HVDC工程中两类换流器的综合比较

谢沁园

摘 要：本文主要介绍HVDC工程中电网换相换流器（LCC）和模块化多电平换流（MMC），前者采用半控器件晶闸管组成换流器，而后通过电网换相的方式实现换流;后者则采用全控器件组成换流器，通过控制器件的通断实现换流。

关键词：电网换相换流器;模块化多电平换流器;晶闸管

中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0064-04

Abstract： Line Commutated Converter （LCC） and Modular Multilevel Converter （MMC） were mainly introduced in this paper. The former uses a half-controlled device thyristor constitutes an inverter， and then commutates through the grid commutation method. The inverter uses a full control device， and the commutation is realized by controlling the on and off of the device.

Keywords： Line Commutated Converter;Modular Multilevel Converterr;thyristor

换流器是高压直流输电的核心部件，可将直流设备的直流电转化为交流电，广泛应用于一些重要项目。将交流电转化为直流电，若为整流状态，则又被称为整流器;而把直流电转换成交流电时工作在逆变状态，称为逆变器。

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）两种。前者采用晶闸管器件，由换相工作通过电网提供电压;换相结束后，通过全控构建组成控制器，关闭设备智能化，实现自动换相。换流器直流侧特性差异较大，相应的直流换流器也可以分为（CSC）和电压源换流器（VSC）。对应的电流转换器直流发现串联大电感完成后，其直流不发生明显变化。电流换流器则针对拓扑结构的特殊性逐渐向两电平、多电平换流器结构方向发展[1]。

1 电网换相换流器——LCC

LCC采用晶闸管换流阀。1972年，某国运河的发电项目中采用晶闸管换流阀支持，应用效果显著。后来，常规直流输电工程中常采用晶闸管器件施工。

1.1 半控器件——晶闸管

晶闸管又称为可控硅整流器，是晶体闸流管的简称，曾被称为可控硅，由1957年开发后逐渐推广到全世界。

晶闸管为半控器件，根据外形不同可分为螺栓形和平板形两种封装结构（高压直流输电工程使用平板形），均引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G共3个连接端，如圖1所示。晶闸管内部是PNPN共4层半导体结构。其结构和等效电路如图2所示。

4个区存在3个PN结，分别表示为J1、J2和J3。若器件上为正向电，则J2处于反向偏置状态，A、K则为阻断状态，通过的漏电流较小。若反向电压在器件上，则J1和J3反偏，设备被阻断，反向漏电流通过为极少量。

晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图3所示。

正常工作时的特性如下：①若晶闸管承受反向电压，任何情况下晶闸管并不导通;②若晶闸管承受正向电压，晶闸管并不导通（门极存在触电下则开通）;③在晶闸管导通状态下，门极不受控制，门极是否触发都无法改变晶闸管导通状态;④操作导通晶闸管，关闭后，以外加电压、外电路影响，控制穿过晶闸管电流为0或规定数值以下[2]。

1.2 LCC工作原理

6脉波换流器在直流侧串联，共同形成12脉波换流器;交流侧以换流变压器支持;网侧绕组以并联形式运行，如图5所示。阀侧绕组属星形联结，与三角形联结，保证12脉波换流器交流侧为相位差30°换相电压。一些大容量直流输电中，常采用2组双绕组换流变压器，保证工程稳定电力供应;一些小容量工程，则可采用三绕组换流变压器支持开展工程[3]。

以傅里叶级数进行分解分析，深入研究12脉动换流器发现：其整流电流中存在12k=12、24……次特征谐波（k为自然数）;在相电流中，发现12k±1=11、13、23、25……次特征谐波。各种谐波传输由直流/交流滤波器进行抑制，满足HVDC工程限制谐波要求。此外，12脉动换流器还存在以下几种常使用的控制方式：可通过整流器的直流电流及最小触发角进行控制（如图6所示），逆变器直流电压进行控制（如图7所示），以最小关断角及直流电流进行控制，或者在换流站配置低压限流落实科学控制等。

1.3 LCC的优缺点

优点：①线路走廊窄，造价低，损耗小;②线路输送容量大，输送距离不受限制;③运行稳定且可靠。

缺点：①LCC只对应有源逆变，对受端系统短路容量要求严格，若容量不足，极易发生换相失败;②换流器运行产生谐波次数低、容量大，需大量滤波设备给予充分自持;③换流器吸收大量的无功功率，需配置大量无功补偿装置确保系统稳定运行。但是，大量无功补偿设备占用换流站大量面积，且需要大量成本投入。

2 模块化多电平换流器——MMC

2.1 全控器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT）

绝缘栅双极晶体管具有良好的特性，如通流能力强、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、对应的驱动功率小以及驱动电路设计简单等。自1986年投入市场以来，其迅速扩展应用领域，成为大、中功率电力电子设备的主导器件。

