HVDC工程中兩類換流器的綜合比較

謝沁園

摘 要：本文主要介紹HVDC工程中電網(wǎng)換相換流器（LCC）和模塊化多電平換流（MMC），前者采用半控器件晶閘管組成換流器，而后通過電網(wǎng)換相的方式實(shí)現(xiàn)換流;后者則采用全控器件組成換流器，通過控制器件的通斷實(shí)現(xiàn)換流。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)換相換流器;模塊化多電平換流器;晶閘管

中圖分類號：TM721.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0064-04

Abstract： Line Commutated Converter （LCC） and Modular Multilevel Converter （MMC） were mainly introduced in this paper. The former uses a half-controlled device thyristor constitutes an inverter， and then commutates through the grid commutation method. The inverter uses a full control device， and the commutation is realized by controlling the on and off of the device.

Keywords： Line Commutated Converter;Modular Multilevel Converterr;thyristor

換流器是高壓直流輸電的核心部件，可將直流設(shè)備的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，廣泛應(yīng)用于一些重要項目。將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，若為整流狀態(tài)，則又被稱為整流器;而把直流電轉(zhuǎn)換成交流電時工作在逆變狀態(tài)，稱為逆變器。

以換流方式劃分，換流器分為電網(wǎng)換相換流器（LCC）和器件換相換流器（DCC）兩種。前者采用晶閘管器件，由換相工作通過電網(wǎng)提供電壓;換相結(jié)束后，通過全控構(gòu)建組成控制器，關(guān)閉設(shè)備智能化，實(shí)現(xiàn)自動換相。換流器直流側(cè)特性差異較大，相應(yīng)的直流換流器也可以分為（CSC）和電壓源換流器（VSC）。對應(yīng)的電流轉(zhuǎn)換器直流發(fā)現(xiàn)串聯(lián)大電感完成后，其直流不發(fā)生明顯變化。電流換流器則針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性逐漸向兩電平、多電平換流器結(jié)構(gòu)方向發(fā)展[1]。

1 電網(wǎng)換相換流器——LCC

LCC采用晶閘管換流閥。1972年，某國運(yùn)河的發(fā)電項目中采用晶閘管換流閥支持，應(yīng)用效果顯著。后來，常規(guī)直流輸電工程中常采用晶閘管器件施工。

1.1 半控器件——晶閘管

晶閘管又稱為可控硅整流器，是晶體閘流管的簡稱，曾被稱為可控硅，由1957年開發(fā)后逐漸推廣到全世界。

晶閘管為半控器件，根據(jù)外形不同可分為螺栓形和平板形兩種封裝結(jié)構(gòu)（高壓直流輸電工程使用平板形），均引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G共3個連接端，如圖1所示。晶閘管內(nèi)部是PNPN共4層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖2所示。

4個區(qū)存在3個PN結(jié)，分別表示為J1、J2和J3。若器件上為正向電，則J2處于反向偏置狀態(tài)，A、K則為阻斷狀態(tài)，通過的漏電流較小。若反向電壓在器件上，則J1和J3反偏，設(shè)備被阻斷，反向漏電流通過為極少量。

晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖3所示。

正常工作時的特性如下：①若晶閘管承受反向電壓，任何情況下晶閘管并不導(dǎo)通;②若晶閘管承受正向電壓，晶閘管并不導(dǎo)通（門極存在觸電下則開通）;③在晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)下，門極不受控制，門極是否觸發(fā)都無法改變晶閘管導(dǎo)通狀態(tài);④操作導(dǎo)通晶閘管，關(guān)閉后，以外加電壓、外電路影響，控制穿過晶閘管電流為0或規(guī)定數(shù)值以下[2]。

