工程師專區：柔性直流技術深入
給電機系學生與電力工程師的進階整理。台灣學界常把 MMC 稱為「模組化多階層轉換器」或「多階層模組化轉換器」，查詢國內論文時可用這兩個詞。
1. 子模組拓撲：半橋、全橋與混合
| 類型 | 開關數 | 直流故障時 | 現況 |
|---|---|---|---|
| 半橋（HB） | 2 個 | 反並聯二極體與故障點形成短路迴路，無法自行阻斷，需靠交流斷路器跳脫，等故障電流衰減後再重啟 [52] | 已投運的 MMC 工程主要採用 [52] |
| 全橋（FB） | 至少 4 個 [52] | 可阻斷故障電流 | 元件數約為半橋兩倍，成本與損耗較高 [53] |
| 混合（HB＋FB） | 介於兩者之間 | 保留故障清除能力 | 相較全橋可減少約四分之一開關元件 [52] |
| 箝位雙子模組（CDSM）等 | 依設計 | 具故障阻斷能力 | 學術研究中的多種新拓撲 [53] |
2. 直流故障處理的三條路線
- 跳交流斷路器：最簡單，但整條直流線路停電，恢復較慢。
- 故障阻斷型換流器：全橋或混合 MMC 自行阻斷故障電流，代價是元件多、損耗高。
- 直流斷路器：傳統機械式斷路器動作時間約數十毫秒，混合式可把故障電流限制在數毫秒內 [54]。
值得注意的是，有模擬研究比較兩種組合，發現「半橋 MMC 加直流斷路器」的故障電流較小、切斷較快、過電壓較低，表現優於全橋方案 [55]。哪條路線最好，取決於系統是點對點還是多端電網。
3. 控制架構
本段為一般技術說明，未逐項附來源；各廠實作差異大。
- 外迴路：依換流站角色控制有功功率或直流電壓，以及無功功率或交流電壓。
- 內迴路：在同步旋轉座標（dq 軸）下做電流控制，需鎖相迴路（PLL）與電網同步。
- MMC 特有控制：子模組電容電壓平衡、臂間環流抑制，以及最近電平逼近或載波移相等調變方式。
- 多端直流：常以直流電壓下垂控制讓多個換流站分攤功率。
- 構網型控制：換流器自行建立電壓與頻率；InterOPERA 於 2024 年訂出直流換流站的構網功能規格，強制項目包括自同步、慣量功率與正阻尼 [56]。
- 振盪風險：研究指出風機鎖相迴路與換流器交流電壓外迴路頻寬偏低時，可能形成低頻共振 [57]。
4. 建模與模擬
一座換流站可能有數千個子模組，逐一模擬非常耗時，因此發展出不同精細度的模型。以 CIGRE 直流電網基準系統為例，詳細等效模型約 3 分鐘可算完的案例，完整詳細模型需約 500 分鐘 [58]。
| 模型 | 適合用途 |
|---|---|
| 完整詳細模型（逐一開關） | 元件應力、驗證其他模型的基準 |
| 詳細等效模型（DEM，戴維寧等效） | 保留子模組資訊、大幅加速，常用於系統研究 |
| 平均值模型（AVM） | 系統層級控制與穩定性研究 |
| 相量或潮流模型 | 電網規劃、潮流與穩態分析 |
建模的國際參考是 CIGRE WG B4-57 技術手冊 TB-604《直流電網中換流器模型開發指南》[59]。研究上常用的 CIGRE 直流電網測試系統包含 3 個直流系統、11 座交直流換流站與 2 座直流–直流換流站 [60]。
常用工具（一般整理）：電磁暫態用 PSCAD／EMTDC、EMTP、MATLAB／Simulink；即時模擬與硬體迴路測試用 RTDS、OPAL-RT；系統規劃用 PSS/E 等。實例：華北電力大學的新能源電力系統國家重點實驗室即引進 RTDS 與 RT-Lab 即時模擬平台 [62]。
5. 相關標準
