模块化多电平(MMC)电压源型换流器工作原理

第 1 页共 16 页模块化多电平（MMC）电压源型换流器 1 柔直输电的基本原理柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术,也同样由换流站和直流输电线路构成。柔性直流输电功率可双向流动，两个换流站中的任一个既可以作整流站也可以作逆变站运行，其中处在送电端的工作在整流方式，处在受电端的工作在逆变方式。为简明起见，以典型的三相两电平六脉动型换流器的柔性直流输电换流站为例，介绍柔性直流输电的基本原理。系统结构如图 2-1 所示。由图虚线划分可知，两端柔性直流输电系统可以看作为两个独立的静止无功发生器（STATCOM）通过直流线路联结的合成系统；对于交流系统而言，交流系统向柔性直流换流站提供连接节点，即换流站与交流系统是并联的。由以上柔性直流输电系统拓扑结构特点分析可知，柔性直流输电系统具有 STATCOM 进行动态无功功率交换的功能，除此之外，由于两个电压源换流器（VSC）的直流侧互联，它们之间又具备了有功功率交换的能力，可以在互联系统间进行有功潮流的传输。图 2-1 两端 VSC-HVDC 结构示意图第 2 页共 16 页（1－两端交流系统；2－联结变；3－交流滤波器；4－相电抗/阀电抗器；5－换流阀；6－直流电容；7－直流电缆/架空线路。背靠背式两端 VSC-HVDC 不包含 7）柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器/阀电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统）等。电压源型换流器包括换流电路和直流电容器，实现交流电和直流电转换的换流电路由一个或多个换流桥并联（或串联）组成，目前在柔性直流工程中还未出现多个换流桥组成的组合式换流器，但组合式换流器可以达到降低开关频率，减少损耗的目的，在某些情况下也可能被采用。电压源型换流桥可以采用多种拓扑结构，工程中常用的有三相两电平桥式结构，二极管钳位式三电平桥式结构、模块化多电平结构，还有工程中未曾应用，但研究者比较关注的二极管钳位多电平结构和飞跨电容多电平结构。换流器中的每个桥有三个相单元，一个相单元有上下两个桥臂，每个桥臂或由一重阀（两电平）构成，或由两重阀（三电平）构成，或由多重阀（多电平）构成。柔性直流输电系统的换流阀由于并联了续流二极管阀，因而具有双向导通性，一个换流阀由一个或数个阀段组成，每个阀段又由多个阀层组成。在已投入运行的柔性直流工程中，阀层就是由压装式 IGBT 连同驱动电路、散热片及其他辅助电路共同构成的（电压源型换流器的结构分解图如图 2-2 所示）。直流电容器为 VSC 提供直流电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；相电抗器则是电压源换流器与交流系统进行能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用。此外，交流滤波第 3 页共 16 页器的作用是滤除交流侧谐波；换流变压器是带抽头的普通变压器，其作用是为电压源换流器提供合适的工作电压，保证电压源换流器输出最大的有功功率和无功功率。图 2-2 电压源换流器（VSC）结构分解图两端电压源换流器的换流站与直流线路合在一起构成柔性直流输电系统，换流站的两个直流端点分别接到线路的两根导线。与常规直流一样，这些端点称为极。柔性直流输电系统通常是双极运行，从两组对称的直流电容器组的中间引出一点接地，换流器的两个直流端第 4 页共 16 页一端为正极，一端为负极。正常情况下，两根极导线中的直流电流大小相等，方向相反，没有电流通过接地点和大地。联接两个交流有源网络的柔性直流输电系统的稳态物理模型如图所示，通过对两端 VSC 的有效控制可以实现两个交流有源网络之间有功的相互传送，在有功传送的同时，各端 VSC 还可以调节各自所吸收或发出的无功对所联两端交流系统予以无功支持，是一种具有快速调节能力、多控制变量的新型直流输电系统。图 2-3 柔性直流输电技术原理图与基于相控换相技术的电流源换流器型直流输电不同，电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)是一种以可控关断器件和阶梯波调制 (SWM)技术为基础的新型直流输电技术。上海南汇柔性直流输电工程第 5 页共 16 页两端换流站均采用 MMC 结构电压源型换流器和阶梯波调制（SWM）技术。图 2-4 柔性直流输电系统交流侧基波等效原理图如图 2-3 所示，由 MMC 拓扑结构换流器可知，换流器上下桥臂电压分别是由上下桥臂所有级联子模块的输出电压合成的。增加子模块的串联的级数，可以大大降低换流器输出电压的总谐波畸变率。理论上讲，当换流器级联的子模块数为无穷大时，换流器输出电压近似于正弦波；同时还可以增加换流器的容量，改善换流器的动态响应性能。但是，实际应用中换流器的级联子模块数并不能无限制的增加，它会受到诸如系统复杂性等因素的限制。 MMC可以通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，独立地控制输出的有功功率和无功功率。在假设阀电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率 P 及无功功率 Q 分别为：第 6 页共 16 页其中，Uc 为换流器输出电压的基波分量；Us 为交流母线电压基波分量；δ 为 Uc 和 S 之间的相角差；Xeq 为相电抗器的电抗。有功功率的传输主要取决于 δ，无功功率的传输主要取决于 Uc。因此通过对 δ 的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制 Uc 就可以控制 VSC 发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看， VSC 可视为一无转动惯量的电动机或发电机，可以实现有功和无功功率的瞬时独立调节，进行四象限运行。图 2-5 柔性直流输电系统换流器稳态运行相量图 2 电压源型换流器（VSC）电压源换流器（VoltageSourceConverter，VSC）为柔性直流输电系统的核心部件，是影响整个换流系统性能、运行方式、设备成本及运行损耗等的关键因素。电压源换流器是基于全控型功率半导体器件的电力电子变换装置。由于电压源换流器中直流电压的极性不变，直流电流是双向的，因此所采用的可关断器件组（VSC 阀)只需阻断正向电压而无需阻断第 7 页共 16 页反向电压，同时应具备双向电流导通能力，通常采用可关断器件(如 IGBT、IGCT 等)与反并联的二极管构成电压源换流器的基本单元。在高压换流器中，为增大装置容量，可以采用将多个基本单元串/并联来形成一个电压源换流器阀，从而为电压源换流器装置提供适当的电压和电流。电压源换流器具有多种形式的拓扑结构，如两电平（2-level）、三电平（3-level）、多电平（multi-level），各电压源换流器基本单元间的不同布置也会产生出新的拓扑，即组合型电压源换流器，如多脉波（multi-pulse）电压源换流器。电压源换流器中可关断器件的开通、关断是通过各种调制策略来实现的，调制策略是电压源换流器控制技术的核心。在柔性直流输电领域，大多采用脉宽调制技术（PulseWidthModulation，PWM）。当微处理器应用于脉宽调制技术实现数