适用于常规直流改造的混合直流输电系统主电路拓扑研究

赵文强，宣佳卓，陆 翌，李继红，王永平，汪楠楠，卢 宇

(1. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211106；2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；3. 国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

自1954年世界上第一个直流输电工程建成以来，高压直流输电技术持续发展，目前世界上已有一百多个高压直流输电工程建成投运，其中，基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)系统经过四十多年的发展，技术已非常成熟[1]。目前LCC-HVDC广泛用于远距离大容量输电、异步电网互联等场合。然而，LCC-HVDC由于换相对所连交流电网有要求，存在逆变侧易发生换相失败、无法对弱交流系统供电、无法实现无源运行、运行过程中需消耗大量无功功率等缺陷，在一定程度上限制了它的进一步发展。此外，在我国的华东电网和南方电网地区LCC-HVDC直流落点密集，一旦发生交流系统故障可能导致多回直流同时发生换相失败，进一步导致功率缺失，对受端交流电网的稳定性造成了严重威胁[2- 4]。

近年来，基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统因其有功功率和无功功率可以实现解耦控制，无需无功功率补偿，结构紧凑占地面积小，无需交流电网的短路容量支持换相，不存在换相失败，从而解决了直流输电向弱系统或无源电网供电的问题，得到了学术界和工业界的广泛青睐[5]。但是VSC-HVDC造价昂贵、运行损耗大，系统传输容量相较于LCC-HVDC仍有较大差距，更为重要的是其无法经济有效地处理直流架空线路故障，制约了其在远距离大功率输电场合的运用[6]。

在LCC-HVDC和VSC-HVDC系统的基础上，1992年有学者提出了混合直流输电的概念，称之为混合高压直流输电(hybrid HVDC)系统[7]。近年来，随着新型大功率电力电子器件的不断涌现及器件电压和电流水平的不断提升，特别是2001年，由德国学者提出的基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统的出现[8]，混合高压直流输电技术开始得到了广泛关注，并不断有混合直流输电工程投入运行，有学者提出通过将现有的常规直流输电工程的受端换流站升级改造为柔性直流换流站，构成混合直流输电系统，从而解决多馈入直流输电的困扰[9]。现有文献从混合直流输电的基本原理、拓扑结构、控制与保护方法等方面进行了大量研究[10-13]，但针对适用于常规直流改造的混合直流输电主电路拓扑进行系统研究的文献较少，因此有必要展开深入的研究。

本文从混合直流输电系统的主接线方式出发，分析并指出了适用于混合直流输电系统的接线方式；总结并分析了4种处理柔性直流架空线故障的方法，指出了每种方法的优缺点，同时指出了适用于常规直流改造为混合直流的架空线故障处理方法；结合上述方法，总结分析了工程中可行的4种适用于常规直流改造为混合直流的拓扑结构，并提出了2种子模块混合非对称型混合直流输电拓扑结构，从技术性和经济性两方面对这6种拓扑结构进行了对比分析，指出了每种拓扑结构的适用场景；通过PSCAD/EMTDC仿真软件对相关分析进行了仿真验证。

1 混合直流主接线方式

混合直流输电系统的主接线兼具LCC-HVDC和VSC-HVDC系统的主接线方式。VSC-HVDC系统的接线方式依据换流器输出的直流电压极性分为对称单极和双极2种接线方式。对称单极是指换流器2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2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2个或2个以上电压源型换流器(VSC)不对称单极构成1个双极直流，包括大地回线和金属回线2种运行方式。现有常规直流输电系统一般均采用双极接线方式，因此，混合直流输电系统一般也依据不同的应用场合，采用对称单极或双极2种接线方式，具体如图1所示。

图1 混合直流输电系统的主接线方式Fig.1 Main connection modes of hybrid HVDC system

图1(a)为采用对称单极接线方式的混合直流输电系统，采用此种接线方式具有以下优点：结构简单，柔直换流站设备数量少，造价低，损耗小；正常运行时，柔直换流变压器不需要耐受直流偏置电压，可采用普通变压器；直流线路单极接地情况下交流电网不提供故障电流。然而此种接线方式也存在以下缺点：单极设备故障将导致整个系统退出运行，可靠性差；直流线路发生单极接地故障后，非故障极的对地电压将上升至原来的2倍左右，这将给非故障极的直流架空线路、柔直站换流变压器及阀侧交流设备的对地绝缘水平带来挑战；只适用于容量较小的直流工程,对于国内常见的500 kV/3 000 MW常规直流输电工程而言，若要改造为此种接线方式的混合直流工程，则VSC-HVDC换流站即使采用单相双绕组联结变压器，每台的容量也将达到1 160 MV·A，这将给联结变压器的生产制造及运输带来极大的困难。

