柔性低频交流输电技术研究综述

知识点：柔性交流输电

0 引言

LFAC（低频输电）技术[1]，也被称作FFTS（分频输电技术）[2]，通过交交变频装置将50 Hz 工频电力降低为非工频进行传输，或是由可再生能源直接发出低频电力进行输送，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；另一方面仍可沿用交流变压器与断路器技术，具备交流易实现电压等级变化、故障易开断、易于组网的优势。LFAC 是一种结合了直流输电与常规交流输电共同优势的新型输电技术。

针对低频输电的工/低频交交变频方案，国内外学者已提出了较多的技术路线，包括三倍频变压器[3]和同步变频机[4]等早期的铁磁、旋转变频方式，以及基于半控型晶闸管的相控交交变频器[5]、周波变换器[6]、矩阵型变换器[7]等。上述变频方式结构简单，造价较低，可靠性较高，然而铁磁型变频器的效率低且谐波较大，基于半控型晶闸管的交交变频器存在谐波大、动态响应慢、故障穿越能力较差、需要无功补偿装置和大量的滤波装置以及换相失败等问题[8]。

随着可关断电力电子器件的逐渐成熟和广泛应用，以基于全控型电力电子器件的柔性交交变频器为核心部件，以脉宽调制为理论基础的新一代低频输电技术——柔性低频交流输电随之出现。而能源变革的持续深入，电力系统形态的深刻演变，则为柔性低频技术的应用提供了新的土壤。国内外学者在柔性低频输电的典型应用场景、关键设备、控制策略等领域开展了积极研究，凭借其兼顾交直流输电的优势，柔性低频输电技术被认为在远距离大容量输电、海上风电送出、海岛电网互联、城市电网等典型场景下较工频交流和柔性直流更具备技术经济优势[9-14]。

柔性低频输电关键技术研究和关键设备开发还处于初级阶段，亟需对低频输电的应用场景、装置开发、运行控制等方面进行深入研究。本文针对低频输电的技术特点、应用场景及发展历程进行梳理总结，详细介绍了柔性低频输电的关键设备与关键技术，对柔性低频输电技术发展趋势进行了展望。

1 柔性低频输电基本原理及系统结构

1.1 柔性低频输电基本原理

典型的柔性低频输电技术原理如图1 所示，通过柔性交交变频站将工频电力转换为低频传输，或是由可再生能源直接发出低频电力进行传输（通常为50/3 Hz），从而实现降低线路电抗、提升输电距离与传输容量的目的。

图1 柔性低频输电原理

假设输电频率由50 Hz 降低为50/3 Hz，且忽略线路电阻，根据式（1）、式（2）所示的线路静稳极限功率和电压降落公式，由于线路的电抗降低为工频的1/3，理论上静稳极限功率将增大3倍，电压波动也相应减小。

式中：Pmax 为线路静稳极限功率，代表线路在保证小干扰稳定下能传输的极限功率；X 为线路电抗，与输电频率成正比；U 为线电压；ΔU 为线路压降；Q 为线路无功功率。

然而，对于实际线路尤其是电缆，输送容量主要受到充电功率限制，根据式（3）、式（4），降低频率理论上将减少2/3 的充电无功功率，释放大量线路容量用于有功传输。

式中：Qc 为电缆充电无功功率；C 为电缆电容；l为电缆距离；SN 为视在功率；PR 为最大有功传输容量。

1.2 柔性低频输电系统关键设备结构

根据图1 所示，其系统结构包括柔性交交变频器、低频变压器、低频断路器及低频电缆。

1.2.1 柔性交交变频器

基于大容量可关断型器件的柔性交交变频器是实现电能工/低频转换的核心装置。两电平、三电平变频器器件耐压能力与功率不足，开关器件直接串联难以实现触发一致与完全均压，不能满足高压大容量柔性低频输电需求。自2001 年德国学者R.Marquardt 提出模块化多电平拓扑之后[15]，BTB-MMC 结构的交交变频器受到了广泛关注与研究，BTB-MMC 通过子模块级联大幅提高了电压等级，波形输出更为平滑，开关频率的降低使得损耗减小[16]，用于柔性低频输电的BTB-MMC如图2 所示[17]。然而低频运行将导致BTB-MMC子模块电容充、放电时间变长，电压波动加剧[18]，需要采取注入桥臂共模电流等方法平抑电压波动，BTB-MMC 在低频工况下还面临桥臂环流增大，子模块损耗与桥臂应力增大等问题[19]。

