高压直流输电：从LCC到VSC的革新与优势

高压直流输电（HVDC）是一种高效、远距离电能传输技术，随着工业化进程的加速，解决交流输电中功率损失和效率低下的问题变得尤为重要。早期的HVDC技术主要依赖于晶闸管（Thyristor）作为换流器件，如LCC-HVDC（Line Commutated Converter HVDC），这种技术受限于晶闸管的非自关断特性，需要坚强的有源电网支持，并且存在较高的谐波含量，需要额外的无功补偿和滤波设备。换流器的工作模式是相控，潮流翻转时需要调整直流电压极性。 然而，第三代半导体器件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的出现，为HVDC技术带来了革新。IGBT是电压触发型全控开关，具有良好的自开通和关断性能，以及更高的开关频率，使得基于电压源型换流器（VSC-HVDC，如MMC-HVDC）的设计成为可能。VSC-HVDC相较于LCC-HVDC具有显著优势，如独立控制有功和无功功率、适应无源负荷、简单的潮流翻转策略、强大的黑启动能力以及不增加交流系统的短路功率。 VSC-HVDC的核心结构包括两个交流系统通过换流站连接直流线路，变压器通常采用YD连接来隔离零序电流。其中，模块化多电平换流器（MMC）是HVDC领域的最优拓扑，它降低了谐波、减少了滤波需求，甚至有时可省去滤波器。然而，MMC技术也面临挑战，如相间环流管理和电容电压均衡，这对于实际装置设计提出了更高要求。 单端MMC的基本结构包含半桥电路，由功率开关管、功率二极管和储能电容组成。在交流系统输入的复功率分析中，通过相角差来确定输入的有功和无功功率，相角差为正则输入有功为正，反之则为负。在理想情况下，忽略损耗和谐波，可以通过计算得到换流器在稳态运行下的有功功率和无功功率特性。 高压直流输电技术的发展历经从晶闸管到IGBT的飞跃，尤其是VSC-HVDC的出现，极大地提升了输电效率和灵活性，但同时也伴随着新的技术挑战和优化需求。随着科技的进步，HVDC将在未来继续发挥关键作用，尤其是在清洁能源并网、分布式能源系统和偏远地区供电等领域。