模块化多电平换流器在柔性直流输电技术中的应用

张和阳

（国能浙江北仑第一发电有限公司,浙江 宁波 315800）

人类社会发展进入新阶段，全球能源紧缺和环境污染问题日益严峻，未来电力系统的发展方向将转变为潮汐能发电、太阳能发电等可再生能源发电。我国始终坚持节约型、低能耗的可持续发展道路。应当将绿色发展内化于心，外化于行，坚决不走“先污染，后治理”的老路。文献[1]分析了新能源发电发展的局限性及利用模块化多电平换流器发展新能源发电的好处和意义：新能源发电没有前人的经验可以借鉴，有不稳定、难以集中、地理位置偏远等缺陷。基于MMC的柔性直流输电系统（high voltage direct current transmission system，HVDC）不但能充分利用新能源对无源系统输电，最重要的是其自身是低碳无污染的。同时，MMC-HVDC谐波少、模块化程度高、附属设备生产时间短，前期的安装运行和后期的维护检修等都会更加简便。综上，柔性直流输电技术十分契合我国建设美丽中国的目标。

有针对性地对MMC进行稳态运行特性分析，在科技和经济两方面都有着重大意义，不仅能提升我国未来在直流输电领域的地位和话语权，而且还能增强相关产业的竞争力。总之，有利于我国直流输配电系统的完善和进步，实现节能、实惠、有效、灵敏的相统一。

1 直流输电技术的历史发展

人类对电力的最初认识起源于直流电。过去，直流发电机常被用作电源，经直流输电线路向负载供电，但由于直流发电机存在换向火花腐蚀换向器、结构复杂等问题，且输电电压受到限制，所以那时的直流输电效率很低，并没有得到深入发展。

为了保证直流输电的质量，人们始终坚持着对高压直流输电的研究。第二次工业革命之后，人类社会进入了“电气时代”，对于电能的要求不断提高，电网不断扩大，交流输电故障多、电容电流损耗等局限性突出。1954年，瑞典阿西亚公司建成了全球第一条工业性直流输电线路，是一条海底输电电缆[2]，提高电压的办法由过去用多台直流发电机串联转变为利用换流设备将交流电转换为直流电，将低压变为高压，送至线路的末端，经换流站转换后供给用户使用。

第一个以VSC为基础的直流输电工程建成后，CIGRE和IEEE将这种直流输电技术正式命名为“VSC-HVDC（电压源换流器型高压直流输电）”。我国在2006年5月于北京举行的研讨会中，将该技术命名为柔性直流输电[3]。

2 发展柔性直流输电技术的必要性

相比交流输电技术，直流输电技术在长距离大容量输电场景下能够大幅提升经济效益，这是因为直流输电仅用正负两根导线替代了交流输电的a、b、c三相导线，经济成本节约了近1/3，虽然直流换流站的造价相比交流变电站要高出些许，但随着输电距离的增加，输电线节省的成本随之增加，其经济效益越发明显。

此外，直流输电不存在由电容电流引发的输电损耗；由于不存在频率波动问题，直流输电线路方便实现互联；而在发生单根导线故障时，由于直流两极是相互独立的，彼此不会影响对方，故当一极发生故障时，只需停运故障线路，另一极线路仍可输送一半以上的电能。

与传统直流输电技术相比，柔性直流输电技术采用全控型的电力电子器件而非传统直流输电技术所采用的半控性器件，因此能够实现潮流反转、有功无功率的单独控制。现如今，传统直流输电技术由于只能调节电网频率但却不能控制电压，不能完整支撑电网运行而逐渐被淘汰。因此，柔性直流输电技术的优势主要概括为3个方面：

（1）降低输电的成本，改善环境；

（2）提高太阳能、潮汐能等可再生能源的利用率，提升电网的稳定性；

（3）可以实现非同步运行电网之间连接，提升电网电能质量。

现代电力电子技术的不断进步与成熟，催生了模块化多电平换流器，使柔性直流输电进入了新阶段，MMC-HVDC成为直流输电的又一重大变革。

3 电压源换流器的分类

3.1 三种典型结构

柔性直流输电技术也被称为基于电压源换流器的高压直流输电技术，可见电压源换流器是其输电技术的核心。柔性直流输电技术采用的电压源换流器主要有三种：两电平换流器（two-level converter），二极管钳位型三电平换流器（diode clamp type three-level converter，DCMC）及模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）。

两电平换流器的拓扑结构如图1（a）所示，一个组件由一个IGBT晶体管与其并联的反向二极管构成，而每个桥臂串联多个组件，这样的结构能提高换流器容量及电压等级。其串联的具体数量由换流器的功率大小、电压高低和内部开关元件的电流流通程度与限制电压决定。它使用PWM控制IGBT，以帮助形成波形。两电平换流器，顾名思义，每相可输出两个电平，即

图1 3种电压源换流器的拓扑结构

二极管钳位型三电平换流器的拓扑结构如图1（b）所示，每相有4个IGBT阀，改善了谐波问题。上部分的两个IGBT导通，得到较高的电压电平中间的两个IGBT导通，得到中间（或零）电压电平，下部分的两个IGBT导通，得到较低的电压电平