图2 典型BTB-MMC 柔性交交变频器结构

M3C 柔性交交变频器是近年来的研究热点，具有低能量存储、高功率密度和多电平输出波形的特点[20]，其相比BTB-MMC 的优势主要体现在：省去中间直流环节；AC/AC 直接变换比BTBMMC 节省1/4 的桥臂数量；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。但是，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，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，影响变频站整体投资。M3C 柔性交交变频器结构如图3所示。

图3 M3C 柔性交交变频器结构

针对M3C 变频器拓扑的优化，有研究提出了Hexveter（六边形变频器拓扑）[21]、Y 形变频器[22]等拓扑。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，相比M3C 减少了1/3 的桥臂数量，大大降低设备体积和造价。此外也有研究提出了一种九边形变频器拓扑[23]，可实现多个风电场集群的多端低频互联。Hexveter 与九边形变频器拓扑结构如图4 所示。

图4 Hexveter 与九边形变频器拓扑结构

现有的模块化多电平柔性交交变频器已经具备实现大容量低频输电的基础条件，但是仍需要在拓扑结构、控制策略等方面进行优化，以提高变频站建设、运行的经济性。

1.2.2 低频变压器

柔性低频输电本质上仍然属于交流输电，可通过交流变压器对电压等级进行调整。变压器的感应电动势如式（5）所示[12]：

式中：f 为频率；N 为变压器绕组匝数；Bsat 为磁通密度；Acore 为铁心截面积。

根据式（5），在维持变压器感应电动势与磁通密度不变的前提下，变压器的匝数和铁心截面积与频率成反比，意味着当变压器运行在低频工况时，为了避免磁饱和，变压器匝数与铁心截面积比在工频时要增大[12]，造成低频变压器的体积、重量、造价上升[24]。在低频变压器损耗方面，由于频率的降低，变压器的磁滞效应、涡流效应以及线圈的趋肤效应都将弱化，单位体积的铁损和单位长度铜损都将降低[25]。但另一方面，频率降低，绕组电抗减小，可能导致低频变压器空载电流增大和短路电压降低，造成电压电流波形失真、容量降低以及动稳定能力下降。

综上，低频变压器可通过对现有工频变压器的铁心、绕组进行改造得到，但是低频变压器的稳态、暂态运行特性尚不明确，有待进一步试验研究。

1.2.3 低频断路器

低频输电可采用交流断路器利用电流过零点断开电弧，但是工频断路器在低频工况运行时，面临燃弧时间变长、电弧能量增大[26]等问题，可能造成开断能力下降、触头过热烧损，甚至可能导致断路器击穿和开断失败[27]。文献[27]研究了12 kV 真空断路器在不同频率下的短路电流开断能力，计算与实验结果表明，10 Hz 左右断路器的开断能力仅为工频的一半左右。文献[28]提出了一种具备选相分闸功能的低频断路器，控制断路器每相触头在指定相角打开，提升动作机构和触头的精确性，能有效降低电流频率对断路器开断能力的影响。文献[29]则提出了一种具有长时间气吹能力的低频断路器，以满足长时间燃弧情况下的分断要求。文献[30]指出频率降低能在一定程度上减少断路器稳态运行温升、涡流损耗。

低频输电所需的低频断路器，可以使用开断能力更高的工频交流断路器代替，但需要对常规工频交流断路器的低频运行性能进行全面的试验研究与分析。

1.2.4 低频线路

低频输电在典型场景通常采用XLPE（交联聚乙烯电缆）。XLPE 应用于高压直流输电仍存在空间电荷积聚、电缆接头局部放电等技术瓶颈[31]。而现有的研究认为既有XLPE 线路可直接用于低频输电，不需新建。

在线路绝缘方面，XLPE 运行在低频工况时不存在空间电荷积聚[32]，有利于线路绝缘。现有线路交流耐压试验和局部放电试验[33]表明频率变化对正常电缆的绝缘并无明显影响。在线路稳定性方面，文献[34]研究指出较短的低频电缆相比长电缆更易受电流控制带宽与电容的谐波不稳定影响。文献[35]则指出低频线路相比工频具有更高的稳定裕度。文献[36]通过仿真研究了低频线路电压稳定性，结果表明线路运行在低频工况时具有更强的鲁棒性。在线路保护方面，文献[27]指出低频线路阻抗降低有利于阶梯式线路保护的配置，但另一方面，阻抗降低也导致低频线路故障电流显著大于工频线路。

