柔性输电与直流输电技术(2)

如前所述，与基于晶闸管的传统直流输电技术不同，柔性直流输电采用电压源型换流器和PWM技术， 其基本工作原理如图5和图6所示。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC上下桥臂的开关管高频开通和关断，则桥臂中点电压uc在两个固定电压+Ud和−Ud之间快速切换， uc再经过电抗器滤波后则为网侧的交流电压us。

进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为：

图2.4 VSC-HVDC换流器稳态运行时的基波相量图

式中：UC为换流器输出电压的基波分量;US为交流母线电压基波分量;δ为UC和US之间的相角差;X1为换流电抗器的电抗。

由式(1)和式(2)可以得到换流器稳态运行时的基波相量图。由图2.4可知，有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于UC。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制UC就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。

柔性直流输电关键技术

换流器的主电路拓扑结构是柔性直流输电技术的一个重要方面，它与实际工程的容量和电压等级、IGBT串联数目、开关频率、损耗、开关调制方式和系统可控性等因素密切相关。在工业驱动领域中，为了提高换流装置的容量，通常采用的方法有：桥臂器件的串并联、换流器的多重化技术以及目前广泛研究的多电平技术等。但从表1所示ABB公司的几个典型工程的相关参数可知，应用于柔性直流输电工程中的换流器拓扑结构突出以下几个特点：①拓扑结构简单，主要采用两种结构：两电平结构(如瑞典的Hellsjon工程和美国的Directlink等工程)和三电平结构(如澳大利亚的Murraylink工程、美国墨西哥的 Eagle Pass等)，其提升电压等级是采用最直接的桥臂器件串联的方式来实现。②开关频率低、可控性好。③换流器损耗小。另外，在设计主电路拓扑时，还要充分考虑装置的实现难易程度、造价、运行经济性等因素。因此，理想的大容量换流器主回路拓扑结构应该不仅能够降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率，简化系统主电路拓扑结构，而且还能有效降低控制保护系统和主电路的复杂性、器件的开关损耗，为总体上保证系统的经济性、运行可靠性和有效缓解研发难度奠定良好的基础。

另外，主电路的开关调制方式直接关系到系统运行的可靠性、安全性、性能以及系统设计是否优化等诸多问题。在主电路拓扑结构确定的前提下，选择良好的调制方式能够降低换流器输出的谐波，减少交流滤波器容量，降低器件开关损耗，满足交流系统谐波方面的相应标准等