混合直流输电系统综述

冯 明，李兴源，李 宽

（四川大学电气信息学院，四川成都 610065）

混合直流输电系统综述

冯 明，李兴源，李 宽

（四川大学电气信息学院，四川成都 610065）

混合直流输电系统是通过结合各种电流源型换流器（CSC）和电压源型换流器（VSC）的技术特点，互相取长补短而形成的新型直流输电拓扑结构。在简要介绍CSC和VSC基本结构和技术特点的基础上，分别阐述了混合两端、混合多端、混合多馈入、混合双极直流输电系统和混杂换流器各自的技术特点、控制方式、应用场景和研究进展，最后总结了混合直流输电系统的优势和不足，展望了未来混合直流技术的研究和发展方向。通过对混合直流输电技术的研究成果的总结和工程应用的介绍，表明混合直流输电是一种独具特色，拥有广泛应用前景的新型高压直流输电技术。

混合直流；电流源型换流器；电压源型换流器；多端直流输电；多馈入直流输电

0　引 言

高压直流输电技术的发展与电力电子器件制造技术以及高压大容量换流技术的发展密不可分［1］。高压直流输电技术先后经历了汞弧阀换流时期、晶闸管换流阀时期以及柔性直流输电技术快速发展的时期［2］。

1970年瑞典在原先使用汞弧阀的哥特兰工程上扩建了10MW、50KV采用晶闸管换流阀的试验工程。1972年世界上第一个采用晶闸管换流阀的伊尔河背靠背直流工程在加拿大投入运行，从此以后新建的直流工程全都采用了晶闸管换流阀，并且原来采用汞弧阀的直流工程也逐渐被晶闸管所替代。20世纪90年代以后，新型电力电子器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT）逐渐在工业换流领域得到了应用。随着IGBT耐压等级和容量的不断提升，这使得采用IGBT构成的电压源型换流器（voltage source converter，VSC）来进行直流输电成为了可能［3］。1997年，世界上首个使用VSC技术的直流输电工程——赫尔斯扬实验性工程投入运行。随着器件制造技术、脉冲宽度调制技术（PWM）和控制保护技术的不断发展，基于电压源型换流器的高压直流输电系统的传输容量越来越大，电压等级也越来越高［45］。ABB公司宣称其容量上限已经可以达到1 800MW、±500KV［6］。

我国高压直流输电工程起步较晚，但发展非常迅速。从1989年我国第一条自主建设的舟山直流输电工程投入运行以来，迄今为止我国已建成20余条直流输电工程。额定电压达到±800KV，额定容量达到7 200MW，均为世界之冠［7］。在基于VSC的柔性直流输电（HVDC-Elexible）领域，我国还处于起步阶段，但发展前景巨大。亚洲首条两端柔性直流输电示范工程——上海南汇风电场柔性直流输电工程已于2011年7月正式投入运行［89］。由南方电网公司自主研发，被列入国家863智能电网关键技术开发（一期）重大专项课题的“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”配套示范工程——南澳柔性直流输电示范工程于2013年12月已正式投运，该工程将成为世界上第一个真正意义上的多端柔性直流工程，它将有效解决分布式能源灵活接入和送电问题。我国正在建设的浙江舟山海岛多端柔性直流输电项目将是世界上第一个五端柔性直流输电工程［10］。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［1112］。

从直流输电技术的发展脉络来看，将来直流输电的分布格局极有可能会出现传统直流与柔性直流共存，相互互联，相互影响的情况。而这种不同的连接方式便形成了混合直流输电系统（hybrid HVDC）的不同拓扑结构。这种不同于以往的混合直流输电技术提供了一种可以利用传统直流和柔性直流技术各自的优点、改进其不足的新的研究方向。混合直流输电技术以其独特的技术特点，在特定条件下可以表现出比传统直流和柔性直流技术更优越的技术性能，比柔性直流低廉的造价和更广泛的应用场景。因此，对混合直流输电技术的深入研究是十分必要的。

迄今为止，有关于混合直流的研究成果还比较少，且主要集中于混合直流输电系统的拓扑结构设计、稳态控制特性、主控制器设计以及电磁暂态仿真建模的研究。下面将首先介绍常见换流器的基本结构和特性；然后分别介绍混合直流输电中几种重要拓扑结构的技术特点、控制方式、应用场景和研究进展；最后将分析总结混合直流输电领域将来的研究方向。

