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摘要：基于電網(wǎng)換相換流器(linecommutatedconverter,LCC)和電壓源型換流器(voltagesourceconverter,VSC)的混合直流輸電技術(shù)結(jié)合了LCC的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和VSC的技術(shù)優(yōu)勢。本文針對常規(guī)直流工程改造，首先給出了受端LCC改造成真雙極和偽雙極VSC兩種主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對兩者的工程改造范圍和工程改造量進(jìn)行了對比分析，指出了真雙極和偽雙極結(jié)構(gòu)作為改造拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。然后，通過對國內(nèi)外模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter,MMC)拓?fù)浼捌渥兘Y(jié)構(gòu)拓?fù)涞恼{(diào)研，詳細(xì)研究了5類MMC優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在直流故障清除、送端交流故障功率不間斷、低電壓運(yùn)行、潮流反轉(zhuǎn)等方面的技術(shù)特性以及在改造成本、運(yùn)行損耗等經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)劣性，并直觀地對比總結(jié)了5類MMC優(yōu)化拓?fù)涞木C合特性，為未來MMC技術(shù)在常規(guī)直流輸電系統(tǒng)受端換流閥改造中的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：常規(guī)直流；混合直流；電網(wǎng)換相換流器；模塊化多電平換流器；改造DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2017.0161

0引言

自1954年瑞典哥特蘭島直流輸電工程投運(yùn)以來，世界各國已有上百個(gè)基于電網(wǎng)換相換流器的直流輸電（linecommutatedconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，LCC-HVDC）工程建成投運(yùn)。我國自1989年舟山直流輸電工程投運(yùn)以來，已有近三十年的高壓直流輸電發(fā)展歷史[1-2]。伴隨主設(shè)備老化、輔助系統(tǒng)損壞、接地極腐蝕嚴(yán)重等問題接踵而至，較為早期的直流輸電系統(tǒng)正面臨著技術(shù)升級、設(shè)備改造等問題，以保障直流輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。近年來，基于電壓源型換流器的直流輸電（voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，VSC-HVDC）技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、孤島供電等領(lǐng)域[3-4]。其中，模塊化多電平換流器（modularmultilevelconverter，MMC）更以開關(guān)損耗小、擴(kuò)展性強(qiáng)、無需IGBT直接串聯(lián)均壓技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)備受青睞[4]。相比于LCC-HVDC技術(shù)，VSC-HVDC具有有功無功解耦控制、無換相失敗風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢，但由于目前IGBT造價(jià)昂貴，VSC-HVDC經(jīng)濟(jì)性相對較差。結(jié)合LCC的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和VSC的技術(shù)優(yōu)勢，一端采用LCC另一端采用VSC的混合直流輸電技術(shù)為常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的改造提供了一種技術(shù)方案[5-6]。針對一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]較早提出了送端采用LCC受端采用兩電平VSC的拓?fù)湫问?，并對系統(tǒng)工作原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)[8-10]針對直流故障自清除等問題，提出受端采用MMC變結(jié)構(gòu)的混合直流技術(shù)方案。文獻(xiàn)[11-12]分別針對多端直流和直流電網(wǎng)應(yīng)用場景，提出了多換流器混合連接的結(jié)構(gòu)方式。針對風(fēng)電等新能源輸電場景，文獻(xiàn)[13-14]提出新能源端采用VSC，受端采用LCC的混合直流輸電技術(shù)。文獻(xiàn)[15-16]利用VSC偽雙極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了受端采用VSC饋入無源網(wǎng)絡(luò)的控制策略以及送端采用VSC受端采用LCC的啟動策略。當(dāng)前，已投運(yùn)的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)距離輸電、異步電網(wǎng)互聯(lián)、向島嶼供電等應(yīng)用場景，受端改造成VSC的優(yōu)勢將明顯好于送端改造，如避免換相失敗，向無源網(wǎng)絡(luò)供電等。因此，本文所討論的常規(guī)直流輸電改造僅限送端沿用LCC，受端改造成VSC的混合直流輸電技術(shù)。