图1(b)为采用双极接线方式的混合直流输电系统，采用此种接线方式具有以下优点：可实现换流器冗余，当其中任何一极设备发生故障退出运行时，剩余另一极仍可继续工作，甚至可以转代故障极的功率，从而不造成功率损失影响所连交流系统的稳定性。然而此种接线方式也存在如下缺点：相同的输送容量下与对称单极接线相比成本较高，占地较大；接地极需要特殊设计(需要对环境影响进行评估，得到许可)；换流变压器需要承受直流偏置电压。

此外，双极接线方式下当输电线路或换流站的一个极因故障退出运行时，健全极可以依据情况转为如下3种单极运行方式：单极大地回线，单极金属回线，单极双线并联大地回线。同时还可以利用健全极的过负荷能力，减少功率损失，减小对两端交流电网的冲击。因此双极接线方式具有较高的运行可靠性和灵活性，且此种接线方式也最适合于常规直流改造为混合直流。

2 处理直流架空线路故障的方法

直流架空线路故障隔离与恢复是实现远距离大容量直流输电的关键技术。对于常规直流输电系统，通过控制晶闸管换流器快速移相，可以迅速清除暂态直流短路故障电流，从而实现直流输电系统的快速再启动。而基于半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC)并不能通过换流器的自身动作来处理直流架空线路故障，其原因在于半桥子模块拓扑结构中即使所有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)全部关断，交流系统仍可通过IGBT反并联的二极管向故障点馈入电流，这对于交流系统的影响而言相当于三相短路。理论上VSC-HVDC可以采用以下4种方式处理直流架空线路故障：方式a，利用交流断路器；方式b，利用直流断路器；方式c，采用具有直流故障穿越能力的VSC；方式d，采用电流源型换流器与VSC组合。

方式a是目前主流的方法，国内外已投运的柔性直流工程均采用此方法。该方法最为经济，但交流断路器为机械开关，动作速度慢，且只能在电流过零点时切除故障。而实际发生直流线路故障时直流侧故障电流衰减较慢，若不引入桥臂阻尼装置[14]，线路发生故障后的电流衰减时间通常为数百毫秒[15]，整个系统的重启恢复时间较长，通常为秒级。且故障期间换流器必须闭锁，这样会导致所连交流系统将不仅失去有功功率，也将失去无功功率，不利于交直流输电系统的暂态稳定性。

方式b是最易想到也最为直接的方法，但直流断路器技术目前还不成熟，尚处在研究及工程试用阶段且造价相当昂贵[16-17]。直流断路器的最大开断电流能力受功率开关器件的限制，开断能力有限，因此必须增加限流电抗以限制故障电流幅值，以及限制故障电流上升速率，但加入过多的直流电抗器会影响系统暂态特性，同时不利于直流断路器的快速开断。考虑到直流断路器可以隔离故障，因此故障期间换流器可以不闭锁，继续为所连交流系统提供无功电压支撑。

表1 4种方式的优缺点比较Table 1 Merits and demerits comparison among four modes

方式成本损耗能否清除直流线路故障故障清除速度开断能力换流器是否闭锁适用电压功率等级潮流方向a11能慢高闭锁低双向b1.15^1.31.05^1.15能快低不闭锁中双向c1.3^1.41.3^1.45能快低不闭锁高双向d1.01^1.11.01^1.1能快高不闭锁高单向

方式c实际上是利用换流器的部分功能取代直流断路器的作用，因此换流器必须采用特殊的方式即能够输出负电平且具备直流线路故障穿越能力，这类换流器主要有基于全桥子模块的模块化多电平换流器(FB-MMC)、基于钳位双子模块的模块化多电平换流器(C-MMC)等[18 -20]。相比于工程上常用的基于半桥子模块的模块化多电平换流器(HB-MMC)，具备直流故障穿越能力的换流器采用的功率器件数量较多,成本及损耗均较大，因而经济性较差。然而此类换流器因可以输出负电平，因此可以实现降压运行，甚至负电压运行，加快架空线路故障电弧的熄灭，具备较高的技术灵活性[21]。且此类换流器在故障期间可以不闭锁，继续为所连交流系统提供无功电压支撑。

