VSC-HVDC系统的组成结构优化建议：深入分析VSC-HVDC系统组成结构

VSC-HVDC与传统HVDC在结构上最大的不同是换流器不同，其他差异均源于各自换流器特性不同的需要。传统HVDC换流器采用的是基于晶闸管器件和相控技术的电流源换流器，而VSC-HVDC换流器采用的是基于IGBT／IGCT器件和PWM控制技术的电压源换流器。

高压直流输电系统包括送电端换流站、直流线路和受电端换流站三大部分，图4-4所示是VSC-HVDC系统的基本原理结构，换流站内的设备主要有换流器、串联电抗器、直流电容器、变压器和交流滤波器。换流器实现交流电与直流电的变换，变压器为换流器提供适当电压和相位的交流电源，串联电抗器和交流滤波器滤除换流器产生的谐波，直流电容器为换流器提供直流电压支撑和抑制直流电压脉动。

图4-4 VSC-HVDC系统的组成结构

（1）换流器

换流器采用IGBT或IGCT。IGBT具有双极型晶体管的低导通压降和MOSFET的门极电压控制的特点。在高电压应用中，一个IGBT阀由多个IGBT组件串联而成，但所有的IGBT必须严格的在同一时刻开通和关断，以便各个阀的电压能够均匀分布。

一个完整的IGBT组件由IGBT、门极控制单元、分压器和散热器组成。门极控制单元包括门极驱动电路、监视电路和光纤接口，一方面实现IGBT的光控，另一方面检测开关期间IGBT端电压并通过光纤传送给阀控单元。分压器连接在IGBT两端，给门控单元电路供电。

VSC-HVDC常用的换流器类型有两／三电平换流器和模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）^［5］，如图4-5所示。对于两电平和三电平结构，由于IGBT耐压有限，IGBT阀通常由多个IGBT直接串联而成。为了减小换流器的交流电流谐波，两电平和三电平结构的电压源换流器必须采取高频PWM调制方式；对于多模块串联结构的模块化多电平电压源换流器，每个模块可以工作于工频开关方式，但是换流器输出交流电压的电平数应不低于15个电平^［6］。

为了进一步提高基于两／三电平电压源换流器的HVDC的输电容量和直流电压水平，可以采用多个电压源换流器串并联的多重化方式^［1，2］。将多个VSC的直流侧并联起来，大家共用直流母线，可以提高HVDC的容量；多个VSC的直流侧串联起来，则可以提高HVDC的直流母线电压。不管是串联或并联，由于所有VSC的直流侧直接相连，交流侧必须通过多重化变压器实施电气隔离。

值得指出，MMC结构与高压STATCOM中采用的H桥模块串联结构不同。单个H桥模块的交流侧可以输出（＋1，0，-1）三个双极性的电平，而MMC中使用的是半桥结构，其交流侧只能输出（＋1，0）两个单极性的两电平。因此，MMC结构的每个桥臂也只能呈现出一个单极性的电压波形。假设每个桥臂共有n个模块串联，直流双极母线电压为U_dc，为了保持直流电压平稳和交流电压的正弦性，MMC应遵循以下运行规则：

1）每个相单元共有2n个模块，每个时刻应有n个模块导通，同时另有n个模块关断。因此，每个模块承受的直流电压应为U_dc／n。

2）每个模块输出一个0电平或1电平，控制每个桥臂上n个模块的输出电平，可以组合输出一个幅值在0到U_dc之间变化的全偏置多电平正弦波形。n个模块可以组合输出（n＋1）电平的阶梯波。

图4-5 VSC-HVDC的换流器结构

a)基于IGBT串联阀结构的两电平换流器 b）模块化多电平换流器（MMC）

与两／三电平结构相比，MMC结构免去了IGBT串联带来的器件均压问题，模块也无需工作于PWM方式，开关损耗低。但是，MMC结构使用的直流电容器数量多，要使每个模块的直流电容器电压均衡也有难度。实际中很难保证三相桥臂动态直流电压严格相等，因此，在每相桥臂上串联一个桥臂电抗器，以便限制由此引起的桥臂环流^［7］。

参考文献［8］提出了另一种应用于VSC-HVDC的级联两电平换流器结构（Cascaded two-level converter），利用多个较低电压的两电平换流器模块，通过级联有效提高直流输电电压，并显著降低装置的功耗。