1主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，已投運(yùn)的LCC-HVDC絕大部分都采用真雙極大地回線的拓?fù)湫问絒2]。改造成混合直流輸電系統(tǒng)后，VSC端可采用真雙極[17]和偽雙極[18]兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1(a)和(b)所示。送端LCC由雙極中性點(diǎn)接地的12脈動或6脈動換流器（連接上海和嵊泗的蘆嵊直流采用6脈動換流器結(jié)構(gòu)）構(gòu)成。真雙極結(jié)構(gòu)中，VSC由兩組換流器串聯(lián)構(gòu)成，兩組換流器之間的中性點(diǎn)接地，可運(yùn)行于雙極平衡、雙極不平衡、單極大地回線等方式，運(yùn)行可靠性高，但是換流變壓器存在直流電壓偏置問題。偽雙極結(jié)構(gòu)中，VSC僅含一組換流器，直流出口側(cè)無接地點(diǎn)，換流變壓器不存在直流電壓偏置問題。由于不具備雙極接線方式的單極運(yùn)行模式，因此偽雙極結(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠性不高。另外，受限于單換流器輸送容量有限，偽雙極更適用于小容量直流輸電系統(tǒng)。

2改造范圍比較

本文僅限受端改造，因此，送端LCC和直流線路等設(shè)備的改造或擴(kuò)容以及升壓，均不在本文考慮范圍內(nèi)。受端從LCC改造成VSC，根據(jù)VSC的主接線特點(diǎn)，涉及改造或新增的主要設(shè)備有：1）換流閥；2）控保系統(tǒng)；3）換流變壓器；4）橋臂電抗器；5）啟動電阻器；6）電壓電流互感器；7）避雷器；8）閥冷設(shè)備等。換流閥、控保系統(tǒng)、橋臂電抗器、啟動電阻器和閥冷系統(tǒng)是VSC所特有的設(shè)備，在改造過程中必須新增。偽雙極結(jié)構(gòu)與原受端差異較大，尤其是涉及到直流電壓偏置方面的設(shè)備，需要更換的較多。真雙極結(jié)構(gòu)能夠沿用部分電壓電流互感器以及避雷器，尤其是直流極線和接地極上的相關(guān)設(shè)備。對于真雙極結(jié)構(gòu)而言，VSC側(cè)換流器的個(gè)數(shù)可與原LCC6脈動換流器的個(gè)數(shù)相一致，假設(shè)單個(gè)6脈動換流器的閥側(cè)線電壓有效值為Uv，輸出的直流電壓為Ud，則存在如下關(guān)系式[1]：d32(coscos())2vUU???????(1)其中，α為觸發(fā)角，μ為換相重疊角。在正常運(yùn)行情況下，假設(shè)α=15°，μ=20°，式(1)可改寫為Ud=1.205Uv。假設(shè)改造后的VSC要繼續(xù)沿用該換流變壓器，那么在該變比下，VSC電壓調(diào)制比m[3]為：d2/3=1.355/2vUmU?(2)可見，VSC將處于過調(diào)制運(yùn)行狀態(tài)。雖然VSC可利用全橋子模塊（full-bridgesub-module，F(xiàn)BSM）的負(fù)電平輸出能力實(shí)現(xiàn)過調(diào)制運(yùn)行，但伴隨而來的是投資成本和運(yùn)行損耗的增加。因此，真雙極結(jié)構(gòu)中原換流變壓器不建議重新使用。實(shí)際上，待改造的LCC一般主設(shè)備或老化或已近服役期限，可利用時(shí)間有限；另外，由于VSC和LCC技術(shù)差異性較大，改造后系統(tǒng)的過電壓和過電流特性存在明顯不同，需要仔細(xì)校核現(xiàn)有設(shè)備的適用性。因此，受端LCC改造成VSC時(shí)，更為可能的方式為全站設(shè)備更新。如此，偽雙極結(jié)構(gòu)的改造價(jià)格將明顯低于真雙極結(jié)構(gòu)：1）換流閥方面，在相同冗余度的情況下，偽雙極與真雙極結(jié)構(gòu)的子模塊個(gè)數(shù)相同，造價(jià)相同；2）控保方面，偽雙極的閥控設(shè)備相比真雙極減少一套；3）換流變壓器方面，真雙極結(jié)構(gòu)需要多個(gè)且具有承受直流電壓偏置能力的換流變壓器，偽雙極結(jié)構(gòu)僅需一個(gè)容量較大的聯(lián)結(jié)變壓器，造價(jià)和占地面積均低于前者；4）啟動電阻、電壓電流互感器和避雷器方面，偽雙極相比真雙極均減少一半。另外，VSC和LCC閥結(jié)構(gòu)完全不同，閥廳（承重，構(gòu)造）也需要改造。由于絕緣需要，不同橋臂間的閥塔需要間隔一定的距離，真雙極擁有較多橋臂，因此在閥廳占地方面，真雙極將明顯多于偽雙極。