1.2 LCC工作原理

6脈波換流器在直流側(cè)串聯(lián)，共同形成12脈波換流器;交流側(cè)以換流變壓器支持;網(wǎng)側(cè)繞組以并聯(lián)形式運(yùn)行，如圖5所示。閥側(cè)繞組屬星形聯(lián)結(jié)，與三角形聯(lián)結(jié)，保證12脈波換流器交流側(cè)為相位差30°換相電壓。一些大容量直流輸電中，常采用2組雙繞組換流變壓器，保證工程穩(wěn)定電力供應(yīng);一些小容量工程，則可采用三繞組換流變壓器支持開展工程[3]。

以傅里葉級數(shù)進(jìn)行分解分析，深入研究12脈動換流器發(fā)現(xiàn)：其整流電流中存在12k=12、24……次特征諧波（k為自然數(shù)）;在相電流中，發(fā)現(xiàn)12k±1=11、13、23、25……次特征諧波。各種諧波傳輸由直流/交流濾波器進(jìn)行抑制，滿足HVDC工程限制諧波要求。此外，12脈動換流器還存在以下幾種常使用的控制方式：可通過整流器的直流電流及最小觸發(fā)角進(jìn)行控制（如圖6所示），逆變器直流電壓進(jìn)行控制（如圖7所示），以最小關(guān)斷角及直流電流進(jìn)行控制，或者在換流站配置低壓限流落實(shí)科學(xué)控制等。

1.3 LCC的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①線路走廊窄，造價低，損耗小;②線路輸送容量大，輸送距離不受限制;③運(yùn)行穩(wěn)定且可靠。

缺點(diǎn)：①LCC只對應(yīng)有源逆變，對受端系統(tǒng)短路容量要求嚴(yán)格，若容量不足，極易發(fā)生換相失敗;②換流器運(yùn)行產(chǎn)生諧波次數(shù)低、容量大，需大量濾波設(shè)備給予充分自持;③換流器吸收大量的無功功率，需配置大量無功補(bǔ)償裝置確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。但是，大量無功補(bǔ)償設(shè)備占用換流站大量面積，且需要大量成本投入。

2 模塊化多電平換流器——MMC

2.1 全控器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

絕緣柵雙極晶體管具有良好的特性，如通流能力強(qiáng)、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、對應(yīng)的驅(qū)動功率小以及驅(qū)動電路設(shè)計簡單等。自1986年投入市場以來，其迅速擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，成為大、中功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。

IGBT主要是將較高較強(qiáng)的電流、電壓及終端設(shè)備通過MOSFET（垂直功率）進(jìn)行進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓需源漏通道，通道電阻率較高，造成功率MOSFET的RDS（on）數(shù)值高。通過IGBT，現(xiàn)有功率MOSFET的不利影響得到有效控制。雖然新一代MOSFET優(yōu)化RDS（on）特性，但遇到高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍比IGBT技術(shù)高出很多。較低的壓降轉(zhuǎn)換為低VCE（sat）能力。以IGBT和標(biāo)準(zhǔn)雙極器件比對分析發(fā)現(xiàn)，其可接受高電流密度，簡化IGBT驅(qū)動器原理圖。

2.2 工作原理

系統(tǒng)原理圖如圖8所示，每個子模塊的主體結(jié)構(gòu)為由IGBT組成的單相半橋電路。其中，各個IGBT子模塊的直流儲存電容電壓無異，通過控制IGBT下屬模塊中的V1和V2，操縱關(guān)閉或開通，保證交流電壓輸出由IGBT下屬模塊電壓疊加值形成多電平電壓。n個SM最多可輸出2n+1個電平。而柔性直流輸電工程對電平需求較多，往往需要幾十至上百電平，以滿足高電壓和諧波少的需要。

MMC主要采用多電平階梯波調(diào)制方式，如圖9所示，主要針對電平持續(xù)時間的長短對諧波進(jìn)行消除并抑制，逐漸逼近正弦波。采用該方式操作簡單，且開關(guān)實(shí)際頻率較低，可進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換。對IGBT子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，各個子模塊存在2個IGBT管，以T1、T2表示，IGBT管和開關(guān)管反并聯(lián)的兩個二極管（D1，D2）及直流儲能電容共同組成半橋結(jié)構(gòu)。各器件和IGBT管結(jié)合，子模塊存在幾種不同的工作狀態(tài) 其流經(jīng)的器件，如表1所示[4]。

