1.4 高压混合直流输电

常规直流输电技术拥有诸多优点，在目前仍在运行的直流输电工程中仍是主流，但是其不足之处已经逐渐显现，主要包括以下几个方面：

1）LCC-HVDC运行容易受到交流电网的影响。当交流电网发生故障或三相严重不对称造成交流母线电压下降时，LCC-HVDC容易发生换相失败。为避免发生连续换相失败而损坏换相装置，LCC-HVDC通常只能采用简单的闭锁措施，这使得交流系统突然失去一个很大的有功电源，从而扩大事故。

2）LCC-HVDC要求受端交流系统必须是有源网络且有足够的短路容量，如果受端交流系统短路容量太小，LCC-HVDC将失去运行的基本条件。

3）LCC-HVDC依赖交流系统运行，当交流系统发生大停电时，电网恢复初期交流系统很弱，LCC-HVDC不具备运行条件，不能作为起动电源参与电网的恢复过程，其有功功率快速可控的特点也不能在电网恢复的过程中得到发挥。

4）LCC-HVDC需要消耗大量的无功功率，其数值为输送有功功率的40%～60%，因此需要大量的无功补偿和滤波装置。这也增加了换流站的投资和运行维护费用，大量的无功补偿和滤波设备在特定的情况下还会引起过电压的问题，从而造成绝缘配合困难，并且增加整个系统的造价。

柔性直流输电技术虽然没有上述的缺点，但是将所有直流输电系统都替换成VSC-HVDC并不是最佳的方案，因为高压柔性直流输电也存在诸多缺点：

1）换流阀损耗大。常规直流输电的单站损耗已低于0.8%，而两电平和三电平VSC的单站损耗在2%左右，MMC的单站损耗可低于1.5%。目前降低柔性直流输电单站损耗的方法主要有两种：①提高现有的技术；②采用新型的可关断开关器件。

2）设备成本高。就目前的技术水平而言，柔性直流输电单位容量的设备投资成本高于常规直流输电。

3）目前容量较小。由于目前可关断器件的电压、电流额定值都比晶闸管低，如不采用多个可关断器件并联，MMC的电流额定值就比LCC低，因此相同直流电压下，MMC基本单元的容量比LCC基本单元（单个6脉动换流器）低。

4）VSC-HVDC不太适合长距离架空线路输电。柔性直流输电技术在直流侧发生故障时，通过跳换流站交流侧开关来清除故障，使得故障的清除和直流系统的恢复时间比较长。因此，当直流线路采用长距离架空线时，因架空线路发生暂时性短路故障的概率很高，如果每次都需要跳交流侧开关，停电时间便很长，大大影响了柔性直流输电的可用率。

综合考虑所有的因素，如果采用高压混合直流输电技术，可以弥补上述的常规直流输电和柔性直流输电的不足，合理发挥LCC-HVDC和VSC-HVDC的长处。高压混合直流输电是结合了常规高压直流输电系统和高压柔性直流输电系统的特点的一种新型的直流输电系统，具有常规高压直流输电低成本、低损耗和柔性直流输电灵活、易扩展等诸多优点。该混合直流系统通过VSC-HVDC的控制，使得LCC-HVDC彻底避免或减少换相失败，提高了LCC-HVDC的独立性，减少了交流电网与直流系统之间的电磁耦合，从而对电网的安全稳定运行起到重要的作用。

高压混合直流输电可应用范围十分广泛。首先，混合直流输电系统在海岛与海上钻井平台领域方面的应用，采用此种无源网络或者弱交流系统供电时，可以发挥相应的VSC逆变站技术优势，能够降低整体系统的投资及运行费用。其次，混合直流输电系统还可以向城市电网进行供电，这不仅能够给城市带来无功支撑，使得城市短路电流大大减少，还能为城市节省空间，节省开资。最后，混合直流输电技术在大规模的风力发电、光伏等可再生能源的利用方面也取得了显著的成效，它不仅能够解决长距离的输电问题，还能够保证发电的稳定性。更重要的是将其中一部分进行常规直流改造后，解决了我国多馈入直流连续换相失败的问题，大大提高了电网的稳定性。随着大功率电力电子器件的普及化使用，例如绝缘栅双极型晶体管、集成门极换相晶闸管的不断应用，以及目前的电压电流水平的进一步提升，混合高压直流电也得到了更广泛的关注。

国内外很多学者提出了多种不同拓扑结构的混合直流输电系统。从结构上来看，高压混合直流输电系统可分为四类。

第一类是通过串联或并联构成混合型换流器，从而实现运行和控制特性的改进。图1-10a所示为LCC与VSC并联混合拓扑，该结构中VSC能够为LCC提供换相电压，从而使混合换流器具有自换相能力。图1-10b所示为LCC与VSC串联构成混合换流器的拓扑，该型换流器能够降低谐波水平和无功需求，通过控制VSC交流母线电压，使混合换流器具有自换相能力。该结构可以直接与风电场连接，通过旁路串联的LCC，能够实现部分功率反转。

第二类混合直流输电是将LCC与VSC置于直流输电系统的不同端，即双端直流输电系统。该系统一方面可以用连接低短路比的弱交流电网或无源电网，另一方面能够发挥成本和损耗较低的优势。这种混合直流输电有效地结合了两类换流器的技术优势，可以有效地避免逆变侧的换相失败，并降低了整流侧的损耗，而且可以向无源网络供电。如图1-11a和1-11b所示，该结构既可以是送端为LCC整流站，受端为VSC逆变站；也可以是送端为VSC整流站，受端为LCC逆变站。混合直流系统的主要缺点是其输送功率极限由VSC侧决定，而VSC的输送功率还未能达到常规直流的输送功率。此外，该系统不易实现潮流反转。这是因为LCC侧实现潮流反转需要改变电压极性，但VSC侧实现潮流反转需要改变电流方向。

第三类混合直流输电是直流输电系统的一极采用LCC-HVDC，而另一极采用VSC-HVDC构成一种混合的双极系统。如图1-12所示，混合的双极系统可以有效地对受端交流母线无功功率进行动态补偿，稳定交流母线电压，降低LCC逆变器发生换相失败的概率。该系统的不足之处在于LCC和VSC的直流电流必须互相配合，限制了其传输功率的能力。

第四类混合直流输电是多端混合直流输电系统。该类系统又可分为单馈入多落点、多馈入单落点和多馈入多落点三种结构。以我国刚刚建成的世界首台套±800kV混合特高压直流输电项目（昆柳龙工程）为例，该工程西起云南昆北换流站，东至广东龙门换流站，中间为广西柳州换流站。如图1-13所示，工程采用±800kV三端混合直流技术，其中送端昆北站采用常规LCC整流站，而受端柳州站和龙门站均采用基于模块化多电平换流技术的柔性直流换流站。