3VSC拓?fù)浞桨?/p>

兩、三電平VSC存在IGBT串聯(lián)均壓、一致觸發(fā)等問題，制造運(yùn)行難度較大，尤其是在高壓大容量方面，因此，本文只針對采用模塊化多電平技術(shù)的換流器進(jìn)行討論?；诎霕蜃幽K的MMC（half-bridgesub-module(HBSM)basedMMC，H-MMC）為最早提出的模塊化多電平結(jié)構(gòu)，如附錄A圖A1所示，具有結(jié)構(gòu)簡單、易擴(kuò)展等優(yōu)異特性，目前已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。但是，H-MMC不具有直流故障自清除能力，嚴(yán)重限制了其在架空線等場合的應(yīng)用和發(fā)展。為提升MMC的直流故障處理能力，至目前為止，已有較多文獻(xiàn)從子模塊優(yōu)化、拓?fù)涓脑斓确矫嫒胧郑岢隽硕喾N方案，可以分為以下幾類：1）HBSM和具有直流故障清除能力的子模塊混合型MMC[9,20-27]（hybridMMC）；2）全橋MMC[28-29]（FBSMbasedMMC，F(xiàn)-MMC）；3）橋臂交替導(dǎo)通多電平換流器[30-32]（alternativearmmultilevelconverter，AAMC）和混合級聯(lián)多電平換流器[33-35]（hybridcascadedmultilevelconverter，HCMC）；4）二極管阻斷型MMC[8,36]（MMCwithdiodes，D-MMC）；5）LCC和H-MMC混合串聯(lián)[37-38]。

