柔性低频输电技术拓扑结构介绍

低频交流输电技术（Low Frequency AC Transmission Technology，LFAC）借助交交变频器将工频电能降至低频后进行传输，或是由风机、水轮机组等直接发出低频电能经升压后进行传输。LFAC一方面大大减小了线路电抗与充电无功，显著提升线路输送容量；另一方面仍具备交流易组网、故障易开断的优势。

▲LFAC基本原理

早期的变频方案主要有以倍频变压器为代表的铁磁旋转变频方式以及基于半控型晶闸管的相控交交变频器等，结构简单、造价较低，主要在德国、美国电气化铁路以及变频电机的驱动中有所应用，但存在效率低、谐波大、动态性能差等诸多问题。

▲倍频变压器

▲晶闸管周波变换器

随着电力电子技术的快速发展，基于全控型电力电子器件的柔性LFAC凭借在典型应用场景下的技术经济优势，再次回到大众视野，为新能源送出等场合提供了另一种选择，有望成为高压交、直流输电技术外的重要补充。工程应用中可根据实际情况和系统优化技术灵活选择0~50Hz合适频率。目前国内工程一般选取低频频率为20Hz。

交交变频器拓扑是柔性LFAC系统的关键，主要用于实现低频和工频的变换。在上百千伏的输电电压等级换流站中，模块化多电平结构被广泛认为是最为安全、高效、可靠的技术方案。

当前基于这一技术的主流变频方案有以下几种：

（1）背靠背双端模块化多电平交交变频器（Back-to-Back Modular Multilevel Converter，BTB-MMC）；

（2）模块化多电平矩阵变换（Modular Multilevel Matrix Converter，M3C）；

（3）基于二极管整流单元的模块化多电平换流器（Diode Rectifier Unit-Modular Multilevel Converter，DRU-MMC）。

BTB-MMC型交交变频器由两组MMC换流器在直流侧连接构成。两侧的MMC换流器各由6个桥臂构成，每个桥臂由N个半桥结构功率模块级联构成，桥臂中均串联一个桥臂电抗器，整个变频器由12个桥臂构成。

▲典型BTB-MMC柔性 交交变频器结构

这种拓扑中换频器的工频侧和低频侧天然解耦，控制结构简单，技术成熟，能够通过增减接入换流器的功率模块数量来满足不同功率和电压等级的要求。该拓扑在粤港澳大湾区直流背靠背、鲁西直流背靠背和渝鄂直流背靠背等工程均有应用，有较丰富的工程设计经验。

由于这种拓扑将变频过程分为整流和逆变两个环节，整体换流效率有所降低。并且换频器由两个MMC构成，桥臂和功率器件数量多，低频侧电容容值大，整体经济性有所降低。此外，低频运行将导致功率模块电容充、放电时间变长，电压波动加剧，以及桥臂环流增大，功率模块损耗与桥臂应力增大等问题 。

M3C变频器主电路拓扑，9 个全桥功率模块级联桥臂对称分布于输入侧交流系统三相（a、b、c）与输出侧交流系统三相（u、v、w）之间，每个桥臂均由1个桥臂电抗器L以及若干个全桥子模块串联而成。

▲M3C变频器拓扑结构

M3C变频器具有低能量存储、高功率密度和多电平输出波形的特点，能够独立控制交流侧的有功和无功功率，具有黑启动能力，其子模块的电容电压纹波更小。由于省去了中间直流环节，换流效率高。桥臂支路内部功率交换可解决低频工况下电容能量波动大的问题，交流侧具有较强的故障穿越能力。目前国网台州35kV柔性低频输电示范工程和杭州220kV柔性低频输电示范工程均应用该拓扑。

由于具有9个桥臂，M3C变频器仍面临所需的子模块数量较多、系统控制逻辑复杂等问题，系统结构和控制策略仍有进一步优化的空间。单侧M3C变频器的模块数量及规模大于相同容量柔直换流站，对变频站整体投资有一定影响。

针对M3C变频拓扑的优化，有学者提出了Hexveter（六边形变频器拓扑）。Hexveter可以看作是M3C每相断开一个桥臂，采用剩余6个桥臂运行，使得一侧系统中的每一相只与另一侧系统中的两相相连接。Hexveter相比M3C减少了1/3的桥臂数量，可以降低设备体积和造价。

然而Hexverter的控制难度更大，且不具备桥臂故障穿越能力，一定程度上限制了此新型交交变频器在实际工程中的应用，但其相关的研究对于M3C的故障运行状态具有较大的参考价值。

▲Hexverter变频拓扑

DRU-MMC这种结构相当于将BTB-MMC拓扑的一侧换流器由MMC替换为DRU，可以充分发挥MMC成熟的技术优势和DRU体积小、占地少、造价低的成本优势，构建高效、低成本的LFAC方案。

由于DRU缺乏无源运行能力，DRU侧需要电压支撑，在中远海风电送出场景下可应用该技术构建“构网型风机+DRU-MMC变频器”汇集送出方案。构网型风机具备弱电网甚至无源电网接入能力，提供主动电压/频率支撑。但构网型风机和变流器的设计和控制较为复杂，目前这种变频拓扑仍处于研究阶段，尚无工程实践。

▲基于“构网型风机+DRU-MMC型交交换流器”的中远海风电低频送出方案

能源变革的持续深入、电力系统形态的深刻演变，为柔性LFAC技术的应用提供了新的土壤。国内外专家学者普遍认为柔性LFAC技术在中远距离海上风电送出、陆上新能源发电汇集与送出、大容量中远距离输电、大型城市异步互联扩容/改造和多岛屿互联供电等场合具有技术经济优势。

目前，国内的LFAC工程主要有国网台州35kV柔性低频输电示范工程、国网杭州220kV柔性低频输电示范工程、广东电网珠海桂山岛10kV柔性低频改造项目和海上风电柔性低频输电系统动模实验平台。

总结

柔性LFAC技术兼具工频交流输电技术和柔性直流输电技术的部分优势，能够一定程度上提升电网输送容量和柔性调控能力，是一种新型高效的交流输电技术。

变频器拓扑作为柔性LFAC系统的关键，对系统运行性能和经济性有重要影响。文中三种典型拓扑方案的网侧性能相仿，均能满足柔性LFAC系统对换流站的技术要求，其中M3C和DRU-MMC方案经济性较好，当前业界认为此两种技术方案均具备一定的工程应用前景。

随着系统结构的完善、设备效率的提升、控制策略的优化，柔性低频交流输电的优势将不断凸显，加上能源革命的持续推进和能源结构的不断完善，柔性低频交流输电将得到更快的发展。