探索高壓輸電 - 第2部分，電壓源換流器

該系列文章的第一部分介紹了電網(wǎng)換相換流器(LCC)。在這部分中，我將討論電壓源換流器(VSC)并比較兩種拓撲結構。

VSC目前已成為首選實(shí)施對象，原因如下：VSC具有較低的系統成本，因為它們的配站比較簡(jiǎn)單。VSC實(shí)現了電流的雙向流動(dòng)，更易于反轉功率流方向。VSC可以控制AC側的有功和無(wú)功功率。VSC不像LCC那樣依賴(lài)于A(yíng)C網(wǎng)絡(luò )，因此它們可以向無(wú)源負載供電并具有黑啟動(dòng)能力。使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)閥，則無(wú)需進(jìn)行晶閘管所需的換流操作，并可實(shí)現雙向電流。

表1對LCC和VSC進(jìn)行了對比。VSC的電壓電平通常在150kV-320kV范圍內，但一些電壓電平可高達500kV。VSC有幾種不同的類(lèi)型。讓我們來(lái)看看兩電平、三電平和模塊化多電平。

*參見(jiàn)2016年電氣與電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE)第16屆國際環(huán)境與電氣工程會(huì )議文章“LCC-HVDC和VSC-HVDC技術(shù)與應用的綜述。”

表1：換流器比較

兩電平電壓源換流器

如圖1所示，兩電平VSC具有IGBT，每個(gè)IGBT具有與其并聯(lián)的反向二極管。每個(gè)閥包括多個(gè)串聯(lián)的IGBT/二極管組件。使用脈寬調制(PWM)控制IGBT，以幫助形成波形。因為IGBT在實(shí)現PWM時(shí)多次導通關(guān)斷，所以會(huì )發(fā)生開(kāi)關(guān)損耗，而諧波是一個(gè)因素。

圖1：兩電平VSC(HVDC換流器圖片由維基百科提供)

三電平電壓源換流器

如圖2所示，三電平VSC改善了諧波問(wèn)題。三電平換流器每相有四個(gè)IGBT閥。其中兩個(gè)二極管閥用于鉗位電壓，但您可以用IGBT代替它們，以獲得更好的可控性。打開(kāi)頂部的兩個(gè)IGBT獲得較高的電壓電平，打開(kāi)中間的兩個(gè)IGBT獲得中間(或零)電壓電平，打開(kāi)底部的兩個(gè)閥獲得較低的電壓電平。

圖2：三電平VSC(HVDC換流器圖片由維基百科提供)

模塊化多電平換流器

MMC與另兩種換流器不同，因為每個(gè)閥就是一個(gè)具有內置式平流電容器的換流器模塊。MMC取代了含有多個(gè)IGBT的閥，它具有多個(gè)級聯(lián)的換流器模塊。其中每一個(gè)模塊都代表了特定的電壓電平。MMC中的換流器模塊是半橋式或全橋式換流器。

圖3：模塊化換流器類(lèi)型(HVDC換流器圖片由維基百科提供)

MMC方法顯著(zhù)提高了諧波性能，以致通常不需要濾波。它也比兩電平和三電平VSC更有效，因為它沒(méi)有與IGBT閥相同的開(kāi)關(guān)損耗。

圖4：波形輸出(圖片由SVC PLUS VSC技術(shù)提供)

為了監控功率因數、電壓和電流電平，可在配站交流和直流的可測量側測量信號。在接收到該信息時(shí)，換流器控制裝置可以做出所需的調整，以維持穩定的功率電平和適當的功率因數。 保護繼電器系統或智能電子器件(IED)可收集信號信息。請參見(jiàn)圖5。

圖5：信號解釋

使用全差分隔離放大器的隔離電流和電壓測量是一種TI參考設計，可以測量交流和直流信號。設計指南解釋了如何使用隔離運算放大器調節信號以增加振幅，并抑制任何共模電壓和噪聲。具有板載ADC的MCU將分析和解釋此信號。從波形確定的信息反饋到換流器的控制裝置，從而對不斷變化的相位和電壓電平進(jìn)行調整，以保持穩定性。