（国网信阳供电公司 河南信阳 464000）
摘要：基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术发展日益成熟，但是它在输电、控制与保护方面仍然存在着很多的问题。本文介绍了基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的发展历程，对于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统的研究热点进行了一个总结，对于一些研究成果进行了客观的评价。
关键词：模块化多电平换流器； 柔性直流输电系统； 换流站级控制； 换流阀级控制；损耗计算
1 前言
上个世纪初，电力工业刚刚兴起，直流输电是最初的输电形式，但为了适应工业发展的需要，高压交流输电逐渐替代了直流输电。另一方面，能源危机促使新能源发电逐渐发展起来，传统的发电形式如何与新能源发电形式实现并网运行成为了新的难题，直流输电的新发展就解决了这个难题。文献[1]中介绍了未来我国直流电网的建设愿景，并比较了高压直流输电与交流输电的优缺点。
柔性直流输电技术即 VSC-HVDC（电压源变流器直流输电），是一种以电压源换流器（VSC）、可控关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术，也是目前进入工程应用的最先进的电力电子技术。柔性直流输电技术在提高系统稳定性，增加系统动态无功储备，改善电能质量，可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、非同步互联、城市电网供电等方面具有较强的技术优势[2]。柔性直流输电技术的核心部分就是换流器，纵观柔性输电技术的发展，换流器结构的发展大致可归为三个发展时代：“汞弧阀换流器”时代、“晶闸管换流器”时代以及如今的“电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）”时代。换流器的发展，主要依赖着现代电力电子技术的发展。如今的电压源型换流器中，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）无疑是工程应用中的“佼佼者”，但是MMC-HVDC的发展中也依然存在着很多问题。本文将从模块化多电平换流器的发展，它的研究热点以及它在柔性直流输电技术的应用等方面来阐述柔性直流输电技术的发展。
2 MMC-HVDC的发展
汞弧阀换流器虽然再次打开了直流输电发展的大门，但因其制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性低、运行维护不方便等原因[1]，使得一些科学家以及学者进一步研究换流器的新结构。上个世纪70年代，高压大功率晶闸管问世有效改善了直流输电的运行性能和可靠性。20多年后，Mc Gil大学的 Boon-Teck Ooi等学者首次提出基于电压源换流器的直流输电概念，标志着第三代直流输电技术的诞生。2010年，Trans Bay Cable 就是采用MMC结构的城市供电柔性直流输电工程，直流电压等级±200 kV，容量400MW，相比之前的柔性直流输电工程，在输送容量与电压等级上已经有了较大的突破。
3 MMC-HVDC研究热点
目前，MMC虽然在工程中得到了广泛的应用，但在应用中依然存在着很多问题，这些问题阻碍了它的发展。本文将问题归结为五个方面，一一予以阐述。当然，这五个方面的研究都要建立在对于MMC的数学模型之上。文献[4]提出的就是一种对于MMC的数学模型研究。对于MMC换流器，研究热点集中在拓扑结构、调制技术、环流抑制和电容电压平衡控制策略等方面。而且，柔性直流输电系统已经由最初的两端发展为多端，多端柔性直流系统比两端系统的控制器设计更加复杂。主要的方法包括，单点直流电压控制法，带电压下降特性的控制法、电压裕度控制法等[5]。
3.1 MMC-HVDC系统级及换流站级控制
MMC直流输电系统的系统级控制是整个柔性直流输电系统的最高级控制，其主要功能是完成系统潮流指令的交换，电网能量的调度功能。将有功功率和无功功率转换为换流站控制器所采用的指令值，参与系统控制。系统级控制主要包括有功和无功类两类控制。换流站级控制又包含两层控制：外环控制和内环控制。外环控制主要是根据不同控制目标（功率控制和直流电压控制），生成d轴和q轴电流分量参考值；而内环控制主要目标是实现d轴和q轴电流分量独立控制，跟踪外环控制生成的参考值，生成三相调制波。
文献[6]将电压裕度控制与下垂控制这两种方法相结合形成一种新型的控制策略，其结合了两种控制方法的优点，并相互弥补了各自的缺点。带电压裕度的下垂控制策略虽然提高了控制器的响应速度，但是在电压裕度选取不当时，系统可能会发生振荡；
3.2 MMC-HVDC换流阀级控制
换流阀级控制主要任务是接受换流器控制发出的信号，将信号直接作用于IGBT，完成最终的脉冲触发。这里的主要研究技术包括同步锁相技术、电流平衡控制和直流侧电容器电压平衡控制等。
文献[7]提出一种外部控制方法来实现子模块电容电压的均衡控制；文献[3]中针对直流电容电压平衡控制的两个阶段—预充电阶段和稳定阶段提出了一种在线式预充电方法，稳压阶段采用电容电压平均控制和电容电压平衡控制共同作用策略，仿真中收到了较为理想的效果。
3.3 MMC-HVDC调制技术
MMC采用了功率单元级联的结构形式，随着模块数的增加，控制方法也会变得更复杂。而调制技术是控制方法的前提和基础。目前工程应用场合较多的调制方法如下表1所示：
文献[3]中比较了两种载波移相PWM调制方法，传统的n+1电平与2n+1电平进行比较，由于2n+1电平CPS-SPWM调制方法还具有电容均压的优点，因此得到较多使用。
3.4 MMC-HVDC损耗计算方法
模块化多电平换流器损耗计算方法的提出，是为了对柔性直流输电系统进行效率评估和换流器散热设计。所以损耗计算的研究，是一个很重要的方面。文献[8]中介绍了一种保留子模块内部结构的等效仿真方法，这种方法几乎等效了MMC的所有特性，仿真等效精度较高。文献[9]中提出了一种MMC损耗的数字计算方法，通过在数字计算程序中国复现出一个工频周期内各开关器件脉冲波形和各开关器件的电压波形和电流波形，然后根据器件的关键参数得到各开关的损耗。
3.5 MMC-HVDC仿真技术
基于MMC的柔性直流输电系统，其动作仿真分析面临着元件多、步长小、计算耗时较长的难题。目前，主要的解决办法就是对MMC进行等效，在仿真速度、仿真步长和稳定性以及仿真精度方面来进行改进。文献[10]中对于子模块分割法、连续电路等效法、桥臂电压源等
效法、电压-电流源等效法四种等效方法进行了详细的原理分析，然后在仿真对比中验证了每种方法的优缺点，以及适用的场合。
3 总结展望
本文主要对于MMC-HVDC的发展作了一个综述， 虽然MMC-HVDC前景广阔，但是它仍然面临着很多的技术挑战，像传统的LCC-HVDC与VSC-HVDC依旧在使用当中，它们之间互有利弊，究竟什么样的结构形式和控制策略才是最合适的，这些问题依然值得反复研究。
参考文献
[1] 姚良忠 等.未来高压直流电网发展形态分析[J].中国电机工程学报，2014，34(34): 6008-6016
[2] 季舒平.上海柔性直流输电示范工程关键技术研究[J].上海交通大学，2013.
[3] 王之赫.MMC的建模与实时仿真技术研究[J].北京交通大学，2015.
[4] 饶宏等.模块化多电平换流器直流输电系统损耗的计算方法及其损耗特性分析[J].电力自动化设备，2014，34(6).
[5] 杨煜 等.模块化多电平换流器柔性直流系统的等效仿真方法比较[J].电力系统保护与控制，2015,43(12).
论文作者:冯叶
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/13
标签：柔性论文; 电压论文; 电平论文; 系统论文; 方法论文; 技术论文; 文献论文; 《电力设备》2017年第6期论文;