电压源换流器（VSC）并比较两种拓扑结构

该系列文章的第一部分介绍了电网换相换流器（LCC）。在这部分中，我将讨论电压源换流器（VSC）并比较两种拓扑结构。

VSC目前已成为首选实施对象，原因如下：VSC具有较低的系统成本，因为它们的配站比较简单。VSC实现了电流的双向流动，更易于反转功率流方向。VSC可以控制AC侧的有功和无功功率。VSC不像LCC那样依赖于AC网络，因此它们可以向无源负载供电并具有黑启动能力。使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）阀，则无需进行晶闸管所需的换流操作，并可实现双向电流。

表1对LCC和VSC进行了对比。VSC的电压电平通常在150kV-320kV范围内，但一些电压电平可高达500kV。VSC有几种不同的类型。让我们来看看两电平、三电平和模块化多电平。

 

	电压源换流器	电网换相换流器
换流	不需要交流波形。独立于电网工作，具有黑启动功能。	在网络的交流侧需要正弦波以进行换流。可能有换流故障。
系统成本	成本较低。无需无功补偿。对谐波滤波的需求较低。大多数模块化多电平换流器（MMC）没有谐波滤波。	成本较高。需要谐波滤波。需要无功功率补偿。
功率因数	控制无功和有功功率。	需要交流侧或备用电源的无功电源。
谐波	低谐波。	高谐波。
功率流	电流可以在两个方向上流动，易于反转功率流。	功率流只能通过反转电压极性来反转。
电压和功率电平	电压电平（500kV）和功率电平（1000MW）较低。*	可承载高达800kV和8000MW。*
换流器效率	由于开关损耗，效率较低。	在换流器处损失较少的传输功率。

 

*参见2016年电气与电子工程师协会（IEEE）第16届国际环境与电气工程会议文章“LCC-HVDC和VSC-HVDC技术与应用的综述。”

表1：换流器比较

两电平电压源换流器

如图1所示，两电平VSC具有IGBT，每个IGBT具有与其并联的反向二极管。每个阀包括多个串联的IGBT/二极管组件。使用脉宽调制（PWM）控制IGBT，以帮助形成波形。因为IGBT在实现PWM时多次导通关断，所以会发生开关损耗，而谐波是一个因素。

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改善了谐波问题。三电平换流器每相有四个IGBT阀。其中两个二极管阀用于钳位电压，但您可以用IGBT代替它们，以获得更好的可控性。打开顶部的两个IGBT获得较高的电压电平，打开中间的两个IGBT获得中间（或零）电压电平，打开底部的两个阀获得较低的电压电平。

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与另两种换流器不同，因为每个阀就是一个具有内置式平流电容器的换流器模块。MMC取代了含有多个IGBT的阀，它具有多个级联的换流器模块。其中每一个模块都代表了特定的电压电平。MMC中的换流器模块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，以致通常不需要滤波。它也比两电平和三电平VSC更有效，因为它没有与IGBT阀相同的开关损耗。

图4：波形输出（图片由SVC PLUS VSC技术提供）

为了监控功率因数、电压和电流电平，可在配站交流和直流的可测量侧测量信号。在接收到该信息时，换流器控制装置可以做出所需的调整，以维持稳定的功率电平和适当的功率因数。 保护继电器系统或智能电子器件（IED）可收集信号信息。请参见图5。

图5：信号解释

使用全差分隔离放大器的隔离电流和电压测量是一种TI参考设计，可以测量交流和直流信号。设计指南解释了如何使用隔离运算放大器调节信号以增加振幅，并抑制任何共模电压和噪声。具有板载ADC的MCU将分析和解释此信号。从波形确定的信息反馈到换流器的控制装置，从而对不断变化的相位和电压电平进行调整，以保持稳定性。

审核编辑：何安