GB_T 30553-2023 基于电压源换流器的高压直流输电.docx

ICS29.200;29.240.99CCSK46OB中华人民共和国家标准GB/T305532023/IECTR62543:2022代替GB/T305532014基于电压源换流器的高压直流输电High-voltagedirectcurrent(HVDC)powertransmissionusingvoltagesourcedConverters(VSC)2O2311.27发布(IECTR62543:2022,IDT)2024-06-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会前言III1范围12规范性引用文件13术语和定义11.1 概述11.2 符号21.3 电压源换流器输电31.4 功率损耗34 VSC输电概论44.1 VSC输电基本运行原理44.2 设计寿命84.3 VSC输电系统结构84.4 VSC输电用半导体器件115 VSC输电换流器拓扑结构135.1 通则135.2 “开关”型VSC阀的换流器拓扑结构135.3 “可控电压源”型VSC阀的换流器拓扑结构165.4 VSC阀设计要点195.5 换流器的其他拓扑结构215.6 VSC输电的其他设备216 VSC控制概论256.1 概述256.2 控制模式和控制方式266.3 功率传输276.4 无功功率控制和交流电压控制286.5 黑启动能力296.6 风电场接入297 稳态运行297.1 稳态性能297.2 换流器功率损耗308 动态性能318.1 交流系统扰动318.2 直流系统扰动318.3 内部故障329 HVDC性能要求329.1 谐波性能329.2 波形畸变339.3 基波频率和谐波339.4 VSC运行在电力系统中产生的谐波电压349.5 谐波滤波器（交流侧）的设计要点349.6 直流侧滤波3510 环境影响3510.1 概述3510.2 可听噪声3510.3 电磁场（EMF）3510.4 电磁兼容（EMC）3511试验和调试3611.1 概述3611.2 出厂试验3611.3 调试试验/系统试验37附录A（资料性）VSC输电系统的功能规范42A.1概述42A.2买方和制造商的资料要求42附录B（资料性）两电平换流器的调制策略498.1 载波脉宽调制498.2 选择性消谐调制50参考文献51本文件按照GBT1.12020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件代替GB/T30553-2014基于电压源换流器的高压直流输电，与GB/T30553-2014相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：一一增加了“模块化多电平换流器和级联两电平换流器”（见第1章）；针对术语和定义需要，增加了引用标准IEC62747和IEC62501（见第3章）；更改了第3章中“概述”的内容（见3.1,2014年版的3.1）;一删除了术语“VSC换流站”“联接变压器”“相电抗器”“交流系统侧谐波滤波器”“高频阻塞滤波器”“共模抑制电抗器”“直流谐波滤波器”和“直流电抗器”以及“功率半导体”“VSC拓扑结构”“运行状态”和“绝缘配合”类术语（见201弊版的3.5.1-3.5,3、3.5.5、3.5.7和3.5.9-3.5.1k3.3、3.4、3.6和3.10）;-将术语“阀侧谐波滤波器”更改为“换流器侧高频滤波器”，术语的英文对应词“standby”更改为no-loadoperating"、“noloadOPerating”更改为“idling”（见3.3.3、3.4.2和3.4.3,2014年版的3.5.8、3.H.2和3.11.3）;-增加了有功功率和无功功率计算公式，将“无功功率控制的原理如图4所示”更改为“当有功功率P=O时，无功功率控制的原理如图4所示”（见4.1.2.2和4.1.2.3,2014年版的4.1.2.2和4.1.2.3）;一更改了图7、图8、图9和图10（见4.3.3.3、4.3.4和4.3.5,2014年版的4.3.3.3、4.3.4和4.3.5）;更改了“双极接线方式”的内容（见4.3.4,2014年版的4.3.4）;一一更改了“VSC输电用半导体器件”的内容（见4.4,2014年版的4.4）;一更改了图13和图15,以及将“中性点电压是直流电容器中点处的电压”更改为“中性点电压是换流器两直流端的平均电压”（见5.2.3.1和5.2.3.2,2014年版的5.2.3.1和5.2.3.2）;将“阀电压是这些VSC阀级电压之和”更改为“阀电压为处于激活状态的子模块的电容器电压之和（即电容器电压被施加到VSC阀级的主端子）”，增加了VSC阀级采用的第三种拓扑结构（见5.3.1,201弊版的5.3.1）;一更改了图18、图19、图20,以及基于全桥VSC阀级的MMC拓扑结构的适用范围（见5.3.2和5.3.3,2014年版的5.3.2和5.3.3）;一增加了“基于半桥VSC子单元的CT1.拓扑结构”和“基于全桥VSe子单元的CT1.