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柔性直流输电技术概述

电力电子技术专题大作业
――柔性直流输电技术概述
0.前言
学习电力电子技术专题一学期以来，我感觉受益良多，我收获的
不仅仅是各位老师讲座上所教授的内容，更有他们对于电网行业的深
入分析以及未来发展方向的预测。在诸多讲座中，我对宋强老师所讲
的柔性直流输电技术最感兴趣，下面我就以此为主题，对柔输技术进
行一些简要的概括与探究。
1.背景介绍
我们都知道历史上交直流输电之争由来已久，电机系的许多老师
都经常提到这个话题，而目前普遍的输电方式仍是交流输电。交流输
电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损耗，为了解决
交流输电电阻的损耗，还可以采用高压和超高压输电来减小电流来减
小损耗，但是交流电感损耗不能减小，因此交流输电不能做太远距离
输电。如果线路过长输送的电能就会全部消耗在输电线路上。交流输
电并网还要考虑相位的一致。如果相位不一致两组发电机并网会互相
抵消。这时人们又想起了直流输电的方式。
一直以来，直流输电的发展与换流技术（特别是高电压、大功率
换流设备）的发展有密切的关系。但是近年来，除了有电力电子技术
的进步推动外，由于大量直流工程的投入运行，直流输电的控制、保
护、故障、可靠性等多种问题也越发显得重要。因此多种新技术的综
合应用使得直流输电技术有了新进展。
输电技术的发展经历了从直流到交流，再到交直流共存的技术演
变。随着电力电子技术的进步，柔性直流作为新一代直流输电技术，
可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革
和构建未来电网提供了崭新的解决方案。
基于电压源型换流器的高压直流输电概念最早是由加拿大
McGill大学Boon-Teck等学者于1990年提出的。通过控制电压源换
流器中全控型电力电子器件的开通和关断，改变输出电压的相角和幅
值，可实现对交流侧有功功率和无功功率的控制，达到功率输送和稳
定电网等目的，从而有效地克服了此前输电技术
存在的一些固有缺陷。国际大电网会议和美国电气与电子工程师
协会于2021年将其正式命名为“VSC-HVDC”。ABB，Siemens和Alstom
公司则将该输电技术分别命名为HVDCLight，HVDCPlus和HVDC
MaxSine，，在中国则通常称之为柔性直流输电（HVDCFlexible）。
2.柔性直流输电技术
2.1技术简介
柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流
输电类似，仍是由换流站和直流输电线路（通常为直流电缆）构成。
与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流
输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可
关断器件（通常为IGBT）和高频调制技术。
详细地说，就是要通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压
之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，
通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的
相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功
功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。
2.2历史发展
早期的柔性直流输电都是采用两电平或三电平换流器技术，但是
一直存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷。随着工程对于电压等级和
容量需求的不断提升，这些缺陷体现得越来越明显，成为两电平或三
电平技术本身难以逾越的瓶颈。因此，未来两电平或三电平技术将会
主要用于较小功率传输或一些特殊应用场合，如海上平台供电或电机
变频驱动等。
2021年，德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquart和A.Lesnicar
共同提出了模块化多电平换流器（MMC）拓扑。MMC技术的提出和
应用，是柔性直流输电工程技术发展史上的一个重要里程碑。该技术
的出现，提升了柔性直流输电工程的运行效益，极大地促进了柔性直
流输电技术的发展及其工程推广应用。
2.3技术特点
柔性直流输电技术是采用可关断电压源型换流器和PWM技术进
行直流输电，相当于在电网接入了一个阀门和电源，可以有效控制其
通过的电能，隔离电网故障的扩散，还能根据电网需求，快速、灵活、
可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网潮流分布、增强电网
稳定性、提升电网的智能化和可控性。它很适合应用于可再生能源并
网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联
等领域。
柔性直流输电除具有传统直流输电的技术优点外，还具备有功无
功单独控制、可以黑启动对系统强度要求低、响应速度快、可控性好、
运行方式灵活等特点，目前，大容量高电压柔性直流输电技术已具备
工程应用条件，并且具有以下优点：（1）系统具有2个控制自由度，
可同时调节有功功率和无功功率，当交流系统故障时，可提供有功功
率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，既能提高系统功角稳定
性，还能提高系统电压稳定性；
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