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第8卷 第1期 2025年01月；页码：3-12
LCC-VSC 混合级联直流技术在江苏电网的应用研究
Application of LCC-VSC Hybrid Cascaded DC Technology in Jiangsu Power Grid
- 1.国网江苏省电力有限公司，江苏省 南京市 210000
- 2.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海市 黄浦区 200001
- WANG Zhiwei1, ZHENG Jianhua2, WAN Zhendong2*, CHENG Liang1, SHI Dajun2, YU Xuan2 (1.State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Nanjing 210000, Jiangsu Province, China
- 2.East China Electric Power Design Institute Co., Ltd.of China Power Engineering Consulting Group, Huangpu District,Shanghai 200001, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
阐述了LCC-VSC混合级联直流拓扑方案和基本运行特性。结合江苏电网发展中存在的主要问题，分析了混合级联直流在江苏电网的应用背景。重点针对多直流馈入后的安全稳定、受端负荷中心受电能力提升等问题，研究并分析了应用混合级联直流技术的优势。研究分析表明，与常规直流技术相比，混合级联直流技术有利于降低受端多馈入直流间相互影响，有利于减少周边常规直流换相失败次数，有利于提高受端电网安全稳定水平。通过多个VSC换流器运行方式的灵活切换，可为交流电网提供必要的潮流控制和动态无功支撑能力，提升受端负荷中心受电能力。最后，结合江苏电网特点，提出了混合级联多端直流技术进一步发展和应用的设想。
The LCC-VSC cascaded DC topology and basic operating characteristics are expounded.Combined with the main problems in the development of Jiangsu power grid, the application background of hybrid cascaded DC in Jiangsu power grid is analyzed.Focusing on the problems of security and stability with multi-feed DC and the improvement of the power receiving capacity of load center, the advantages of applying the hybrid cascaded DC technology are studied and analyzed.The research and analysis show that, compared with the conventional DC technology, the hybrid cascaded DC technology is beneficial to reduce the interaction between the multi-feeding DC at the receiving end, reduce the number of commutation failures of the nearby conventional DC, and improve the secutity and stability level of the receiving end power grid.Through the flexible switching of the operation modes of multiple VSC converters,the necessary power flow control and dynamic reactive power support capabilities can be provided for the AC power grid, and the power receiving capacity of the receiving end load center can be improved.Finally, combined with the characteristics of Jiangsu power grid, the idea of further development and application of hybrid cascaded multi-terminal DC technology is proposed.
