秦俊虎 徐彬
内蒙古东部电力有限公司检修分公司±800千伏扎鲁特换流站 内蒙古通辽市 028000
摘要：作为高压直流输电核心设备的换流器容量大、可控性强，且对可靠性的要求高。基于此，本文探讨了高压直流输电系统的换流器技术。
关键词：高压直流输电系统；电容换相换流器；模块化多电平换流器
高压直流(HVDC)输电以其在长距离大容量输电、海底电缆输电和非同步联网等领域的独特优势得到了广泛应用，而其核心设备是换流器，它是影响HVDC系统性能、运行方式、设备成本及运行损耗等的关键因素。
一、高压直流输电
高压直流输电(HVDC)是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电，输电过程为直流。高压直流输电技术被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立电力系统间的联接。世界上第一条商业化的高压直流输电线路1954年诞生于瑞典，用于连接瑞典本土和哥特兰岛，由ABB集团完成。
二、电容换相换流器
电容换相换流器是在常规晶闸管换流器与换流变压器间串联电容形成的。换相电容电压近似为梯形波，该电压与换流变压器阀侧电压叠加，使换相电压相位后移，从而使换流阀的关断角增大。直流电流越大，换相电压后移越多，关断角越大。同理，换流母线电压降低时，换相电容上的电压成正比地减小，换相角变化不大，关断角变大。即使换流母线电压瞬时降到接近于零，也有可能成功换相，因换相电压可全部由换相电容的端电压提供。因此CCC逆变器在直流电流升高和换流母线电压降低时，引起换相失败的可能性减小。
CCC的控制与常规12脉动换流器相似，只是由于CCC仅装设了小容量的无功补偿设备及交流滤波器，因此只需调节自调谐滤波器的可控电抗器，即可抑制交流谐波，同时满足CCC吸收少量无功的需求。
CCC的优点是：1)逆变器换相失败的发生率大为减少；2)消耗的无功功率降低，无功补偿需求减小；3)单极或双极故障紧急停运时，换流站甩负荷过电压倍数下降；4)换流阀短路电流峰值降低，可降到常规电网换相换流器的一半以下。
电容换相换流器的缺点有：1)换流母线电压三相不对称时，直流电流的瞬时变化使换相电容上的电压幅值和相位发生改变，从而使各换流阀上的换相电压和关断角均不相同，易诱发换相失败。2)处于直流接地端的6脉动换流器，当在换相电容和换流变压器间发生接地故障时，换相电容将通过换流阀放电，危及换流阀安全。3)由于换相电容参与换相，使换相过程加快，换相角减小，因此换流阀关断时的阶跃电压增大，换流阀电压应力升高，同时导致换流阀的阻尼回路和避雷器中的损耗增加。目前，CCC阀的额定电压一般按比常规换流阀高10％进行设计。由于直流电流小时CCC抑制换相失败和减小无功消耗的能力相应降低，CCC的技术和经济优势将极大地削弱，因此CCC不适合小电流高压直流输电。
此外，当前世界上采用电容换相技术的高压直流输电工程有三个，均为背靠背、双回并列运行方式。
三、采用全控器件的换流器
采用全控器件和脉宽调制(PWM)技术的电压源换流器用于直流输电，这一概念由加拿大McGill大学于1990年率先提出。
对于这种新型的高压直流输电，国际权威电力学术组织，如CIGRE和IEEE，都将其定义为“基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)输电”；ABB公司称之为HVDC-Light，并作为商标加以注册；西门子公司则命名为HVDC-Plus。我国将该其命名为“柔性直流输电(HVDC-Flexible)”技术。
电压源换流器具有多种拓扑结构，如两电平、三电平、模块化多电平等结构。其中，两电平结构是2012年以前的柔性直流输电工程的主流方案，当前的主流方案是模块化多电平结构。
1、三相两电平VSC电路。该换流器的主电路为三相桥式电路，每个桥臂由多组IGBT V及其反并联二极管VD组成的基本单元串联构成。
由调制波和等腰三角载波比较产生的触发脉冲，使6个桥臂有规律地高频开通与关断，从而输出PWM波形电压，经换流电抗器滤波后成为换流母线电压。
三相两电平电压源换流器通常采用正弦脉宽调制(SPWM)技术，因此交流电压为PWM波，即电压脉冲的宽度按正弦规律变化。SPWM在大范围的调制比内具有很好的性能，并且电压利用率高，适合于实时控制，因此这种控制方法是ABB公司建成投运的柔性直流输电工程的主流控制方法。
2、MMC电路。模块化多电平换流器仍采用三相桥式电路，每个桥臂由一个桥臂电抗器L和n(n>1)个IGBT子模块SM级联而成。该电路结构由德国学者Marquardt R及其合作者于2001年首次提出。每个子模块的主体结构为由IGBT组成的单相半桥电路。
每个SM具有相同的直流存储电容电压。通过控制相应SM中V1和V2的开通与关断，使交流输出电压为SM输出电压的叠加，从而形成所期望的近似正弦的多电平电压，同时在直流侧产生正、负直流母线电压。n个SM最多可输出2n+1个电平。柔性直流输电工程一般需几十～上百电平，以满足高电压和谐波少的需要。
MMC采用多电平阶梯波调制方法，即通过选择每一个电平持续时间的长短来实现谐波的消除和抑制，并逼近正弦波。该方法实现简单、开关频率低、转换效率高。
3、性能特点。两电平电压源换流器优点是：1)可实现无源逆变，因而可向无源负载送电；2)可实现有功、无功功率的快速解耦控制；3)可动态补偿换流母线的无功功率，快速稳定换流母线电压，因此适合向弱交流系统及多馈人系统送电；3)输出谐波小，故所需滤波装置的容量及投资大为减小；4)模块化设计使柔性直流输电工程的设计、生产、安装和调试周期大幅缩短，同时换流站占地面积仅为同容量下常规高压直流输电的20％左右。
两电平电压源换流器缺点是：器件开关频率高，开关损耗大；大量开关器件直接串联，因此对各器件的开通和关断的一致性要求高，同时对均压的要求更苛刻。
相比于两电平换流器，MMC优势在于：1)有效避免器件直接串联带来的静、动态均压问题；2)输出电平数多，等效开关频率高，输出电压的谐波含量和电磁干扰水平低，仅需很小的交流滤波电感甚至无需此电感，因此谐波抑制设备的投资少；3)单个器件的开关频率低，系统开关损耗小；4)无需安装直流高压电容器或直流滤波器，可避免直流侧短路引起的浪涌电流及系统机械破坏的风险，提高系统可靠性的同时，有利于降低系统成本；5)直流母线发生短路故障时，可由同一桥臂的冗余子模块快速取代故障子模块，从而增强了换流器的可靠性；6)通过增减子模块数量可灵活配置不同电压和功率等级，便于系统扩容，有利于缩短工程设计和制造周期；7)由于MMC的直流储能量大，网侧发生故障时，功率单元不会放电，公共直流母线电压仍然连续，不仅保障了MMC的稳定运行，并可在较短时间内从故障状态恢复，因而具有很强的“黑启动”能力；8)MMC对系统主回路的杂散参数不敏感，采用普通电缆即可实现子模块间的可靠连接，因而MMC的结构设计更加灵活，便于工程实现。
参考文献：
[1]徐政．直流系统采用电容换相换流器技术的特性研究[J]．中国电机工程学报，2015(07)．
[2]文俊.高压直流输电系统换流器技术综述[J].南方电网技术，2015(02)．