基于MMC柔性直流输电系统性能的分析

陈海燕 康美金 张颜真

摘 要：阐述基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电系统的基本原理以及各种控制模式，分别讨论了采用不同方式控制时静止无功补偿器（STATCOM）和高压直流输电（HVDC）两种运行模式下柔性直流系统的性能。表明柔性直流输電在传输有功功率的同时，也可维持交流系统电压稳定以及电网稳定，并且具有长时间稳定运行的能力。

关键词：柔性直流输电；模块化多电平换流器；静止无功补偿器；高压直流输电

1 概述

IGBT元件这一可自关断器件作为柔性直流输电系统的核心器件，比传统直流输电，可以独立控制换流站有功功率和无功功率的流向；并且柔性直流输电（Flexible DC transmission）系统可以向无源负荷供电，不需要交流系统提供换相容量；同时，柔性直流输电（Flexible DC transmission）系统换流站的输出电压谐波量较小，其换流阀的开关频率相对较高。因此，柔性直流输电技术具有很高的应用价值，领域包括在城市电网供电、孤岛供电以及分布式能源并网等方面。

特别是具有可关断能力的新型半导体器件的出现，譬如IGBT、GTO等，并伴随着时代发展以及现代电力电子技术的进步，应用于HVDC中的这些新型全控型器件取代传统半控型晶闸管，大大促进了HVDC这一输电技术在历史上重大变革。全控型功率器件的发展及其性能发展进步，基于VSC换流技术的高压直流输电的工程随着不断改善，其应用越来越广泛。观其实际工程运行和技术特点方面来看，非常适合应用于光伏、风力等可再生分布式能源发电的并网、地区城市电网及孤岛的供电、以及交流异步电网互联等等相关领域上。

文章先简要地介绍柔性直流输电的基本原理，柔性直流输电系统基于MMC的各种控制模式，然后介绍采用定无功功率、定直流电压、定有功功率、定交流电压等各种控制方式，STATCOM和HVDC两种运行模式下，输送不同功率时柔性直流输电系统的性能。表明在传输有功功率的同时，还可以维持交流系统电压稳定，柔性直流输电具有长时间稳定运行的能力，对维持电网稳定运行具有重要的意义。

2 Flexible DC transmission基本原理

假设忽略系统的谐波分量，并且假设换流电抗器是无损耗时，柔性直流输电（Flexible DC transmission）系统结构示意图如图1所示，换流阀和交流电网之间传输的有功功率P和无功功率Q分别如公式（1）和公式（2）所述。

图1 柔性直流输电系统结构示意图

（1）

（2）

Us：交流母线电压的基波分量；Uc：换流阀输出电压的基波分量；？啄：Us和Uc之间的相角差；X：换流电抗器电抗。

3 Flexible DC transmission控制模式

具有更强的功率控制方式的柔性直流输电（Flexible DC transmission）系统。相比较于传统交流输电系统或者直流输电系统，对于柔性直流换流站而言，为单站精致无功补偿STATCOM方式运行以及两站HVDC方式运行，有功功率和无功功率的控制方式在不同的运行模式下也不同，即为两种运行模式。譬如在HVDC的模式下，可以选择控制的方式有：定有功功率控制、定直流电压控制、定频率控制（有功方式控制）、定无功功率控制、定交流电压控制（无功方式控制）。又譬如在STATCOM模式下，可以选择控制的方式有：定直流电压控制（有功方式控制）、定无功功率控制、定交流电压控制（无功方式控制）。无论是哪种控制方式下，均是通过求解式（1）和式（2）得到桥臂电压的调值参考值，通过计算出当前的所需要的有功功率和无功功率的数值，然后进而进行实际控制换流阀操作，最终调制出相应的电压波形。基本的步骤大致上是如此的。

4 柔性直流输电系统性能分析

4.1 STATCOM运行方式下Flexible DC transmission系统的性能

在进行交流电压控制后，有时发出无功功率，有时吸收无功功率，柔性直流换流站输出的无功功率不断变化，以实时进行无功补偿，从而确保交流母线电压恒定。采用定交流电压控制前，交流母线电压有较大的波动，柔性直流输电（Flexible DC transmission）在单站STATCOM系统运行模式下，采用定直流电压、定交流电压控制时，输出的无功功率波形和交流母线电压波形进而接入和增强系统的可扩展性。

4.2 HVDC运行方式下（Flexible DC transmission）系统的性能

Flexible DC transmission系统输送额定容量负荷时，换流站的有功和无功的输出相对平稳，譬如，有功功率设定值为18.0MW，无功功率设定值为2.0Mvar，无功功率瞬时值在0～4.5Mvar之间变化，有功功率瞬时值在16.5～19.5MW之间变化，直流电压在瞬时54.2～64.1kV之间变化。

柔性直流系统（Flexible DC transmission）在输送额定容量负荷时，在传输功率调整到额定值后，柔性直流输电系统输出的恒定的有功和无功功率，可以计算得到，其直流电压有效值也几乎没有波动。

柔性直流系统传输额定负荷时，输出阀侧电压谐波含量很小，波形为无畸变的正弦波。上、下桥臂的电流波形为带有直流偏置的正弦波，有文献曾经提及，结合相关的理论分析，其二者结果完全一致。正负极的直流电压对称且恒定。直流电流幅值上有一定的波动，但其平均值维持在290A左右，上下桥臂电流合成后阀侧电流波形，没有偏置量，是正弦波。同时对于换流阀交直流侧的电压、电流波形，指明经柔性直流输电系统逆变产生的交流电压、电流波形，其谐波含量小，系统稳定性较高。更进一步证实了柔性直流输电的优点。

具有更多的功率控制方式，柔性直流换流站与传统的交直流变电站相比。我国陆续实践的工程上的调试的结果表明，柔性直流换流阀逆变输出的电压和电流波形含有较少谐波分量，输出稳定的正弦波，其上下换流站桥臂的电流波形和理论分析结果相符。其有功功率、无功功率在柔性直流输电系统额定容量运行时，能输出平稳准确。同时交直流电压、电流等均能维持稳定运行，柔直系统的换流站在单站运行时，能够通过发出或吸收无功功率，进而维持交流电压稳定。

5 结束语

具有长时间稳定运行的能力的柔性直流输电，既可在传输有功功率时期，还可维持交流系统的电压侧稳定，柔直输电系统在额定容量时具有良好的性能。采用该MMC技术对维持电网稳定具有重要的意义。

参考文献

[1]毛颖科，桂顺生，贺之渊，等.基于MMC技术的柔性直流输电系统性能分析[J].华东电力，2011，7：1133-1136.

作者简介：陈海燕（1982，2-），女，吉林伊通人，工学学士，国网福建省电力有限公司检修分公司工程师，主要研究：柔性直流输电。