2.3 工程現(xiàn)狀

從表2可見，從2010年Trans Bay Cable工程投運(yùn)后，MMC運(yùn)用在HVDC工程已成為廣泛認(rèn)可的工程建設(shè)趨勢，即絕大部分的新建工程采用了MMC（或者CTL）作為其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動電網(wǎng)發(fā)展，電網(wǎng)容量和實(shí)際電壓等級也在不斷提高。為確保在現(xiàn)代化電網(wǎng)發(fā)展中實(shí)現(xiàn)能量變化，多采用電平數(shù)換流器。在傳統(tǒng)二極管筘位型換流器上，可實(shí)現(xiàn)較高的電平數(shù)，但是電平數(shù)增加，對應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，且控制系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，不利于將該系統(tǒng)運(yùn)用到實(shí)際的高壓直流輸電中。MMC可解決這一問題，通過將固定數(shù)量的子模塊串聯(lián)起來形成換流閥，完美展現(xiàn)出H橋式拓?fù)淠K化、冗余以及易拓展的優(yōu)勢，且增加子模塊數(shù)量擴(kuò)容電路，靈活性突出，可應(yīng)用到各功率及電壓場合。MMC在無功補(bǔ)償、有源電力濾波器以及電機(jī)拖動等方面的應(yīng)用前景較好。

2.4 MMC的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)[5]：①M(fèi)MC可避免器件直接串聯(lián)，出現(xiàn)靜態(tài)、均壓;②MMC輸出電平可靠，數(shù)量較多，開關(guān)頻率較高，對應(yīng)輸觸電諧波含量和電磁干擾水平較低，較小交流濾波即可確保運(yùn)行，系統(tǒng)整體成本較低，諧波抑制設(shè)備的投資少;③MMC下的單一器件開關(guān)頻率低，開關(guān)運(yùn)作損耗小;④該系統(tǒng)無需安裝高壓電容器、直流濾波器等，沒有直流測短路導(dǎo)致的浪涌電流、系統(tǒng)機(jī)械性故障問題，系統(tǒng)可靠，后期運(yùn)維成本較低;⑤若母線短路，通過同橋臂冗余子模塊可取代故障模塊運(yùn)行;⑥通過增加或減少下屬模塊數(shù)量配置不同的電壓，一切以系統(tǒng)擴(kuò)容為中心，縮短設(shè)計落實(shí)時間;⑦M(jìn)MC自身的直流儲能突出，能量較大，若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)故障且功率模塊無放電現(xiàn)象出現(xiàn)，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，迅速恢復(fù)故障;⑧MMC和系統(tǒng)主回路雜散參數(shù)互不敏感，以電纜實(shí)現(xiàn)子模塊連接，MMC結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，工程實(shí)現(xiàn)簡單。

缺點(diǎn)[5]：①直流電壓保持不變，發(fā)現(xiàn)MMC開關(guān)器件數(shù)量較多，達(dá)到2電平結(jié)構(gòu)2倍及以上，經(jīng)濟(jì)效果不突出;②此外，在多個輸出電平背景下，無法實(shí)現(xiàn)對MMC的科學(xué)控制，控制過程較復(fù)雜，仍然需要進(jìn)一步研究完善脈沖調(diào)制技術(shù)[6-7]。

3 結(jié)語

基于以上分析可以看出，常規(guī)的LLC換流器設(shè)備的成本低、控制方式簡單、運(yùn)行可靠性強(qiáng)，在未來的直流輸電工程上還可以利用。MMC吸收的無功少，產(chǎn)生的諧波小，但是控制較復(fù)雜，運(yùn)行成本較高，但在技術(shù)不斷進(jìn)步的未來，可能得到大規(guī)模應(yīng)用。

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