IGBT主要是将较高较强的电流、电压及终端设备通过MOSFET（垂直功率）进行进化，实现高击穿电压需源漏通道，通道电阻率较高，造成功率MOSFET的RDS（on）数值高。通过IGBT，现有功率MOSFET的不利影响得到有效控制。虽然新一代MOSFET优化RDS（on）特性，但遇到高电平时，功率导通损耗仍比IGBT技术高出很多。较低的压降转换为低VCE（sat）能力。以IGBT和标准双极器件比对分析发现，其可接受高电流密度，简化IGBT驱动器原理图。

2.2 工作原理

系统原理图如图8所示，每个子模块的主体结构为由IGBT组成的单相半桥电路。其中，各个IGBT子模块的直流储存电容电压无异，通过控制IGBT下属模块中的V1和V2，操纵关闭或开通，保证交流电压输出由IGBT下属模块电压叠加值形成多电平电压。n个SM最多可输出2n+1个电平。而柔性直流输电工程对电平需求较多，往往需要几十至上百电平，以满足高电压和谐波少的需要。

MMC主要采用多电平阶梯波调制方式，如图9所示，主要针对电平持续时间的长短对谐波进行消除并抑制，逐渐逼近正弦波。采用该方式操作简单，且开关实际频率较低，可进行高效转换。对IGBT子模块的拓扑结构而言，各个子模块存在2个IGBT管，以T1、T2表示，IGBT管和开关管反并联的两个二极管（D1，D2）及直流储能电容共同组成半桥结构。各器件和IGBT管结合，子模块存在几种不同的工作状态 其流经的器件，如表1所示[4]。

2.3 工程现状

从表2可见，从2010年Trans Bay Cable工程投运后，MMC运用在HVDC工程已成为广泛认可的工程建设趋势，即绝大部分的新建工程采用了MMC（或者CTL）作为其拓扑结构。

经济发展带动电网发展，电网容量和实际电压等级也在不断提高。为确保在现代化电网发展中实现能量变化，多采用电平数换流器。在传统二极管筘位型换流器上，可实现较高的电平数，但是电平数增加，对应拓扑结构也更加复杂，且控制系统复杂，实现困难，不利于将该系统运用到实际的高压直流输电中。MMC可解决这一问题，通过将固定数量的子模块串联起来形成换流阀，完美展现出H桥式拓扑模块化、冗余以及易拓展的优势，且增加子模块数量扩容电路，灵活性突出，可应用到各功率及电压场合。MMC在无功补偿、有源电力滤波器以及电机拖动等方面的应用前景较好。

2.4 MMC的优缺点

优点[5]：①MMC可避免器件直接串联，出现静态、均压;②MMC输出电平可靠，数量较多，开关频率较高，对应输触电谐波含量和电磁干扰水平较低，较小交流滤波即可确保运行，系统整体成本较低，谐波抑制设备的投资少;③MMC下的单一器件开关频率低，开关运作损耗小;④该系统无需安装高压电容器、直流滤波器等，沒有直流测短路导致的浪涌电流、系统机械性故障问题，系统可靠，后期运维成本较低;⑤若母线短路，通过同桥臂冗余子模块可取代故障模块运行;⑥通过增加或减少下属模块数量配置不同的电压，一切以系统扩容为中心，缩短设计落实时间;⑦MMC自身的直流储能突出，能量较大，若发现网侧出现故障且功率模块无放电现象出现，可保证系统稳定运行，迅速恢复故障;⑧MMC和系统主回路杂散参数互不敏感，以电缆实现子模块连接，MMC结构设计灵活，工程实现简单。

缺点[5]：①直流电压保持不变，发现MMC开关器件数量较多，达到2电平结构2倍及以上，经济效果不突出;②此外，在多个输出电平背景下，无法实现对MMC的科学控制，控制过程较复杂，仍然需要进一步研究完善脉冲调制技术[6-7]。

3 结语

基于以上分析可以看出，常规的LLC换流器设备的成本低、控制方式简单、运行可靠性强，在未来的直流输电工程上还可以利用。MMC吸收的无功少，产生的谐波小，但是控制较复杂，运行成本较高，但在技术不断进步的未来，可能得到大规模应用。

参考文献：

[1]文俊，殷威扬，温家良，等.高压直流输电系统换流器技术综述[J].南方电网技术 2015.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版社，2018.

[3]韩民晓，文俊，徐永海.高压直流输电原理与运行[M].2版.北京：机械工业出版社，2018

[4]吴桂良.基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[5]王帅伊.柔性直流输电技术与常规直流输电技术的对比研究[J].通信电源技术，2014（6）：30-32.

[6] TANG Y， TEN C-W， WANG C， et al. Extraction of energy information from analog meters using image processing [J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2015， 4（6）：2032-2040.

[7] TEN C-W， TANG Y. Electric Power： Distribution Emergency Operation [M]. Boca Raton， FL， USA： CRC Press Taylor & Francis Group， 2018.