探索高壓輸電――第2部分：電壓源換流器

該系列文章的第一部分介紹了電網換相換流器(LCC)。這篇文章將討論電壓源換流器(VSC)并比較兩種拓撲結構。

VSC目前已成為首選實施對象，原因如下：VSC具有較低的系統(tǒng)成本，因為它們的配站比較簡單。VSC實現了電流的雙向流動，更易于反轉功率流方向。VSC可以控制AC側的有功和無功功率。VSC不像LCC那樣依賴于AC網絡，因此它們可以向無源負載供電并具有黑啟動能力。使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)閥，則無需進行晶閘管所需的換流操作，并可實現雙向電流流動。

表1對LCC和VSC進行了對比。VSC的電壓電平通常在150kV-320kV范圍內，但一些電壓電平可高達500kV。VSC有幾種不同的類型。讓我們來看看兩電平、三電平和模塊化多電平。

*參見2016年電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)第16屆國際環(huán)境與電氣工程會議文章“LCC-HVDC和VSC-HVDC技術與應用的綜述。”

表1：換流器比較

兩電平電壓源換流器

如圖1所示，兩電平VSC具有IGBT，每個IGBT具有與其并聯的反向二極管。每個閥包括多個串聯的IGBT/二極管組件。使用脈寬調制(PWM)控制IGBT，以幫助形成波形。因為IGBT在實現PWM時多次導通關斷，所以會發(fā)生開關損耗，而諧波是一個因素。

圖1：兩電平VSC(HVDC換流器圖片由維基百科提供)

三電平電壓源換流器

如圖2所示，三電平VSC改善了諧波問題。三電平換流器每相有四個IGBT閥。其中兩個二極管閥用于鉗位電壓，但您可以用IGBT代替它們，以獲得更好的可控性。打開頂部的兩個IGBT獲得較高的電壓電平，打開中間的兩個IGBT獲得中間(或零)電壓電平，打開底部的兩個閥獲得較低的電壓電平。

圖2：三電平VSC(HVDC換流器圖片由維基百科提供)

模塊化多電平換流器

MMC與另兩種換流器不同，因為每個閥就是一個具有內置式平流電容器的換流器模塊。MMC取代了含有多個IGBT的閥，它具有多個級聯的換流器模塊。其中每一個模塊都代表了特定的電壓電平。MMC中的換流器模塊是半橋式或全橋式換流器。

圖3：模塊化換流器類型(HVDC換流器圖片由維基百科提供)

MMC方法顯著提高了諧波性能，以致通常不需要濾波。它也比兩電平和三電平VSC更有效，因為它沒有與IGBT閥相同的開關損耗。

圖4：波形輸出(圖片由SVC PLUS VSC技術提供)

為了監(jiān)控功率因數、電壓和電流電平，可在配站交流和直流的可測量側測量信號。在接收到該信息時，換流器控制裝置可以做出所需的調整，以維持穩(wěn)定的功率電平和適當的功率因數。保護繼電器系統(tǒng)或智能電子器件(IED)收集信號信息。請參見圖5。

圖5：信號解釋

使用全差分隔離放大器的隔離電流和電壓測量是TI參考設計之一，可以測量交流和直流信號。設計指南解釋了如何使用隔離運算放大器調節(jié)信號以增加振幅，并抑制任何共模電壓和噪聲。具有板載ADC的MCU將分析和解釋此信號。根據波形確定的信息反饋到換流器的控制裝置，從而將對不斷變化的相位和電壓電平進行調整以保持穩(wěn)定性。