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的拓扑结构如图1（c）所示，单相包含上、下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块（sub-module，SM)级联后再和一个桥臂电抗器L0串联组成。其中每一个模块都代表了特定的电压电平。其中，子模块内部电容电压记为Uc，子模块端口电压和电流记为MMC的单相输出电压为阶梯波。

3.2 基本特点

两电平换流器的内部元件参数和容量相同，因此便于生产制造时的模块化设计和运行后的检修维护。两电平换流器能适用于不同的电压等级，可通过改变半导体器件的数目来调整其额定电压，前提是保证拓扑结构、调制方式和控制环节不变。两电平拓扑的主要优点有：①占地面积小；②电路不复杂，简单易懂；③相同元件参数相同，易于实现模块化；④电容少，成本低。目前电力电子器件的生产技术无法跟上输电系统的需求，存在耐压等级低、系统功率容量小等问题。如果输电系统的电压提高，就需要更换IGBT，选择能承受更高最大电压的器件，或者采用IGBT串联的方式。但IGBT是高速器件，后开通的元件承压会更多，这样换流器的均压控制存在困难，对系统的稳定性也会造成较大的影响。另外采用两电平电路时电压的变化率较高，输出波形与理论存在较大误差，且对交流设备极为有害，若不能有效地处理，会带来一系列的问题。总之，两电平换流器的主要缺点有：①承受电压高；②不利于系统稳定；③损耗大；④输出的交流波形差。

二极管钳位型三电平换流器的结构与两电平换流器类似。二者相比，前者具有优点[4]：①IGBT承受的电压小；②输出波形符合预期；③损耗小；④输出谐波小等优势，减少了滤波器等的使用，从而可有效减小占地面积。因此，它的实际应用从中压大功率系统走向了低压的并网系统。从拓扑结构可以看出，二极管钳位型三电平换流器存在中点电压平衡问题，难以实现模块化。严重时，上下两电容的电压极不平衡，输出的波形受到强烈影响，甚至对功率半导体器件造成无法修复的损伤。其主要缺点有：①器件个数与系统输出电平数成正比，成本急剧上升；②二极管器件多，耗材大；③脉冲宽度调制更复杂。

两电平、三电平换流器拓扑结构简单，可是，随着柔性直流输电系统输送容量和电压等级的升高，换流器桥臂需增加串联的电力电子器件，使得控制同一桥臂电力电子器件同时开通成为较大的困扰。模块化多电平换流器既可以提高输出侧电压波形质量，又无须精确控制同一桥臂每个电力电子器件同时开通。另外，在直流侧不存在大型电容器储存能量，而是分布于各个模块。

MMC与传统的两种电压源换流器相比，具有以下几点显著优势[5]。

（1）桥臂电抗器除了降低谐波分量的作用外，它与子模块中的电容串联能够限制直流侧短路时的故障电流，能够快速容易地消除直流母线的故障。

（2）桥臂电压、电流的变化率低，减小了IGBT等半导体器件在开关暂态过程中受到的冲击力度，保证其安全稳定运行，同时大幅度降低电磁高频辐射，保证人体的健康。

（3）对于高电压大容量的MMC，子模块数目很多，输出的电平数自然也很多，其电压阶梯波的波形好，质量高，已近似于正弦波，各次谐波分量很低，不需要滤波器。

（4）模块化的结构便于对其进行拓展和改造，能够满足日益复杂的电力系统的需要和实际中多种多样的工程需求。

4 模块化多电平换流器在柔性直流输电技术中的应用

4.1 优势

在输电行业中，一般把基于MMC的双端柔性直流输电系统称为MMC-HVDC，换流站内包括变压器和换流器等设备。其控制系统分为内环电流控制器和外环功率控制器两类。其中后者起到确定MMC-HVDC控制的具体方式的作用。外环功率控制器控制的物理量分为有功、无功功率类物理量，主要包括交流系统的有功P、无功Q、频率f、交流电压及直流侧电压等。MMC-HVDC必须有一端控制，另一端的控制对象在其余物理量中选择。因此，柔性直流输电系统的控制方式多样化，由许多不同控制变量的集合组成。

根据前面的讨论，与传统的高压直流输电技术相比，MMC-HVDC和VSC-HVDC共同的优点是都以电压源换流器为核心器件，大幅提升了实际运行过程中的效能，其优势主要表现在以下方面。

（1）MMC-HVDC的可拓展性很强，更加容易进行容量升级，为了获得更大容量与更高电压等级，可以通过增加MMC拓扑中子模块数量。

（2）MMC-HVDC将电容分散到各相桥臂的子模块中，不需要进行直流侧的滤波，因此可以杜绝直流侧投切大负载或发生短路故障时产生过电流，避免内部器件由于温度过高被烧毁甚至爆炸，防止系统受到损伤，提升了系统稳定性。