1　常见换流器的基本结构和特性

换流器有多种分类方式，按照直流侧电源性质的不同，可以将换流器分为电流源型换流器（current source converter，CSC）和电压源型换流器［13］。下面将按照此种分类方式对常用换流器的基本结构和特性进行简单的介绍。

1.1电流源型换流器

电流源型换流器对于直流侧相当于一个电流源，一般在直流侧串联有大电感。应用于高压直流输电领域的电流源型换流器主要是基于晶闸管换流阀的6脉波或12脉波换流器，以及在此基础上改进的电容换相换流器［14］。在一些工业用换流装置和一些研究中也有使用可关断晶闸管（GTO），绝缘栅双极晶体管（IGBT），集成门极换相晶闸管（IGCT）等全控型电力电子器件来构成电流源换流器主电路拓扑的情况［1518］。

典型的基于晶闸管换流阀的6脉波三相全波桥式整流等效电路如图1所示。

图1　基于晶闸管阀的换流器等效电路

基于此种拓扑结构的传统直流输电技术已经有了50多年的运行经验，其控制和保护技术已经十分成熟。传统直流输电与交流输电技术相比在远距离大容量输电、异步电网互联、远距离电缆送电等领域有着明显的优势。但传统直流也存在一些固有的缺陷难以克服，如换流器需要消耗大量无功功率，产生大量谐波，不能向弱交流系统供电，会发生换相失败，换流站投资高于交流变电站等［3］。为了弥补传统直流输电技术的种种不足，不断有新的改进的拓扑结构，控制方法和保护措施被提出。其中电容换相换流器（capacitor commutated converter，CCC）是比较重要的且已经应用于工程实践的拓扑结构。CCC是在常规换流器和换流变压器之间串联换相电容而构成的，其等效电路如图2所示。

图2　电容换相换流器等效电路

电容换相换流器能够有效地降低换流器所消耗的无功；当作为逆变器时，引起换相失败的可能性比传统直流要小；当发生短路故障时其短路电流比传统直流要小。但是这种拓扑在改善传统直流的同时也会带来新的问题，如当换相电容器上电压不平衡时，逆变器的换相性能将降低，甚至发生换相失败；使换流阀换相电压升高，换流阀阻尼回路和避雷器中的损耗增加；换相变压器阀侧绕组绝缘水平要比传统直流高［19］。

虽然基于电流源型换流器的传统HVDC输电技术不断向前发展，但要想彻底地解决其固有缺陷就必然要采用新型的电力电子器件和新的控制手段。采用全控型器件和脉冲宽度调制（PWM）技术的柔性直流输电技术就是在这种需求之下产生的。

1.2电压源型换流器

电压源型换流器的直流侧相当于一个电压源，一般在直流侧并联有大电容，直流电压基本无波动。柔性直流输电系统中构成电压源型换流器的开关元件一般选择全控型电力电子器件，如GTO，IGBT，IGCT等。迄今为止，所有已建的柔性直流输电工程都是使用的IGBT阀。阀组控制方面一般都采用了PWM技术［20］。

电压源型换流器有多种拓扑结构，比较常见的有三相两电平电路、二极管箝位型三电平电路、电容箝位型三电平电路、级联型多电平电路和模块化多电平电路等［2122］。由于ABB公司在两电平和三电平换流器制造方面的垄断，已建的柔性直流多采用的是两电平结构，某些采用了箝位型三电平。近年来，由西门子公司开发的模块化多电平拓扑结构也开始在工程实践中得到了应用，如美国的传斯贝尔工程（400MW，±200KV）［23］。下面以基于IGBT阀的三相两电平结构为例简要介绍电压源型换流器的工作原理。

三相两电平电压源换流器包括6个反并联续流二极管的IGBT元件，如图3所示。利用PWM技术产生触发脉冲依次控制各个阀的开通或关断。PWM控制中的脉宽调制比M和移相角δ分别影响换流站吸收或发出的无功功率和有功功率［24］。通过对这两个量的快速独立的控制，来实现对柔性直流输电系统有功和无功的控制，从而使系统具有较好的控制性能。其有功和无功功率控制量只能各选其一。有功功率类控制有：定直流电压控制、频率控制、定有功功率控制；无功功率类控制有：定交流电压控制、定无功功率控制。

