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柔性直流输电（VSCHVDC，VoltageSourceConverterbasedHighVoltageDirectCurrent）是一种基于电压源换流器的高压直流输电技术，是现代电力系统中实现远距离大容量输电、异步电网互联和可再生能源并网的重要技术手段。

与传统直流输电相比，柔性直流采用全控型电力电子器件（如IGBT），能够自主控制有功和无功功率，具备响应速度快、控制灵活、无需外部电源支撑等优点。该技术适用于风电、光伏等间歇性新能源的大规模接入，也广泛应用于城市配电网升级、海岛供电、跨区域联网等领域。

随着电力电子技术和控制理论的发展，柔性直流输电正朝着更高电压等级、更大输送容量和更智能化方向发展，已成为构建新型电力系统和实现“双碳”目标的重要支撑技术。

自1954年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至Gotland岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞 弧阀到晶闸管阀的变革。然而，由于晶闸管阀关断不可控，使目前广泛采用的基 于晶闸管的电流源型高压直流输电技术具有以下固有缺陷：①只能工作在有源逆 变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；②换流 器产生的谐波次数低、容量大；③换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤 波和无功补偿装置；④换流站占地面积大、投资大。因此，基于晶闸管的电流源 型直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等 领域。 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生 清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不 断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技 术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无 源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用 电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理 规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配 电网转入地下。因此，追切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上 问题。

随着电力电子器件和控制技术的发展，换流站采用IGBT、IGCT等元件构成电 压源型换流站（Voltage SourceConverter，VSC）来进行直流输电成为可能。自 上世纪九十年代后期，以ABB公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电（HVDC Light）技术游泳跳水馆工程地上主体结构施工方案，并成功应用于多个领域。这种直流输电技术是采用基于可关断型器 件的电压源型换流器和PWM技术进行直流输电。从其技术特点和实际工程的运行 来看，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。 因此，根据国家中长期科技发展规划和“十一五”发展规划纲要，发展直流 输电技术，建设新一代直流输电联网工程，促进大规模风力发电场的并网，城市 供电和孤岛供电等新技术的发展，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高 效利用，增强自主创新能力，符合我国国情和我国的经济发展规律，符合市场需 求，符合电力工业发展规律和电网技术发展方向

2柔性直流输电的系统结构和基本原理

图1为柔性直流输电系统单线原理图，两端的换流站均采用VSC结构，它由换 流站、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。下面就 各组成部分的结构和作用作一简单介绍

图1柔性直流输电单线原理图

电压源型换流器VSC：电压源型换流器的桥臂是由大功率的可控关断型电力 电子器件（如IGBT、IGCT）和反并联二极管组成。随着大功率电力电子器件的发 展，目前IGBT的耐受电压达到6.5kV、通断电流最大达到3kA，IGCT目前能承受 的断态重复峰值电压达到6kV，最大可控关断电流达3~6kA。目前，拥有柔性直流 输电系统商业化运行实际工程业绩的，世界上只有ABB公司。在这些工程中，主 要采用三相二电平和三相三电平两种换流器拓扑结构（如表1所示)。两电平换流 器是用于轻型直流输电系统中最简单的换流器拓扑结构，如图2(a)所示。它有六 个桥臂，每个桥臂由IGBT和与之反并联的二极管组成。图2(b)所示为中点钳位型 三电平换流器拓扑结构。在高压大功率情况下，为提高换流器容量和系统的电压 等级，每个桥臂由多个IGBT及其相并联的二极管相互串联来获得，其串联的个数 由换流器的额定功率、电压等级和电力电子开关器件的通电能力与耐压强度决定，

（a）两电平拓扑结构

(b)三电平拓扑结构

图2典型电压源型换流器拓扑结构

变压器T：变压器可以采用常规的单相或三相变压器。通常，为了使换流站能 够达到最大的有功功功率和无功功率，变压器的二次侧绕组带有分接头开关。通 过调节分接头来调节二次侧的基准电压，进而获得最大的有功和无功输送能力。 另外，变压器连接交流系统侧的绕组（一次侧）一般采用星形接法，而靠近换流 器侧的绕组（二次侧）则采用三角形接法。变压器绕组中基本不含谐波电流分量 和直流电流分量；而且这种变压器接法能够防止由调制模式引起的零序分量向交 流系统传递。此外，为了向换流站提供辅助交流电源，变压器还可以采用三绕组 变压器。除了上述特点外，换流变压器的另一个重要作用是将系统交流电压变换 到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，以 减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。 换流电抗器L：在电压源换流站中，对应每一相分别安装一个换流电抗器。换 流电抗器是电压源换流站的一个关键部分，它是VSC与交流系统之间传输功率的 纽带，它决定换流器的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时，换流 电抗器能抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波 电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。因此，对换流电抗器的

参数必须进行优化设计。 直流侧电容器C：直流侧电容是VSC的直流侧储能元件，它可以缓冲桥臂开断 的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。同时，直流侧 电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。 交流滤波器：与基于晶阐管的传统直流输电系统不同，电压源型直流输电系 统采用PWM技术。因此，换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流 中含有的低次谐波很少，又由于换流电抗器对输出电流具有滤波作用，使得电流 的谐波能较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电 压中还含有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准 因此，通常要在换流母线处安装适当数量的交流滤波器(接地或不接地)，其结构 如图3所示。当然，交流滤波器的容量和参数选择与换流器所采用的拓扑结构、 开关频率及其调制方式等因素有关。因此，在选择交流滤波器参数时，要视上述 具体情况而定。

输电电缆：为了减少输电线路故障，在柔性直流输电系统中通常采用电缆为 输电线路。由ABB公司研制的输电电缆是采用新型的三层聚合材料挤压的单极性电 缆（图4所示），它由导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层同时挤压成绝缘层； 中间导体一般为铝材单芯导体，它不同于传统纸或者油绝缘电缆，这种新型电缆 具有高强度、环保和方便掩理等特点，适合用于深海等恶劣环境。另外，这种新 型电缆重量轻、传输功率密度大，对于一对95mm的铝电缆在直流电压为100kV时 能够传输30MW的功率，其重量为1kg/m，绝缘厚度为5.5mm，可以方便地掩埋入地 中

图4ABB公司的直流输电电缆

图5VSC单相示意图

正弦脉宽调制原理及输上

进一步分析可知【安徽省】《城市规划管理暂行办法》（2006年），在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交 流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为：

式中：U为换流器输出电压的基波分量；U为交流母线电压基波分量；8为U和 U之间的相角差；X为换流电抗器的电抗。 由式（1）和式（2）可以得到图7所示的换流器稳态运行时的基波相量图 由图可知，有功功率的传输主要取决于8，无功功率的传输主要取决于U。因此通 过对的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制V就可 以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转 动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节， 实现四象限运行。

3国内外研究与应用现状

随着1997年第一条柔性直流输电工程的出现，世界范围内关于柔性直流输电 的研究一直处于十分活跃的状态。目前，国际上关于柔性直流输电的研究，无论

自1997年第一条柔性直流输电工程投入工业试验运行以来，至今已有多个柔 性直流输电工程投入商业运行。这些柔性直流输电工程全部由ABB公司制造，主 要应用于风力发电、电力交易、电网互联、海上钻井平台供电等领域。表2列出 了这些投运工程的主要技术指标和应用领域。

图8哥特 兰岛柔性直流输电工程单线图

图9Tjaereborg工程单线图

图10澳大利亚DirectLink工程

20200723绿色施工方案生直流输电的技术特点及其应用领域