孟阳 彭达
内蒙古东部电力有限公司检修分公司±800千伏扎鲁特换流站
内蒙古通辽市 028000
摘要：随着电力电子技术的发展,高压直流输电工程的换流阀先后经历了汞弧阀—晶闸管—可关断器件三代,其中,基于晶闸管技术的电网换相换流器(LCC)的高压直流(LCC-HVDC) 输电系统经过40多年的发展,技术已经非常成熟。 目前 LCC-HVDC输电系统广泛应用于远距离大容量输电、异步电网互联等场合，然而,LCC-HVDC输电系统由于换相对所连交流电网要求较高,存在逆变侧换相失败,无法对弱交流系统供电,无法实现无源运行,运行过程中需要消耗大量无功功率等缺陷, 在一定程度上制约了其进一步发展。
关键词：混合直流；输电；电网
在大区电网互联中，交流电网主要局限在大区内部发展，而大区电网之问以直流电网互联，以利于实现大区电网间的非同步运行与隔离，克服容量过大的交流电力系统长距离互联所带来的稳定问题，改善大区电网的动态品质，提高大区电网的稳定性，已经逐渐成为人们的一种共识。然而，传统的直流输电大多为双端系统，仅能实现点对点的直流功率传送，当多个交流系统间采用直流互联时，需要多条直流输电线路，这将极大提高投资成本和运行费用。混合直流输电系统结合常规直流输电系统和柔性直流输电系统的优点,是一种新型直流输 电拓扑结构。随着我国建设坚强的智能电网战略的一步步推进，直流输电技术在多个方面都体现出了相较于交流输电技术的独特优势，可以预计在将来的电网规划和建设过程中直流输电技术一定会发挥越来越重要的作用。
一、混合直流输电系统的基本原理
直流抽能技术的研究始于60年代,其通过应用逆变装置从两端高压直流输电线路上抽取部分电能供给直流输电线周边地区。基于 LCC 的并联或串联换流站,但是 LCC的运行依赖于所连交流电网的强度,逆变运行的 LCC 存在换相失败的风险。因此,研究了各种可行的方案,包括采用电容换相变流器(CCC)抽能[1]、二极管整流器抽能、带有同步电机的抽能换流站等。基于GTO 的 VSC换流站实现 LCC-HVDC输电系统的抽能,从而构成一种混合抽能系统,即为早期的混合直流输电系统。由于VSC 抽能系统具有 较好的动态特性,因此混合直流输电系统开始得到关注。
1、混合直流主接线。混合直流输电系统的主接线兼具 LCC-HVDC 和 VSC-HVDC输电系统的主接 线形式。VSC- HVDC输电系统的接线方式根据换流器 输出的直流电压极性分为对称单极和双极两种接线方式。对称单极是指换流器两个直流端子上输出的直流电压对称；不对称单极是指换流器两个直流端子上输出的直流电压不对称，通常一端接地；双极是指两个或两个以上VSC不对称单极构成一个双极直流，包括大地回线和金属回线两种运行方式。因此，混合直流输电系统一般也依据不同的
应用场合，采用上述两种主接线方式。
2、混合直流换流器技术。混合直流输电系统同时采用 LCC，VSC或者全控型电流源型换流器（CSC），因此,混合直流的换流器发展取决于换流器技术的发展。目前， LCC技术发展已经非常成熟，电压等级已达 到1100KV，电流最大可达到6250A［1］。而VSC技术目前正处在快速发展中，VSC依据桥臂的等效特性可以分为可控开关型和可控电源型两类。其中两电平、三电平换流器均为可控开关型，其通过脉宽调制（PWM）技术控制电力电子器件的开通和关断，从而控制输出交流电压的幅值和相位。而MMC 则为可控电源型，其通过控制桥臂投入的子模块个数来改变等效输出电压或等效输出电流［1］。
