VSC 工作原理

VSC-HVDC简要工作原理柔直器件和常规器件的比较晶闸管的工作原理：导通：晶闸管承受正向电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。关断：1.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。2.晶闸管承受反向电压时，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关断状态。•IGBT的工作原理：•IGBT可以类似于一个开关。•当门极信号（G）为1时，IGBT导通，输出集电极（C）和发射极（E）之间的电压；•当门极信号为0时，C、E之间阻断。柔直器件和常规器件的比较二者功能上的主要区别晶闸管是电流源的器件，开通时，导通回路上的电流。IGBT是电压源的器件，开通时，输出集电极和发射极之间的电压。晶闸管是半控型器件，只能控制其导通，关断需靠外部条件（电压、电流）自然关断。IGBT是全控型器件，可完全通过门极信号，控制IGBT的导通和关断。两电平拓扑结构及波形右上图为IGBT器件的最常见的应用型式，两电平拓扑结构。电平是电压的意思，输出总共有2种电压状态,当上桥臂的IGBT导通，输出Udc/2，当下桥臂的IGBT导通，输出-Udc/2右下图为输出的电压波形，可以看出该策略的原理是通过控制1个周波内电平的宽度模拟正弦波，频率越高，越接近正弦波。通过控制电平的宽度和触发时序可以控制该正弦波的幅值和相位。ABB在早期的柔性直流输电中采用过这种双电平的拓扑结构，但其开关频率较高，损耗较大，现已很少使用。该结构在工业界大量使用。半桥结构子模块的工作原理根据IGBT的开关状态和电流的流向可分为6种工作模式，这六种工作模式可分为三种状态，投入、切除和闭锁。投入状态上桥臂T1导通、下桥臂T2关断，切除状态下桥臂T2导通、上桥臂T1关断，闭锁状态两个IGBTT1、T2均关断。闭锁状态仅用于处理故障，正常工作时各子模块工作在投入和切除状态。半桥结构MMC工作原理右图为MMC半桥结构VSC-HVDC的基本拓扑结构。采用此结构的目的是通过控制子模块的开通和关断，模拟出想要的vk电压波形（包括幅值和相位）uk为交流侧电压，其电压和相位已知，可以通过通过模拟vk的幅值和相位控制整个控制器的有功、无功功率的大小和流向。多电平工作原理在不考虑冗余的情况下，MMC结构上下各N个子模块，可以模拟出一个N+1电平的多电平电压信号，每个子模块（电容）上的电压为Udc/N。下面以一个5电平的例子对多电平的原理进行具体的说明。本实例中，上下各4个子模块，模拟出一个5电平的电压波形，如右图所示。每一周波内8个时间段通过控制上下桥臂中子模块投入的数量可以得到不同的电平（电压）。多电平工作原理对应不同时刻，控制上下桥臂导通的子模块的数量即可控制该时刻的电压（如下图所示），将其有序的排列组合，即可得到上页中的多电平波。其电平数越多，交流侧的输出电压就越接近正弦波。举例说明，由于稳态时电容电压可认为均为Udc/N,对于此例中即为Udc/4当对于上表中时刻B，下桥臂投入3个子模块，上桥臂投入一个子模块时，下桥臂上整体的电压即为3Udc/4。输出电压Uva等于负极线电压-Udc/2+子模块电容电压3Udc/4=Udc/4桥臂电流右图为VSC-HVDC的电流流向图。根据前文分析，每一时刻均有上下桥臂均有N个子模块导通，根据基尔霍夫定律，直流电流会平均分到3个桥臂上，各项均有Idc/3的直流分量。又由于上下桥臂的桥臂电抗器相等，所以交流电流也在上下桥臂间均分，为ia/2。所以对于柔性直流，其桥臂电流是由2部分组成，一部分为交流电流、一部分为直流电流。三个交流电流的相位各差120°，三个桥臂的交流加在一起刚好抵消，在极线上仅剩直流分量Idc。桥臂电流计算右图为直流电流的基本计算公式，通过此公式计算后，桥臂电流的有效值计算得约为2100A（计算结果大约为2120A左右）传统直流LCC的桥臂电流传统直流实际上是一个三相全桥可控整流电路，其直流侧电压一直是交流侧的相电压波头，正常工作时导通线电压最大的2个晶闸管，直流电压一直为最大的两相线电压，当脉动数较多时，可以看做直流。也就是说各相之间是分开导通的（a相上半桥臂导通时，b、c两相上桥臂处于关断状态），所以对于桥臂流过的额定电流必然要按直流额定电流来考虑。VSC-HVDC半桥结构直流侧故障时遇到的问题若采用半桥结构、若发生直流故障，即使达到闭锁状态，反并联的二极管仍为故障点和交流系统提供了能量馈路且无法控制。对于电缆输电工程、或者背靠背工程，由于其直流侧故障发生情况较低，所以设计上可以采用半桥结构。但对于大容量、长距离架空输电的柔性直流输电工程，直流故障则必须要考虑：现在主要有3种办法来解决：1、利用直流侧设备隔离故障点。（直流断路器方案）2、利用换流器自身的故障清除能力（比如全桥结构）3、仍然跳开交流侧开关，让设备自己扛到交流开关动作（ABB提出的方案）乌东德考虑的方案方案一高压大容量是快速直流断路器制造困难。方案三对于小容量的没有问题，但在短路电流较大的情况下风险较大。本工程考虑采用方案二，即：采用具有直流故障自清除能力的拓扑。值得注意的具有直流故障自清除能力的拓扑包括全桥结构、钳位双子、类全桥等多种结构。目前较为成熟、有工程实施可能的仅有全桥结构，其他拓扑目前不适合工程实施。全桥结构的基本原理全桥结构有4个状态，正投入、负投入、切除、闭锁。其中IGBTT1、T4导通时为正投入工作状态；T2、T3导通时为负投入状态；4个IGBT全部导通为切除状态；4个IGBT全部关断时为闭锁状态。比半桥结构多了一个状态，即负压，其控制起来更灵活。全桥结构的直流自清除能力发生直流故障时，全桥闭锁后，IGBT全部关断，但区别于半桥结构，全桥结构中的反并联二极管通路中多了电容。故障后全桥结构闭锁后，其电路可等效为右图，即交流线电压需克服一定的反电势才会传播到直流侧。若满足，则故障不会传播到直流侧。2𝑁𝑈𝑐2𝑈𝑎𝑏全桥+半桥混合拓扑结构的比例分析当全桥结构和半桥结构一定比例的配置时，也可以实现直流侧故障的自清除，混合结构相比于全桥结构可以降低成本。若采用阻断方式切除直流故障，当比例达到，这里N为全桥结构子模块的个数，理论上其余拓扑可配置为半桥，该策略的缺点是隔离直流故障期间需要闭锁MMC，MMC将中断运行。隔离完直流故障后需一系列的恢复控制，延缓恢复供电时间。所以目前各厂家提出了另一种策略，即利用全桥结构的负压功能，使直流电压迅速降低到零。此方法更有利于对直流侧故障的穿越。利用全桥结构的负压功能，可以快速使直流电压降到0，极端情况下故障的瞬间半桥结构全部导通，需要等量的全桥结构，使其快速降至0。所以全桥和半桥的比例，一般认为需大于1:1。乌东德工程如果采用全桥+半桥混合结构，初步按照大于1:1这种比例来进行考虑的。南科院及设备厂家目前正在研究该种拓扑在其他运行工况（如启动过程、在线投退）中是否会存在问题。相对而言，纯全桥结构技术成熟度更好，对各种工况的适应性更佳，但造价相对较高。2𝑁𝑈𝑐2𝑈𝑚