方式d实质是利用电流源型换流器的电流单向流通特性来阻断直流线路故障电流。依据电流源型换流器的形式不同，目前主要有2种结构：二极管阀+HB-MMC和晶闸管阀+HB-MMC。其中二极管阀+HB-MMC结构较为简单，只需在每极直流线路上串联一个二极管阀即可。此种方案可以实现直流线路故障穿越，换流器不需闭锁仍可继续为所连交流系统提供无功电压支撑。但此方案下直流功率只能单向传输，同时增加的二极管阀需承担相当于额定直流电压的反向电压，因此工程上要实现该二极管阀，需要考虑占地和散热问题。而晶闸管阀+HB-MMC则是通过晶闸管阀与HB-MMC相串联组成一个新的换流单元，此种结构可以提高系统直流电压水平至800 kV，功率达到5 000 MW[22-23]，与现有基于晶闸管换流器技术的特高压直流输电系统的功率电压水平相当。此方案下直流功率也只能单向传输，在工程应用中需考虑晶闸管阀的设计、占地与散热问题，同时还需考虑晶闸管阀与HB-MMC的协调控制及晶闸管阀的谐波对HB-MMC的影响。

表1对上述4种处理直流架空线路故障方式的特性进行了比较，每种方式都有各自的适用场合。表中成本、损耗均为标幺值，后同。方式a适用于送端和受端电网均较强的直流工程，且对直流架空线路故障重启没有太高要求的工程。此种方式并不适用于我国常规直流的混合直流改造。方式b适用于对经济性要求不是很高，电压等级及容量均适中的多端直流工程。对于两端直流工程，尤其是混合直流工程而言没有采用此方式的必要性。方式c的适用性最强，各种情况的直流工程均适用，但经济性偏低，此方式适用于常规直流的混合直流改造。方式d则在大容量远距离功率单向传输的工程中有一定优势，此方式也适用于常规直流的混合直流改造。下文将结合方式c和方式d对混合直流主回路拓扑进行对比分析。

3 混合直流主电路拓扑

将常规直流输电系统改造为混合直流输电系统，关键在于改造后的柔性直流换流站，它的性能决定了整个混合直流的性能。为了与整流站LCC配合，VSC需具备2个关键性能：直流架空线路故障处理能力,快速大范围直流电压调节能力。

为了具备常规直流的直流架空线路故障重启功能，受端的柔性直流换流站必须能够处理直流故障。结合第2节的分析，柔性直流换流站可优选以下2种方式来处理直流故障：采用具有直流故障穿越能力的VSC；采用电流源型换流器与VSC组合。目前工程中VSC主要采用MMC，而其中较为成熟的子模块主要有3种,如图2所示。其中使用图2(b)所示的全桥子模块构成的MMC具备直流故障穿越能力，由其构成的混合直流主电路拓扑结构示意图如图3所示，并将其定义为拓扑1。

图2 VSC子模块拓扑Fig.2 Topologies of VSC sub-module

图3 基于全桥子模块的混合直流输电系统拓扑示意图Fig.3 Topology schematic diagram of hybrid-HVDC system based on full-bridge sub-module

由于全桥子模块具备输出负电平的能力，因此当全桥子模块与半桥子模块以一定的比例混合构成MMC时也具备直流故障穿越能力，即MMC的6个桥臂均由全桥子模块与半桥子模块以一定的比例混合构成，本文将此种结构定义为对称型结构，同时提出2种非对称型结构。基于对称型结构的混合直流输电拓扑示意图，如图4所示，并将其定义为拓扑2。

图4 基于对称型结构的混合直流输电系统拓扑示意图Fig.4 Topology schematic diagram of hybrid-HVDC system based on symmetrical structure

基于子模块混合的非对称型结构的MMC具有2种类型。类型Ⅰ为MMC的6个桥臂中3个上桥臂均采用全桥子模块，3个下桥臂均采用半桥子模块，如图5所示，并将其定义为拓扑3。类型Ⅱ为MMC的6个桥臂中3个上桥臂均采用半桥子模块，3个下桥臂均采用全桥子模块，如图6所示，并将其定义为拓扑4。

综上，基于具有直流故障穿越能力VSC的方式，工程中可有2种类型4种拓扑结构适用于将常规直流改造为混合直流输电系统。而基于电流源型换流器与VSC组合的方式，工程中有2种拓扑结构适用于将常规直流改造为混合直流输电系统，其中一种为如图7所示的基于阻断二极管+HB-MMC的混合直流输电系统，并将其定义为拓扑5，另一种为如图8所示的基于晶闸管阀+HB-MMC的混合直流输电系统，并将其定义为拓扑6。故适用于将常规直流改造为混合直流输电系统的主回路拓扑共有6种可行的结构，下面将从技术性和经济性两方面对这6种拓扑结构进行对比分析。

