串联型电压源换流器降损措施的研究

刘子坚

摘要：本文基于VSC-HVDC（柔性直流输电）和FACTS（灵活交通輸电）的现状下，对串联型电压源换流器的损耗原因进行了一番分析，同时针对其损耗因素制定了相关降损策略。希望该策略在日后串联型电压源换流器的损耗上起到帮助性作用，同时保证了装置安全可靠性以及对电网运行损耗率的降低，从一定层面上推动了电网工程建设的发展。

[关键词]串联型电压源 换流器损耗

1 串联型电压源换流器降损现状

随着我国电网工程建设和发展，FACTS和VSC-HVDC在其中有着关键性的作用。FACTS对系统有着安全性、有效性和稳定性的作用，同时对线路传输能力也有积极性的作用。而VSC-HVDC在新能源接入、孤岛供电、城市中心供电以及弱电网等多方面领域中的运用可以说是恰到好处。在该两者之间有一个关键性的共性技术是电力电子可关断器件，譬如：IGBT（电压驱动器件）。现今，在电力系统中运用的大容量电压源换流器关键还是在IGBT直接串联的基础上，与两电平电压源换流器和模块化多电平两种类型串联。

上述的运用范畴中，因为带有在高压大功率环境下保持长久运作的条件，一定会造成元器件温度不断变高，从而对输电设施的安全稳定性产生不良作用。并且，假设换流器损耗在整个电气工程损耗中占有的比例极大，那么对输电设施的工程造价以及运作效率有着重要性的作用。文章针对换流器损耗进行一番分析，并从中找到相关降损策略，在一定程度上保证了灵活输电设备的安全性、可靠性，从而减少了电网运行损耗率，对其在日后工程运用过程中起到了促进作用。

2 损耗原因

由电力电子器件、组件、换流器三种物理等级分层对换流器损耗的结构起到了决定性的作用，其是由可关断器件和二极管以及相关辅助电路组成的。在实际实施的工程工作中，对换流器损耗的重要因素有以下几点。

2.1 调制方式问题

该种方式主要有调制方式、调制比例以及开关频率等。串联型电压源换流器通过对正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量调制（SVPWM）以及优化脉宽调制（OPWM）几方面的运用，做出了相关比较和分析，由此可知，若按照损耗率高低排序，由高到低分别是：正弦脉宽调制（SPWM）、空间矢量调制（SVPWM）、优化脉宽调制（OPWM）。通过对不同调制方式的运用，开关器件的动作频率变化也极大，而对于相同的调制方式，调制比例越大，损耗率就越高，因为此刻是处于电流大部分在IGBT（电压驱动器件）经过的时段，而IGBT的损耗会使总损耗率得到提升。而针对一张确定的调制方式，开关损耗会随着开关频率的变化而变化。

2.2 器件驱动方式问题

IGBT也就是电压驱动器件，在不同驱动电压情况下，该器件导通以及关断时间、集射极电压以及斜率和过冲等具有很大的差异性，并对损耗率造成极其明显的作用。

2.3 换流器结构工艺和附属设备问题

换流器杂散电感中含有直流侧杂散电感和阀臂杂散电感两类。杂散参数在串联型电压源环流器开通过程中有着很大的影响，譬如：导致震荡和电流过冲的现象出现，在一定层面上提高了换流器的损耗率，同时还极有可能对设备运行的安全与否产生无法预计的影响。而换流器附属设备中包含均压电阻、散热器以及连接导线等其他方面，该参数对环流器的损耗有一定程度的影响。

2.4 器件结温问题

电子器件所具备的工作特点一般都与运作中产生的温度有很大关系，由于温度的不断变化，其自身性能就会随之而改变。当温度相较过高的时候，电子器件中的每一项性能通常会变低，因此造成损耗提升，若没有很快的对其制定相关策略，损耗持续增大导致器件发热量升高，从而造成温度进一步提升，如此恶性循环，最终造成电子器件损耗过度并失效。

3 降损策略

3.1 调制策略

减少开关频率能有效性的降低开关损耗，对其导入子模块电容电压平均值保证整形电路总能量变动的平衡。然后对调制机制和能量平衡，因为重复性的充电和放电行为造成子模块电容电压产生波动分量，因此对其安装了二阶低通滤波器来获取直流分量值，再与电容电压额定值作对比和经过比例积分控制器，从而得到一个直接控制量。为了预防因直接控制了造成的开关在短时间内产生频繁的开断情况，必须要先解决不对称方波的调制造成的脉冲信号，然后在触发有关导通开关。因此子模块电容电压平衡和能量再分配需要依据整形电路才能符合标准。

3.2 完善器件驱动方式

在优化IGBT（电压驱动器件造成的损耗基础上，主动均压驱动技术。通过对多重闭环的运用，让IGBT（电压驱动器件）开关过程中集射极电压随着既定的参考电压变化，然后达到IGBT（电压驱动器件）直接串联中电压平衡的效果。

3.3 完善换流器结构，改善附属设备

针对换流器结构设计进行不断的完善，通过对均压屏蔽手段的运用，减少杂散参数对换流器损耗率的不良影响。由于换流器附属设备影响作用不大，通常在筛选时尽量的筛选杂散参数不大、阻值不高的设施。

3.4 改善器件结温状况

由于电子器件使用寿命时长和电子器件在运作过程中产生的温度有直接关系，基于此，我们要改善器件结温的状况，结合IGBT（电压驱动器件），通过运用其平均损耗功率等效热阻抗模型来计算IGBT（电压驱动器件）结温，并且实际运行的结温其实是在一个工频周期中脉动的，同时最高的运行结温相比平均结温要高，因此我们一定要对平均损耗率进行不断的完善，在其计算的基础上制定了子模块投切占空比的损耗功率相关措施，从而使器件结温得到有效性的改善。

4 结论

现阶段由于科学技术的飞快发展，柔性直流输电和灵活交通输电技术在电力工程建设中有着决定性的作用，而作为核心关键性因素的换流器更是对整体的工程造价以及运行效率有着重要影响。文章针对串联型电压源换流器的损耗和降损措施进行了一番探讨，并提出了部分有关建议希望在一定程度上对串联型电压源换流器产生的损耗过大情况起到积极性作用，从而推动我国电力工程建设的长远、健康、可持续发展。