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电网换相换流器
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2017-11-08
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据美国能源信息管理局统计，2014年美国能源的平均零售价格为10.44美分/千瓦时，预计输配电损耗为5%。这一损耗值似乎很低，但是这必须考虑到美国的总净发电功率是4.1万亿兆瓦时。在这种情况下，5%的损耗意味着超过2000亿千瓦时和210亿美元的损失，因此努力改善电力传输方式成为我们的优先事项。
高压直流（HVDC）输电是为减少输配电损耗而实施的解决方案之一。为什么HVDC比常规交流输电更高效呢？HVDC输电线路的损耗比相同电压的AC线路少30-50%。当电压和电流变得异相时，HVDC可以提高功率因数。因为DC没有与其相关的频率，因此它不受集肤效应的影响，可以降低通过线路传输的总功率。当电流密度集中在表面或“外肤位置”时，会发生集肤效应，并且当其朝导体中心移动时会渐渐稀疏。沿表面的电流密度越高，AC的有效电阻也就越高。HVDC还提高了网络的可靠性。某些类型的HVDC站可以帮助稳定异步网络。
那么这么大量的电力如何从全国范围内传输到你家呢？电力首先从源开始，被传输到换流站，在整流为DC电压前，AC在这里被升级至所需电压。然后，电力可以作为HVDC通过远距离转移到另一个换流站，在那里被重新转换为AC，某些类型的换流站具有控制有功和无功功率的增值效益。然后变压器将AC电力提高到所需的电压，以根据需要将电压传输和配送到家庭和/或工厂。图1展示了这一完整过程。
图1：传输过程（输电线路图片由美国杜克公司提供）
最常见的换流站类型是电网换相换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）。
电网换相换流器
目前运行的大多数HVDC系统采用LCC拓扑。LCC的效率稍高于VSC，能够传输更大数量的电力。其典型电压电平为450kV或500kV；然而，中国有几条800kV的线路。由于采用脉宽调制（PWM）技术，LCC不会像VSC那样出现开关损耗。LCC使用晶闸管作为开关装置。多个晶闸管串联成三相整流器的单支线路，即构成了所谓的“阀”。
由于晶闸管只能接通，不能断开，因此交流电压会使晶闸管发生反向偏置并停止传导。因此，LCC中的晶闸管的偏置取决于电网AC侧用于换流的功率。在晶闸管正向偏置后导通时的延时决定了相位角延迟（触发角）。晶闸管的相位角延迟实现了交流波的相位角控制。
LCC有两种典型的架构：6脉冲桥和12脉冲桥。图2所示为6脉冲桥，其使用六个晶闸管阀：每个相位使用两个阀来传导正负电压波形。LCC的谐波响应能力非常差。为了弥补这一点，通过将两个6脉冲桥串联形成12脉冲桥则可以改善谐波。
图2：LCC配置（图片由EE web提供）
据美国能源信息管理局统计，2014年美国能源的平均零售价格为10.44美分/千瓦时，预计输配电损耗为5%。这一损耗值似乎很低，但是这必须考虑到美国的总净发电功率是4.1万亿兆瓦时。在这种情况下，5%的损耗意味着超过2000亿千瓦时和210亿美元的损失，因此努力改善电力传输方式成为我们的优先事项。
高压直流（HVDC）输电是为减少输配电损耗而实施的解决方案之一。为什么HVDC比常规交流输电更高效呢？HVDC输电线路的损耗比相同电压的AC线路少30-50%。当电压和电流变得异相时，HVDC可以提高功率因数。因为DC没有与其相关的频率，因此它不受集肤效应的影响，可以降低通过线路传输的总功率。当电流密度集中在表面或“外肤位置”时，会发生集肤效应，并且当其朝导体中心移动时会渐渐稀疏。沿表面的电流密度越高，AC的有效电阻也就越高。HVDC还提高了网络的可靠性。某些类型的HVDC站可以帮助稳定异步网络。
那么这么大量的电力如何从全国范围内传输到你家呢？电力首先从源开始，被传输到换流站，在整流为DC电压前，AC在这里被升级至所需电压。然后，电力可以作为HVDC通过远距离转移到另一个换流站，在那里被重新转换为AC，某些类型的换流站具有控制有功和无功功率的增值效益。然后变压器将AC电力提高到所需的电压，以根据需要将电压传输和配送到家庭和/或工厂。图1展示了这一完整过程。
图1：传输过程（输电线路图片由美国杜克公司提供）
最常见的换流站类型是电网换相换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）。
电网换相换流器
目前运行的大多数HVDC系统采用LCC拓扑。LCC的效率稍高于VSC，能够传输更大数量的电力。其典型电压电平为450kV或500kV；然而，中国有几条800kV的线路。由于采用脉宽调制（PWM）技术，LCC不会像VSC那样出现开关损耗。LCC使用晶闸管作为开关装置。多个晶闸管串联成三相整流器的单支线路，即构成了所谓的“阀”。
由于晶闸管只能接通，不能断开，因此交流电压会使晶闸管发生反向偏置并停止传导。因此，LCC中的晶闸管的偏置取决于电网AC侧用于换流的功率。在晶闸管正向偏置后导通时的延时决定了相位角延迟（触发角）。晶闸管的相位角延迟实现了交流波的相位角控制。
LCC有两种典型的架构：6脉冲桥和12脉冲桥。图2所示为6脉冲桥，其使用六个晶闸管阀：每个相位使用两个阀来传导正负电压波形。LCC的谐波响应能力非常差。为了弥补这一点，通过将两个6脉冲桥串联形成12脉冲桥则可以改善谐波。
图2：LCC配置（图片由EE web提供）
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