图5 基于非对称Ⅰ型MMC拓扑示意图Fig.5 Topology schematic diagram of MMC based on asymmetrical type Ⅰ

图6 基于非对称Ⅱ型MMC拓扑示意图Fig.6 Topology schematic diagram of MMC based on asymmetrical type Ⅱ

图7 带有阻断二极管的混合直流输电系统拓扑示意图Fig.7 Topology schematic diagram of hybrid HVDC system with blocking diode

图8 带有晶闸管阀的混合直流输电系统拓扑示意图Fig.8 Topology schematic diagram of hybrid HVDC system with thyristor valve

常规直流改造为混合直流输电系统后仍然需要适应常规直流的两大特性[12]：电流裕度控制、降压运行。由于混合直流输电系统整流侧仍然采用LCC，而LCC产生的直流电压与所连交流系统的电压成正比，在所连交流系统发生故障时可能导致LCC-HVDC换流站的直流电压急剧下降，虽然可以通过减小触发角α来提升直流电压，但LCC在实际运行中存在最小触发角限制，一般为5°。且HB-MMC在实际运行中存在最小直流电压限制，一般为额定直流电压的80%左右。因此，在实际运行中可能发生LCC-HVDC换流站的直流电压比VSC-HVDC换流站的直流电压低，从而导致直流系统无稳定运行工作点。为了避免系统直流电压崩溃，需要采取如附录中图A1所示的Ud-Id外特性来维持直流电流。

由于全桥子模块能够输出负电平，具备四象限运行能力，能够控制直流电压从Ud至-Ud，因而在LCC侧发生交流故障时能够接管系统的直流电流控制，维持直流电流的传输。拓扑1具备此性能，而当全桥子模块与半桥子模块比例达到1∶1或以上时，拓扑2—4均具备此性能。对于拓扑5而言，由于采用阻断二极管+HB-MMC结构，控制直流电压能力较弱。理论分析及大量仿真表明：当LCC侧发生交流故障引起直流电压低于0.5 p.u. 时，直流电流将断流。而拓扑6则因为有晶闸管阀的直流电压控制作用，性能较拓扑5有较大提高，但当LCC侧发生交流故障引起直流电压低于0.3 p.u. 时，直流电流仍将断流。综上，拓扑1在这方面性能最优，其后依次为拓扑2、拓扑3、拓扑4、拓扑6，拓扑5最差。

对于降压运行这一重要特性，常规直流输电工程均具备降压至0.7 p.u. 运行的能力，这是为了当直流架空线路由于各种原因而导致绝缘水平下降时仍能正常输送功率，不致于给两端交流系统带来较大冲击，影响系统稳定。MMC的降压运行一般受其最大可运行调制比的限制，目前主要有以下3种方式来实现MMC的降压运行：调节调制比，调整联结变压器档位，改变调制方式。由于全桥子模块可以输出负电平，在不限制模块数的情况下，理论上FB-MMC的调制比是无限的，因此FB-MMC具有优越的降压能力，即拓扑1具备大幅降压能力。当全桥子模块与半桥子模块的比例达到一定时，由其组成的MMC也具有降压能力，即拓扑2—4具备一定的降压能力。拓扑5和拓扑6由于采用半桥子模块，其只能输出正电平和零电平，因此其降压能力受调制比、联结变压器档位和调制方式的限制，其只在一定条件下具备一定的降压能力。拓扑6由于串有可大幅调整直流电压的晶闸管阀，因此其降压能力优于串有二极管阀的拓扑5。综上，拓扑1在降压运行性能方面最优，拓扑5最差，当全桥子模块与半桥子模块的比例为1∶1时，拓扑2—4和6在降压运行性能方面基本一致。

表2对本文所述的6种拓扑结构进行了全面对比(表中成本、损耗为标幺值)，从表中可以看到拓扑1— 4的技术性较好，其中拓扑1即基于全桥子模块结构的混合直流输电系统具有最优的技术性能。而拓扑5和拓扑6具有较好的经济性，其中拓扑6的经济性最好，然而拓扑5和拓扑6只适用于功率单向传输的场合。需要特别指出的是，对于由全桥子模块与半桥子模块以一定的比例混合构成的MMC，即本文中的拓扑2—4，这3种拓扑在技术性和经济性方面基本一致，唯一的区别是混合子模块的均压控制问题[21]。由于全桥子模块在桥臂电流双方向上均能充电，而半桥子模块只能在桥臂电流单方向上充电，同时实际中半桥和全桥子模块损耗并不一致，因此当两者混合运用在同一桥臂中时，需要额外增加相关协调控制器以实现子模块的均压，而在拓扑3和拓扑4这2种非对称型结构中，由于半桥和全桥子模块分别位于上桥臂和下桥臂，并不存在此问题，因此拓扑3和拓扑4的性能优于拓扑2。

