison among four modes
方式成本損耗能否清除直流線路故障故障清除速度開斷能力換流器是否閉鎖適用電壓功率等級(jí)潮流方向a11能慢高閉鎖低雙向b1.15^1.31.05^1.15能快低不閉鎖中雙向c1.3^1.41.3^1.45能快低不閉鎖高雙向d1.01^1.11.01^1.1能快高不閉鎖高單向
方式c實(shí)際上是利用換流器的部分功能取代直流斷路器的作用，因此換流器必須采用特殊的方式即能夠輸出負(fù)電平且具備直流線路故障穿越能力，這類換流器主要有基于全橋子模塊的模塊化多電平換流器(FB-MMC)、基于鉗位雙子模塊的模塊化多電平換流器(C-MMC)等[18 -20]。相比于工程上常用的基于半橋子模塊的模塊化多電平換流器(HB-MMC)，具備直流故障穿越能力的換流器采用的功率器件數(shù)量較多,成本及損耗均較大，因而經(jīng)濟(jì)性較差。然而此類換流器因可以輸出負(fù)電平，因此可以實(shí)現(xiàn)降壓運(yùn)行，甚至負(fù)電壓運(yùn)行，加快架空線路故障電弧的熄滅，具備較高的技術(shù)靈活性[21]。且此類換流器在故障期間可以不閉鎖，繼續(xù)為所連交流系統(tǒng)提供無功電壓支撐。
方式d實(shí)質(zhì)是利用電流源型換流器的電流單向流通特性來阻斷直流線路故障電流。依據(jù)電流源型換流器的形式不同，目前主要有2種結(jié)構(gòu)：二極管閥+HB-MMC和晶閘管閥+HB-MMC。其中二極管閥+HB-MMC結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，只需在每極直流線路上串聯(lián)一個(gè)二極管閥即可。此種方案可以實(shí)現(xiàn)直流線路故障穿越，換流器不需閉鎖仍可繼續(xù)為所連交流系統(tǒng)提供無功電壓支撐。但此方案下直流功率只能單向傳輸，同時(shí)增加的二極管閥需承擔(dān)相當(dāng)于額定直流電壓的反向電壓，因此工程上要實(shí)現(xiàn)該二極管閥，需要考慮占地和散熱問題。而晶閘管閥+HB-MMC則是通過晶閘管閥與HB-MMC相串聯(lián)組成一個(gè)新的換流單元，此種結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)直流電壓水平至800 kV，功率達(dá)到5 000 MW[22-23]，與現(xiàn)有基于晶閘管換流器技術(shù)的特高壓直流輸電系統(tǒng)的功率電壓水平相當(dāng)。此方案下直流功率也只能單向傳輸，在工程應(yīng)用中需考慮晶閘管閥的設(shè)計(jì)、占地與散熱問題，同時(shí)還需考慮晶閘管閥與HB-MMC的協(xié)調(diào)控制及晶閘管閥的諧波對(duì)HB-MMC的影響。
表1對(duì)上述4種處理直流架空線路故障方式的特性進(jìn)行了比較，每種方式都有各自的適用場(chǎng)合。表中成本、損耗均為標(biāo)幺值，后同。方式a適用于送端和受端電網(wǎng)均較強(qiáng)的直流工程，且對(duì)直流架空線路故障重啟沒有太高要求的工程。此種方式并不適用于我國常規(guī)直流的混合直流改造。方式b適用于對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求不是很高，電壓等級(jí)及容量均適中的多端直流工程。對(duì)于兩端直流工程，尤其是混合直流工程而言沒有采用此方式的必要性。方式c的適用性最強(qiáng)，各種情況的直流工程均適用，但經(jīng)濟(jì)性偏低，此方式適用于常規(guī)直流的混合直流改造。方式d則在大容量遠(yuǎn)距離功率單向傳輸?shù)墓こ讨杏幸欢▋?yōu)勢(shì)，此方式也適用于常規(guī)直流的混合直流改造。下文將結(jié)合方式c和方式d對(duì)混合直流主回路拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比分析。
3 混合直流主電路拓?fù)?/h2>
將常規(guī)直流輸電系統(tǒng)改造為混合直流輸電系統(tǒng)，關(guān)鍵在于改造后的柔性直流換流站，它的性能決定了整個(gè)混合直流的性能。為了與整流站LCC配合，VSC需具備2個(gè)關(guān)鍵性能：直流架空線路故障處理能力,快速大范圍直流電壓調(diào)節(jié)能力。
為了具備常規(guī)直流的直流架空線路故障重啟功能，受端的柔性直流換流站必須能夠處理直流故障。結(jié)合第2節(jié)的分析，柔性直流換流站可優(yōu)選以下2種方式來處理直流故障：采用具有直流故障穿越能力的VSC；采用電流源型換流器與VSC組合。目前工程中VSC主要采用MMC，而其中較為成熟的子模塊主要有3種,如圖2所示。其中使用圖2(b)所示的全橋子模塊構(gòu)成的MMC具備直流故障穿越能力，由其構(gòu)成的混合直流主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，并將其定義為拓?fù)?。
圖2 VSC子模塊拓?fù)銯ig.2 Topologies of VSC sub-module
圖3 基于全橋子模塊的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.3 Topology schematic diagram of hybrid-HVDC system based on full-bridge sub-module
由于全橋子模塊具備輸出負(fù)電平的能力，因此當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊以一定的比例混合構(gòu)成MMC時(shí)也具備直流故障穿越能力，即MMC的6個(gè)橋臂均由全橋子模塊與半橋子模塊以一定的比例混合構(gòu)成，本文將此種結(jié)構(gòu)定義為對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，同時(shí)提出2種非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)?；趯?duì)稱型結(jié)構(gòu)的混合直流輸電拓?fù)涫疽鈭D，如圖4所示，并將其定義為拓?fù)?。
圖4 基于對(duì)稱型結(jié)構(gòu)的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.4 Topology schematic diagram of hybrid-HVDC system based on symmetrical structure
基于子模塊混合的非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)的MMC具有2種類型。類型Ⅰ為MMC的6個(gè)橋臂中3個(gè)上橋臂均采用全橋子模塊，3個(gè)下橋臂均采用半橋子模塊，如圖5所示，并將其定義為拓?fù)?。類型Ⅱ?yàn)镸MC的6個(gè)橋臂中3個(gè)上橋臂均采用半橋子模塊，3個(gè)下橋臂均采用全橋子模塊，如圖6所示，并將其定義為拓?fù)?。