0 引言
能源资源与生产力布局分布不平衡的基本国情，决定了大容量、远距离的电能输送成为中国能源资源和电力发展的必然需求。经多年跨越式发展，中国高压直流输电技术及其工程应用取得显著进展，在直流电压等级、输送容量、装备技术等方面不断创造新纪录[1-3]。目前中国已投产的跨省跨区高压直流输电工程大部分采用的是基于电网换相换流器[4-6]的常规直流输电技术（line commutated converter-high voltage direct current，LCC-HVDC）。与常规直流技术相比，基于电压源换流器的柔性直流输电技术[7-10]（voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC）由于换流阀采用了全控型器件，从根本上避免了换相失败问题。但目前阶段柔性直流输电技术受制于设备成本较高、器件耐受故障冲击能力较弱、可靠性有待提升等问题，难以在受端电网大规模应用。
混合级联直流输电技术兼具传统直流输电和柔性直流输电的优点，在特定条件下可表现出比传统直流和柔性直流技术更优越的技术性能[11-14]。本文结合800 kV白鹤滩—江苏直流输电工程（以下简称建苏直流），阐述江苏电网发展中存在的主要问题和工程应用背景。针对混合级联直流的系统拓扑结构和运行特性，围绕有功、无功、交直流故障穿越、短路电流等方面分析其相对常规直流的技术优势，并重点结合长三角和江苏多直流馈入问题分析混合级联直流在系统安全稳定方面的作用。研究分析表明，与常规直流技术相比，混合级联直流有利于降低受端多馈入直流间相互影响，有利于减少周边常规直流换相失败次数，有利于提高受端电网安全稳定水平。通过多个VSC换流器运行方式的灵活切换，可为交流电网提供必要的潮流控制和动态无功支撑能力。基于江苏电网发展路径，进一步展望混合级联技术未来在江苏电网的应用需求。
1 混合级联技术在江苏电网的应用背景
1.1 多直流馈入后的安全稳定问题
江苏省是中国国民经济最发达的省份之一，电力需求基数大、增长快。“十四五”期间，江苏电网电力需求仍将保持稳定增长，但省内规划建设的大型支撑性电源不足。从电力需求增长和规划电源两方面情况综合来看，江苏电网进一步扩大区外来电规模的需求是十分迫切的。
截止到2023年底已有13回超高压及特高压直流落点华东电网，总容量达85.8 GW，多回直流馈入长三角负荷中心，其中上海4回、江苏5回、浙江3回。各换流站站间距离均在200 km以内，其中宜华、林枫、葛南、复奉、龙政等多回直流换流站间距离更是在100 km以内，直流系统间耦合强度逐步提高，交直流间相互影响日益复杂。
由于常规直流换流阀采用半控型器件，换相过程依赖受端系统电压支撑。当交流电网发生扰动时，极易导致直流发生换相失败。换相失败及恢复期间直流功率传输中断，同时将吸收大量无功功率[15-19]，导致扰动强度及范围进一步扩大。多馈入直流系统与交流电网间的相互影响，对电网的安全稳定运行带来了潜在的风险。
1.2 受端负荷中心受电能力提升问题
江苏电网负荷中心区域存在以下几方面的特点：①负荷较为集中，电网结构较为紧密，短路电流整体水平较高；②受环保约束，负荷中心区域电源建设与负荷发展不匹配，随着负荷中心用电需求的持续增长，本地电源建设空间不足，区外受电需求日益提升；③受到城市空间布局约束，新增输电通道难度和代价极大，区外特高压基本无法直接深入负荷中心。
苏州南部电网位于江苏电网最南端，通过5回500 kV线路与无锡电网联络，通过4回500 kV线路与苏州北部沿江大型电厂联络，通过特高压东吴站接受区外来电；区内落点±800 kV锦苏直流、建苏直流，是典型的受端负荷中心。随着苏州南部电网受电规模不断增加，现有交流受电断面潮流逐渐加重，面临受电能力紧张以及严重故障后的安全性问题。此外，网内多个500 kV枢纽变电站短路电流超过或接近极限。在现有技术水平下，进一步提升受电能力难度较大。
2 混合级联直流输电系统
2.1 拓扑结构