拓扑结构”相关内容（见5.3.4和5.3.5）;更改了VSC阀额定电流、暂态电流和电压设计要点（见5.4.2和5.4.3,2014年版的5.4.2和5.4.3）;将“开关设备”更改为“可关断半导体器件”，更改了具有“可控电压源”型VSC阀的换流器设计要点（见5.4.5,2014年版的5.4.5）;增加了子单元直流电容器以及阀电抗器的作用和布置位置（见5.6.1和5.6.7）;一一更改了VSC换流站断路器的配置，以及联接变压器和相电抗器设计要求（见5.6.3和5.6.6,2014年版的5.6.3和5.6.6）;更改了子模块电容器电压平衡控制的内容（见5.6.8.2.5,2014年版的5.6.8.2.5）删除了“共模抑制电抗器”相关内容（见2014年版的5.6.10）;一增加了“动态消能系统”相关内容（见5.6.12）;将“直流侧斩波电路”更改为“动态消能系统”（见6.6,2014年版的6.6）;更改了谐波性能相关内容（见9.1,2014年版的9.1）;一删除了图29的说明、图30及其说明（见2014年版的9.3.1）;更改了特定谐波调制相关内容，并移至附录B（见附录B,2014年版的9.3.2）.本文件等同采用IECTR62543:2022基于电压源换流器的高压直流输电文件类型由IEC的技术报告调整为我国的国家标准。本文件做了下列最小限度的编辑性改动：为便于使用，在“范围”章中增加了“注”观第1章）；为便于使用，在图4、图26、图27和图28中增加了标引序号说明（见图4、图26、图27和图28）;将图3中的角度的文字符号“”更正为“8”（见4.1.2.2）:将直流电容器电压的文字符号“Ua”更正为“U”（见4.1.3）。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电器工业协会提出。本文件由全国电力电子系统和设备标准化技术委员会（SAC/TC60）归口。本文件起草单位：国网智能电网研究院有限公司、北京怀柔实验室、西安高压电器研究院股份有限公司、南方电网科学研究院有限责任公司、西安电力电子技术研究所有限公司、西安西电电力系统有限公司、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司、国网福建省电力有限公司电力科学研究院、西安西电避雷器有限责任公司、国网浙江省电力有限公司电力科学研究院、南京南瑞继保电气有限公司、清华大学、北京交通大学、许继集团有限公司、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、浙江大学、国网安徽省电力有限公司电力科学研究院、中电普瑞电力工程有限公司、云南电网有限责任公司电力科学研究院。本文件主要起草人：庞辉、许韦华、许帆、傅闯、杨晓辉、蔚红旗、王磊、宋志顺、李强、陈名、周会高、晁武杰、杨柳、张择宁、巩少岩、陆晶晶、何计谋、董云龙、宋强、陈晓鹏、韩坤、徐阳、陈忠、彭茂兰、黄超、魏伟、胡治龙、i午烽、张哲任、栾洪洲、李胜男、王新颖、李媛、焦石、董添华、熊岩。本文件于2014年首次发布，本次为第一次修订。基于电压源换流器的高压直流输电1范围本文件给出了高压直流输电用电压源换流器(VSC)的通用导则。本文件所描述的换流器不仅是电压源型(包含直流电压极性保持不变的容性储能介质)，也包含采用能根据控制信号而开通和关断的半导体器件的自换相型。本文件适用于采用脉冲宽度调制(PWM,简称“脉宽调制”)的两电平和三电平换流器，以及多电平换流器、模块化多电平换流器和级联两电平换流器，不包括以方波输出而不采用脉宽调制的两电平和三电平换流器。基于电压源换流器的高压直流输电被称为“VSC直流输电”。注：VSC直流输电也称为“柔性直流输电”。本文件描述了用于VSC输电的不同类型电路拓扑结构及其主要运行特性和典型应用，总体目标是为买方在确定VSC输电方案时提供帮助。本文件不包含电网换相换流器和电流源换流器。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。IEC62501高压直流输电用电压源换流器阀电气试验VoltagesourcedConverler(VSC)valvesforhigh-volIagedirectcurrent(HVDC)powerIransmission-Electricaltesting注：GB/T333482016高压直流输电用电压源换流器阀电气试验(IEC62501:2014,1DT)IEC62747高压直流输电系统用电压源换流器术语Terminologyforvoltage-sourcedconverters(VSC)forhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems注：GB/T341182017高压直流系统用电压源换流器术语(IEC62747:2014,IDT)3术语和定义IEC62747和IEC62501界定的以及下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC在如下网址维护用于标准化的术语数据库：IEC电子百科：http:/www.electropedia.org/ISO在线浏览平台：http:/www.iso.org/obp3.1 融高压直流输电用电压源换流器的基本术语和定义见IEC62747。