綜上，基于具有直流故障穿越能力VSC的方式，工程中可有2種類型4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于將常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)。而基于電流源型換流器與VSC組合的方式，工程中有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于將常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)，其中一種為如圖7所示的基于阻斷二極管+HB-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)，并將其定義為拓?fù)?，另一種為如圖8所示的基于晶閘管閥+HB-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)，并將其定義為拓?fù)?。故適用于將常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)的主回路拓?fù)涔灿?種可行的結(jié)構(gòu)，下面將從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)這6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。
圖5 基于非對(duì)稱Ⅰ型MMC拓?fù)涫疽鈭DFig.5 Topology schematic diagram of MMC based on asymmetrical type Ⅰ
圖6 基于非對(duì)稱Ⅱ型MMC拓?fù)涫疽鈭DFig.6 Topology schematic diagram of MMC based on asymmetrical type Ⅱ
圖7 帶有阻斷二極管的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.7 Topology schematic diagram of hybrid HVDC system with blocking diode
圖8 帶有晶閘管閥的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.8 Topology schematic diagram of hybrid HVDC system with thyristor valve
常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)后仍然需要適應(yīng)常規(guī)直流的兩大特性[12]：電流裕度控制、降壓運(yùn)行。由于混合直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)仍然采用LCC，而LCC產(chǎn)生的直流電壓與所連交流系統(tǒng)的電壓成正比，在所連交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致LCC-HVDC換流站的直流電壓急劇下降，雖然可以通過減小觸發(fā)角α來提升直流電壓，但LCC在實(shí)際運(yùn)行中存在最小觸發(fā)角限制，一般為5°。且HB-MMC在實(shí)際運(yùn)行中存在最小直流電壓限制，一般為額定直流電壓的80%左右。因此，在實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生LCC-HVDC換流站的直流電壓比VSC-HVDC換流站的直流電壓低，從而導(dǎo)致直流系統(tǒng)無穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)。為了避免系統(tǒng)直流電壓崩潰，需要采取如附錄中圖A1所示的Ud-Id外特性來維持直流電流。
由于全橋子模塊能夠輸出負(fù)電平，具備四象限運(yùn)行能力，能夠控制直流電壓從Ud至-Ud，因而在LCC側(cè)發(fā)生交流故障時(shí)能夠接管系統(tǒng)的直流電流控制，維持直流電流的傳輸。拓?fù)?具備此性能，而當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊比例達(dá)到1∶1或以上時(shí)，拓?fù)?—4均具備此性能。對(duì)于拓?fù)?而言，由于采用阻斷二極管+HB-MMC結(jié)構(gòu)，控制直流電壓能力較弱。理論分析及大量仿真表明：當(dāng)LCC側(cè)發(fā)生交流故障引起直流電壓低于0.5 p.u. 時(shí)，直流電流將斷流。而拓?fù)?則因?yàn)橛芯чl管閥的直流電壓控制作用，性能較拓?fù)?有較大提高，但當(dāng)LCC側(cè)發(fā)生交流故障引起直流電壓低于0.3 p.u. 時(shí)，直流電流仍將斷流。綜上，拓?fù)?在這方面性能最優(yōu)，其后依次為拓?fù)?、拓?fù)?、拓?fù)?、拓?fù)?，拓?fù)?最差。
對(duì)于降壓運(yùn)行這一重要特性，常規(guī)直流輸電工程均具備降壓至0.7 p.u. 運(yùn)行的能力，這是為了當(dāng)直流架空線路由于各種原因而導(dǎo)致絕緣水平下降時(shí)仍能正常輸送功率，不致于給兩端交流系統(tǒng)帶來較大沖擊，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。MMC的降壓運(yùn)行一般受其最大可運(yùn)行調(diào)制比的限制，目前主要有以下3種方式來實(shí)現(xiàn)MMC的降壓運(yùn)行：調(diào)節(jié)調(diào)制比，調(diào)整聯(lián)結(jié)變壓器檔位，改變調(diào)制方式。由于全橋子模塊可以輸出負(fù)電平，在不限制模塊數(shù)的情況下，理論上FB-MMC的調(diào)制比是無限的，因此FB-MMC具有優(yōu)越的降壓能力，即拓?fù)?具備大幅降壓能力。當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊的比例達(dá)到一定時(shí)，由其組成的MMC也具有降壓能力，即拓?fù)?—4具備一定的降壓能力。拓?fù)?和拓?fù)?由于采用半橋子模塊，其只能輸出正電平和零電平，因此其降壓能力受調(diào)制比、聯(lián)結(jié)變壓器檔位和調(diào)制方式的限制，其只在一定條件下具備一定的降壓能力。拓?fù)?由于串有可大幅調(diào)整直流電壓的晶閘管閥，因此其降壓能力優(yōu)于串有二極管閥的拓?fù)?。綜上，拓?fù)?在降壓運(yùn)行性能方面最優(yōu)，拓?fù)?最差，當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊的比例為1∶1時(shí)，拓?fù)?—4和6在降壓運(yùn)行性能方面基本一致。