混合级联直流是指常规直流LCC换流器与柔性直流VSC换流器通过串联形式构建形成的直流输电系统。由于2类换流器特性差异，一般高端为LCC换流器，低端则采用VSC换流器。混合级联拓扑可应用于受端电网，以解决换相失败及负荷中心供电问题；该类拓扑也可应用于送端电网，利用2类换流器的特点分别汇集新能源和支撑性火电/水电。文献[20]阐述了该类直流系统的典型拓扑结构。
在建苏直流中，为保证直流系统故障穿越能力，采用了每个单极串并联1个LCC和3个VSC的接线方式[21]。由于受端站址资源匮乏限制，工程中考虑将高端LCC换流站和低端各VSC换流站在同一站址合站建设。高低端各换流器分别接入4段不同的交流母线，并经由500 kV交流线路分别送入苏州电网各地区。建苏直流接线方式见图1。
图1 建苏直流输电系统拓扑结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of system topology of Jiansu UHVDC Transmission Project
2.2 运行特性
2.2.1 有功功率特性
建苏直流额定功率8000 MW、单极4000 MW。其中高端为每极1组LCC换流器（采用5 kA晶闸管），低端为每极3组VSC换流器并联（采用3 kA IGBT器件，100%半桥拓扑）。由于低端VSC换流器不存在换相失败问题，交流系统故障期间混合级联拓扑仍可保持部分功率传输（近区单相短路故障期间直流功率最大跌幅约52%，具体计算结果见3.2节），避免了常规直流换相失败期间功率完全中断对受端电网带来的冲击，具有良好的功率恢复特性。
VSC换流器可以独立且快速地控制有功功率的大小及传输方向[22]，混合级联拓扑中低端各VSC换流器在各自裕度范围内可动态灵活调整输送的有功功率。在送端电站枯水期低功率运行时，甚至可以利用换流阀裕度实现1个VSC抽取功率并注入另外2个VSC的功率互济方式。混合级联拓扑所具备的有功功率灵活控制特性，避免了传统特高压直流单一、固定送电曲线对受端电网运行带来的压力，可为受端电网提供额外的潮流控制能力。
2.2.2 无功功率特性
VSC换流器可以独立且快速地控制无功功率，当受端交流系统故障、系统无功不足时，VSC可运行在STATCOM模式，向交流系统提供大容量、调节性能良好的动态无功支撑，避免了传统直流换相失败期间进一步吸收系统无功，导致受端电网暂态电压特性进一步恶化的问题。
混合级联拓扑下，低端VSC可选择接入电压支撑能力较弱、多直流密集馈入的负荷中心，交流系统故障时，VSC除自身不发生换相失败外，还可为系统提供动态无功支撑，降低高端LCC及周边其他常规直流换相失败发生的概率，有利于改善多直流馈入受端电网的系统运行特性。根据相关仿真计算，建苏直流低端3组VSC在非严重故障下（暂态电压0.75～0.9 pu）合计可提供的最大无功为1260 Mvar[21]。
2.2.3 直流故障穿越特性
常规直流输电系统利用换流器的控制特性，通过直流线路故障重启动功能实现故障清除和系统的快速重启[23]。混合级联直流同样具有较好的直流线路故障穿越特性，可有效克服柔直系统在直流线路故障下的脆弱性[24]，更适合于大容量、远距离架空线输电场景。从其直流故障下的等效电路（见图2）可以看出，由于高端LCC晶闸管的单向导电性，VSC换流器向直流故障点放电回路被阻断，故障切除后LCC和VSC换流器均可快速恢复至稳定运行状态[25]。
图2 直流线路故障时混合级联直流系统等效电路图
Fig.2 Equivalent circuit diagram of the hybrid cascaded DC system when the DC line fails
2.2.4 交流故障穿越特性
混合级联拓扑在交流系统严重故障时，将引发受端LCC换相失败、VSC功率输出受限，存在功率盈余问题，并导致VSC子模块的过压、过流，进而故障穿越失败。为解决该问题，建苏直流受端换流站配置了基于避雷器消能的大容量可控自恢复消能装置[26]，当VSC过压时即触发消能装置，抑制VSC的过压。为限制子模块过压和消能装置的能量，建苏直流工程设计时按以下原则考虑：
1）交流单相故障时依靠换流阀自身器件裕度穿越，不触发消能装置；
2）交流两相/三相故障、部分换流器停运时发生单相故障或其他严重故障时，允许触发消能装置协助直流穿越。
2.2.5 短路电流特性
VSC为电压源型换流器，其在交流侧可等效为一个交流电压源，如图3所示。因此交流系统故障时，存在向交流系统的短路电流馈入[27]。
图3 柔性直流换流器等效电路
Fig.3 Equivalent circuit of VSC-HVDC converter
