柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作者：屠卿瑞來(lái)源：《科技資訊》2013年第23期屠卿瑞(廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心廣東廣州510600)摘要:為研究柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)分析不同類型的換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，指出采用包含全橋子模塊或箝位雙子模塊的模塊化多電平換流器，是未來(lái)柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向，關(guān)鍵詞:柔性直流輸電模塊化多電平半橋子模塊全橋子模塊箝位雙子模塊中圖分類號(hào):TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1672-3791(2013)08(b)-0113-01根據(jù)換流閥能否主動(dòng)切斷電流,一般將高壓直流輸電技術(shù)分為兩類［1］。第一類以晶閘管為主要器件,需要交流電網(wǎng)提供換相電壓，因此被稱為電網(wǎng)換相換流器型直流輸電(LineCommutatedConverterbasedHVDC,LCC-HVDC);另一類換流閥采用IGBT等可關(guān)斷器件，不需要交流電網(wǎng)提供電壓支撐，換流器本身相當(dāng)于一個(gè)電壓源，因此被稱為電壓源換流器型直流輸電(Voltage-SourcedConverterbasedHVDC，VSC-HVDC)［2］。LCC-HVDC技術(shù)的發(fā)展已較為成熟,但對(duì)于需要在受端電網(wǎng)某一區(qū)域集中落點(diǎn)多回直流輸電線路的情況，這種技術(shù)本身的換相失敗問(wèn)題,可能造成多回直流輸電線路輸送功率中斷，使得受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性受到較大威脅［1］。而VSC-HVDC技術(shù)由于不存在換相失敗的問(wèn)題，在交流系統(tǒng)電壓跌落時(shí)仍能保持一定的功率傳輸，因此可以很好地解決上述問(wèn)題。VSC-HVDC采用自關(guān)斷器件(主要是IGBT),可以同時(shí)控制輸出交流電壓的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制。它本身可以發(fā)出或吸收無(wú)功功率，能夠向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)或弱交流系統(tǒng)供電，便于構(gòu)成多端直流電網(wǎng)［2］。由于以上一系列特性，使VSC-HVDC技術(shù)在輸電和配電領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。世界三大電力設(shè)備制造商都分別推出了自己的VSC產(chǎn)品。ABB公司將VSC-HVDC的商標(biāo)注冊(cè)為“HVDCLight”，Siemens公司稱其為“HVDCPLUS”，Alstom公司的VSC產(chǎn)品商標(biāo)為“HVDCMaxSine”。2006年5月，由中國(guó)電科院組織國(guó)內(nèi)權(quán)威專家在北京召開(kāi)的“輕型直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架研討會(huì)”，與會(huì)專家一致建議將基于VSC技術(shù)的直流輸電統(tǒng)稱為“柔性直流輸電”［1］。1柔性直流輸電技術(shù)的分類目前柔性直流輸電換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下三類。1.1二電平或三電平結(jié)構(gòu)二電平或三電平VSC拓?fù)湓缭诙兰o(jì)九十年代初便開(kāi)始逐步應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，ABB公司首先將其擴(kuò)展到輸電領(lǐng)域，于1997年在瑞典Hellsj?n建立了首個(gè)VSC-HVDC工業(yè)試驗(yàn)性工程。由于ABB公司在壓接式高壓IGBT生產(chǎn)工藝及動(dòng)態(tài)均壓技術(shù)方面的壟斷,2010年以前的VSC工程均由ABB公司一家承建，采用的也均是二電平或三電平結(jié)構(gòu)［1］。1.2模塊化多電平結(jié)構(gòu)模塊化多電平換流器(ModularMultilevelConverter,MMC)最早由R.Marquardt教授于2001年提出并申請(qǐng)專利，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。它由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊(Sub-module,SM)級(jí)聯(lián)構(gòu)成。子模塊的結(jié)構(gòu)可以分為半H橋型、全H橋型和箝位雙子模塊型三種。由于MMC拓?fù)涞臉虮圩幽KIGBT并不需要在同一時(shí)刻一起導(dǎo)通,而是隨著正弦波的變化依次導(dǎo)通以構(gòu)成正弦電壓波形，因此避免了多個(gè)IGBT直接串聯(lián)所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。除此之外,MMC還具有如下幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。更低的換流器損耗。原有的二電平拓?fù)湟话悴捎妹}寬調(diào)制技術(shù)來(lái)減少低次諧波，因此需要頻繁開(kāi)關(guān)IGBT。而MMC拓?fù)渲校捎诿總€(gè)子模塊不再需要頻繁投切，而是按照正弦波的變化依次投入和切除，從而大大降低了器件的開(kāi)關(guān)頻率，使換流器的開(kāi)關(guān)損耗大幅下降。如果不考慮電容電壓平衡，理論上每個(gè)子模塊的IGBT在一個(gè)周波內(nèi)僅需要開(kāi)關(guān)一次。即使考慮電容電壓平衡，器件的開(kāi)關(guān)頻率也可以降至150Hz左右。更良好的輸出波形質(zhì)量。由于MMC拓?fù)浼?jí)聯(lián)子模塊個(gè)數(shù)較多,輸出的電平數(shù)也相應(yīng)增多，因此其輸出的電壓階梯波可以非常接近理想正弦波,各次諧波含有率和總諧波畸變率往往可以滿足接入系統(tǒng)的要求，甚至不需要安裝交流濾波器。階躍電壓和階躍電流降低。由于MMC的電平數(shù)較多，每個(gè)子模塊所構(gòu)成的電壓階梯較小，因此橋臂電壓的階躍(血/&)很小,而橋臂電流甚至是連續(xù)的，從而使得開(kāi)關(guān)器件承受的應(yīng)力大為下降，同時(shí)也減小了換流閥的高頻輻射，容易滿足電磁兼容指標(biāo)的要求。(如圖1)1.3混合式結(jié)構(gòu)Alstom公司結(jié)合了二電平VSC和MMC的特點(diǎn)，提出了一種混合式VSC拓?fù)洌烧坞娐泛蛯?dǎo)通開(kāi)關(guān)兩部分構(gòu)成。其中整形電路由全橋子模塊級(jí)聯(lián)而成，而導(dǎo)通開(kāi)關(guān)由全控型半導(dǎo)體器件直接串聯(lián)構(gòu)成。但這種拓?fù)湓诠β蔬\(yùn)行范圍方面有較大限制，應(yīng)用前景尚不明朗。Mi相以化*用frsi：柘圳非附2結(jié)論由于MMC率先沖破了二電平VSC在器件制造方面的技術(shù)壁壘，自2007年Siemens在國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上報(bào)道了該項(xiàng)技術(shù)后，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前的研究大多集中在半H橋結(jié)構(gòu)的MMC上，由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不具備直流故障的自清除能力，因此發(fā)展前景有限。而采用全橋子模塊或箝位雙子模塊結(jié)構(gòu)的MMC拓?fù)?則是未來(lái)柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向