表2對(duì)本文所述的6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面對(duì)比(表中成本、損耗為標(biāo)幺值)，從表中可以看到拓?fù)?— 4的技術(shù)性較好，其中拓?fù)?即基于全橋子模塊結(jié)構(gòu)的混合直流輸電系統(tǒng)具有最優(yōu)的技術(shù)性能。而拓?fù)?和拓?fù)?具有較好的經(jīng)濟(jì)性，其中拓?fù)?的經(jīng)濟(jì)性最好，然而拓?fù)?和拓?fù)?只適用于功率單向傳輸?shù)膱?chǎng)合。需要特別指出的是，對(duì)于由全橋子模塊與半橋子模塊以一定的比例混合構(gòu)成的MMC，即本文中的拓?fù)?—4，這3種拓?fù)湓诩夹g(shù)性和經(jīng)濟(jì)性方面基本一致，唯一的區(qū)別是混合子模塊的均壓控制問題[21]。由于全橋子模塊在橋臂電流雙方向上均能充電，而半橋子模塊只能在橋臂電流單方向上充電，同時(shí)實(shí)際中半橋和全橋子模塊損耗并不一致，因此當(dāng)兩者混合運(yùn)用在同一橋臂中時(shí)，需要額外增加相關(guān)協(xié)調(diào)控制器以實(shí)現(xiàn)子模塊的均壓，而在拓?fù)?和拓?fù)?這2種非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)中，由于半橋和全橋子模塊分別位于上橋臂和下橋臂，并不存在此問題，因此拓?fù)?和拓?fù)?的性能優(yōu)于拓?fù)?。
表2 6種拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)比較Table 2 Merits and demerits comparison among six topologies
拓?fù)涑杀緭p耗能否潮流反轉(zhuǎn)能否降壓運(yùn)行能否清除直流線路故障LCC站交流故障VSC站交流故障子模塊均壓難易控制靈活度11.3^1.41.3^1.45能能能可穿越故障無換相失敗易高21.15^1.21.15^1.25有條件的能能能可穿越故障無換相失敗難較高3、41.15^1.21.15^1.25有條件的能能能可穿越故障無換相失敗易較高511不能有條件的能能功率可能中斷無換相失敗易一般60.95^10.85^0.9不能有條件的能能功率可能中斷部分換相失敗易較高
4 仿真驗(yàn)證
在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)仿真模型，以驗(yàn)證相關(guān)分析的正確性。仿真系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)如下：系統(tǒng)額定直流電壓UdN=500 kV，額定直流電流IdN=3 000 A；LCC側(cè)交流系統(tǒng)額定電壓Uac1=525 kV，閥側(cè)額定電壓Uv1=208.6 kV，聯(lián)結(jié)變壓器變比為525 kV/208.6 kV，變壓器短路電壓百分?jǐn)?shù)uk1=15%，平波電感為150 mH；VSC側(cè)交流系統(tǒng)額定電壓Uac1=525 kV，閥側(cè)額定電壓Uv1=270 kV，聯(lián)結(jié)變壓器變比為525 kV/270 kV，變壓器短路電壓百分?jǐn)?shù)uk2=12%，直流電感為50 mH，橋臂電感為100 mH，子模塊電容C=10 mF，子模塊額定電壓UC=1.655 kV，橋臂模塊總數(shù)為302個(gè)，若為半橋子模塊與全橋子模塊混合則比例為1∶1， IGBT/二極管導(dǎo)通電阻為0.001 Ω。
針對(duì)拓?fù)?(基于阻斷二極管+HB-MMC的混合直流輸電系統(tǒng))、拓?fù)?(基于全橋子模塊的混合直流輸電系統(tǒng))和拓?fù)?(基于混合子模塊的非對(duì)稱型混合直流輸電系統(tǒng))3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真驗(yàn)證了整流側(cè)LCC-HVDC換流站發(fā)生交流故障時(shí)各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障穿越能力，如附錄中圖A2—A7所示。圖中，LCC-HVDC換流站UAC1、UAC2、UAC3為網(wǎng)側(cè)三相交流相電壓，UACRMS為網(wǎng)側(cè)線電壓有效值，IVY1、IVY2、IVY3為Y橋閥側(cè)電流，IVD1、IVD2、IVD3為D橋閥側(cè)電流，UDL_LCC為L(zhǎng)CC-HVDC換流站直流電壓，UDL_VSC為VSC-HVDC換流站直流電壓，IDL為直流電流，IO_REF為直流電流參考值；VSC-HVDC換流站Us為網(wǎng)側(cè)三相交流相電壓，Is為網(wǎng)側(cè)三相交流相電流，Uv為閥側(cè)三相交流相電壓，Iv為閥側(cè)三相交流相電流，UDL為直流電壓，IDL為直流電流。
由附錄中圖A2、圖A3可見，當(dāng)LCC-HVDC換流站發(fā)生交流兩相短路接地故障時(shí)，采用拓?fù)?直流電流出現(xiàn)了斷流。而相同故障下，采用拓?fù)?和拓?fù)?仍然可以傳輸一定的功率，如附錄中圖A4—A7所示。故障清除后，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均可以快速地恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。
5 結(jié)論
a. 分析了適用于混合直流輸電系統(tǒng)的主接線方式：對(duì)稱單極接線和雙極接線。對(duì)比分析了2種接線方式的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了雙極接線是常規(guī)直流改造為混合直流最適合的接線方式。
b. 針對(duì)柔性直流架空線路故障隔離困難的問題，分析總結(jié)了4種可行的處理直流架空線路故障的方法，對(duì)比分析了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景，指出了采用具有直流故障穿越能力的VSC及采用電流源型換流器與VSC組合的2種方式，適用于常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)。
