直流输电换流器比较及分析 HVDC.docx

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直流输电换流器比较及分析HVDC

直流工程换流器比较及分析

高压直流（HVDC）输电以其在长距离大容量输电、海底电缆输电和非同步联网等领域的独特优势而得到了广泛应用。

换流器是高压直流输电的核心设备，它是影响HVDC系统性能、运行方式、设备成本以及运行损耗等的关键因素。

一、换流器概述

换流器是实现交直流电相互转换的设备，当其工作在整流（或逆变）状态时，又称为整流器（或逆变器）。

换流器容量巨大、可控性强，对可靠性的要求很高。

传统晶闸管换流器容量很大，但投资大、谐波严重。

电压源换流器能弥补传统晶闸管换流器的部分缺点，其发展十分迅速。

较典型换流器有传统晶闸管换流器、每极2组12脉动换流器、电容换相换流器以及电压源换流器等。

长距离大容量高压直流输电仍然适合采用传统晶闸管换流器;电压源换流器在HVDC中有广泛的应用前景，是未来高压直流输电技术的重要发展方向。

二、换流器的分类

换流器以实现功率变换的关键器件划分，可分为晶闸管换流器和全控器件换流器。

前者指由半控器件晶闸管组成的换流器，后者指由全控器件（又称自关断器件，如IGBT、IGCT）组成的换流器；以换流方式划分，换流器分为电网换相换流器（LCC）和器件换相换流器（DCC）。

前者采用晶闸管器件，由电网提供换相电压而完成换相，后者由全控器件组成，通过器件的自关断特性完成换相；根据换流器直流侧特性划分，换流器又分为电流源换流器（CSC）和电压源换流器（VSC）。

电流源换流器的直流侧通过串联大电感而近似维持直流电流恒定，电压源换流器的直流侧通过并联大电容而保持直流电压近似不变。

电压源换流器依据其拓扑结构进一步分为两电平和模块化多电平换流器（MMC）等结构。

针对晶闸管换流器，还可根据换流器基本单元结构的不同而分为三种:

每极1组12脉动换流器（简称12脉动换流器），每极2组12脉动换流器串联式换流器和每极2组12脉动换流器并联式换流器。

其中，12脉动换流器是常规高压直流输电的典型换流器，每极2组12脉动换流器则适用于特高压直流（HVDC）输电。

电容换相换流器属于电网换相换流器的改进型。

三、阀塔结构设计

阀塔主要由阀模块、屏蔽罩、悬吊支撑结构、阀避雷器等元部件组装而成，通过冷却水管、管母、光纤等实现与冷却系统、直流输电系统其他一次设备及二次控制系统的连接。

阀塔的整体布局在力求美观和满足电气设计要求的基础上，综合考虑了各种相关的复杂因素，如爬电距离、绝缘间隙、内部干扰、杂散电感和电容分布、水压要求、重量分布、安装简便性、维护和试验简易性等。

同时，为了确保高可靠性和长期安全稳定运行，对结构材料选择和零部件设计进行了优化，以降低换流阀故障后发生火灾的风险。

阀塔顶部和底部都安装了屏蔽罩，以屏蔽外界对阀内的电磁干扰，使阀塔内部电场分布均匀，并且隔离阀塔之间的相互影响。

悬吊部分采用标准的复合绝缘子和花篮螺栓将阀塔和避雷器悬挂于阀厅顶部的钢梁上，为便于安装，阀塔的悬吊高低位置可以通过调节花篮螺栓来调整。

阀层间距设计综合考虑了交流、直流、冲击电压下的空气间隙要求，以及交流、直流电压下的局部放电要求，从而设计了合理的空气间隙和爬电距离。

阀塔主体结构采用对称设计，有效减少了连接管母或母排的类型和数量，结构更加简单。

层内及层间利用铝制管母连接阀模块。

每个晶闸管压装结构是由多个晶闸管元件及其散热器通过专用的安装工具压装在一起的，并通过GRP绷带固定，既可以保证良好的电气性能和导热性能，还能有效降低运行时产生的噪声。

四、典型换流器结构及工作原理

（1）采用晶闸管的12脉动换流器

1.电路结构及换流阀结构

常规高压直流输电采用双极两端中性点接地的接线方式，在两端换流站内，每极一组12脉动换流单元。

这种接线方式使换流站的设备数量最少，投资最省，运行可靠性也最高。

12脉动换流单元主要包含12脉动换流器、换流变压器、无功补偿装置、交直流滤波器、直流平波电抗器、控制保护系统以及交直流开关装置等设备，如图1所示。

由于单只晶闸管的参数不能满足换流器高电压、大电流和大容量的需要，因此12个换流阀（也称为阀或桥臂，即V1、V2、V3…V12）采取晶闸管串联或串并联的接线方式。

换流阀一般由60～120只晶闸管串联组成。

2.工作原理

在每个电源周期，12个换流阀以V1、V2、V3…V12的顺序间隔30º轮流触发导通，持续导通120º+μ电角度（μ为换相角），从而将电网的三相正弦电压转变为12脉动的整流电压ud。