采用电压源型换流器的柔性直流输电技术是从传统直流发展来的，因此传统直流输电的优点柔性直流也基本上都具有，而且由于采用了全控型器件IGBT以及使用了PWM控制技术，所以其还具有一些独特的优势［4］：①柔性直流可以在运行范围内快速独立地控制有功和无功功率；②潮流反转时，电压极性不变，只需改变电流方向；③提高交流电网的电压稳定性和功角稳定性；④在电网发生故障时，可以利用黑启动能力快速恢复供电；⑤受端系统可以是无源网络。除了电气特性方面的优点外，由于柔性直流多采用模块化设计，主要设备在工程内封装现场调试组装，且大部分设备可以安放在室内，故其施工工期短，占地面积小。当采用电缆线路时，由于其潮流反转时不改变电压极性，故可使用环保型的塑料聚合物绝缘电缆（XLPE），对环境的影响小［25］。

图3　三相两电平电压源换流器

但是柔性直流输电技术还是存在一些难以解决的不足之处：如①柔性直流的系统损耗要高于传统直流。换流器损耗是直流输电系统损耗的主要组成部分。由于采用了PWM技术，IGBT的开关频率很高，增大了换流器损耗。当采用三相两电平结构，开关频率为1 950Hz时，换流站损耗为额定功率的6%左右；当采用三电平结构，开关频率为1 260Hz时，换流站损耗为额定功率的3.6%左右；当采用优化的正弦波控制策略和改进的拓扑结构时，可以将损耗降低到1.6%。但是这仍高于传统直流0.8%左右的损耗水平。②无法切断直流侧短路电流。当直流侧发生短路故障时，直流电容器将被短路，而VSC逆变器上的反并联二极管起到整流作用，所以无法仅仅通过触发控制来减少直至切断直流电流。这种情况下，要清除故障，只能通过加装直流断路器或者跳开逆变端的交流断路器。由于没有自然过零点，直流断路器制造困难、造价比较昂贵。同时，在大功率直流输电的场合，也应尽量避免频繁操作交流断路器，而最好依靠直流的控制系统来排除故障。③IGBT等全控型器件耐压等级和功率传输水平没有晶闸管高。④柔性直流的运行经验还不够丰富。

2　几种重要的混合直流输电系统拓扑结构

2.1混合两端直流输电系统

文献［26］最早对一端采用电流源型换流器，一端采用电压源型换流器的混合两端直流输电系统（Hybrid Two-terminal HVDC）进行了比较系统的研究。其整流侧采用的是晶闸管阀，逆变侧采用的是GTO阀。整流侧采用定直流电压控制，逆变侧采用PWM技术，对直流电流和交流电压进行控制。文章在EMTDC环境下对混合直流输电系统进行了电磁暂态仿真，验证了其在各种故障情况下的输电性能，证明了混合两端直流输电技术的可行性。随后，不断有学者对这类新型的直流输电拓扑结构进行了有益的研究。由于柔性直流输电工程多采用IGBT阀，故在后续研究中大多使用IGBT阀进行建模仿真。其拓扑结构如图4所示。

图4　混合两端直流输电系统

文献［27 29］推导了如图4所示混合两端直流输电系统的稳态数学模型；设计了混合直流系统的稳态控制策略，整流侧采用定直流电流、逆变侧采用定直流电压和交流电压控制方式；仿真结果表明受端采用VSC可以有效防止交流系统电压跌落，提高交流电网的稳定性。文献［30］对使用该拓扑结构向无源网络供电的系统进行了建模，对其在启动、甩负荷、交流系统短路故障等情况下的暂态响应进行了仿真，结果表明采用混合直流输电系统向无源网络供电是可行的。文献［31］中的混合直流输电系统送端为VSC整流器，采用定直流电流控制；受端为CSC逆变器，采用定直流电压控制。仿真结果表明，当送端交流系统较弱时，该系统仍能够将功率可靠送出。