根据现有研究，常规交流线路可直接用于低频输电。除提升线路容量和降低损耗外，低频输电相比直流对电缆绝缘寿命影响小，较工频有更高的电压稳定性与鲁棒性，传统交流线路保护配置方案仍可沿用，但需针对低频环境重新整定。

2 柔性低频输电技术特点

2.1 柔性低频输电技术的优势

1）相比工频交流提升电能输送能力。

在提升输电容量层面，柔性低频输电减少了线路充电无功，释放线路有功容量，同时可提升电缆热极限，相对工频交流提升约1.1 倍最大载流量[11]；在减少电压损耗层面，频率降低减少了线路末端电压波动，同时还能减弱电缆的集肤效应和邻近效应，降低线路的交流电阻，从而降低电压损耗，总损耗相比工频减少约8%[13]。相比工频交流，低频输电可用更小截面积和回数的线路实现相同功率的传输，大大降低线路投资。

2）相比柔性直流易实现组网运行。

直流变压器与直流断路器目前技术尚不成熟，价格高昂，而低频输电本质上仍属于交流输电，一方面可采用变压器进行灵活调压，另一方面可使用交流断路器并借鉴常规交流保护配置方案进行组网[37]。在构成多端多电压等级系统时，可显著降低直流变压器、直流断路器的成本，220 kV低频交流断路器造价约为相同规格直流断路器的1/10。通过柔性低频输电构造多端互联系统，可实现多分区功率互济、潮流控制、无功支援，且不增加系统短路电流。

3）低频发电机组送端无需建设变频站。

常用的直驱风机可通过机端全功率换流器直接输出任意频率低频电力，而双馈风机通过降低齿轮箱变速比实现低频输出，水轮机则只需减少极对数，不会对机组造价及效率造成显著影响[2]。采用柔性低频输电技术路线，当机组直接输出低频电能时，送端不再需要建设换流站，只需通过低频升压站直接提升电压等级。相比柔性直流输电，尤其是在海上风电应用场景下，柔性低频输电能省去海上换流站建设、运维成本，同时减少多步换流损耗。现有研究显示，柔性低频输电用于400 MW 海上风电场送出的经济区间为100～300 km[10]，以如东1 100 MW 海上风电为例，采用柔性低频输电方案预计将节约工程一次投资7.4 亿元。

4）提升供电可靠性。

柔性低频输电无海上换流站，较柔性直流输电可减少检修维护时间，交交变频器在故障和检修时，可以通过变频器旁路开关转带负荷改常规工频运行，一方面能够保障重要负荷的供电可靠性，另一方面有助于提高风电利用小时数。此外，低频交流电缆无空间电荷积聚现象，能够进一步提升线路供电可靠性[32]。

2.2 柔性低频输电不足之处

1）柔性低频输电仍属于交流输电范畴，相比工频虽大幅提升了输电能力，但仍不及柔性直流，后者已接近线路的热极限，线路总体投资的经济性在一定区间内具有优势。

2）为避免铁磁设备低频饱和，柔性低频输电所采用的低频变压器、电抗器、互感器体积和重量均大于工频交流，将影响升压站和海上升压平台的造价。

3）现有的柔性交交变频站单侧所需的子模块数量、占地面积、投资成本相对柔性直流单侧换流站都更大，相应的桥臂结构以及控制策略都更为复杂。

4）直驱风机可通过修改控制策略实现低频输出，改造相对简单，而双馈风机需改造齿轮箱机械结构。此外风机变压器与滤波器体积的增大，可能面临重新布置，风机内还需加装工/低频变频器以满足厂用电需求。

3 国内外研究与应用现状

3.1 技术发展历程

低频输电技术发展经历了3 个阶段，分别是：通过倍频变压器、同步变频机等铁磁、旋转设备实现频率变换，基于半控型器件晶闸管构成周波变换器实现频率变换，基于全控电力电子器件的新一代柔性低频输电技术。