与此同时，将直流极线上近似恒定的直流电流Id转变为换流器交流侧的三相电流。

3.性能特点

基于晶闸管的12脉动换流器的主要优点是：

耐压水平高、输送容量大、控制技术成熟、运行经验丰富、制造水平高、运行可靠性强。

其主要缺点是：

只能实现有源逆变，且要求受端系统有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败;换流器产生的谐波次数低、容量大，因此需要大量的滤波设备;换流器吸收大量的无功功率，故需要配置大量无功补偿装置，致使换流站占地面积大、投资大。

由于当前晶闸管的容量远远高于其他电力电子器件，晶闸管换流阀可通过简单的串联以满足HVDC日益增高的直流电压需要，因此晶闸管换流器仍然是当前及今后相当长时期内大容量直流输电工程的首选换流器。

（2）采用晶闸管的UHVDC换流器

1.电路结构及工作原理

适合于UHVDC的换流器具有两种接线方式:

每极2组12脉动换流器串联、每极2组12脉动换流器并联，如图2所示。

我国一律采用每极2组12脉动换流器串联的接线方式。

这是因为换流器的制造难度增加不多，也不会显著增加换流变压器的制造和运输难度，因此可充分利用常规换流器在设计和制造等方面的成熟经验。

图2适合UHVDC的换流器接线方式

适合UHCDV的换流器因为以12脉动换流器作为基本单元，因此其工作原理与常规高压直流输电的换流器相同。

2.性能特点

与12脉动换流器比较，每极2组12脉动换流器串联结构的主要优点是:

输送容量大。

容量可达2500～3600MW是常规500KV换流器的1.7～2.4倍

运行方式灵活。

换流器可双组运行，也可单组运行，从而使直流输送功率为额定容量的100%、75%、50%、25%

可靠性和可用率高。

单极运行方式下任何一组12脉动换流器出现故障时，UHVDC仍然能够输出25%的额定功率

线路损耗低。

在同样传输容量及导线条件下，线损约为±500KV高压直流输电线损的39%，故输电效率高，运行成本低

单位输送容量综合造价小，约是±500KV高压直流输电的72%

线路走廊为756m，单位走廊宽度输送容量为84MW/m，约为±500KV高压直流输电的1.3倍，有利于节省有限的土地资源。

由于UHVDC的换流器仍然采用晶闸管，因此晶闸管换流器的不足在特高压直流输电换流器上依然存在。

（3）电容换相换流器

电容换相换流器（CCC）主要针对电网换相换流器无功消耗大、易发生换相失败的问题。

1.电路结构

图3电容换相换流器原理图

电容换相换流器是在常规晶闸管换流器与换流变压器之间串联电容形成的，如图3所示，图中C为换相电容;ATF为自调谐滤波器。

2.工作原理

换相电容电压近似为梯形波，该电压与换流变压器阀侧电压叠加，使换相电压相位后移，从而使换流阀的关断角γ增大。

直流电流越大，换相电压后移越多，γ越大。

同理，换流母线电压降低时，换相电容上的电压成正比地减小，换相角变化不大，关断角变大。

即使换流母线电压瞬时降到接近于零，也有可能成功换相，因为换相电压可以全部由换相电容的端电压提供。

因此CCC逆变器在直流电流升高和换流母线电压降低时，引起换相失败的可能性减小。

CCC的控制与常规12脉动换流器相似，只是由于CCC仅装设了小容量的无功补偿设备及交流滤波器，因此只需要调节自调谐滤波器的可控电抗器，即可抑制交流谐波，同时满足CCC吸收少量无功的需求。

3.性能特点

与电网换相换流器比较，CCC的主要优点是:

逆变器换相失败的发生率大为减少；2）消耗的无功功率降低，无功补偿需求减小;；3）单极或双极故障紧急停运时，换流站甩负荷过电压倍数下降;；4）换流阀短路电流峰值降低，可降到常规电网换相换流器的一半以下。

电容换相换流器的主要缺点有:

1）换流母线电压三相不对称时，直流电流的瞬时变化使换相电容上的电压幅值和相位发生改变，从而使各换流阀上的换相电压和关断角均不相同，容易诱发换相失败。

2）处于直流接地端的6脉动换流器，当在换相电容和换流变压器之间发生接地故障时，换相电容将通过换流阀放电，危及换流阀的安全。

3）由于换相电容参与换相，使换相过程加快，换相角减小，因此换流阀关断时的阶跃电压增大，换流阀电压应力升高，同时导致换流阀的阻尼回路和避雷器中的损耗增加。

目前，CCC阀的额定电压一般按照比常规换流阀高10%进行设计。

由于直流电流小时CCC抑制换相失败和减小无功消耗的能力相应降低，CCC的技术和经济优势将极大地削弱，因此CCC不适合小电流高压直流输电。

（4）采用全控器件的换流器

采用全控器件和脉宽调制（pulsewidthmodulation，PWM）技术的电压源换流器用于直流输电，这一概念由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi等人于1990年率先提出。