3.1HBSM和具有直流故障清除能力的子模塊混合型MMC具有直流故障清除能力的子模塊還可以分為含負(fù)電平子模塊[20,22-24]（sub-modulewithnegativelevel，WNSM）和不含負(fù)電平子模塊[20-23,27]（sub-modulewithoutnegativelevel，WTNSM）兩類，其區(qū)別在于子模塊是否能夠輸出負(fù)電平。FBSM和交叉連接型子模塊（cross-connectedsubmodule，CCSM）屬于WNSM，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附錄A圖A2(a)和(b)所示。FBSM通過對IGBT的控制，可以輸出0、Uc、-Uc三種電平。閉鎖狀態(tài)下，F(xiàn)BSM的電流回路如圖A2(a)紅色虛線和藍(lán)色虛線所示，對外等效為電容與二極管串聯(lián)形式，電容在故障回路中提供反電勢，迅速阻斷故障電流。CCSM可以輸出0、±Uc、±2Uc五種電平。閉鎖狀態(tài)下，CCSM的電流回路如圖A2(b)紅色虛線和藍(lán)色虛線所示，對外等效為兩電容與二極管串聯(lián)形式。CCSM的T5和T6需要承受2Uc的電壓差，因此，T5和T6實(shí)際是由兩個(gè)IGBT串聯(lián)而成，CCSM每個(gè)電平的等效IGBT個(gè)數(shù)與FBSM相同。目前，WTNSM種類較多但在運(yùn)行特性方面差異不大，較為經(jīng)典的有箝位雙子模塊（clampdoublesub-module，CDSM）、類全橋子模塊（simpleFBSM，SFBSM）等。以SFBSM為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附錄A圖A3所示，與FBSM相比，SFBSM少了一個(gè)IGBT器件T3，因而只具有0，Uc兩種電平輸出能力。SFBSM閉鎖后，由于二極管和電容構(gòu)成的通路與FBSM相同，因此，SFBSM具有與FBSM相同的直流故障清除能力。無論是WNSM還是WTNSM，當(dāng)整個(gè)換流器都采用相同的子模塊時(shí)，換流器閉鎖狀態(tài)下的電容反電勢均會超出交流線電壓幅值。因此，采用與HBSM混合的方式不僅能夠滿足直流故障清除的目的，還能夠減少IGBT的使用個(gè)數(shù)，降低投資成本和運(yùn)行損耗。由HBSM+WTNSM和LCC構(gòu)成的混合直流運(yùn)行特性如下：（1）HBSM+WTNSM受電壓調(diào)制比限制，允許的直流電壓下降程度有限，當(dāng)送端LCC所在的交流系統(tǒng)發(fā)生故障，尤其是交流電壓跌落較為嚴(yán)重時(shí)，LCC側(cè)直流電壓將隨之下降，從而，將出現(xiàn)受端直流電壓高于送端的現(xiàn)象。因LCC晶閘管的單向?qū)ㄌ匦裕绷麟娏鲗⒖焖傧陆抵?，出現(xiàn)功率傳輸中斷。功率傳輸中斷時(shí)間幾乎與故障持續(xù)時(shí)間相同。（2）LCC只具有直流電壓反向能力，HBSM+WTNSM只具有直流電流反向能力，因此，該混合直流方案不具有潮流快速反轉(zhuǎn)能力，只能通過開關(guān)的停電倒閘操作實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)。（3）當(dāng)HBSM+WTNSM應(yīng)用于偽雙極結(jié)構(gòu)且直流線路發(fā)生單極接地故障時(shí)，受端受電壓調(diào)制比限制等因素，極間電壓將維持于額定電壓附近。因此，非故障極直流電壓將被抬升至2倍左右，同時(shí)，該電壓將施加于LCC側(cè)非故障極換流器上，對LCC側(cè)相關(guān)設(shè)備、輸電線路以及避雷器帶來較大過電壓沖擊。需要建立準(zhǔn)確的仿真模型來評估改造后直流系統(tǒng)的過電壓水平，校核現(xiàn)有避雷器參數(shù)是否適用，以及評估輸電線路的絕緣強(qiáng)度。尤其是對于長期使用且因錨害等因素已有多個(gè)接頭的海底電纜而言，本身絕緣特性已明顯下降，近2倍的過電壓容易導(dǎo)致非故障極海纜絕緣擊穿，引發(fā)二次故障。由HBSM+WNSM構(gòu)成的MMC具有降直流電壓運(yùn)行能力。該能力與HBSM和WNSM的等效電平（等效電平=子模塊個(gè)數(shù)×子模塊最大正(負(fù))電平）成正比。假設(shè)一個(gè)橋臂內(nèi)，HBSM的等效電平為Nh，WNSM的等效電平為Nn，那么，Nh=Nn表明MMC具有直流電壓降低至0的能力，Nh<Nn表明MMC具有直流電壓反向能力。因此，（1）對于HBSM+WTNSM所遇到的送端LCC交流系統(tǒng)故障功率傳輸中斷和潮流不能快速反轉(zhuǎn)等問題，HBSM+WNSM可根據(jù)子模塊比例的不同，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能（不同比例對應(yīng)于不同的投資成本和運(yùn)行損耗）；（2）當(dāng)HBSM+WNSM應(yīng)用于偽雙極結(jié)構(gòu)時(shí)，直流線路單極接地故障后，MMC可通過對直流電壓的控制，實(shí)現(xiàn)2倍過電壓的快速消除。雖然，受控制延時(shí)等影響，直流系統(tǒng)仍可能會出現(xiàn)瞬間2倍過電壓現(xiàn)象，但相較于閉鎖換流閥再斷開交流開關(guān)這種用時(shí)較長的傳統(tǒng)方式，直接電壓控制會使得過電壓嚴(yán)重情況明顯緩解。

