串聯(lián)型電壓源換流器降損措施的研究

劉子堅

摘要：本文基于VSC-HVDC（柔性直流輸電）和FACTS（靈活交通輸電）的現(xiàn)狀下，對串聯(lián)型電壓源換流器的損耗原因進(jìn)行了一番分析，同時針對其損耗因素制定了相關(guān)降損策略。希望該策略在日后串聯(lián)型電壓源換流器的損耗上起到幫助性作用，同時保證了裝置安全可靠性以及對電網(wǎng)運行損耗率的降低，從一定層面上推動了電網(wǎng)工程建設(shè)的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]串聯(lián)型電壓源 換流器損耗

1 串聯(lián)型電壓源換流器降損現(xiàn)狀

隨著我國電網(wǎng)工程建設(shè)和發(fā)展，F(xiàn)ACTS和VSC-HVDC在其中有著關(guān)鍵性的作用。FACTS對系統(tǒng)有著安全性、有效性和穩(wěn)定性的作用，同時對線路傳輸能力也有積極性的作用。而VSC-HVDC在新能源接入、孤島供電、城市中心供電以及弱電網(wǎng)等多方面領(lǐng)域中的運用可以說是恰到好處。在該兩者之間有一個關(guān)鍵性的共性技術(shù)是電力電子可關(guān)斷器件，譬如：IGBT（電壓驅(qū)動器件）。現(xiàn)今，在電力系統(tǒng)中運用的大容量電壓源換流器關(guān)鍵還是在IGBT直接串聯(lián)的基礎(chǔ)上，與兩電平電壓源換流器和模塊化多電平兩種類型串聯(lián)。

上述的運用范疇中，因為帶有在高壓大功率環(huán)境下保持長久運作的條件，一定會造成元器件溫度不斷變高，從而對輸電設(shè)施的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生不良作用。并且，假設(shè)換流器損耗在整個電氣工程損耗中占有的比例極大，那么對輸電設(shè)施的工程造價以及運作效率有著重要性的作用。文章針對換流器損耗進(jìn)行一番分析，并從中找到相關(guān)降損策略，在一定程度上保證了靈活輸電設(shè)備的安全性、可靠性，從而減少了電網(wǎng)運行損耗率，對其在日后工程運用過程中起到了促進(jìn)作用。

2 損耗原因

由電力電子器件、組件、換流器三種物理等級分層對換流器損耗的結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用，其是由可關(guān)斷器件和二極管以及相關(guān)輔助電路組成的。在實際實施的工程工作中，對換流器損耗的重要因素有以下幾點。

2.1 調(diào)制方式問題

該種方式主要有調(diào)制方式、調(diào)制比例以及開關(guān)頻率等。串聯(lián)型電壓源換流器通過對正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和空間矢量調(diào)制（SVPWM）以及優(yōu)化脈寬調(diào)制（OPWM）幾方面的運用，做出了相關(guān)比較和分析，由此可知，若按照損耗率高低排序，由高到低分別是：正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、空間矢量調(diào)制（SVPWM）、優(yōu)化脈寬調(diào)制（OPWM）。通過對不同調(diào)制方式的運用，開關(guān)器件的動作頻率變化也極大，而對于相同的調(diào)制方式，調(diào)制比例越大，損耗率就越高，因為此刻是處于電流大部分在IGBT（電壓驅(qū)動器件）經(jīng)過的時段，而IGBT的損耗會使總損耗率得到提升。而針對一張確定的調(diào)制方式，開關(guān)損耗會隨著開關(guān)頻率的變化而變化。

2.2 器件驅(qū)動方式問題

IGBT也就是電壓驅(qū)動器件，在不同驅(qū)動電壓情況下，該器件導(dǎo)通以及關(guān)斷時間、集射極電壓以及斜率和過沖等具有很大的差異性，并對損耗率造成極其明顯的作用。

