2.1主电路设计

换流器主电路拓扑结构与实际工程的电压等级和传输容量、IGBT串联数目、开关频率、开关调制方式和系统可控性等因素相关.目前应用于柔性直流输电工程的换流器拓扑结构有以下几个特点:①拓扑结构简单，一般采用两电平或者三电平结构，通过桥臂器件直接串联可以提高其电压等级.②优化的PWM调制方式可以降低开关频率，延长IGBT、IGCT的使用寿命.③换流器损耗小.另外，装置实现的难易程度、造价、运行经济等因素都是在设计主电路拓扑时需考虑的因素.

理想的换流器主电路拓扑结构不仅可以降低电力电子器件数目，而且能有效地降低控制保护系统的复杂性，为总体上保证系统的经济性、运行可靠性奠定良好的基础.

2.2控制策略

对于柔性直流输电的控制策略，总结起来主要分为间接电流控制和直接电流控制[3-4].间接电流控制系统的结构简单，但存在交流侧电流动态响应慢、难以实现过电流控制等缺点.直接电流控制也称为“矢量控制”，通常包括内环电流控制和外环电压控制，因其具有快速的电流响应特性，因此受到了学术界和工业界的普遍关注[5-6].ABB公司在工程中基本采取此类控制策略.其整个控制器由内环电流控制器、外环电压控制器、触发脉冲生成(属于阀控制层)和锁同步环节组成.内环控制器用于实现换流器交流侧电流相位和波形的直接控制，目的在于快速跟踪参考电流.外环控制根据系统级控制目标，可以实现定有功功率控制、定直流电压控制、定无功功率控制等目标.触发脉冲生成环节根据PWM原理，利用内环输出的参考电压和同步相位信号产生各桥臂的触发脉冲.锁相环节的输出用于提供电压矢量定向控制和触发脉冲生成所需的基准相位.在向无源网络供电的柔性直流系统中，送端通常采用定直流电压控制，受端系统由于没有稳定的电源，一般采用定交流电压控制.

2.3保护策略

柔性直流输电系统的任何一部分(换流站、交流系统和直流输电线路)发生故障，都有可能影响整个柔性直流输电系统运行的可靠性和有关设备的安全.因此应按电气接线中的位置将保护区域分为换流器保护区、换流站交流开关场保护区和直流线路保护区.

换流器保护区包括换流器、换流器与联结变压器的部分连接线路和换流器控制保护系统等辅助设备.主要保护有换流器过电流保护、快速直流过电压保护、交流侧过电压保护、触发脉冲监控和IGBT自身保护.交流开关保护区包括联结变压器、交流滤波器和换流母线设备等.直流线路需要根据输电线路的类型不同来选取其保护方式，一般线路故障保护包括微分欠压保护、直流过压保护、直流电压不平衡保护和直流故障再启动逻辑等柔性直流输电的保护策略如图5所示.

3柔性直流输电的技术特点和工程应用

3.1技术特点

柔性高压直流输电与常规直流输电相比，主要有以下技术特点[8-11].

1)SC-HVDC可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方便.

2)SC-HVDC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定母线电压.

3)VSC-HVDC不需要外加的换相电压，可以实现自关断，因此受端可以是无源网络，它将使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能.

4)VSC-HVDC通常采用PWM技术，开关频率相对较高，经过滤波器之后就可以得到所需的交流电压，可以不用变压器，从而简化了换流站的结构，并使所需滤波器装置的容量也大大减小.

5)潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统.

6)换流站间的通讯不是必须的，控制结构易于实现无人值守.

3.2代表性工程应用

柔性直流输电是解决风电并网的有效途径之一，应用于风电场并网的柔性直流输电工程有哥特兰(Gotland)工程、泰伯格(Tjareborg)工程和在建的瑙德(NordE.ON1)工程.哥特兰工程不仅将哥特兰岛的电能输送到瑞典本土，而且提供了风电场的动态无功功率支撑，解决了潮流波动、电压闪变和频率不稳定的问题，有效地改善了电能质量.

柔性直流输电不局限于两端系统必须有足够的短路容量，而且在中等容量的互联系统中具有独特的优点.代表工程是克劳斯-桑德互联(Crosssoundcable)工程，它连接了康涅狄格州的纽黑文(NewHaven)换流站和纽约长岛的肖雷汉姆(Shoreham)换流站，为二者之间提供了双向功率传输的能力.

伊斯特互联(Estlink)工程第一次将波罗的海地区的电力系统和欧洲电力系统进行了互联(2个电网的频率不同)，提高了波罗的海和芬兰电网之间供电的可靠性;增加了电力市场中供电商的数量.

挪威泰瑞尔(TrollA)柔性直流工程是世界上第一个从大陆向海上平台提供电能的柔性直流系统.该工程从挪威的科尔斯奈斯(Kollsnes)换流站向泰瑞尔海上天然气钻井平台上的变速同步电机进行供电，使得同步电动机的频率可以在42～63Hz、运行电压在0～56kV之间的范围变化.

传斯贝尔联络(TransBayCable)工程是应用于城市供电的柔性直流工程.该工程为东湾和旧金山之间提供了一个电力传输和分配的手段，以满足旧金山的城市供电需求，并且改善了互联地区电网的安全性和可靠性.

4未来需要开展的研究

柔性直流输电的技术特点决定了它必将在可再生能源并网、孤岛供电、城市电网供电、交流电网互联等应用领域得到更快的发展，同时由于设备成本的不断下降也提高了其大规模应用的可能性.为了形成具有自主知识产权的关键技术，走中国特色的电力发展之路，未来应该从以下几个方面开展柔性高压直流输电的研究.

1)研究VSC-HVDC在稳态模型和动态模型下的控制策略.

2)研究VSC-HVDC系统全部一、二次设备的新型数学模型及数字仿真新方法，建立VSC-HVDC系统的数字仿真研究手段.

3)研究有多个VSC构成的多端直流输电系统的运行特性、控制方式及直流断路器等保护策略.

4)研制电压更高、容量更大的电力电子器件，改进阀的机电、热等各方面的结构性能，进一步降低换流器的造价，提高其可靠性.

参考文献

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