高压输电中的电压源换流器技术详解

高压输电中的电压源换流器技术详解

高压输电技术是现代电力系统的重要组成部分，其中换流器是实现交流电（AC）与直流电（DC）转换的关键设备。本文将介绍电压源换流器（VSC）的几种类型及其工作原理，并与电网换相换流器（LCC）进行对比。

电压源换流器（VSC）的优势

VSC目前已成为高压直流输电（HVDC）的首选实施对象，原因如下：

• 系统成本低：VSC的配站结构相对简单，降低了整体系统成本。
• 双向电流流动：VSC能够实现电流的双向流动，更易于反转功率流方向。
• 功率控制灵活：VSC可以独立控制交流侧的有功和无功功率。
• 供电能力强大：VSC不像LCC那样依赖于交流网络，可以向无源负载供电，并具有黑启动能力。
• 开关损耗低：使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）阀，无需进行晶闸管所需的换流操作，实现双向电流流动。

表1总结了LCC和VSC的主要对比特点。VSC的电压电平通常在150kV-320kV范围内，但一些特殊应用中电压电平可高达500kV。

VSC的几种类型

两电平电压源换流器

如图1所示，两电平VSC主要由IGBT组成，每个IGBT都并联有反向二极管。每个阀包含多个串联的IGBT/二极管组件。通过脉宽调制（PWM）控制IGBT，以形成所需的波形。由于IGBT在实现PWM时需要多次导通关断，因此会产生一定的开关损耗，谐波也是一个需要考虑的因素。

图1：两电平VSC（HVDC换流器图片由维基百科提供）

三电平电压源换流器

如图2所示，三电平VSC通过增加电平数来改善谐波问题。每相包含四个IGBT阀，其中两个二极管阀用于钳位电压（也可以用IGBT代替以获得更好的可控性）。通过控制不同IGBT的开关状态，可以获得高、中、低三个电压电平。

图2：三电平VSC（HVDC换流器图片由维基百科提供）

模块化多电平换流器（MMC）

MMC与前两种换流器不同，每个阀都是一个带有内置平流电容器的换流器模块。MMC通过级联多个这样的换流器模块来取代传统的IGBT阀。每个模块代表一个特定的电压电平，可以是半桥式或全桥式换流器。

图3：模块化换流器类型（HVDC换流器图片由维基百科提供）

MMC方法显著提高了谐波性能，通常不需要额外的滤波器。与两电平和三电平VSC相比，MMC的开关损耗更低，效率更高。

图4：波形输出（图片由SVC PLUS VSC技术提供）

控制与监测

为了确保系统的稳定运行，需要对功率因数、电压和电流电平等参数进行实时监测。在配站的交流侧和直流侧可测量相关信号，换流器控制装置根据接收到的信息做出调整。保护继电器系统或智能电子设备（IED）负责收集信号信息。

图5：信号解释

采用全差分隔离放大器进行隔离电流和电压测量是一种有效的设计方法。通过隔离运算放大器可以调节信号幅度，抑制共模电压和噪声。配备板载ADC的微控制器（MCU）负责分析和解释信号，根据波形信息调整换流器的控制参数，以维持稳定的功率电平和适当的功率因数。

其他资源

• 了解更多关于HVDC系统的相关信息
• 使用全差分隔离放大器的隔离电流和电压测量设计（TIDA-00555）
• 阅读本系列的第一部分