交流系统故障后，VSC向交流系统馈入短路电流分为2个阶段：第1阶段，控制器未响应，短路电流快速增大；第2阶段，控制器响应后VSC通过调整其输出的交流电压幅值，将VSC的交流电流限制在外环控制器输出的电流参考值的限幅之内。为了限制VSC注入交流系统的短路电流水平，建苏直流工程中采取了无功电流低压限制策略，通过控制策略优化可有效确保投产年受端电网近区短路电流不超标。
3 混合级联直流技术对解决多直流馈入问题的作用分析
常规直流由于存在换相失败[21]问题，导致多回直流间以及直流与交流系统之间的相互作用，对电网安全稳定运行带来较大隐患。下面以建苏直流工程为例，从多馈入短路比、直流功率响应、换相失败特性、系统电压恢复特性等多个方面，综合分析混合级联直流对解决多直流馈入问题的作用。
3.1 多馈入短路比
短路比是通常用于评估直流与交流系统间强弱关系的经典指标。针对多直流馈入问题，行业内普遍采用多馈入短路比指标分析评估多回直流间的相互影响及交直流相对强弱关系，计算公式如下：
式中：KMSCRi是多馈入短路比；Sac是直流换流母线的短路容量；Pdeq是考虑其他直流回路影响后的等值直流功率；Zeqij是各直流换流母线看进去的等值节点阻抗矩阵Zeq的第i行、j列元素[28]。
投产年直流达满送功率后，华东各直流多馈入短路比计算结果详见表1。采用常规直流方案时，建苏直流受端换流站多馈入短路比较低，仅为2.28。锦苏直流多馈入短路比仅2.21，属于弱系统。而采用混合级联方案时，可保证受端最小多馈入直流短路比达2.7，属于强系统。相比较而言，混合级联方案下系统内各回直流的运行条件更好。
表1 建苏投产年满送时华东电网直流多馈入短路比
Table 1 Multi-infeed short-circuit ratio in East China Power Grid when Jiansu UHVDC runs at full capacity
直流技术方案建苏雁淮锡泰锦苏龙政常规直流2.28/2.933.183.41/3.342.214.68混合级联3.323.243.50/3.482.705.20
3.2 直流功率响应特性
常规直流方案下，在换流母线近区发生单相永久短路故障时（0.2 s），由于发生换相失败，直流功率传输中断，持续约200 ms左右，故障相线路两侧开关跳开后（0.3 s），在0.49 s左右直流传输功率恢复至额定值的90%。
混合级联直流方案下，在换流母线近区发生单相永久短路故障时（0.2 s），高端LCC部分由于换相失败功率传输中断，低端VSC部分传输的功率则基本不受影响。从直流功率响应特性曲线来看，故障发生后，直流功率最低跌落至3700 MW（跌幅约52%），持续约150 ms，故障相线路两侧开关跳开后（0.3 s），在0.47 s左右直流传输功率恢复至额定值的90%。建苏直流近区单相永久故障时直流功率曲线如图4所示。
图4 建苏直流近区单相永久故障直流有功响应特性
Fig.4 Active power response characteristics of Jiansu UHVDC with a single-phase permanent fault nearby
3.3 换相失败特性
在建苏直流工程可研论证阶段，对华东电网开展了详细的机电-电磁混合仿真建模（各跨区直流输电系统采用电磁暂态仿真建模，系统其余部分采用机电暂态建模），对全网各类型交流短路故障开展扫描计算，统计引起建苏直流换相失败的故障范围。根据计算结果，若采用常规直流技术，江苏电网范围内单相永久故障导致建苏直流换相失败、引发功率中断故障线路达69回。采用混合级联技术，直流仍可维持输送一定功率，引发换相失败故障线路降至28回，有效降低了换相失败风险范围。
另一方面，采用混合级联技术可有效降低多直流相互影响引发的邻近直流换相失败风险。根据计算，若采用常规直流技术，江苏电网范围内41回线路单相短路故障，可引发邻近的锦苏直流换相失败。而采用混合级联技术，引发锦苏直流换相失败的单相永久故障减少18回，可有效提升多馈入直流系统整体稳定运行水平。
3.4 系统电压恢复特性
在投产年采用某500 kV线路三相永久N-2故障比对各技术方案的故障后电压恢复特性（见图5），结果表明混合级联方案换流母线电压恢复特性较好（故障清除后0.1 s恢复到80%额定电压），常规直流方案较差（故障清除后0.17 s恢复到80%额定电压）。
图5 近区三相短路故障后的电压恢复特性
Fig.5 Voltage recovery characteristics after near-zone three-phase short-circuit fault
3.5 综合比较