VSC技术目前存在一个突出问题，即无法在直流线路故障下实现交直流系统的隔离与恢复，因而VSC技术目前正在酝酿新一代变革，其目标是解决直流线路故障后的隔离和恢复问题，同时降低换流器损耗。全控型CSC 与VSC具有对偶关系，因此，全控型 CSC也可以分为可控开关型和可控电源型两类，与VSC通过控制输出的交流电压相位和幅值不同的是，全控型 CSC是通过控制输出的交流电流相位和幅值 来实现有功和无功功率的控制。全控型 CSC 技术在工业变频拖动领域应用广泛[2],但在高压直流输 电领域还未得到应用。应用于高电压、大电流场合 的全控型 CSC还有待进一步研究,包括换流器拓扑 及控制技术、大功率的电流型电力电子器件的研究 等。因此,混合直流输电的换流器技术的发展取决 于 VSC技术和全控型 CSC技术的发展。
二、混合直流输电系统的应用
鉴于混合直流输电系统结合了常规直流输电系统和柔性直流输电系统的优点，因而其在很多方面均可以取代常规直流输电系统或柔性直流输电系统，其典型应用包括向岛屿或钻井平台供电、向弱交流系统或无源负荷输电、向大城市等负荷中心输电。采用混合直流输电系统无源网络或弱交流系统供电时,可以充分发挥混合直流输电系统 VSC 逆变站能够自换相的技术优势,同时,整流站采用常规直流输电系统,降低了整个系统的投资及运行费用。 采用混合直流输电系统向城市电网供电,既可以为城市电网提供无功支撑,又不增加其短路电流,而且地下电缆可以节省城市空间,同时节省投资和运行费用。此外在现有 LCC-HVDC 输电系统的基础上,接入柔性直流换流站,将系统扩展为混合多端直流输电系统,可以实现就近向负荷密集的大城市甚至无源系统输送功率。既可以节省投资,又能解 决随着常规直流容量的增加,受端交流系统的强度会相对减弱的问题。此外,混合直流输电系统还可在严重故障时作为城市电网的黑启动电源。利用混合直流输电技术将现有的常规直流输电系统进行改造,将逆变站改造为 VSC,从而可以解决常规直流的换相失败问题。尤其是直流落点的区域,多馈入直流连续换相失败问题严重,将其中一部分常规直流改造为混合直流输电系统后,可以解决多馈入直流的连续换相失败问题,提高相应电网的稳定性。 采用混合直流输电系统实现大规模风电、光伏等可再生能源的接入,可以克服采用交流并网难以解决长距离交流输电所带来的交流电网稳定性问题。整流侧采用 VSC,可以为风电场、光伏电站提 供无功功率支撑,稳定母线电压,缓解可再生能源输出功率波动引起的电压波动,提高电能质量。清洁电能通过直流线路并通过常规换流器接入电网,则可以大大减少投资和运行成本。
三、混合多端直流电网技术
实现大规模可再生能源的大范围远距离输送是未来电网发展的一个重要趋 势,混合多端直流输电技术换流站通过并联、串联或混联的方式连接起来的直流输电系统，其中至少一个换流站采用常规直流输电技术，至少一个换流站采用柔性直流输电技术。未来可以利用混合直流输电技术充分发挥常规直流输送容量大、造价低、损耗小，柔性直流输电技术可控性高、占地面积小的优势，整流站采用常规直流输电技术，逆变站利用柔性直流输电技术采用多个落点，实现可再生能源的充分利用及大规模高效接入，同时保障电网的安全稳定运行。当然目前混合多端直流或混合直流电网还处在初级发展阶段，还有很多关键性的问题需要研究解决。主要包括：混合多端直流或混合直流电网的控制保护策略；直流架空线故障的识别、隔离及重启动问题；适用于直流电网的具有较高性价比的直流断路器等。
参考文献：
[1] 梁旭明,张平,常勇.高压直流输电技术现状及发展前景[J].电网 技术,2019,36(4):1-9.
[2] 马为民,吴方劫,杨一鸣,.柔性直流输电技术的现状及应用前 景分析[J].高电压技术,2018,40(8).
[3] 汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展 [J].电力系统自动化,2019,37(15):3-14