混合两端直流输电系统继承了传统直流和柔性直流各自的优点，改进了其不足，是一种经济有效的折中方案。混合直流系统的损耗，造价均介于两者之间，且可以解决向无源网络供电，换相失败等传统直流无法解决的问题。其主要缺点是它的输送功率极限由VSC侧决定，而VSC的输送功率还未能达到传统直流的功率输送能力。但随着器件制造技术的不断发展，这一问题有望得到解决。另一个缺点是混合直流系统不容易实现潮流反转。这是由于CSC侧实现潮流反转需要改变电压极性，但VSC侧实现潮流反转需要改变电流方向。另外，该系统在设计时要特别注意防止平波电抗器和直流电容发生谐振。

虽然混合直流系统有些不易解决的问题，但是其在某些功率传递方向固定的场合，如向城市负荷中心、偏远及海岛地区供电，小型风电送出等是有很大的应用前景的。

2.2混合多端直流输电系统

传统直流一般为两端系统，当多个交流系统间使用直流互联时需要建设多条直流线路，此时多端直流输电系统（Multi-terminal HVDC，MTDC）就成为了一种解决多电源供电和多落点受电问题的最佳方案［32］。当多端直流输电系统中既有CSC换流站，又有VSC换流站时，就形成了混合多端直流输电系统（Hybrid MTDC）。

与传统CSC换流站相比，VSC换流站更容易在传统直流线路的基础上方便地实现多端直流输电系统。文献［33］最早阐述了使用VSC换流器在传统直流线路上引出分支线路构成多端直流输电网络的方法，提出了系统在稳态和暂态的有效控制方法，并使用EMTDC进行了仿真。文献［34］在传统直流线路上并联了多条VSC线路，并对该混合直流系统的进行了稳定性研究。文献［35 36］对混合三端直流系统进行了研究，并对VSC作为整流站或逆变站时分别进行了建模仿真。文献［37］对使用VSC换流器进行多个风电场并网的技术进行了研究。仿真结果表明使用VSC技术进行风电厂并网在各种并网方案中是性能最好的。这种方案也同时适用于多个分散的小型发电厂并网。文献［38］对于使用混合多端系统来进行大型风电场的并网进行了研究。文中搭建了一个五端系统，其中风电场通过VSC整流站并网，系统中还有2个CSC整流站，1个CSC逆变站，1个VSC逆变站分别连接不同的交流系统。文章通过仿真验证了使用混合多端系统进行大型风电场并网的可行性；系统在各种故障情况下均可保证安全稳定运行，VSC可以有效减小对风电场发电机组的影响。

在混合多端直流输电系统中，当VSC作为逆变站时，稳态下VSC一般采用定直流电流控制，而原传统直流的控制策略基本上可以不改变，但一定要保持整个系统中作为整流器发出的功率一定要等于作为逆变器吸收的功率和系统损耗之和［39］。当VSC的交流侧发生短路故障时，为了防止整个系统直流电压的崩溃，VSC可以快速转换到定直流电压控制方式。当VSC作为整流侧时，一般采用定直流电压控制，其余换流站通过定直流电流控制平衡整个系统的直流功率。对于混合多端直流输电系统，当直流侧发生短路故障时，VSC侧将产生很大的过电流，危及设备安全，且必须要切除或闭锁整个多端系统才能切除故障电流［40］。

综上所述，使用VSC技术在传统直流的基础上改造成多端系统具有很大的实用价值。特别是在现在传统直流主要担任大功率远距离送出任务的情况下，VSC可以在原有线路的基础上方便地实现分支，而且VSC换流站既可以作为整流器将分散的小型电力输送出去，也可以对城市负荷中心、偏远海岛地区提供高质量的电能。

