1.3 柔性直流输电

电压源型换流器的直流输电技术（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）是将电压源换流器、全控电力电子器件和脉宽调制（PWM）技术结合的新型直流输电技术，国内也称为柔性直流输电。

VSC-HVDC与LCC-HVDC最根本的差别在于所用的电力电子器件。LCC-HVDC换流装置应用的半控电力电子器件只有晶闸管这一种。晶闸管只能触发导通，且关断必须要外加电源，而VSC-HVDC技术使用的是全控开关器件，如MOSFET、IGBT、GTO晶闸管、IGCT、IECT等，即可通过施加控制信号使器件导通，又可使器件关断。这些器件构成的电路可以实现不依赖外电路换相。

目前，柔性直流输电工程常采用的VSC主要有3种，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（Modular Multilevel Converter, MMC）。其中，两电平换流器的拓扑结构最简单，如图1-9a所示，它有6个桥臂，每个桥臂由IGBT和与之反并联的二极管组成。两电平换流器每相可输出2个电平，即+Udc/2和-Udc/2。二极管钳位型三电平换流器结构稍复杂，如图1-9b所示。三相换流电路共用直流电容器，每相可输出3个电平，即+Udc/2、0和-Udc/2。上述两种换流器皆通过脉冲宽度调制来逼近正弦波。而MMC由于输出电平数高达数百个，所以可采用阶梯波的方式来逼近正弦波，其结构如图1-9c所示。MMC的每个桥臂都是由N个子模块和一个串联电抗器L0组成的，同相的上下两个桥臂构成一个相单元。

柔性直流输电系统由换流器、换流变压器和电感器等设备组成，其中最为关键的核心部位是VSC，而在其他结构上与常规高压直流输电系统相似，仍是换流站和直流输电线路的组合，其最大的特点在于采用了可关断器件（通常为IGBT）和脉宽调制技术。VSC-HVDC具有以下技术特点：

1）VSC-HVDC可以相互独立地控制有功功率和无功功率。由于柔性直流输电技术能够自换相，可以工作在无源逆变模式下，不需要外加的换相电压，因此受端系统可以是无源网络。常规高压直流系统只有触发角一个控制自由度，不能同时独立调节有功功率和无功功率，而且需要依靠电网完成换相和较强的有源交流系统支撑。而柔性直流输电的电压源换流器具有电压幅值和相位两个控制自由度，可以同时调节有功功率和无功功率。

2）没有换相失败问题。柔性直流输电技术采用可关断器件，开通和关断时间可控，与电流的方向无关，从原理上避免了换相失败问题。即使受端交流系统发生严重故障，只要换流站交流母线电压仍存在，就能够维持一定的功率。

3）VSC-HVDC可以通过改变直流电流的方向，不需要改变直流电压的极性便可实现潮流反转。这一特性使得VSC-HVDC的控制系统配置和电路结构都保持不变，既不用改变VSC-HVDC的控制模式，也不需要闭锁换流器，整个反转过程可以在很短的时间内完成。同时，这个特点对于构成多端系统至关重要。在并联型多端直流输电系统中，柔性直流输电系统可以通过改变单端电流方向来改变潮流的方向，便捷而又快速。

图1-9 柔性直流输电系统常用的VSC

4）VSC-HVDC能够起到静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）的作用，这是一种并联型无功补偿的柔性交流输电系统装置，它能够发出或吸收无功功率，并且通过输出的变化可以控制电力系统中的特定参数的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。

5）VSC-HVDC的器件可以实现自关断，可以工作在无源逆变方式，还可以向无源网络供电。

6）VSC-HVDC可以作为电网故障后的恢复电源，帮助电网快速恢复。

VSC-HVDC在技术上的优势使得柔性直流输电系统能够应用于很多场合。例如通过直流电缆向城市供电，解决城市用电需求；VSC-HVDC无源逆变的特点使得其可以向孤岛供电；更具有价值的一点是VSC-HVDC能够使可再生能源通过该技术联网并成为一种趋势。