从直流多馈入短路比、故障期间直流功率响应特性、故障后系统电压恢复特性、直流换相失败及受端系统稳定水平等多个方面对2类直流技术方案进行比较的结论来看，与常规直流技术相比，混合级联方案有助于提高受端电网直流多馈入短路比，有利于减少周边常规直流换相失败次数，有利于提高远期受端电网稳定水平。应用混合级联直流技术，可有效减少系统运行风险，提升受端安全稳定水平，最终为解决长三角地区直流多馈入问题创造良好条件。
4 混合级联直流技术对解决负荷中心受电问题的作用分析
如图6所示，苏州电网可分为北、中、南三部分，其中北部电网电力相对富裕，中南部电网在冬季水电直流枯期方式下电力相对紧缺。在建苏直流规划设计阶段，受端换流站充分考虑苏州电网的特点，围绕混合级联技术优势，首次创新提出了将多组VSC接入不同的500 kV电网区域，在跨区直流送电的同时实现500 kV电网间功率互济和转带的运行模式。
图6 苏州电网各区域供需格局及主干网结构图
Fig.6 Regional supply and demand relation and 500 kV grid structure diagram of Suzhou power grid
4.1 冬季枯水期VSC功率互济方式
建苏直流投产后，苏州南部电网将落入2回特高压直流，且均来自于西南水电基地。“十四五”冬季枯水期，2回区外直流（锦苏、建苏）送电功率降至30%左右，导致苏州南部受电压力较大。而苏州北部电网沿江电源较多，有一定电力盈余。另外，苏州电网通过某交流特高压站500 kV母线分段分为南北两片电网，受短路电流控制的要求，苏州北部电网和中南部电网间不具备交流合环的条件。
根据2.1节建苏直流拓扑，低端3个VSC形成并联结构，利用柔性直流功率灵活反转和动态调节的特性可实现VSC功率互济运行方式，最大方式下可从苏州北部抽取2000 MW盈余电力（张家港、常熟和太仓地区），并与西南水电混合打捆后集中送入苏州中南部负荷中心（苏州市区西部、南部及吴江地区），在不增加短路电流的情况下，枯水期可有效提高苏州南部负荷中心的供电能力。建苏直流功率互济方式示意图见图7。
图7 建苏直流多端功率互济示意图
Fig.7 Schematic diagram of DC power exchange among different terminal of Jiansu UHVDC
混合级联直流系统增加受端多个VSC间功率互济运行方式后，直流系统将不再仅仅是单一的跨区域送电通道，而进一步可为交流电网提供分区互联和构网功能，在直流具备运行裕度时为电网提供潮流控制功能，是充分发挥柔性直流灵活运行特性的应用典范。
4.2 夏季丰水期VSC功率转带方式
夏季丰水期，苏州南部电网2回特高压直流功率满送，在直流故障闭锁时，苏州南部电网的受电需求将主要转至对外交流联络线承担。
正常运行方式下低端3个VSC合计输送约4000 MW电力，若按平均功率分配运行，每个VSC输送1333 MW电力，其中VSC2和VSC3合计向苏州中南部电网送入2666 MW电力。当计划检修或各类交直流故障导致苏州南部电网出现功率缺额时，可通过3个VSC的功率转带，使VSC2和VSC3各按2000 MW额定功率满送，为苏州南部电网提供1333 MW额外电力支撑。该方式下，接入苏州北部电网的VSC1将转为热备用或STATCOM方式运行。
5 混合级联多端直流技术进一步发展和应用展望
5.1 大容量跨区直流多落点分散消纳
除了前文所述的直流多馈入、短路电流超标等问题外，江苏电网还存在着输电走廊资源稀缺的问题，限制了大容量跨区直流深入负荷热点地区，也制约了大容量区外电力的疏散消纳。未来新增的跨区直流输电工程需要面临更为困难的输电廊道规划问题。江苏电网负荷中心主要集中于长江南岸，未来继续通过传统架空线大跨越过江的难度极大，如何将区外清洁电力安全输送至苏南负荷中心成为不得不考虑的现实问题。
应用混合级联多端直流技术，可首先将区外清洁电力以±800 kV特高压输送至负荷中心外围，如长江以北的苏北、苏中地区作为第一落点，利用交流骨干网架疏散一半电力；剩余电力以±400 kV线路继续深入南下，利用交通桥隧或预留的电力管廊以敷设电缆形式过江，过江后分散落点至长三角腹地各负荷中心。
±400 kV直流电缆已具备较为成熟的实践经验，且直流电缆不存在容性电流和潮流均衡性问题，可充分发挥电缆载流能力，与新增交流电缆通道相比可更有效利用新增过江廊道能力。各类过江输电方式比较如表2所示。
表2 各类过江输电方式比较
Table 2 Comparison of different cross-river transmission methods
注：①投资估算中假设过江跨越距离为5.6 km，直流/交流电缆方案中暂未计列江底隧道建设成本；②投资估算中仅考虑线路成本，暂未考虑江南/江北换流站合建/分建投资差异；③受直流低端额定功率制约，3回±400 kV直流电缆输送能力按4000 MW考虑。