2.3混合多馈入直流输电系统

当多条直流线路共享一条公共交流母线，或者连接到电气距离很近的交流母线上时，就构成了多馈入直流输电系统（Multi-infeed HVDC，MIDC）。当连接在交流母线上的既有CSC换流站，又有VSC换流站时就形成了混合多馈入直流输电系统（hybrid MIDC）。在多馈入系统中，如果一个换流站暂时中止传输功率，那么交流侧过剩的无功就会引起很高的过电压甚至产生非特征谐波，而且可能会导致各个换流站间的控制方式转移和谐波相互作用。在多馈入系统的暂态过程中，由于邻近直流系统之间的相互作用，可能会导致电压的畸变、不对称以及幅值和相位的变化，进而会影响整个系统性能。在以往的研究中多采用静止无功补偿装置来改善多馈入系统的性能。随着传统直流和柔性直流工程的不断建设，当多条直流向同一交流系统供电时（如向大中城市供电），很容易就会形成混合多馈入直流系统。在混合多馈入系统中，由于VSC本身就具有动态补偿无功，稳定交流母线电压的作用，故在这种情况下，只要VSC换流站的容量允许，就可以不装设或少装设其他无功补偿装置。

文献［41 43］对混合双馈入直流输电系统进行了研究。其拓扑结构如图5所示。在正常运行情况下，对于HVDC子系统来说，基本的控制策略是在整流侧采用定直流电流控制方式，逆变侧采用定熄弧角控制方式；对于VSC-HVDC整流侧采用定直流电压和定无功控制方式，逆变侧采用定直流电流和定无功控制或定交流电压的控制方式。在受端交流系统发生短路故障时，逆变侧交流母线电压可能会降低，系统无功功率将大量缺失，这时需要VSC-HVDC提供快速无功功率紧急支援，稳定交流母线电压。如果VSC-HVDC逆变侧采用定无功控制方式，势必会导致系统的无功功率进一步缺失，引起逆变侧交流母线电压进一步恶化，从而造成严重后果。而采用定交流电压控制方式能在系统受扰动期间动态补偿无功功率，防止交流母线电压产生过大波动，使系统在干扰过后能快速平稳地恢复。在上述分析的基础上，设计了混合双馈入直流输电系统的协调控制策略，并在PSCAD/EMTDC中搭建模型进行了仿真研究。文献［43］的受端更是使用了无源系统进行了建模。仿真结果表明，该混合直流输电系统可以有效提高受端交流系统的电压稳定性，防止其余CSC逆变器在交流母线电压跌落时发生换相失败，并可以实现向无源网络供电。

图5　混合双馈入直流输电系统

综上，混合多馈入直流输电系统相较于只由传统直流构成的多馈入系统来说，其优势在于可以利用VSC对无功功率的灵活控制，在一定程度上改善对于传统多馈入直流输电系统的电压和无功特性。

2.4混合双极直流输电系统

混合双极直流输电系统（hybrid bipolar HVDC，HB-HVDC）是另一种利用VSC对有功和无功的快速控制来改善传统直流和受端交流系统运行特性的新型拓扑结构。正在建设中的SKagerraK 4工程就是在原有3极LCC直流的基础上使用VSC换流站构建第4极，从而实现混合双极系统的，其基本结构如图6所示。

图6　混合双极直流输电系统

文献［44］对LCC子系统和VSC子系统的控制方式及其协调控制策略进行了比较系统的研究。需要注意的是，要保证该系统的稳定运行必须要使两极线路上的直流电流相等。故VSC逆变侧采取定直流电流控制时，其整定值的大小必须与LCC线路中的直流电流相互配合。在PSCAD/EMTDC中进行的仿真结果表明，该系统可以有效对受端交流母线无功功率进行动态补偿，稳定交流母线电压，减小CSC逆变器发生换相失败的几率。对于混合双极直流输电系统，其主要不足之处是由于CSC和VSC的直流电流必须相互配合，故限制了其传输功率的能力。随着柔性直流输电容量的不断提高，VSC子系统对LCC子系统的无功支撑能力也将进一步提高，故当两个子系统的输送能力相匹配时，该技术有望解决LCC换相失败的问题。

2.5混杂换流器

将传统的高压直流输电系统的换流器与无变压器的换流器（NTC）、电容器换相的换流器（CCC）、电压源换流器（VSC）等分别结合，尽可能克服各类换流器的原有缺点，综合它们的优点，就形成了输电特性更好的混杂换流器［45］。前面所介绍的混合直流系统均为CSC和VSC在网络拓扑层面上的结合，从而达到改善系统某些方面输电特性的目的。而混杂换流器，则是对单个换流器拓扑结构的改变和输出特性的优化。

