1.2 直流組網(wǎng)裝備面臨的問(wèn)題

構(gòu)成直流電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備包括：①換流器；②直流變壓器（DC transformer，DCT）；③直流潮流控制器（power flow controller, PFC）；④故障限流器（fault current limiter, FCL）；⑤直流斷路器（DC circuit breaker, DCCB）。高壓、大功率是上述設(shè)備的基本要求，由此帶來(lái)了成本、體積越發(fā)難以接受的問(wèn)題，而直流故障的清除難題進(jìn)一步加劇了上述矛盾。一方面，常規(guī)的半橋子模塊（half-bridge sub-module, HBSM）型MMC（簡(jiǎn)稱(chēng)半橋MMC）故障放電速度快，不具備直流故障清除能力，在故障后幾毫秒內(nèi)就會(huì)達(dá)到器件過(guò)電流能力上限。由此，直流故障清除技術(shù)通常需要在數(shù)毫秒內(nèi)切斷萬(wàn)安級(jí)的故障電流，并吸收百兆焦的故障能量，對(duì)工程設(shè)計(jì)造成極大挑戰(zhàn)。另一方面，上述設(shè)備的半導(dǎo)體器件電氣特性較為脆弱，在面對(duì)極端的故障工況下極易損壞，因此直流故障清除技術(shù)成為確保直流系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵核心技術(shù)，相應(yīng)的投資成為設(shè)備成本的重要組成部分。

為解決上述問(wèn)題，瑞士ABB公司在2012年提出了混合式直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)，我國(guó)先后通過(guò)舟山（2016）、南澳（2017）和張北（2020）工程驗(yàn)證了多種更低成本、更高性能的直流斷路器技術(shù)。2016年，我國(guó)提出了半橋子模塊和全橋子模塊（full-bridge sub-module, FBSM）混合型MMC（簡(jiǎn)稱(chēng)半全混合MMC）故障穿越方案，通過(guò)交直流側(cè)控制解耦實(shí)現(xiàn)了換流站主導(dǎo)的直流故障清除策略，并成功應(yīng)用于昆柳龍工程（2020），成為該領(lǐng)域的另一條主流技術(shù)路線。從原理上看，直流故障電流的增長(zhǎng)遵循歐姆定律，兩種方案分別可以歸納為降壓/增阻方案，即通過(guò)降低電源電壓或增大故障回路電阻發(fā)揮作用，具體如下：

1）半橋MMC+直流斷路器方案。如圖1-1a所示，半橋MMC本身不具備直流故障清除能力，需要配置直流斷路器。而斷路器中的避雷器（MOA）本質(zhì)上是一個(gè)壓敏電阻，經(jīng)過(guò)換路過(guò)程投入后即可增大線路電阻，實(shí)現(xiàn)耗能和隔離。

2）半全混合MMC方案。當(dāng)采用半全混合MMC時(shí)，換流站結(jié)構(gòu)如圖1-1b所示。通過(guò)充分利用全橋子模塊具備的負(fù)電平輸出能力，可以實(shí)現(xiàn)換流站出口電壓在零電位附近運(yùn)行，由此阻斷故障源和接地點(diǎn)的電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)故障隔離。

然而，成本問(wèn)題是制約現(xiàn)有直流故障清除方案進(jìn)一步推廣的關(guān)鍵痛點(diǎn)。在投資成本方面，以±500kV張北工程為例，單臺(tái)500kV直流斷路器采購(gòu)價(jià)為7000萬(wàn)～8000萬(wàn)元，每一極配置兩臺(tái)斷路器后的總成本達(dá)到約1.5億元。對(duì)±800kV昆柳龍工程而言，每個(gè)閥中有70%的子模塊被替換為全橋，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）需求由半橋換流站的10368支增長(zhǎng)到17682支（高低閥的每個(gè)橋臂各有216個(gè)子模塊），總成本增加約2.2億元。在運(yùn)行損耗方面，直流斷路器因?yàn)椴捎昧嘶旌鲜酵髦罚?fù)載開(kāi)關(guān)中的IGBT數(shù)量較少，附加損耗較低。子模塊混合型MMC因?yàn)樽幽K中半導(dǎo)體數(shù)量增多，通態(tài)損耗為半橋MMC+斷路器方案的1.3倍以上，額外增加了運(yùn)行成本。

圖1-1 兩種主要的直流故障清除方法

a）半橋MMC+直流斷路器方案 b）半全混合MMC方案

圖1-2所示為魯西工程俯瞰圖，由圖可知，相同容量換流站，MMC造價(jià)與占地面積都高于傳統(tǒng)直流輸電。圖1-3所示為現(xiàn)有工程中規(guī)模化應(yīng)用的直流斷路器結(jié)構(gòu)圖，整體體積大，價(jià)格昂貴。

圖1-2 魯西工程俯瞰圖

圖1-3 直流斷路器結(jié)構(gòu)圖