c. 總結(jié)分析了工程中可行的4種適合于常規(guī)直流改造為混合直流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出了2種子模塊混合非對(duì)稱型混合直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)這6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用場(chǎng)合，其中基于晶閘管閥+HB-MMC的混合直流輸電拓?fù)浣?jīng)濟(jì)性最優(yōu)，基于全橋子模塊的混合直流輸電拓?fù)浼夹g(shù)性最優(yōu)。給未來常規(guī)直流改造為混合直流在主電路拓?fù)溥x擇方面提供了借鑒。
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http:∥www.epae.cn)。
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趙文強(qiáng)，宣佳卓，陸 翌，李繼紅，王永平，汪楠楠，盧 宇
(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106；2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)
0 引言
自1954年世界上第一個(gè)直流輸電工程建成以來，高壓直流輸電技術(shù)持續(xù)發(fā)展，目前世界上已有一百多個(gè)高壓直流輸電工程建成投運(yùn)，其中，基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電(LCC-HVDC)系統(tǒng)經(jīng)過四十多年的發(fā)展，技術(shù)已非常成熟[1]。目前LCC-HVDC廣泛用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、異步電網(wǎng)互聯(lián)等場(chǎng)合。然而，LCC-HVDC由于換相對(duì)所連交流電網(wǎng)有要求，存在逆變側(cè)易發(fā)生換相失敗、無法對(duì)弱交流系統(tǒng)供電、無法實(shí)現(xiàn)無源運(yùn)行、運(yùn)行過程中需消耗大量無功功率等缺陷，在一定程度上限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。此外，在我國的華東電網(wǎng)和南方電網(wǎng)地區(qū)LCC-HVDC直流落點(diǎn)密集，一旦發(fā)生交流系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗，進(jìn)一步導(dǎo)致功率缺失，對(duì)受端交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重威脅[2- 4]。
近年來，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)系統(tǒng)因其有功功率和無功功率可以實(shí)現(xiàn)解耦控制，無需無功功率補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小，無需交流電網(wǎng)的短路容量支持換相，不存在換相失敗，從而解決了直流輸電向弱系統(tǒng)或無源電網(wǎng)供電的問題，得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛青睞[5]。但是VSC-HVDC造價(jià)昂貴、運(yùn)行損耗大，系統(tǒng)傳輸容量相較于LCC-HVDC仍有較大差距，更為重要的是其無法經(jīng)濟(jì)有效地處理直流架空線路故障，制約了其在遠(yuǎn)距離大功率輸電場(chǎng)合的運(yùn)用[6]。
在LCC-HVDC和VSC-HVDC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，1992年有學(xué)者提出了混合直流輸電的概念，稱之為混合高壓直流輸電(hybrid HVDC)系統(tǒng)[7]。近年來，隨著新型大功率電力電子器件的不斷涌現(xiàn)及器件電壓和電流水平的不斷提升，特別是2001年，由德國學(xué)者提出的基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)的出現(xiàn)[8]，混合高壓直流輸電技術(shù)開始得到了廣泛關(guān)注，并不斷有混合直流輸電工程投入運(yùn)行，有學(xué)者提出通過將現(xiàn)有的常規(guī)直流輸電工程的受端換流站升級(jí)改造為柔性直流換流站，構(gòu)成混合直流輸電系統(tǒng)，從而解決多饋入直流輸電的困擾[9]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)從混合直流輸電的基本原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制與保護(hù)方法等方面進(jìn)行了大量研究[10-13]，但針對(duì)適用于常規(guī)直流改造的混合直流輸電主電路拓?fù)溥M(jìn)行系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)較少，因此有必要展開深入的研究。
本文從混合直流輸電系統(tǒng)的主接線方式出發(fā)，分析并指出了適用于混合直流輸電系統(tǒng)的接線方式；總結(jié)并分析了4種處理柔性直流架空線故障的方法，指出了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)指出了適用于常規(guī)直流改造為混合直流的架空線故障處理方法；結(jié)合上述方法，總結(jié)分析了工程中可行的4種適用于常規(guī)直流改造為混合直流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出了2種子模塊混合非對(duì)稱型混合直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)這6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用場(chǎng)景；通過PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)相關(guān)分析進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
1 混合直流主接線方式
混合直流輸電系統(tǒng)的主接線兼具LCC-HVDC和VSC-HVDC系統(tǒng)的主接線方式。VSC-HVDC系統(tǒng)的接線方式依據(jù)換流器輸出的直流電壓極性分為對(duì)稱單極和雙極2種接線方式。對(duì)稱單極是指換流器2個(gè)直流端子上輸出的直流電壓對(duì)稱；不對(duì)稱單極是指換流器2個(gè)直流端子上輸出的直流電壓不對(duì)稱，通常一端接地；雙極是指2個(gè)或2個(gè)以上電壓源型換流器(VSC)不對(duì)稱單極構(gòu)成1個(gè)雙極直流，包括大地回線和金屬回線2種運(yùn)行方式。現(xiàn)有常規(guī)直流輸電系統(tǒng)一般均采用雙極接線方式，因此，混合直流輸電系統(tǒng)一般也依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，采用對(duì)稱單極或雙極2種接線方式，具體如圖1所示。
