低頻交流輸電技術（Low Frequency AC Transmission Technology，LFAC）借助交交變頻器將工頻電能降至低頻后進行傳輸，或是由風機、水輪機組等直接發出低頻電能經升壓后進行傳輸。LFAC一方面大大減小了線路電抗與充電無功，顯著提升線路輸送容量；另一方面仍具備交流易組網、故障易開斷的優勢。

▲LFAC基本原理

早期的變頻方案主要有以倍頻變壓器為代表的鐵磁旋轉變頻方式以及基于半控型晶閘管的相控交交變頻器等，結構簡單、造價較低，主要在德國、美國電氣化鐵路以及變頻電機的驅動中有所應用，但存在效率低、諧波大、動態性能差等諸多問題。

▲倍頻變壓器

▲晶閘管周波變換器

隨著電力電子技術的快速發展，基于全控型電力電子器件的柔性LFAC憑借在典型應用場景下的技術經濟優勢，再次回到大眾視野，為新能源送出等場合提供了另一種選擇，有望成為高壓交、直流輸電技術外的重要補充。工程應用中可根據實際情況和系統優化技術靈活選擇0~50Hz合適頻率。目前國內工程一般選取低頻頻率為20Hz。

交交變頻器拓撲是柔性LFAC系統的關鍵，主要用于實現低頻和工頻的變換。在上百千伏的輸電電壓等級換流站中，模塊化多電平結構被廣泛認為是最為安全、高效、可靠的技術方案。

當前基于這一技術的主流變頻方案有以下幾種：

（1）背靠背雙端模塊化多電平交交變頻器（Back-to-Back Modular Multilevel Converter，BTB-MMC）；

（2）模塊化多電平矩陣變換（Modular Multilevel Matrix Converter，M3C）；

（3）基于二極管整流單元的模塊化多電平換流器（Diode Rectifier Unit-Modular Multilevel Converter，DRU-MMC）。

BTB-MMC型交交變頻器由兩組MMC換流器在直流側連接構成。兩側的MMC換流器各由6個橋臂構成，每個橋臂由N個半橋結構功率模塊級聯構成，橋臂中均串聯一個橋臂電抗器，整個變頻器由12個橋臂構成。

▲典型BTB-MMC柔性 交交變頻器結構

這種拓撲中換頻器的工頻側和低頻側天然解耦，控制結構簡單，技術成熟，能夠通過增減接入換流器的功率模塊數量來滿足不同功率和電壓等級的要求。該拓撲在粵港澳大灣區直流背靠背、魯西直流背靠背和渝鄂直流背靠背等工程均有應用，有較豐富的工程設計經驗。

由于這種拓撲將變頻過程分為整流和逆變兩個環節，整體換流效率有所降低。并且換頻器由兩個MMC構成，橋臂和功率器件數量多，低頻側電容容值大，整體經濟性有所降低。此外，低頻運行將導致功率模塊電容充、放電時間變長，電壓波動加劇，以及橋臂環流增大，功率模塊損耗與橋臂應力增大等問題 。

M3C變頻器主電路拓撲，9 個全橋功率模塊級聯橋臂對稱分布于輸入側交流系統三相（a、b、c）與輸出側交流系統三相（u、v、w）之間，每個橋臂均由1個橋臂電抗器L以及若干個全橋子模塊串聯而成。

▲M3C變頻器拓撲結構

M3C變頻器具有低能量存儲、高功率密度和多電平輸出波形的特點，能夠獨立控制交流側的有功和無功功率，具有黑啟動能力，其子模塊的電容電壓紋波更小。由于省去了中間直流環節，換流效率高。橋臂支路內部功率交換可解決低頻工況下電容能量波動大的問題，交流側具有較強的故障穿越能力。目前國網臺州35kV柔性低頻輸電示范工程和杭州220kV柔性低頻輸電示范工程均應用該拓撲。

由于具有9個橋臂，M3C變頻器仍面臨所需的子模塊數量較多、系統控制邏輯復雜等問題，系統結構和控制策略仍有進一步優化的空間。單側M3C變頻器的模塊數量及規模大于相同容量柔直換流站，對變頻站整體投資有一定影響。

針對M3C變頻拓撲的優化，有學者提出了Hexveter（六邊形變頻器拓撲）。Hexveter可以看作是M3C每相斷開一個橋臂，采用剩余6個橋臂運行，使得一側系統中的每一相只與另一側系統中的兩相相連接。Hexveter相比M3C減少了1/3的橋臂數量，可以降低設備體積和造價。

然而Hexverter的控制難度更大，且不具備橋臂故障穿越能力，一定程度上限制了此新型交交變頻器在實際工程中的應用，但其相關的研究對于M3C的故障運行狀態具有較大的參考價值。

▲Hexverter變頻拓撲

DRU-MMC這種結構相當于將BTB-MMC拓撲的一側換流器由MMC替換為DRU，可以充分發揮MMC成熟的技術優勢和DRU體積小、占地少、造價低的成本優勢，構建高效、低成本的LFAC方案。

由于DRU缺乏無源運行能力，DRU側需要電壓支撐，在中遠海風電送出場景下可應用該技術構建“構網型風機+DRU-MMC變頻器”匯集送出方案。構網型風機具備弱電網甚至無源電網接入能力，提供主動電壓/頻率支撐。但構網型風機和變流器的設計和控制較為復雜，目前這種變頻拓撲仍處于研究階段，尚無工程實踐。

▲基于“構網型風機+DRU-MMC型交交換流器”的中遠海風電低頻送出方案

能源變革的持續深入、電力系統形態的深刻演變，為柔性LFAC技術的應用提供了新的土壤。國內外專家學者普遍認為柔性LFAC技術在中遠距離海上風電送出、陸上新能源發電匯集與送出、大容量中遠距離輸電、大型城市異步互聯擴容/改造和多島嶼互聯供電等場合具有技術經濟優勢。

目前，國內的LFAC工程主要有國網臺州35kV柔性低頻輸電示范工程、國網杭州220kV柔性低頻輸電示范工程、廣東電網珠海桂山島10kV柔性低頻改造項目和海上風電柔性低頻輸電系統動模實驗平臺。

總結

柔性LFAC技術兼具工頻交流輸電技術和柔性直流輸電技術的部分優勢，能夠一定程度上提升電網輸送容量和柔性調控能力，是一種新型高效的交流輸電技術。

變頻器拓撲作為柔性LFAC系統的關鍵，對系統運行性能和經濟性有重要影響。文中三種典型拓撲方案的網側性能相仿，均能滿足柔性LFAC系統對換流站的技術要求，其中M3C和DRU-MMC方案經濟性較好，當前業界認為此兩種技術方案均具備一定的工程應用前景。

隨著系統結構的完善、設備效率的提升、控制策略的優化，柔性低頻交流輸電的優勢將不斷凸顯，加上能源革命的持續推進和能源結構的不斷完善，柔性低頻交流輸電將得到更快的發展。