（3）传统电压源型换流器是包含多个IGBT串联的结构，因此当这些半导体器件开断时，回路会出现瞬时的电压不平衡，从而产生均压问题，而MMC-HVDC中的换流站避免了这一问题。保证波形品质高且平滑，谐波含量低，与正弦波十分接近。它对交流变压器的抗强干扰能力要求较低，故采用普通标准的交流变压器即可，能够减少电力系统的设备成本，提升系统经济性。

（4）上、下桥臂中各有一半的MMC的交流侧电流，因此能够保证流过功率半导体元件的电流处于一个低水平，避免元件损毁等危害的发生。此外，桥臂电流的频率很高且是连续的，因此滤波的需求不大，交流侧仅需要普通滤波电感技能满足需求，能够降低成本。

（5）抗干扰能力强。由于MMC各桥臂结构和运行原理完全相同，且能够独立控制，局部发生故障时，MMC也可以稳定工作，因此能有效减少频率波动，杜绝跳闸等情况的发生。当发生单相不平衡故障时，剩余两相依旧能够保持正常运行，实现功率的传输。

（6）故障后恢复速度快。因为该系统运行在稳态时有许多子模块未投入运行，发生故障时，正常且未投入的子模块能够代替故障子模块运行，能够限制冲击电流的上升速度，让系统的运行更加稳定可靠。实际工程中的MMC子模块数量庞大，且每个子模块里都有一个直流电容，保证直流电压恒定，保障了MMC稳定运行。

（7）模块化程度高。极大简化了其设计、生产、安装与调试，并缩短了周期，降低了成本。各子模块采用相同的直流电容与开关器件，系统维护方便，可替代性很强。模块间相互独立，桥臂电压与电流的变化幅度小，使其能应用在大容量的场合。

4.2 存在问题

由于现阶段元件制造工艺水平无法满足日益增多的电力系统需求，以及MMC自身结构的限制，柔性直流输电技术也存在一定的局限性。

（1）传输的容量低。主要原因是受到VSC和MMC内部半导体器件结温容量的限制和直流电缆电压的制约，现阶段电压源换流器型高压直流输电的输送容量无法满足电力系统的要求。

（2）可靠性偏低。由于目前工程中的直流断路器无法对大电流做出反应，加之自身拓扑的制约，故障电流在柔性直流输电系统仍会存在，因此系统无法做到自清除直流侧故障。

（3）损耗较大。模块化多电平换流器中的半导体器件开关频率较高，因此导致开关损耗很大。目前在MMC-HVDC中，虽然系统损耗在输送功率的占比很小，但随着系统的容量提升，则系统损耗也进一步增大。

（4）输电距离较短。目前的技术中架空线传输的缺点仍然存在，因此VSC-HVDC的电压水平很难提高，同时在上述第（3）点中说明了其损耗较大，为了保证输送电能的质量，只能选择短距离输电。

4.3 发展前景

虽然我国在柔性直流输电技术方面的研究与应用相较于西方国家起步较晚，但随着我国科技工作者的不断努力钻研，在技术和应用层面我国已经迈入了世界前列。柔性直流输电技术在我国的涉及面越来越广，发展前景十分广阔[6]。

（1）构建城市的输配电网。随着我国社会的不断发展，城市化进程的深度推进，城市电网如何在承担更多负荷的同时保证电能的质量是一个核心的问题。VSC-HVDC与交流输电技术相比，输送的电能所含谐波分量较少、换流站的占地面积小，这些特点使得其便于控制，有利于保证系统的稳定性，还起到缓解土地资源紧缺等作用。

（2）对弱系统进行供电。我国地势呈三级阶梯分布，西部偏远地区山脉多，海拔高，由于经济落后，输配电系统不完善，与大电网连接不紧密。柔性直流输电能够对无源网络进行供电，而且换相简单易成功，因此与偏远地区能够实现良好的对接，保证输电的质量，能够防止对偏远地区进行远距离交流输电时，因为受到恶劣天气的影响而出现电压严重跌落的现象。但由于大部分的偏远地区地势陡峭，难以敷设电缆，因此，采取VSC-HVDC和MMC-HVDC还需要克服架空线路供电会遇到的各种困难，保证供电的安全性。

（3）优化能源供需格局。近年来，我国华北地区长期受到雾霾、沙尘暴等恶劣天气的侵袭，人民的正常生活和身体健康受到了严重影响。因此，必须改变过去以燃煤为主的能源供给方式，使用可再生能源和新能源，坚持绿色发展，将导致恶劣天气的因素彻底解决。由于我国西部和北部的山地和森林众多，生态环境多样，能源贮藏量大，而中东部经济发达城市人口密集，工厂繁多，对于电能的需求量很大。而VSC-HVDC和MMC-HVDC能解决电能远距离输送的运力矛盾，优化资源配置，真正做到“六保”当中的保能源安全。

5 结语

本文首先介绍了直流输电技术的历史发展、柔性直流输电技术发展的必要性。然后介绍了作为柔性直流输电技术中的核心器件电压源换流器的3种主要类型，即两电平换流器、二极管钳位型三电平换流器及模块化多电平换流器MMC，对其分别展开了论述，以MMC为主，分析了它们的拓扑结构及基本特点。最后，论述了现有基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术的优势、存在问题及发展前景。