圖1 混合直流輸電系統(tǒng)的主接線方式Fig.1 Main connection modes of hybrid HVDC system
圖1(a)為采用對(duì)稱單極接線方式的混合直流輸電系統(tǒng)，采用此種接線方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，柔直換流站設(shè)備數(shù)量少，造價(jià)低，損耗?。徽＿\(yùn)行時(shí)，柔直換流變壓器不需要耐受直流偏置電壓，可采用普通變壓器；直流線路單極接地情況下交流電網(wǎng)不提供故障電流。然而此種接線方式也存在以下缺點(diǎn)：?jiǎn)螛O設(shè)備故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)退出運(yùn)行，可靠性差；直流線路發(fā)生單極接地故障后，非故障極的對(duì)地電壓將上升至原來的2倍左右，這將給非故障極的直流架空線路、柔直站換流變壓器及閥側(cè)交流設(shè)備的對(duì)地絕緣水平帶來挑戰(zhàn)；只適用于容量較小的直流工程,對(duì)于國內(nèi)常見的500 kV/3 000 MW常規(guī)直流輸電工程而言，若要改造為此種接線方式的混合直流工程，則VSC-HVDC換流站即使采用單相雙繞組聯(lián)結(jié)變壓器，每臺(tái)的容量也將達(dá)到1 160 MV·A，這將給聯(lián)結(jié)變壓器的生產(chǎn)制造及運(yùn)輸帶來極大的困難。
圖1(b)為采用雙極接線方式的混合直流輸電系統(tǒng)，采用此種接線方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)換流器冗余，當(dāng)其中任何一極設(shè)備發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，剩余另一極仍可繼續(xù)工作，甚至可以轉(zhuǎn)代故障極的功率，從而不造成功率損失影響所連交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而此種接線方式也存在如下缺點(diǎn)：相同的輸送容量下與對(duì)稱單極接線相比成本較高，占地較大；接地極需要特殊設(shè)計(jì)(需要對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，得到許可)；換流變壓器需要承受直流偏置電壓。
此外，雙極接線方式下當(dāng)輸電線路或換流站的一個(gè)極因故障退出運(yùn)行時(shí)，健全極可以依據(jù)情況轉(zhuǎn)為如下3種單極運(yùn)行方式：?jiǎn)螛O大地回線，單極金屬回線，單極雙線并聯(lián)大地回線。同時(shí)還可以利用健全極的過負(fù)荷能力，減少功率損失，減小對(duì)兩端交流電網(wǎng)的沖擊。因此雙極接線方式具有較高的運(yùn)行可靠性和靈活性，且此種接線方式也最適合于常規(guī)直流改造為混合直流。
2 處理直流架空線路故障的方法
直流架空線路故障隔離與恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，通過控制晶閘管換流器快速移相，可以迅速清除暫態(tài)直流短路故障電流，從而實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的快速再啟動(dòng)。而基于半橋子模塊的模塊化多電平換流器(MMC)并不能通過換流器的自身動(dòng)作來處理直流架空線路故障，其原因在于半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中即使所有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)全部關(guān)斷，交流系統(tǒng)仍可通過IGBT反并聯(lián)的二極管向故障點(diǎn)饋入電流，這對(duì)于交流系統(tǒng)的影響而言相當(dāng)于三相短路。理論上VSC-HVDC可以采用以下4種方式處理直流架空線路故障：方式a，利用交流斷路器；方式b，利用直流斷路器；方式c，采用具有直流故障穿越能力的VSC；方式d，采用電流源型換流器與VSC組合。
方式a是目前主流的方法，國內(nèi)外已投運(yùn)的柔性直流工程均采用此方法。該方法最為經(jīng)濟(jì)，但交流斷路器為機(jī)械開關(guān)，動(dòng)作速度慢，且只能在電流過零點(diǎn)時(shí)切除故障。而實(shí)際發(fā)生直流線路故障時(shí)直流側(cè)故障電流衰減較慢，若不引入橋臂阻尼裝置[14]，線路發(fā)生故障后的電流衰減時(shí)間通常為數(shù)百毫秒[15]，整個(gè)系統(tǒng)的重啟恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，通常為秒級(jí)。且故障期間換流器必須閉鎖，這樣會(huì)導(dǎo)致所連交流系統(tǒng)將不僅失去有功功率，也將失去無功功率，不利于交直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。
方式b是最易想到也最為直接的方法，但直流斷路器技術(shù)目前還不成熟，尚處在研究及工程試用階段且造價(jià)相當(dāng)昂貴[16-17]。直流斷路器的最大開斷電流能力受功率開關(guān)器件的限制，開斷能力有限，因此必須增加限流電抗以限制故障電流幅值，以及限制故障電流上升速率，但加入過多的直流電抗器會(huì)影響系統(tǒng)暫態(tài)特性，同時(shí)不利于直流斷路器的快速開斷?？紤]到直流斷路器可以隔離故障，因此故障期間換流器可以不閉鎖，繼續(xù)為所連交流系統(tǒng)提供無功電壓支撐。
表1 4種方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Merits and demerits comparison among four modes
方式成本損耗能否清除直流線路故障故障清除速度開斷能力換流器是否閉鎖適用電壓功率等級(jí)潮流方向a11能慢高閉鎖低雙向b1.15^1.31.05^1.15能快低不閉鎖中雙向c1.3^1.41.3^1.45能快低不閉鎖高雙向d1.01^1.11.01^1.1能快高不閉鎖高單向