第一代低频输电技术的同步变频机在德国、美国的电气化铁路中应用已近百年。20 世纪初期，受制于串励电机的转子火花以及工频涡流损耗等问题，部分国家构建了铁路供电专用16.7 Hz或25 Hz 电力系统[38]。同时期，美国纽约州受大量重工业串励电机限制，也采用了25 Hz 频率，通过若干同步变频机与60 Hz 主网互联[4]。

第二代基于半控型器件的交交变频器广泛应用于变频电机的驱动领域，在德国铁路电网中也曾有极少量基于汞弧阀和晶闸管的50 Hz/16.7 Hz静止变频所，但都是基于单相铁路供电的拓扑[39]。

伴随着电力电子新技术的高速发展、第三代柔性低频输电技术的提出，使得高压、大容量、远距离低频输电具备了技术可行性。而电力系统形态的深刻演变，新的应用场景层出不穷，低频输电凭借着在典型场景下的技术经济优势，引发了广泛关注。

3.2 柔性低频输电典型场景研究应用

3.2.1 远距离大容量输电

针对偏远地区水电、风电的外送，王锡凡院士在1994 年提出基于倍频变压器的远距离大容量分频输电系统[2]，文献[40]首次开展了基于倍频变压器的低频输电动模试验并验证了该项技术的有效性。随着半控型电力电子器件的成熟，也有学者开展了基于相控交交变频器[41]、周波变换器[42]以及矩阵变频器[43]的远距离大容量低频输电研究。

在全控型器件方面，文献[14]提出了基于GTO的两电平低频输电系统。文献[44]建立了基于M3C变频器的小规模动模试验系统并实现了20 Hz 和5 Hz 的频率转换，验证了全控型M3C 的有效性。文献[45]提出通过基于M3C 的柔性低频输电向远距离电网、孤岛送电，并提供惯性与频率支撑。文献[46]提出利用M3C 构成多端低频电网，并通过虚拟同步机控制策略维持各端同步与频率稳定。

3.2.2 海上风电经低频并网

低频输电应用于海上风电送出时可避免建设海上换流站，被认为是该项技术最具潜力的应用场景。文献[47]于2008 年首次提出一种基于相控交交变频器的风电分频送出系统。文献[6-7，48]分别提出了基于周波变换器、6 脉波晶闸管变频器和强迫换向矩阵式变频器的海上风电低频送出方案。文献[10，13]针对常规交流、柔性直流、低频输电3 种海上风电送出方案（见图5）进行了技术经济比较。相比柔性直流输电，低频输电能省去海上换流站的建设费用，但是线路、海上升压站和变频站单站投资相对较高，文献[5]在动模实验室设计了低频风电经过12 脉波相控交交变频器并网的系统，并向系统成功输送20 kW 有功功率，验证了风电经低频送出技术路线的可行性。在全控型柔性交交变频器的应用方面，有研究提出了采用基于两电平变频器或BTB-MMC[17，49]的海上风电送出方案，并开展了控制策略研究和仿真验证，而针对M3C 变频器，已有研究开展了其用于海上风电的控制策略仿真和千瓦级小规模样机开发与试验[50]。

图5 海上风电送出3 种技术方案

海上风电送出被认为是低频输电最具竞争力的领域，现有的研究尚处于控制策略研究、系统仿真分析以及小规模样机开发的阶段。低频输电在海上风电应用时面临升压站和变频站规模增大的挑战，对现有设备结构进行优化，是发挥其经济优势的关键。

3.2.3 城市电网

城市供电需求增长与土地资源紧缺的矛盾突出。在现有线路两端建设变频装置，降低输电频率，能够在不新建线路前提下提升输电容量（见图6）。文献[1]从电缆适用性、多端互联、潮流控制等方面论证了低频输电在城市电网应用的可行性。文献[51]建立了城市双端互联低频输电，根据运行模式的不同设计了4 种控制方式，并开展了控制策略的仿真验证。文献[37]提出了工/低频交直流混联多端系统的潮流计算方法。

图6 城市电网分区多端低频互联

除提升线路传输能力之外，低频输电还可实现供区合环运行和多端组网，在解决分区间潮流调控的同时，增强分区间潮流互济能力，不增加系统短路电流，相比柔性直流输电显著降低直流断路器、直流变压器的成本。

