柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器拓撲結構

柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器拓撲結構作者：屠卿瑞來源：《科技資訊》2013年第23期屠卿瑞(廣東電網電力調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，通過分析不同類型的換流閥拓撲結構，比較它們的優(yōu)缺點，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，是未來柔性直流輸電技術的發(fā)展方向，關鍵詞: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:TM46文獻標識碼:A文章編號：1672-3791(2013)08(b)-0113-01根據換流閥能否主動切斷電流,一般將高壓直流輸電技術分為兩類［1］。第一類以晶閘管為主要器件,需要交流電網提供換相電壓，因此被稱為電網換相換流器型直流輸電(LineCommutatedConverterbasedHVDC,LCC-HVDC);另一類換流閥采用IGBT等可關斷器件，不需要交流電網提供電壓支撐，換流器本身相當于一個電壓源，因此被稱為電壓源換流器型直流輸電(Voltage-SourcedConverterbasedHVDC，VSC-HVDC)［2］。LCC-HVDC技術的發(fā)展已較為成熟,但對于需要在受端電網某一區(qū)域集中落點多回直流輸電線路的情況，這種技術本身的換相失敗問題,可能造成多回直流輸電線路輸送功率中斷，使得受端電網的安全穩(wěn)定性受到較大威脅［1］。而VSC-HVDC技術由于不存在換相失敗的問題，在交流系統(tǒng)電壓跌落時仍能保持一定的功率傳輸，因此可以很好地解決上述問題。VSC-HVDC采用自關斷器件(主要是IGBT),可以同時控制輸出交流電壓的幅值和相位，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立解耦控制。它本身可以發(fā)出或吸收無功功率，能夠向無源網絡或弱交流系統(tǒng)供電，便于構成多端直流電網［2］。由于以上一系列特性，使VSC-HVDC技術在輸電和配電領域都有著廣泛的應用前景。世界三大電力設備制造商都分別推出了自己的VSC產品。ABB公司將VSC-HVDC的商標注冊為“HVDCLight”，Siemens公司稱其為“HVDCPLUS”，Alstom公司的VSC產品商標為“HVDCMaxSine”。2006年5月，由中國電科院組織國內權威專家在北京召開的“輕型直流輸電系統(tǒng)關鍵技術研究框架研討會”，與會專家一致建議將基于VSC技術的直流輸電統(tǒng)稱為“柔性直流輸電”［1］。1柔性直流輸電技術的分類目前柔性直流輸電換流器的拓撲結構主要有以下三類。1.1二電平或三電平結構二電平或三電平VSC拓撲早在二十世紀九十年代初便開始逐步應用于工業(yè)驅動領域，ABB公司首先將其擴展到輸電領域，于1997年在瑞典Hellsj?n建立了首個VSC-HVDC工業(yè)試驗性工程。由于ABB公司在壓接式高壓IGBT生產工藝及動態(tài)均壓技術方面的壟斷,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構［1］。1.2模塊化多電平結構模塊化多電平換流器(ModularMultilevelConverter,MMC)最早由R.Marquardt教授于2001年提出并申請專利，其拓撲結構見圖1。它由多個結構相同的子模塊(Sub-module,SM)級聯(lián)構成。子模塊的結構可以分為半H橋型、全H橋型和箝位雙子模塊型三種。由于MMC拓撲的橋臂子模塊IGBT并不需要在同一時刻一起導通,而是隨著正弦波的變化依次導通以構成正弦電壓波形，因此避免了多個IGBT直接串聯(lián)所帶來的動態(tài)均壓問題。除此之外,MMC還具有如下幾個明顯優(yōu)勢。更低的換流器損耗。原有的二電平拓撲一般采用脈寬調制技術來減少低次諧波，因此需要頻繁開關IGBT。而MMC拓撲中，由于每個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關頻率，使換流器的開關損耗大幅下降。如果不考慮電容電壓平衡，理論上每個子模塊的IGBT在一個周波內僅需要開關一次。即使考慮電容電壓平衡，器件的開關頻率也可以降至150Hz左右。更良好的輸出波形質量。由于MMC拓撲級聯(lián)子模塊個數較多,輸出的電平數也相應增多，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的電平數較多，每個子模塊所構成的電壓階梯較小，因此橋臂電壓的階躍(血/&)很小,而橋臂電流甚至是連續(xù)的，從而使得開關器件承受的應力大為下降，同時也減小了換流閥的高頻輻射，容易滿足電磁兼容指標的要求。(如圖1)1.3混合式結構Alstom公司結合了二電平VSC和MMC的特點，提出了一種混合式VSC拓撲，它由整形電路和導通開關兩部分構成。其中整形電路由全橋子模塊級聯(lián)而成，而導通開關由全控型半導體器件直接串聯(lián)構成。但這種拓撲在功率運行范圍方面有較大限制，應用前景尚不明朗。Mi相以化*用frsi：柘圳非附2結論由于MMC率先沖破了二電平VSC在器件制造方面的技術壁壘，自2007年Siemens在國際大電網會議上報道了該項技術后，受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。目前的研究大多集中在半H橋結構的MMC上，由于這種拓撲結構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構的MMC拓撲,則是未來柔性直流輸電技術的發(fā)展方向