方式c實(shí)際上是利用換流器的部分功能取代直流斷路器的作用，因此換流器必須采用特殊的方式即能夠輸出負(fù)電平且具備直流線路故障穿越能力，這類換流器主要有基于全橋子模塊的模塊化多電平換流器(FB-MMC)、基于鉗位雙子模塊的模塊化多電平換流器(C-MMC)等[18 -20]。相比于工程上常用的基于半橋子模塊的模塊化多電平換流器(HB-MMC)，具備直流故障穿越能力的換流器采用的功率器件數(shù)量較多,成本及損耗均較大，因而經(jīng)濟(jì)性較差。然而此類換流器因可以輸出負(fù)電平，因此可以實(shí)現(xiàn)降壓運(yùn)行，甚至負(fù)電壓運(yùn)行，加快架空線路故障電弧的熄滅，具備較高的技術(shù)靈活性[21]。且此類換流器在故障期間可以不閉鎖，繼續(xù)為所連交流系統(tǒng)提供無功電壓支撐。
方式d實(shí)質(zhì)是利用電流源型換流器的電流單向流通特性來阻斷直流線路故障電流。依據(jù)電流源型換流器的形式不同，目前主要有2種結(jié)構(gòu)：二極管閥+HB-MMC和晶閘管閥+HB-MMC。其中二極管閥+HB-MMC結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，只需在每極直流線路上串聯(lián)一個(gè)二極管閥即可。此種方案可以實(shí)現(xiàn)直流線路故障穿越，換流器不需閉鎖仍可繼續(xù)為所連交流系統(tǒng)提供無功電壓支撐。但此方案下直流功率只能單向傳輸，同時(shí)增加的二極管閥需承擔(dān)相當(dāng)于額定直流電壓的反向電壓，因此工程上要實(shí)現(xiàn)該二極管閥，需要考慮占地和散熱問題。而晶閘管閥+HB-MMC則是通過晶閘管閥與HB-MMC相串聯(lián)組成一個(gè)新的換流單元，此種結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)直流電壓水平至800 kV，功率達(dá)到5 000 MW[22-23]，與現(xiàn)有基于晶閘管換流器技術(shù)的特高壓直流輸電系統(tǒng)的功率電壓水平相當(dāng)。此方案下直流功率也只能單向傳輸，在工程應(yīng)用中需考慮晶閘管閥的設(shè)計(jì)、占地與散熱問題，同時(shí)還需考慮晶閘管閥與HB-MMC的協(xié)調(diào)控制及晶閘管閥的諧波對(duì)HB-MMC的影響。
表1對(duì)上述4種處理直流架空線路故障方式的特性進(jìn)行了比較，每種方式都有各自的適用場(chǎng)合。表中成本、損耗均為標(biāo)幺值，后同。方式a適用于送端和受端電網(wǎng)均較強(qiáng)的直流工程，且對(duì)直流架空線路故障重啟沒有太高要求的工程。此種方式并不適用于我國常規(guī)直流的混合直流改造。方式b適用于對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求不是很高，電壓等級(jí)及容量均適中的多端直流工程。對(duì)于兩端直流工程，尤其是混合直流工程而言沒有采用此方式的必要性。方式c的適用性最強(qiáng)，各種情況的直流工程均適用，但經(jīng)濟(jì)性偏低，此方式適用于常規(guī)直流的混合直流改造。方式d則在大容量遠(yuǎn)距離功率單向傳輸?shù)墓こ讨杏幸欢▋?yōu)勢(shì)，此方式也適用于常規(guī)直流的混合直流改造。下文將結(jié)合方式c和方式d對(duì)混合直流主回路拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比分析。
3 混合直流主電路拓?fù)?/h2>
將常規(guī)直流輸電系統(tǒng)改造為混合直流輸電系統(tǒng)，關(guān)鍵在于改造后的柔性直流換流站，它的性能決定了整個(gè)混合直流的性能。為了與整流站LCC配合，VSC需具備2個(gè)關(guān)鍵性能：直流架空線路故障處理能力,快速大范圍直流電壓調(diào)節(jié)能力。
為了具備常規(guī)直流的直流架空線路故障重啟功能，受端的柔性直流換流站必須能夠處理直流故障。結(jié)合第2節(jié)的分析，柔性直流換流站可優(yōu)選以下2種方式來處理直流故障：采用具有直流故障穿越能力的VSC；采用電流源型換流器與VSC組合。目前工程中VSC主要采用MMC，而其中較為成熟的子模塊主要有3種,如圖2所示。其中使用圖2(b)所示的全橋子模塊構(gòu)成的MMC具備直流故障穿越能力，由其構(gòu)成的混合直流主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，并將其定義為拓?fù)?。
圖2 VSC子模塊拓?fù)銯ig.2 Topologies of VSC sub-module
圖3 基于全橋子模塊的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.3 Topology schematic diagram of hybrid-HVDC system based on full-bridge sub-module
由于全橋子模塊具備輸出負(fù)電平的能力，因此當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊以一定的比例混合構(gòu)成MMC時(shí)也具備直流故障穿越能力，即MMC的6個(gè)橋臂均由全橋子模塊與半橋子模塊以一定的比例混合構(gòu)成，本文將此種結(jié)構(gòu)定義為對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，同時(shí)提出2種非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)?；趯?duì)稱型結(jié)構(gòu)的混合直流輸電拓?fù)涫疽鈭D，如圖4所示，并將其定義為拓?fù)?。
圖4 基于對(duì)稱型結(jié)構(gòu)的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.4 Topology schematic diagram of hybrid-HVDC system based on symmetrical structure
基于子模塊混合的非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)的MMC具有2種類型。類型Ⅰ為MMC的6個(gè)橋臂中3個(gè)上橋臂均采用全橋子模塊，3個(gè)下橋臂均采用半橋子模塊，如圖5所示，并將其定義為拓?fù)?。類型Ⅱ?yàn)镸MC的6個(gè)橋臂中3個(gè)上橋臂均采用半橋子模塊，3個(gè)下橋臂均采用全橋子模塊，如圖6所示，并將其定義為拓?fù)?。