参考文献［9］从调制策略、等效开关频率、直流电压利用率和换流器结构复杂性方面对两电平、三电平和模块多电平拓扑结构进行了比较，认为基于特定次谐波消除脉宽调制（SHEPWM）的两电平VSC与模块多电平VSC为切实可行的两种换流器拓扑。当直流电压较高，使得器件串联成为制约因素且系统暂态要求较高时，模块多电平VSC为工程实际中可以考虑采用的相对最优拓扑；当测量、检测和控制环节成为制约因素且系统暂态要求较低时，则基于SHEPWM的两电平VSC为工程实际中可以考虑采用的相对最优拓扑。

（2）串联电抗器

串联电抗器直接串联于电压源换流器与交流电网之间，作为逆变电源PWM波形与交流电源正弦波形的缓冲元件，起到交流滤波作用，也有利于限制短路电流。串联电抗器也是实现有功功率与无功功率双重控制的重要元件，电抗器两端的基波电压决定了交流电网与换流器的有功潮流与无功潮流交换。串联电抗器的电抗率的典型值为15％^［10］。电抗器的选择可参考本书3.7节和5.3.5节。

由于换流器工作于高频、高压、大电流开关条件下，电抗器两端的杂散电容应越小越好，以免谐波通过杂散电容耦合到电抗器网侧，同时减小开关过程引起的高du／dt在杂散电容中形成的电流脉冲流过阀体。因此，串联电抗器宜采用空心电抗器，并设置防护罩屏蔽空间电磁干扰。

（3）直流电容器(www.xing528.com)

直流电容器为开关电流提供一个低感抗通路，同时作为一个储能设备起到抑制直流电压波动的作用。直流电容器常采用两组电容器串联，形成直流中点，直流中点通常直接接地或通过高阻接地，形成双极性直流输电的参考电位。但是，VSC-HVDC的双极必须平衡运行，两端换流站并不通过大地传导电流。

直流电容器具有直流滤波和抑制直流电压波动的能力，也具有一定的缓冲送端输电功率波动的能力，电容量越大，这种能力越强。但是，电容量越大，直流电压和有功功率的调节速度越慢。电容量可按电容器的储存能量来考虑：电容器应能为VSC-HVDC系统在额定直流电压（U_dc.N）和额定直流功率（P_dc.N）下运行提供大约2ms的能量储存^［10，2］。如果定义直流电容器的等效惯性时间常数和无功容量分别如下^［11］：

Q_C＝ωCU²_dc.N则直流电容器的等效惯性时间常数约为2ms，直流电容器的等效无功容量约为直流输电功率的（1.2～1.5）倍。选择电容量时的其他考虑可参考本书3.8节。

（4）电力变压器

由于交流电流在经过串联电抗器和交流滤波器滤波之后接近正弦波，变压器采用具有分接头调整功能的普通电力变压器即可。变压器主要用于交流电压的适配，辅助以变压器分接头调整，可使换流器在PWM调制深度的合理范围内获得最大的有功功率和无功功率。变压器二次绕组的中性点不接地，以便有效隔离逆变PWM波形中的零序分量（即三次谐波）。

变压器的交流侧电压取决于直流输电电压、换流器拓扑以及PWM调制方式。根据VSC的基本工作原理和电路关系，VSC交流侧逆变输出电压与变压器二次侧电压以及直流输电电压分别有如下关系：

分别带入各参数在正常情况下允许的最大值，可得

式中 X^∗——串联电抗器的电抗率；

Q_c^∗——VSC与电网交换的无功功率标幺值（容性为正，感性为负）；

U_T2——换流变压器二次侧电压；

U_c——VSC交流电压；

U_dc——直流输电电压；

λ——PWM调制深度；

k_c——与VSC电路拓扑和PWM调制方式有关的系数。

譬如，VSC采用两电平结构、SPWM调制方式，则，若限定λ_max＝0.95和Q_c.max^∗＝0.6，取X^∗＝0.2和U_dc＝20kV，则可得U_T2≈10.4kV。一般情况下，变压器二次侧额定线电压约取为直流输电电压的一半。

（5）交流滤波器

换流器交流侧电压PWM波形包含有一定的正序、负序和零序谐波分量，其中零序分量可由电力变压器二次不接地绕组来阻隔，但正序和负序分量会在交流侧产生一定的谐波电流。交流滤波器与串联电抗器一起，共同消除换流器交流侧PWM波形引起的交流谐波电流和交流母线谐波电压。交流滤波器通常由调谐滤波器和高通滤波器组成，滤波器容量典型值为换流器容量的10％～30％^［10］。

对于正序和负序谐波而言，交流滤波器的中性点可以接地也可以不接地，但若要滤波器滤除零序谐波，则中性点必须接地。为了更好地抑制零序谐波和进入接地网电流的影响，三相交流滤波器的中性点宜与直流电容器的中点直接相联，并直接接地或通过高阻接地^［12］。