3.2F-MMCF-MMC可視為HBSM+FBSM內(nèi)Nh=0的情況，因此，具備上述HBSM+WNSM的所有優(yōu)點(diǎn)。相比于子模塊混合結(jié)構(gòu)，F(xiàn)-MMC增加了IGBT個(gè)數(shù)和運(yùn)行損耗，經(jīng)濟(jì)性有所下降，但隨之而來的是性能的提升。F-MMC在具備電流反向能力的同時(shí)還具有直流全電壓反向能力，能夠滿足潮流的快速滿額反轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可運(yùn)行于多種直流電壓等級狀態(tài)。采用F-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)具備兩種直流故障清除方法：1）直流故障發(fā)生后，將LCC觸發(fā)角增大至120°~150°，同時(shí)閉鎖F-MMC，若直流系統(tǒng)要執(zhí)行重啟動，則將LCC觸發(fā)角移相至90°以下某一個(gè)較大的角度值以判斷故障還是否存在，再按正常流程恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行；2）直流故障發(fā)生后，將LCC觸發(fā)角增大至120°~150°，控制F-MMC直流電壓為0，此時(shí)F-MMC可繼續(xù)為交流系統(tǒng)提供無功支撐，系統(tǒng)運(yùn)行更為靈活。若直流系統(tǒng)要執(zhí)行重啟動，則將F-MMC的直流電壓指令值調(diào)整至一個(gè)較小值（如0.05pu），若直流電流維持為0不變，則故障已消失，否則，故障仍存在。方法2在直流故障期間F-MMC不閉鎖，對受端交流系統(tǒng)的支援更為有利。HBSM+WNSM中，Nh≤Nn的情況，方法2同樣適用。

3.3AAMC和HCMC附錄A圖A4和圖A5分別給出了AAMC和HCMC兩種換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。AAMC和HCMC均包含由IGBT串聯(lián)組成的導(dǎo)通開關(guān)和FBSM級聯(lián)而成的整形電路。AAMC的整形電路與導(dǎo)通開關(guān)成串聯(lián)形式，構(gòu)成橋臂；HCMC的整形電路位于交流側(cè)，導(dǎo)通開關(guān)直接構(gòu)成橋臂。HCMC中的導(dǎo)通開關(guān)存在同步觸發(fā)等問題，需要硬開通、硬關(guān)斷，與兩電平VSC相同。目前全世界只有ABB等幾個(gè)廠家具有較為完備的制造能力，本文不再對其展開討論。AAMC需要導(dǎo)通開關(guān)與整形電路相互協(xié)調(diào)來完成能量的平穩(wěn)傳輸。導(dǎo)通開關(guān)一般只在兩端電壓過零點(diǎn)附近開通或關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了電壓的軟通斷，電壓應(yīng)力小。另外，與HCMC相比，AAMC內(nèi)的導(dǎo)通開關(guān)每個(gè)工頻周期僅需通斷一次，開關(guān)頻率要求低且損耗小。因此，從制造工藝的難易程度來看，AAMC相比于HCMC更具推廣前景。AAMC中由于導(dǎo)通開關(guān)承受一部分直流電壓，因而FBSM的使用個(gè)數(shù)能夠相應(yīng)減少。極限條件下，導(dǎo)通開關(guān)可以承受一半的直流電壓，AAMC的子模塊數(shù)量與F-MMC(或H-MMC)相比減少了一半，在經(jīng)濟(jì)性上明顯優(yōu)于F-MMC。假設(shè)H-MMC每個(gè)橋臂包含N個(gè)HBSM（即2N個(gè)IGBT，N個(gè)電容），且AAMC中無論是導(dǎo)通開關(guān)還是FBSM，所有的IGBT都采用具有相同承壓能力的產(chǎn)品型號，則AAMC每個(gè)橋臂包含近0.5N個(gè)FBSM和0.5N個(gè)串聯(lián)而成的IGBT（即2.5N個(gè)IGBT和0.5N個(gè)電容），因此，AAMC相比于H-MMC增加了0.5N個(gè)IGBT但減少了0.5N個(gè)電容。若不考慮AAMC導(dǎo)通開關(guān)特殊工藝所需的額外費(fèi)用，僅從目前一個(gè)子模塊電容的價(jià)格占單個(gè)HBSM一半造價(jià)的現(xiàn)狀來看，AAMC的投資成本反而低于H-MMC，具有較好經(jīng)濟(jì)性。由于AAMC整形電路采用FBSM，具有負(fù)電平輸出能力，因此，AAMC能夠降壓運(yùn)行，最低可至0，但不能運(yùn)行于反向電壓狀態(tài)。因此，LCC-AAMC除不能實(shí)現(xiàn)功率快速反轉(zhuǎn)外，送端交流系統(tǒng)故障功率中斷、直流故障自清除等問題均能有效解決，運(yùn)行方式較為靈活。

