柔性直流输电系统的换流器拓扑结构

柔性直流输电系统的换流器拓扑结构作者：屠卿瑞来源：《科技资讯》2013年第23期屠卿瑞(广东电网电力调度控制中心广东广州510600)摘要:为研究柔性直流输电系统的发展趋势，通过分析不同类型的换流阀拓扑结构，比较它们的优缺点，指出采用包含全桥子模块或箝位双子模块的模块化多电平换流器，是未来柔性直流输电技术的发展方向，关键词:柔性直流输电模块化多电平半桥子模块全桥子模块箝位双子模块中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号：1672-3791(2013)08(b)-0113-01根据换流阀能否主动切断电流,一般将高压直流输电技术分为两类［1］。第一类以晶闸管为主要器件,需要交流电网提供换相电压，因此被称为电网换相换流器型直流输电(LineCommutatedConverterbasedHVDC,LCC-HVDC);另一类换流阀采用IGBT等可关断器件，不需要交流电网提供电压支撑，换流器本身相当于一个电压源，因此被称为电压源换流器型直流输电(Voltage-SourcedConverterbasedHVDC，VSC-HVDC)［2］。LCC-HVDC技术的发展已较为成熟,但对于需要在受端电网某一区域集中落点多回直流输电线路的情况，这种技术本身的换相失败问题,可能造成多回直流输电线路输送功率中断，使得受端电网的安全稳定性受到较大威胁［1］。而VSC-HVDC技术由于不存在换相失败的问题，在交流系统电压跌落时仍能保持一定的功率传输，因此可以很好地解决上述问题。VSC-HVDC采用自关断器件(主要是IGBT),可以同时控制输出交流电压的幅值和相位，从而实现有功功率和无功功率的独立解耦控制。它本身可以发出或吸收无功功率，能够向无源网络或弱交流系统供电，便于构成多端直流电网［2］。由于以上一系列特性，使VSC-HVDC技术在输电和配电领域都有着广泛的应用前景。世界三大电力设备制造商都分别推出了自己的VSC产品。ABB公司将VSC-HVDC的商标注册为“HVDCLight”，Siemens公司称其为“HVDCPLUS”，Alstom公司的VSC产品商标为“HVDCMaxSine”。2006年5月，由中国电科院组织国内权威专家在北京召开的“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，与会专家一致建议将基于VSC技术的直流输电统称为“柔性直流输电”［1］。1柔性直流输电技术的分类目前柔性直流输电换流器的拓扑结构主要有以下三类。1.1二电平或三电平结构二电平或三电平VSC拓扑早在二十世纪九十年代初便开始逐步应用于工业驱动领域，ABB公司首先将其扩展到输电领域，于1997年在瑞典Hellsj?n建立了首个VSC-HVDC工业试验性工程。由于ABB公司在压接式高压IGBT生产工艺及动态均压技术方面的垄断,2010年以前的VSC工程均由ABB公司一家承建，采用的也均是二电平或三电平结构［1］。1.2模块化多电平结构模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)最早由R.Marquardt教授于2001年提出并申请专利，其拓扑结构见图1。它由多个结构相同的子模块(Sub-module,SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和箝位双子模块型三种。由于MMC拓扑的桥臂子模块IGBT并不需要在同一时刻一起导通,而是随着正弦波的变化依次导通以构成正弦电压波形，因此避免了多个IGBT直接串联所带来的动态均压问题。除此之外,MMC还具有如下几个明显优势。更低的换流器损耗。原有的二电平拓扑一般采用脉宽调制技术来减少低次谐波，因此需要频繁开关IGBT。而MMC拓扑中，由于每个子模块不再需要频繁投切，而是按照正弦波的变化依次投入和切除，从而大大降低了器件的开关频率，使换流器的开关损耗大幅下降。如果不考虑电容电压平衡，理论上每个子模块的IGBT在一个周波内仅需要开关一次。即使考虑电容电压平衡，器件的开关频率也可以降至150Hz左右。更良好的输出波形质量。由于MMC拓扑级联子模块个数较多,输出的电平数也相应增多，因此其输出的电压阶梯波可以非常接近理想正弦波,各次谐波含有率和总谐波畸变率往往可以满足接入系统的要求，甚至不需要安装交流滤波器。阶跃电压和阶跃电流降低。由于MMC的电平数较多，每个子模块所构成的电压阶梯较小，因此桥臂电压的阶跃(血/&)很小,而桥臂电流甚至是连续的，从而使得开关器件承受的应力大为下降，同时也减小了换流阀的高频辐射，容易满足电磁兼容指标的要求。(如图1)1.3混合式结构Alstom公司结合了二电平VSC和MMC的特点，提出了一种混合式VSC拓扑，它由整形电路和导通开关两部分构成。其中整形电路由全桥子模块级联而成，而导通开关由全控型半导体器件直接串联构成。但这种拓扑在功率运行范围方面有较大限制，应用前景尚不明朗。Mi相以化*用frsi：柘圳非附2结论由于MMC率先冲破了二电平VSC在器件制造方面的技术壁垒，自2007年Siemens在国际大电网会议上报道了该项技术后，受到了学术界和工业界的广泛关注。目前的研究大多集中在半H桥结构的MMC上，由于这种拓扑结构不具备直流故障的自清除能力，因此发展前景有限。而采用全桥子模块或箝位双子模块结构的MMC拓扑,则是未来柔性直流输电技术的发展方向