綜上，基于具有直流故障穿越能力VSC的方式，工程中可有2種類型4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于將常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)。而基于電流源型換流器與VSC組合的方式，工程中有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于將常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)，其中一種為如圖7所示的基于阻斷二極管+HB-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)，并將其定義為拓?fù)?，另一種為如圖8所示的基于晶閘管閥+HB-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)，并將其定義為拓?fù)?。故適用于將常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)的主回路拓?fù)涔灿?種可行的結(jié)構(gòu)，下面將從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)這6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。
圖5 基于非對(duì)稱Ⅰ型MMC拓?fù)涫疽鈭DFig.5 Topology schematic diagram of MMC based on asymmetrical type Ⅰ
圖6 基于非對(duì)稱Ⅱ型MMC拓?fù)涫疽鈭DFig.6 Topology schematic diagram of MMC based on asymmetrical type Ⅱ
圖7 帶有阻斷二極管的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.7 Topology schematic diagram of hybrid HVDC system with blocking diode
圖8 帶有晶閘管閥的混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.8 Topology schematic diagram of hybrid HVDC system with thyristor valve
常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)后仍然需要適應(yīng)常規(guī)直流的兩大特性[12]：電流裕度控制、降壓運(yùn)行。由于混合直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)仍然采用LCC，而LCC產(chǎn)生的直流電壓與所連交流系統(tǒng)的電壓成正比，在所連交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致LCC-HVDC換流站的直流電壓急劇下降，雖然可以通過減小觸發(fā)角α來提升直流電壓，但LCC在實(shí)際運(yùn)行中存在最小觸發(fā)角限制，一般為5°。且HB-MMC在實(shí)際運(yùn)行中存在最小直流電壓限制，一般為額定直流電壓的80%左右。因此，在實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生LCC-HVDC換流站的直流電壓比VSC-HVDC換流站的直流電壓低，從而導(dǎo)致直流系統(tǒng)無穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)。為了避免系統(tǒng)直流電壓崩潰，需要采取如附錄中圖A1所示的Ud-Id外特性來維持直流電流。
由于全橋子模塊能夠輸出負(fù)電平，具備四象限運(yùn)行能力，能夠控制直流電壓從Ud至-Ud，因而在LCC側(cè)發(fā)生交流故障時(shí)能夠接管系統(tǒng)的直流電流控制，維持直流電流的傳輸。拓?fù)?具備此性能，而當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊比例達(dá)到1∶1或以上時(shí)，拓?fù)?—4均具備此性能。對(duì)于拓?fù)?而言，由于采用阻斷二極管+HB-MMC結(jié)構(gòu)，控制直流電壓能力較弱。理論分析及大量仿真表明：當(dāng)LCC側(cè)發(fā)生交流故障引起直流電壓低于0.5 p.u. 時(shí)，直流電流將斷流。而拓?fù)?則因?yàn)橛芯чl管閥的直流電壓控制作用，性能較拓?fù)?有較大提高，但當(dāng)LCC側(cè)發(fā)生交流故障引起直流電壓低于0.3 p.u. 時(shí)，直流電流仍將斷流。綜上，拓?fù)?在這方面性能最優(yōu)，其后依次為拓?fù)?、拓?fù)?、拓?fù)?、拓?fù)?，拓?fù)?最差。
對(duì)于降壓運(yùn)行這一重要特性，常規(guī)直流輸電工程均具備降壓至0.7 p.u. 運(yùn)行的能力，這是為了當(dāng)直流架空線路由于各種原因而導(dǎo)致絕緣水平下降時(shí)仍能正常輸送功率，不致于給兩端交流系統(tǒng)帶來較大沖擊，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。MMC的降壓運(yùn)行一般受其最大可運(yùn)行調(diào)制比的限制，目前主要有以下3種方式來實(shí)現(xiàn)MMC的降壓運(yùn)行：調(diào)節(jié)調(diào)制比，調(diào)整聯(lián)結(jié)變壓器檔位，改變調(diào)制方式。由于全橋子模塊可以輸出負(fù)電平，在不限制模塊數(shù)的情況下，理論上FB-MMC的調(diào)制比是無限的，因此FB-MMC具有優(yōu)越的降壓能力，即拓?fù)?具備大幅降壓能力。當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊的比例達(dá)到一定時(shí)，由其組成的MMC也具有降壓能力，即拓?fù)?—4具備一定的降壓能力。拓?fù)?和拓?fù)?由于采用半橋子模塊，其只能輸出正電平和零電平，因此其降壓能力受調(diào)制比、聯(lián)結(jié)變壓器檔位和調(diào)制方式的限制，其只在一定條件下具備一定的降壓能力。拓?fù)?由于串有可大幅調(diào)整直流電壓的晶閘管閥，因此其降壓能力優(yōu)于串有二極管閥的拓?fù)?。綜上，拓?fù)?在降壓運(yùn)行性能方面最優(yōu)，拓?fù)?最差，當(dāng)全橋子模塊與半橋子模塊的比例為1∶1時(shí)，拓?fù)?—4和6在降壓運(yùn)行性能方面基本一致。