如图7所示为混杂换流器的可能结构之一。该换流器将传统使用晶闸管阀的12脉波整流桥与使用GTO、IGBT、IGCT等全控型器件的VSC换流器串联，从而利用VSC对功率调节的灵活性提高交流侧的电压稳定性和电能质量。当该混杂换流器用于逆变器时，可以通过VSC的定直流电压能力减小CSC发生换相失败的几率。

图7中的12脉波整流桥可以替换为更高脉波数的整流桥，或者替换为NTC、CCC式的整流桥。而VSC换流器前可加入换流变压器，这样VSC端就可以直接接地。图中VSC也可以替换为多桥的VSC换流器。通过各种类型换流器拓扑结构的合理组合就可以派生出多种其他类型的混杂换流器。

在进行混杂换流器的设计时，需要针对具体的应用场景选取合适的拓扑结构。同时需要注意平波电抗器和电容器参数的相互配合，以免发生谐振问题。

图7　混杂换流器

3　结束语

作为一种新兴的高压直流输电技术，混合直流输电还未得到广泛应用，但是在当今传统直流和柔性直流共同发展，不断在各自所擅长的领域中开拓创新的情况下，CSC和VSC必将在某种程度或一些特定情景下构成混合直流输电系统，故对混合直流输电系统的研究是极具现实意义的。总体来说，利用VSC控制上的灵活性和快速性来改善传统直流及其受端系统的稳定性；利用CSC的低损耗、低造价来降低柔性直流的系统损耗和工程造价是混合直流输电系统的主要特点。但是不得不承认，混合直流输电技术还存在许多缺点和不足，很多方面的研究仍处于空白阶段。以下是将来这一领域可能的研究方向：

①混合直流输电系统的故障和保护策略，特别是对于不对称故障的研究还不够深入；

②对于混合多端直流系统的研究多集中于辐射状直流网络，而对于网状连接的多端系统的研究还处于空白阶段。

③对于混合多馈入直流系统来说，其各个直流输电子系统的相互影响的方式；受端交流系统发生故障时怎么样利用VSC对有功无功的独立控制来提高系统故障恢复的性能；当多馈入系统中既有整流器又有逆变器时，其控制和保护策略如何配置，都还有待于进一步研究。

④对于混合多极系统和混杂换流器，其由于需要CSC和VSC的协调控制，其控制策略比较复杂，如何进一步在VSC容量一定的情况下减小换相失败的几率还有待进一步加以研究。

⑤当利用VSC对CSC进行无功功率支援时，VSC的控制方式与CSC本身的无功补偿装置的控制之间的配合还需进一步研究。

总之，混合直流输电技术方兴未艾，随着电力电子技术的不断发展和控制保护方式的不断改进，其输电特性将会得到进一步改善，其应用领域将会得到进一步拓展。

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（责任编辑:林海文）

A Review on Hybrid HVDCSystem

EENG Ming，LI Xingyuan，LI Kuan
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Hybrid HVDCis a novel topology which combines advantages of both current source converter（CSC）and the voltage source converter（VSC）.After a brief introduction of the basic structure and technical characteristics of CSC and VSC，the technical characteristics，control strategy，application scenarios，and research progress of the hybrid twoterminal，hybrid MTDC，hybrid MIDC，hybrid bipolar HVDC and the mixed converter are represented separately. In the end，the advantages and disadvantages of the hybrid HVDC is summarized，and the research and development direction of hybrid HVDC are predicted.The research results and introduction of project application demonstrate that the hybrid HVDCis a unique technology，which has a bright application prospect.

hybrid HVDC；CSC；VSC；MTDC；MIDC

1007-2322（2015）02-0001-08

A

TM72

2014-04-23

冯 明（1988—），男，博士研究生，研究方向为高压直流输电、电力系统稳定与控制，E-mail：fengming1987@sina.com；李兴源（1945—），男，教授，博士生导师，IEEE高级会员，主要研究方向为高压直流输电、电力系统稳定与控制；

李 宽（1988—），男，博士研究生，主要研究方向为电力系统稳定与控制。

国家自然科学基金重点项目（51037003）；南方电网公司科技项目（K-KU2013-001）