技术对比架空大跨越江底直流电缆江底交流电缆输电能力可匹配特高压不低于8000 MW级输电能力受制于设备和廊道散热条件，一般单回可输送约2000 MW电力存在电容充电效应和潮流均衡性问题，双回输送约1200 MW电力实施条件江苏东部长江中下游江面较宽，两岸厂房码头密布，已无其他预留大跨越点利用规划交通桥隧或专用电力管廊可新增过江电缆通道投资估算双回±800 kV输送8000 MW约38亿元3回±400 kV输送4000 MW约2.5亿元双回500 kV输送1200 MW约1.5亿元需同时铺设多回交流电缆过江，可能进一步存在短路电流限制其他方面特高压直流过江后输电廊道和换流站址选择仍极为困难直流电缆过江后可转为±400 kV架空线，输电廊道选择相对简单
基于混合级联技术，江北地区第一落点采用LCC换流器，对苏南负荷中心已投运直流影响较小；落点负荷中心的换流站则采用VSC换流器。该方案可充分发挥直流线路走廊利用率高、输送功率大的优点，节约过江廊道资源。另外，低端部分深入负荷中心的VSC采用小容量、多落点方式疏散电力，既可以有效解决直流多馈入的各类安全稳定问题，为受端电网提供动态无功支撑，又可以提升输电系统灵活性。
5.2 海上风电汇集送出
江苏海上风电开发条件优越，截至2023年底已并网海上风电11.83 GW。根据相关规划，未来仍有超过45 GW待开发规模，且以深远海为主。由于直流海缆经济性好、利用效率高，未来直流输电将成为深远海风电汇集外送的主要方式。
应用混合级联多端直流技术，可将多个海上风电场以低电压等级海缆汇集外送，登陆后级联接入陆上高端换流站，陆上换流站接入沿海交流电网或进一步汇集部分支撑性、调节性常规电源（如火电、水电）后，通过大容量架空直流输电线路一体化外送。该方案可有效归并多个海上风电陆上换流站，避免海上风电大规模接入后对沿海交流电网的影响，通过风火打捆等形式外送，可有效节约输电廊道资源，同时可有效节省海上风电登陆后逆变站投资。混合级联技术在未来江苏沿海清洁能源汇集外送场景下的应用及相应拓扑结构设想见图8。
图8 应用混合级联技术汇集外送海上风电拓扑示意图
Fig.8 Schematic topology diagram of hybrid cascaded DC applied for offshore wind power transmission
6 结论
本文阐述并分析了混合级联直流系统的接线方式、运行特性及技术优势。结合江苏电网应用背景及典型工程分析，混合级联技术有助于提高受端电网安全稳定水平，减少系统运行风险，在多直流馈入的受端负荷中心具有较好的系统特性和应用价值。混合级联拓扑的主要技术特性及优势包括：
1）直流功率响应特性较好，对于受端负荷中心具备较强的有功支撑能力。
2）可有效降低自身及周边常规直流换相失败风险，有利于改善多直流馈入系统运行特性。
3）基于柔性直流功率灵活反转和动态调节的特性，可实现多个VSC间功率互济和功率转带的运行模式。在不提升受端电网短路电流水平的基础上，可为受端负荷中心提供必要的功率支撑和潮流控制，有效提升供电安全水平。
结合江苏电网发展需求，本文对混合级联多端直流输电技术进一步发展和应用的场景进行了展望。一方面在未来跨区输电工程中，可继续应用混合级联技术，解决大容量区外电力疏散消纳问题，降低输电廊道规划难度；另一方面结合沿海清洁能源开发，应用混合级联技术可为海上风电高效汇集送出提供新的解决方案。
综合全文分析研究结论，混合级联直流输电技术整合了常规直流和柔性直流输电各自的优势，可有效解决受端直流多馈入问题，有利于受端负荷中心受电能力提升。通过规划和运行层面的进一步优化，可有效提升输电系统灵活性，提高经济发达地区输电走廊和站址资源利用效率，是未来电网发展的重要技术选择。
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基金项目
作者简介
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王之伟
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郑建华
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万振东
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程亮
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史大军
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虞瑄