3.3 交流变频驱动

交流变频电机所用的大功率变频器与低频输电类似，国产基于IGBT/IGCT 器件的大功率变频器也已广泛应用，现有最大功率可达100 MW[52]，但是电压等级集中在2.3～12.8 kV 且都是两电平结构。德国纽伦堡50 Hz/16.7 Hz 铁路牵引变频站采用IGBT 构成了模块化多电平拓扑，功率达到2×30 MW，但采用的是单相拓扑，仅适用于机车驱动。水下采油系统通过长距离脐带缆输电，利用水下变频器驱动电机，若采用低频输电为水下采油系统供电将有利于减少线路的损耗。文献[53]中提出了包括海上风电以及水下采油系统在内的低频网络，并对Hexveter 变频器的控制策略进行了研究，但是其经济性和技术可行性有待进一步论证。

4 柔性低频输电关键技术展望

4.1 柔性低频输电系统接入技术研究

明确柔性低频输电接入系统后的运行方式和运行特性是保证系统安全稳定的关键。目前，柔性低频输电的频率亟需统一，而针对柔性低频输电的系统构建方式、工/低频混联交流系统运行方式、暂/稳态运行及故障特性、低频系统主设备过电压水平和暂态电气应力情况均尚未明确，需开展相应的离线仿真研究和硬件在环实时仿真研究，明确低频输电系统接入特性。

4.2 柔性交交变频器主电路拓扑设计

理想的柔性交交变频器应能够在满足工程所需容量与电压等级需求前提下，简化主电路拓扑结构、减少模块串联数量、降低器件开关损耗、降低控保与调制的复杂程度。现有交交变频器拓扑已具备开展柔性低频输电应用的条件，但是BTB-MMC 在低频工况下对环流与电容电压控制难度较大，M3C 所需开关器件数量多、控制系统实现复杂，Hexveter 等新型拓扑尚在起步阶段，仍需进一步探索适用性和效率更高的变频器拓扑。

4.3 柔性低频输电控制与保护系统设计

针对M3C 变频器的装置级的控制策略已开展了较多研究。目前的路线主要分为：双αβ0 解耦控制[54]、桥臂电流直接控制[55]、电压空间矢量控制[56]。桥臂电流直接控制方法需要在每个桥臂中串联桥臂电抗，造成系统复杂程度增大、设备制造成本增加，电压空间矢量控制方法的开关状态指数随着模块数量的增加而增加，多电平场景下难以满足计算量要求，有必要开展交交变频器控制策略的优化设计，同时重点开展环流抑制、电容电压控制优化的研究。针对柔性低频输电的站级和系统级控制策略也有待深入研究。此外，还需开展交流保护对低频的适应性改造和新保护技术的开发，针对交交变频器也需要设计相应的故障限流技术与快速穿越技术。

4.4 柔性低频输电谐波与电能质量分析

柔性交交变频器的高频开关、快速电压控制、电流控制环节可能向系统引入谐波，与电网中的无源器件（如电容器、滤波电抗以及长距离电缆）产生相互影响。低频输电的典型应用场合往往采用长距离电缆，使得谐振频率显著降低，同时由于电缆损耗的减少，阻尼效应也明显降低，可能带来潜在的谐波稳定性问题。对低频输电谐波产生、传导以及抑制进行机理分析和仿真研究，可以为滤波系统、PWM（脉冲宽度调制）控制的设计及其优化，噪音和无线电干扰的降低提供理论基础，同时也是保障低频交流系统安全、稳定、经济运行的关键。

4.5 柔性低频输电主设备低频适应性研究

现有研究认为低频输电的断路器、变压器、电缆、风机等主设备的开发不存在技术瓶颈，但需开展主设备低频适应性分析并进行低频化改造。针对低频断路器的分闸性能与快速开断方法、低频变压器经济设计方法以及风机低频改造和低频控制策略有待进一步研究。

5 结语

近十年来，柔性低频交流输电技术在学术界和工业界已经获得了广泛的关注，针对该技术在典型场景的应用，已经开展了较多技术经济性分析、控制策略开发和试验样机研制工作，但是该项技术总体上与实际工程应用还有一定距离。柔性低频输电系统的运行特点及系统设计有待进一步明确，现有交交变频器等主设备的效率和经济性仍需进一步提高，主设备低频运行适应性需开展深入试验分析。可以相信，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，柔性低频交流输电必将在远距离大容量输电、海上风电送出、城市电网等应用领域得到更快的发展。

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