表2 6种拓扑的优缺点比较Table 2 Merits and demerits comparison among six topologies

拓扑成本损耗能否潮流反转能否降压运行能否清除直流线路故障LCC站交流故障VSC站交流故障子模块均压难易控制灵活度11.3^1.41.3^1.45能能能可穿越故障无换相失败易高21.15^1.21.15^1.25有条件的能能能可穿越故障无换相失败难较高3、41.15^1.21.15^1.25有条件的能能能可穿越故障无换相失败易较高511不能有条件的能能功率可能中断无换相失败易一般60.95^10.85^0.9不能有条件的能能功率可能中断部分换相失败易较高

4 仿真验证

在PSCAD/EMTDC软件中搭建了LCC-MMC混合直流输电系统仿真模型，以验证相关分析的正确性。仿真系统的详细参数如下：系统额定直流电压UdN=500 kV，额定直流电流IdN=3 000 A；LCC侧交流系统额定电压Uac1=525 kV，阀侧额定电压Uv1=208.6 kV，联结变压器变比为525 kV/208.6 kV，变压器短路电压百分数uk1=15%，平波电感为150 mH；VSC侧交流系统额定电压Uac1=525 kV，阀侧额定电压Uv1=270 kV，联结变压器变比为525 kV/270 kV，变压器短路电压百分数uk2=12%，直流电感为50 mH，桥臂电感为100 mH，子模块电容C=10 mF，子模块额定电压UC=1.655 kV，桥臂模块总数为302个，若为半桥子模块与全桥子模块混合则比例为1∶1， IGBT/二极管导通电阻为0.001 Ω。

针对拓扑5(基于阻断二极管+HB-MMC的混合直流输电系统)、拓扑1(基于全桥子模块的混合直流输电系统)和拓扑3(基于混合子模块的非对称型混合直流输电系统)3种拓扑结构，仿真验证了整流侧LCC-HVDC换流站发生交流故障时各拓扑结构的故障穿越能力，如附录中图A2—A7所示。图中，LCC-HVDC换流站UAC1、UAC2、UAC3为网侧三相交流相电压，UACRMS为网侧线电压有效值，IVY1、IVY2、IVY3为Y桥阀侧电流，IVD1、IVD2、IVD3为D桥阀侧电流，UDL_LCC为LCC-HVDC换流站直流电压，UDL_VSC为VSC-HVDC换流站直流电压，IDL为直流电流，IO_REF为直流电流参考值；VSC-HVDC换流站Us为网侧三相交流相电压，Is为网侧三相交流相电流，Uv为阀侧三相交流相电压，Iv为阀侧三相交流相电流，UDL为直流电压，IDL为直流电流。

由附录中图A2、图A3可见，当LCC-HVDC换流站发生交流两相短路接地故障时，采用拓扑5直流电流出现了断流。而相同故障下，采用拓扑3和拓扑1仍然可以传输一定的功率，如附录中图A4—A7所示。故障清除后，3种拓扑结构均可以快速地恢复到稳态。

5 结论

a. 分析了适用于混合直流输电系统的主接线方式：对称单极接线和双极接线。对比分析了2种接线方式的优缺点，指出了双极接线是常规直流改造为混合直流最适合的接线方式。

b. 针对柔性直流架空线路故障隔离困难的问题，分析总结了4种可行的处理直流架空线路故障的方法，对比分析了每种方法的优缺点及适用场景，指出了采用具有直流故障穿越能力的VSC及采用电流源型换流器与VSC组合的2种方式，适用于常规直流改造为混合直流输电系统。

c. 总结分析了工程中可行的4种适合于常规直流改造为混合直流的拓扑结构，并提出了2种子模块混合非对称型混合直流输电拓扑结构，从技术性和经济性两方面对这6种拓扑结构进行了对比分析，指出了每种拓扑结构的适用场合，其中基于晶闸管阀+HB-MMC的混合直流输电拓扑经济性最优，基于全桥子模块的混合直流输电拓扑技术性最优。给未来常规直流改造为混合直流在主电路拓扑选择方面提供了借鉴。

附录见本刊网络版(http:∥www.epae.cn)。