3.4二極管阻斷型MMC附錄A圖A6給出了D-MMC的結(jié)構(gòu)示意圖，在H-MMC直流出口處串聯(lián)了大功率二極管閥組。當(dāng)直流線路故障時(shí)，H-MMC內(nèi)交流系統(tǒng)與直流故障點(diǎn)流經(jīng)換流閥的故障電流回路被二極管閥組阻斷，直流故障得以清除。二極管閥組造價(jià)便宜且無需控制設(shè)備，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，但直流故障阻隔階段，二極管兩端需要承受直流系統(tǒng)級的反向電壓，對二極管閥組的承壓及與之配合的避雷器參數(shù)配置提出了要求，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)給予充分考慮。受限于二極管閥組的單向?qū)ㄐ裕珼-MMC只能作為功率受端，因此，LCC-D-MMC不具備功率反轉(zhuǎn)能力。在降電壓運(yùn)行等靈活性方面，D-MMC等同于H-MMC，遜色于HBSM+WNSM。因此，LCC-D-MMC存在送端交流系統(tǒng)故障功率中斷問題；當(dāng)D-MMC采用偽雙極結(jié)構(gòu)時(shí)，直流線路單極故障會引發(fā)非故障極直流過電壓。

3.5LCC和H-MMC混合串聯(lián)文獻(xiàn)[37-38]給出了一種LCC與H-MMC串聯(lián)構(gòu)成一極閥組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如附錄A圖A7所示。LCC具有直流電流單向、直流電壓可反向特性，H-MMC具有直流電壓單向、直流電流可反向特性。因此，結(jié)合換流閥旁通開關(guān)倒閘等措施，LCC+H-MMC結(jié)構(gòu)具有多種運(yùn)行模式，且能低電壓運(yùn)行。從文獻(xiàn)[38]的研究成果可以看出，采用LCC+H-MMC的混合直流輸電系統(tǒng)不僅具備直流故障自清除能力，還能有效解決送端交流故障功率傳輸中斷問題。相比于H-MMC，LCC造價(jià)便宜，LCC+H-MMC的造價(jià)明顯少于純粹的H-MMC。但是，LCC伴隨有交直流諧波，需要添加交流濾波器和直流濾波器，導(dǎo)致?lián)Q流站占地面積增加。在功率快速反轉(zhuǎn)方面，圖A7中的LCC可電壓反向運(yùn)行于整流狀態(tài)，但H-MMC降壓運(yùn)行能力有限，若LCC運(yùn)行于最大反向電壓而H-MMC運(yùn)行于最小直流電壓（最大電壓調(diào)制比）狀態(tài)時(shí)，LCC+H-MMC具有一定的功率反轉(zhuǎn)能力，此時(shí)LCC處于整流送功率狀態(tài)，H-MMC處于逆變吸功率狀態(tài)，兩者的功率差為潮流反轉(zhuǎn)功率。為進(jìn)一步提升功率反轉(zhuǎn)能力，可借鑒文獻(xiàn)[39-40]的做法，將HBSM的旁通晶閘管改為雙向晶閘管，在需要潮流反轉(zhuǎn)的時(shí)候，閉鎖H-MMC，斷開交流開關(guān)并將雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)H-MMC直流側(cè)處于短路狀態(tài)，由LCC提供50%及以上的反轉(zhuǎn)功率。LCC饋入受端易受交流系統(tǒng)故障影響引發(fā)換相失敗。從LCC換相失敗的本質(zhì)可知，換相失敗期間LCC一相的上下橋臂都處于導(dǎo)通狀態(tài)，致使LCC直流側(cè)近似短路，直流電壓將直接施加于H-MMC上，導(dǎo)致H-MMC直流側(cè)過電壓（近兩倍過電壓）引發(fā)子模塊電容電壓抬升，因此，要在H-MMC直流側(cè)并聯(lián)避雷器組，并校核相關(guān)絕緣參數(shù)。