2.3 換流器結(jié)構(gòu)工藝和附屬設(shè)備問題

換流器雜散電感中含有直流側(cè)雜散電感和閥臂雜散電感兩類。雜散參數(shù)在串聯(lián)型電壓源環(huán)流器開通過程中有著很大的影響，譬如：導(dǎo)致震蕩和電流過沖的現(xiàn)象出現(xiàn)，在一定層面上提高了換流器的損耗率，同時還極有可能對設(shè)備運行的安全與否產(chǎn)生無法預(yù)計的影響。而換流器附屬設(shè)備中包含均壓電阻、散熱器以及連接導(dǎo)線等其他方面，該參數(shù)對環(huán)流器的損耗有一定程度的影響。

2.4 器件結(jié)溫問題

電子器件所具備的工作特點一般都與運作中產(chǎn)生的溫度有很大關(guān)系，由于溫度的不斷變化，其自身性能就會隨之而改變。當(dāng)溫度相較過高的時候，電子器件中的每一項性能通常會變低，因此造成損耗提升，若沒有很快的對其制定相關(guān)策略，損耗持續(xù)增大導(dǎo)致器件發(fā)熱量升高，從而造成溫度進(jìn)一步提升，如此惡性循環(huán)，最終造成電子器件損耗過度并失效。

3 降損策略

3.1 調(diào)制策略

減少開關(guān)頻率能有效性的降低開關(guān)損耗，對其導(dǎo)入子模塊電容電壓平均值保證整形電路總能量變動的平衡。然后對調(diào)制機制和能量平衡，因為重復(fù)性的充電和放電行為造成子模塊電容電壓產(chǎn)生波動分量，因此對其安裝了二階低通濾波器來獲取直流分量值，再與電容電壓額定值作對比和經(jīng)過比例積分控制器，從而得到一個直接控制量。為了預(yù)防因直接控制了造成的開關(guān)在短時間內(nèi)產(chǎn)生頻繁的開斷情況，必須要先解決不對稱方波的調(diào)制造成的脈沖信號，然后在觸發(fā)有關(guān)導(dǎo)通開關(guān)。因此子模塊電容電壓平衡和能量再分配需要依據(jù)整形電路才能符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 完善器件驅(qū)動方式

在優(yōu)化IGBT（電壓驅(qū)動器件造成的損耗基礎(chǔ)上，主動均壓驅(qū)動技術(shù)。通過對多重閉環(huán)的運用，讓IGBT（電壓驅(qū)動器件）開關(guān)過程中集射極電壓隨著既定的參考電壓變化，然后達(dá)到IGBT（電壓驅(qū)動器件）直接串聯(lián)中電壓平衡的效果。

3.3 完善換流器結(jié)構(gòu)，改善附屬設(shè)備

針對換流器結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行不斷的完善，通過對均壓屏蔽手段的運用，減少雜散參數(shù)對換流器損耗率的不良影響。由于換流器附屬設(shè)備影響作用不大，通常在篩選時盡量的篩選雜散參數(shù)不大、阻值不高的設(shè)施。

3.4 改善器件結(jié)溫狀況

由于電子器件使用壽命時長和電子器件在運作過程中產(chǎn)生的溫度有直接關(guān)系，基于此，我們要改善器件結(jié)溫的狀況，結(jié)合IGBT（電壓驅(qū)動器件），通過運用其平均損耗功率等效熱阻抗模型來計算IGBT（電壓驅(qū)動器件）結(jié)溫，并且實際運行的結(jié)溫其實是在一個工頻周期中脈動的，同時最高的運行結(jié)溫相比平均結(jié)溫要高，因此我們一定要對平均損耗率進(jìn)行不斷的完善，在其計算的基礎(chǔ)上制定了子模塊投切占空比的損耗功率相關(guān)措施，從而使器件結(jié)溫得到有效性的改善。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段由于科學(xué)技術(shù)的飛快發(fā)展，柔性直流輸電和靈活交通輸電技術(shù)在電力工程建設(shè)中有著決定性的作用，而作為核心關(guān)鍵性因素的換流器更是對整體的工程造價以及運行效率有著重要影響。文章針對串聯(lián)型電壓源換流器的損耗和降損措施進(jìn)行了一番探討，并提出了部分有關(guān)建議希望在一定程度上對串聯(lián)型電壓源換流器產(chǎn)生的損耗過大情況起到積極性作用，從而推動我國電力工程建設(shè)的長遠(yuǎn)、健康、可持續(xù)發(fā)展。