我国将这种新型的高压直流输电技术命名为“柔性直流输电（HVDC-Flexible）”技术。

1.三相两电平VSC电路结构及工作原理

该换流器的主电路为三相桥式电路，如图4所示。

每个桥臂均由多组IGBT及其反并联二极管D组成的基本单元串联构成。

改变调制波的相位（即改变δ），就可控制有功功率的方向和大小;改变调制比（即改变UA），就能控制无功功率的方向和大小。

图4三相两电平电压源换流器拓扑

2.MMC电路结构及工作原理

模块化多电平换流器仍然采用三相桥式电路，每个桥臂由一个桥臂电抗器L和n（n＞1）个IGBT子模块SM级联而成，如图5（a）所示。

每个子模块的主体结构为由IGBT组成的单相半桥电路，见图5（b）所示。

图6MMC输出电压波形

图5MMC及其子模块结构示意图

每个SM具有相同的直流存储电容电压UC。

通过控制相应SM中V1和V2的开通与关断，使交流输出电压为SM输出电压的叠加，从而形成所期望的近似正弦的多电平电压，同时在直流侧产生正、负直流母线电压，如图6所示。

n个SM最多可输出2n+1个电平。

柔性直流输电工程一般需要几十～上百电平，以满足高电压和谐波少的需要。

MMC采用多电平阶梯波调制方法，即通过选择每一个电平持续时间的长短来实现谐波的消除和抑制，并逼近正弦波。

该方法实现简单、开关频率低、转换效率高。

3.性能特点

与常规晶闸管换流器比较，两电平电压源换流器的主要优点是:

1）可实现无源逆变，因而可向无源负载送电;2）可实现有功功率和无功功率的快速解耦控制;3）可动态补偿换流母线的无功功率，快速稳定换流母线电压，因此适合向弱交流系统及多馈入系统送电;3）输出谐波小，故所需滤波装置的容量及投资大为减小;4）模块化设计使柔性直流输电工程的设计、生产、安装和调试周期大大缩短，同时换流站占地面积仅为同容量下常规高压直流输电的20%左右。

两电平电压源换流器的主要缺点是:

器件开关频率高，开关损耗大，换流器损耗通常是晶闸管换流器的2～3倍;大量开关器件直接串联，因此对各器件的开通和关断的一致性要求很高，同时对均压的要求更苛刻。

相比于两电平换流器，MMC的主要优势:

1）有效避免器件直接串联带来的静态、动态均压问题;2）输出电平数多，等效开关频率高，输出电压的谐波含量和电磁干扰水平低，仅需要很小的交流滤波电感甚至无需此电感，因此谐波抑制设备的投资少;3）单个器件的开关频率较低，系统开关损耗较小;4）无需安装直流高压电容器或直流滤波器，可避免直流侧短路引起的浪涌电流以及系统机械破坏的风险，提高系统可靠性的同时，也有利于降低系统成本;5）直流母线发生短路故障时，可由同一桥臂的冗余子模块快速取代故障子模块，从而增强了换流器的可靠性;6）通过增减子模块数量可灵活配置不同电压和功率等级，便于系统扩容，有利于缩短工程设计和制造周期;7）由于MMC的直流储能量大，网侧发生故障时，功率单元不会放电，公共直流母线电压仍然连续，不仅保障了MMC的稳定运行，并可在较短的时间内从故障状态恢复，因而具有很强的“黑启动”能力;8）MMC对系统主回路的杂散参数不敏感，采用普通电缆即可实现子模块间的可靠连接，因而MMC的结构设计更加灵活，便于工程实现。

MMC的不足之处是:

1）在同样的直流电压下，MMC的开关器件数为两电平结构的2倍，经济性略低;2）输出电平数多，使MMC的控制十分复杂，现有的脉冲调制技术尚需完善。

个人评价

1）采用晶闸管的常规电网换相换流器，其电压等级及容量配置方便灵活、容量巨大、设备制造水平高、控制技术成熟、运行经验丰富、运行可靠性强，因此仍将是未来长距离大容量高压直流输电及特高压直流输电的首选换流器

2）电容换相换流器有效降低了换相失败的风险和对无功补偿的需求量，有利于稳定换流母线电压。

然而系统不对称时换相失败的风险依然存在，换流阀电压应力大，增加了相同电压等级下的阀体制造成本。

此外，电容换相换流器只适合大电流直流输电工程应用。

3）电压源换流器在对有功功率和无功功率分别快速控制的同时，还能够动态补偿换流母线的无功功率，有利于提高系统的稳定性;对无功补偿和谐波抑制的需求量小，因此在可再生能源并网、孤岛供电、城市电网供电领域有了一定的应用。

随着电压源换流器输送容量和电压等级的不断提高、其制造成本和损耗的不断下降以及我国能源战略和能源结构的不断完善，电压源换流器在高压直流输电中将有十分广泛的应用前景。