4拓?fù)浞桨副容^

通過上述分析，表1統(tǒng)計(jì)了各種換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定性比較結(jié)果。從表1的最后一行“改造成本”來看，D-MMC以左價(jià)格偏低，以右價(jià)格偏高。D-MMC相比于H-MMC增加了造價(jià)較為便宜的二極管閥組，同時(shí)增加了故障自清除能力，但是其他方面的運(yùn)行特性并未優(yōu)化，二者特性相似造價(jià)差異不大。LCC+H-MMC改造費(fèi)用最低、運(yùn)行損耗最低，同時(shí)與H-MMC相比，除諧波和換相失敗風(fēng)險(xiǎn)外，各項(xiàng)運(yùn)行特性均優(yōu)于H-MMC。雖然交直流濾波器會增加換流站面積，但原LCC本就配有濾波場，可直接沿用原先的交流場和直流場空間，無需考慮額外征地。如前文所述，AAMC的導(dǎo)通開關(guān)具有軟通斷特性，若導(dǎo)通開關(guān)制造工藝成熟，AAMC的造價(jià)將小于H-MMC，除運(yùn)行損耗稍高外，AAMC的各項(xiàng)運(yùn)行特性均優(yōu)于H-MMC。F-MMC是所有拓?fù)浞桨钢羞\(yùn)行特性最好，但價(jià)格和損耗最高的拓?fù)浞绞?。從H-MMC到HBSM+WNSM再到F-MMC，換流閥使用的IGBT個(gè)數(shù)逐漸增加，造價(jià)和運(yùn)行損耗也逐個(gè)提高，同時(shí)，運(yùn)行性能逐漸提升。常規(guī)直流改造可依據(jù)投資成本、功能需求、運(yùn)行可靠性、控制靈活性等因素進(jìn)行拓?fù)溥x型，以滿足實(shí)際工程需要，并兼和性價(jià)比。

5結(jié)論

采用VSC類換流器對常規(guī)直流受端進(jìn)行改造能夠提升受端電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性和可靠性，但是，在不同的接線方式以及諸多的換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，并非所有拓?fù)涠歼m用。受端換流器改造可采用偽雙極和真雙極兩種結(jié)構(gòu)形式。雖然真雙極結(jié)構(gòu)能夠沿用部分電壓電流互感器和避雷器，但從整體改造費(fèi)用而言，真雙極結(jié)構(gòu)仍將高于偽雙極結(jié)構(gòu)。受限于單換流器輸送容量，偽雙極結(jié)構(gòu)一般只適用于小容量直流輸電系統(tǒng)。偽雙極結(jié)構(gòu)直流線路發(fā)生單極接地故障時(shí)，非故障極直流電壓將被瞬間抬升至2倍左右，對原有設(shè)備產(chǎn)生過電壓沖擊。雖然采用AAMC、F-MMC等具備直流電壓降壓運(yùn)行能力的換流器能夠緩解過電壓情況，但仍需依據(jù)工程過電壓校核情況，分析改造方案的可行性。真雙極結(jié)構(gòu)適用于高壓大容量或采用架空線路的常規(guī)直流改造。受限于送/受端換流器在電流源和電壓源拓?fù)浔举|(zhì)上的區(qū)別，受端宜采用具有直流電壓降壓能力的換流器，功能更為全面，特性更為優(yōu)異。若忽略投資成本，F(xiàn)-MMC最具優(yōu)勢，運(yùn)行方式最為靈活，性能最優(yōu)；若軟通斷下IGBT串聯(lián)技術(shù)普及，AAMC具有較大的競爭力，各方面性能都優(yōu)于H-MMC；若忽略占地面積的約束，現(xiàn)階段LCC+H-MMC的結(jié)構(gòu)形式最具競爭力，技術(shù)成熟，推廣性強(qiáng)。需進(jìn)一步研究的工作如下：（1）偽雙極結(jié)構(gòu)中，直流線路單極接地故障，過電壓快速抑制策略；（2）HBSM+WNSM和F-MMC的不閉鎖直流故障自適應(yīng)（無通訊）穿越策略；（3）LCC+H-MMC諧波特性和各種暫穩(wěn)態(tài)下的換流閥電壓電流應(yīng)力分析。

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作者：許烽1，宣曉華1，江道灼2，黃曉明1，虞海泓1，陸翌1，裘鵬1 單位：1．國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院；2．浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省杭州市