6. 台灣的學習與研究資源
- 國內已有大學投入 MMC 研究，例如清華大學電機系有多篇碩士論文研製多階層模組化轉換器，並指出其應用涵蓋靜態同步補償器、高壓直流與電池儲能 [61]。
- 查找國內研究：以「模組化多階層轉換器」「多階層模組化轉換器」「高壓直流」搜尋臺灣博碩士論文知識加值系統。
- 職涯（本站推論）：台灣尚無柔直工程，相關能力目前可在 STATCOM、離岸風電併網、電力電子產業累積，這些都使用相同的換流器技術。
7. 建議學習路徑（本站整理）
- 電力電子基礎：開關元件、PWM、三相換流器。
- 換流器控制：dq 座標、鎖相迴路、電流與電壓控制。
- MMC：子模組、電容平衡、環流、調變。
- 電磁暫態模擬：在 PSCAD 等工具重現 CIGRE 測試系統。
- 直流保護與直流電網：斷路器、故障阻斷、多端控制。
- 進階閱讀：CIGRE 技術手冊與 IEEE 電力輸送、電力電子期刊。
8. 主要研究機構與推薦書單
| 機構 | 地區 | 研究方向與特色 |
|---|---|---|
| 華北電力大學直流輸電研究團隊 | 中國大陸 | 長期研究傳統直流、柔性直流與直流電網；所屬新能源電力系統國家重點實驗室以柔直為重點方向之一，設有 RTDS、RT-Lab 即時模擬平台 [62] |
| 清華大學電機工程學系 | 台灣 | 多篇多階層模組化轉換器碩士論文，涵蓋高壓直流、STATCOM、直流微電網應用 [61] |
本表持續擴充，歡迎研究團隊來信提供資料。
推薦書單（簡體中文專著，作者與出版資訊待查證後補上）[63]：
- 《混合直流輸電》
- 《柔性直流輸電建模和仿真技術》
- 《模組化多電平換流器直流輸電建模技術》
9. 直流電纜：交聯聚乙烯與浸漬紙
直流電纜主要有兩類：絕緣用交聯聚乙烯（XLPE）擠出的電纜，以及用紙帶浸漬絕緣的浸漬紙（MI）電纜 [80]。柔直反轉送電方向時不需要改變電壓極性，因此可以使用成本較低的 XLPE 電纜；傳統直流反轉潮流需要反轉極性，過去多搭配浸漬紙電纜 [79]。浸漬紙電纜仍是超高電壓、長距離海底大容量輸電的選項之一 [80]。
10. 系統接線方式
| 接線 | 做法 | 特點 |
|---|---|---|
| 不對稱單極 | 一條高壓電纜加接地或回流導線 | 結構最簡單 [81] |
| 對稱單極 | 兩條電纜各承受一半直流電壓、極性相反 | 早期柔直與中小容量常用 [81] |
| 雙極 | 兩條電纜各承受全電壓、極性相反，兩端各有兩組換流器 | 一極故障時另一極仍可送電，可靠度較高 [81] |
陽江青洲五、七的海纜就是「一回兩根」的雙極設計，一正一負搭配運行 [73]。
11. 混合直流
把傳統直流與柔直放在同一個系統：送端用成本較低、適合大容量的傳統直流，受端用柔直，以適應負載中心的電網條件。中國大陸的昆柳龍工程就是送端昆北為傳統直流、受端柳北與龍門為柔直的三端混合直流 [76]。
12. 設計趨勢：省掉中間平台、海陸一體
- 風機直接接換流站：陽江青洲五、七讓 66kV 風機直接接入海上換流站，省去中間升壓站，大幅節省投資 [72]。
- 海陸一體：陽江三山島的直流海纜上岸後不轉回交流，直接接上直流架空線送往負載中心 [71]。
13. 替代方案：低頻交流
介於交流與直流之間的選項：把交流頻率降到 16.7 或 20 赫茲，以延長交流海纜的經濟距離 [87]。研究顯示低頻交流在中等距離可能比交流與直流都划算 [88]，中國大陸也已有柔性低頻輸電的示範工程 [87]。目前仍屬示範與研究階段（本站判斷）。