表2對(duì)本文所述的6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面對(duì)比(表中成本、損耗為標(biāo)幺值)，從表中可以看到拓?fù)?— 4的技術(shù)性較好，其中拓?fù)?即基于全橋子模塊結(jié)構(gòu)的混合直流輸電系統(tǒng)具有最優(yōu)的技術(shù)性能。而拓?fù)?和拓?fù)?具有較好的經(jīng)濟(jì)性，其中拓?fù)?的經(jīng)濟(jì)性最好，然而拓?fù)?和拓?fù)?只適用于功率單向傳輸?shù)膱?chǎng)合。需要特別指出的是，對(duì)于由全橋子模塊與半橋子模塊以一定的比例混合構(gòu)成的MMC，即本文中的拓?fù)?—4，這3種拓?fù)湓诩夹g(shù)性和經(jīng)濟(jì)性方面基本一致，唯一的區(qū)別是混合子模塊的均壓控制問題[21]。由于全橋子模塊在橋臂電流雙方向上均能充電，而半橋子模塊只能在橋臂電流單方向上充電，同時(shí)實(shí)際中半橋和全橋子模塊損耗并不一致，因此當(dāng)兩者混合運(yùn)用在同一橋臂中時(shí)，需要額外增加相關(guān)協(xié)調(diào)控制器以實(shí)現(xiàn)子模塊的均壓，而在拓?fù)?和拓?fù)?這2種非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)中，由于半橋和全橋子模塊分別位于上橋臂和下橋臂，并不存在此問題，因此拓?fù)?和拓?fù)?的性能優(yōu)于拓?fù)?。
表2 6種拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)比較Table 2 Merits and demerits comparison among six topologies
拓?fù)涑杀緭p耗能否潮流反轉(zhuǎn)能否降壓運(yùn)行能否清除直流線路故障LCC站交流故障VSC站交流故障子模塊均壓難易控制靈活度11.3^1.41.3^1.45能能能可穿越故障無換相失敗易高21.15^1.21.15^1.25有條件的能能能可穿越故障無換相失敗難較高3、41.15^1.21.15^1.25有條件的能能能可穿越故障無換相失敗易較高511不能有條件的能能功率可能中斷無換相失敗易一般60.95^10.85^0.9不能有條件的能能功率可能中斷部分換相失敗易較高
4 仿真驗(yàn)證
在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了LCC-MMC混合直流輸電系統(tǒng)仿真模型，以驗(yàn)證相關(guān)分析的正確性。仿真系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)如下：系統(tǒng)額定直流電壓UdN=500 kV，額定直流電流IdN=3 000 A；LCC側(cè)交流系統(tǒng)額定電壓Uac1=525 kV，閥側(cè)額定電壓Uv1=208.6 kV，聯(lián)結(jié)變壓器變比為525 kV/208.6 kV，變壓器短路電壓百分?jǐn)?shù)uk1=15%，平波電感為150 mH；VSC側(cè)交流系統(tǒng)額定電壓Uac1=525 kV，閥側(cè)額定電壓Uv1=270 kV，聯(lián)結(jié)變壓器變比為525 kV/270 kV，變壓器短路電壓百分?jǐn)?shù)uk2=12%，直流電感為50 mH，橋臂電感為100 mH，子模塊電容C=10 mF，子模塊額定電壓UC=1.655 kV，橋臂模塊總數(shù)為302個(gè)，若為半橋子模塊與全橋子模塊混合則比例為1∶1， IGBT/二極管導(dǎo)通電阻為0.001 Ω。
針對(duì)拓?fù)?(基于阻斷二極管+HB-MMC的混合直流輸電系統(tǒng))、拓?fù)?(基于全橋子模塊的混合直流輸電系統(tǒng))和拓?fù)?(基于混合子模塊的非對(duì)稱型混合直流輸電系統(tǒng))3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真驗(yàn)證了整流側(cè)LCC-HVDC換流站發(fā)生交流故障時(shí)各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障穿越能力，如附錄中圖A2—A7所示。圖中，LCC-HVDC換流站UAC1、UAC2、UAC3為網(wǎng)側(cè)三相交流相電壓，UACRMS為網(wǎng)側(cè)線電壓有效值，IVY1、IVY2、IVY3為Y橋閥側(cè)電流，IVD1、IVD2、IVD3為D橋閥側(cè)電流，UDL_LCC為L(zhǎng)CC-HVDC換流站直流電壓，UDL_VSC為VSC-HVDC換流站直流電壓，IDL為直流電流，IO_REF為直流電流參考值；VSC-HVDC換流站Us為網(wǎng)側(cè)三相交流相電壓，Is為網(wǎng)側(cè)三相交流相電流，Uv為閥側(cè)三相交流相電壓，Iv為閥側(cè)三相交流相電流，UDL為直流電壓，IDL為直流電流。
由附錄中圖A2、圖A3可見，當(dāng)LCC-HVDC換流站發(fā)生交流兩相短路接地故障時(shí)，采用拓?fù)?直流電流出現(xiàn)了斷流。而相同故障下，采用拓?fù)?和拓?fù)?仍然可以傳輸一定的功率，如附錄中圖A4—A7所示。故障清除后，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均可以快速地恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。
5 結(jié)論
a. 分析了適用于混合直流輸電系統(tǒng)的主接線方式：對(duì)稱單極接線和雙極接線。對(duì)比分析了2種接線方式的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了雙極接線是常規(guī)直流改造為混合直流最適合的接線方式。
b. 針對(duì)柔性直流架空線路故障隔離困難的問題，分析總結(jié)了4種可行的處理直流架空線路故障的方法，對(duì)比分析了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景，指出了采用具有直流故障穿越能力的VSC及采用電流源型換流器與VSC組合的2種方式，適用于常規(guī)直流改造為混合直流輸電系統(tǒng)。
c. 總結(jié)分析了工程中可行的4種適合于常規(guī)直流改造為混合直流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出了2種子模塊混合非對(duì)稱型混合直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)這6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用場(chǎng)合，其中基于晶閘管閥+HB-MMC的混合直流輸電拓?fù)浣?jīng)濟(jì)性最優(yōu)，基于全橋子模塊的混合直流輸電拓?fù)浼夹g(shù)性最優(yōu)。給未來常規(guī)直流改造為混合直流在主電路拓?fù)溥x擇方面提供了借鑒。
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http:∥www.epae.cn)。
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