高压直流输电用电压源换流器阀电气试验术语见IEC62501o为便于理解，图1给出了VSC输电系统的基本框图。图中的一些设备可能根据换流器的拓扑结构和工程的需要而省略或有所不同。标引序号说明：1 断路器；2 启动电阻器；3网侧谐波滤波器°4网侧高频滤波器；5联接变压器；6换流器侧谐波滤波器。;7+8换流器侧高频滤波器*;8相电抗器。9VSC单元“；IOVSC直流电容器4;11直流谐波滤波器°12动态消能系统；13中性点接地支路°14直流电抗器；15直流电缆或架空输电线路。在一些基于“可控电压源”阀的VSe设计中，有可能不需要谐波滤波器。b在一些VSC设计中，相电抗器能完成换流器侧高频滤波器的部分功能。“在一些VSC拓扑结构中，VSC单元的每个阀可能包括一个“阀电抗器”，该“阀电抗器”能内置在阀中或作为单独的组件提供。d在一些VSC设计中，VSC直流电容器能部分或全部分布在VSC单元的三相单元中，被称为子模块直流电容器。“根据VSC单元的设计，中性点接地分支的原理和位置可不同。在一些VSC设计中，联接变压器能实现网侧高频滤波器的部分功能。B可选。h可选。图1VSC输电系统中的主要设备3.2 符号Uonw:换流器单元的交流线电压，方均根值，包括谐波。Ionv:换流器单元的交流电流，方均根值，包括谐波。U1:交流系统的交流线电压，方均根值，包括谐波。I1.:交流系统的交流电流，方均根值，包括谐波。Ua:一个换流器单元的直流端对端电压。la:VSC输电系统直流母线的直流电流。3.3 电压源换流器输电3.3.1电压源换流器直流电容器VoItagesourcedconvertersDCcapacitor;VSCDCcapacitor连接在电压源换流器两个直流端之间的电容器组（如果有），用作储能和/或滤波。3.3.2交流例无线电频率干扰滤波器ACsideradiofrequencyinterferencefilter无线电频率干扰滤波器radiofrequencyinterferencefilter;RFIfilter用于将渗入交流系统的无线电频率干扰（RFI）降低到可接受水平的滤波器（如果有）。3.3.3换流罂侧高频漉波器convertersidehighfrequencyfilter用于降低联接变压器高频应力的滤波器（如果有）。3.3.4直流侧无线电频率干扰滤波器DCsideradiofrequencyinterferencefilter用于将渗入直流系统的无线电频率（RF）降低到可接受限值的滤波器（如果有）。3.3.5型式试验typetest为验证电压源换流器输电系统部件的设计是否满足规定要求而进行的试验。注：本文件中的型式记瀚分为两大类，绝缘试验和运行滕。3.3.6绝缘试验dielectrictest为验证电压源换流器输电系统部件的高电压耐受能力而进行的试验。3.3.7运行试验operationaltest为验证电压源换流器输电系统部件的开通（如果适用）、关断（如果适用）以及相关的通流能力而进行的试验。3.3.8产品试验productiontest为验证制造是否正确而进行的试验，以证明电压源换流器输电系统某个部件的性能满足规定要求。3.3.9样品试缝sampletest在少量电压源换流器输电部件（例如从一批中随机抽取的阀段或特殊部件）上实施的产品试验。3.4 功率损耗3.4.1辅助设备损耗auxiliaryloss使用电压源换流器的换流站辅助设备负荷的电力需求。注：辅助设备损耗取决于换流站是空载还是带负荷。在这种情况下，辅助设备损耗取决于负荷水平。3.4.2空载运行损耗no-loadoperatingloss使用电压源换流器的换流站设备带电，但电压源换流器闭锁且所有换流站站用负荷和辅助设备已连接，以立即承载负荷情况下产生的损耗。3.4.3无载运行损耗idlingoperatingloss使用电压源换流器的换流站设备带电，但电压源换流器解锁且没有有功功率或无功功率输出情况下产生的损耗。3.4.4运行损耗operatingloss使用电压源换流器的换流站设备带电且换流器运行情况下，在给定负荷水平下产生的损耗。3.4.5系统总损耗totalsystemloss所有运行损耗之和，包括相应的辅助设备损耗。3.4.6换流站基本辅助负荷stationessentialauxiliaryload故障后会影响高压直流换流站换流能力的负荷（例如，阀冷却），以及在交流电源完全掉电的情况下仍需要保持工作的负荷（例如，电池充电器、操作机构）。注：总“运行损耗”减去“空载运行损耗”能被认为在数值上等于传姬流变电站中的“负荷损耗”。4VSC输电概论4.1 VSC输电基本运行原理4.1.1 将电压源换流器看作黑盒子电压源换流器的运行原理将在第5章详细描述。本章中，电压源换流器被看作一个完成交流/直流，或直流/交流转换的黑盒子，且只考虑稳定运行状态。标引序号说明：Paw换流器输出有功功率；Xw换流器滤波电抗。图2电压源换流器基本示意图VSC能作为逆变器将有功功率注入交流网络（1.u4>0）,或者作为整流器从交流网络吸纳有功功率U<0）O类似地，VSC能向交流网络注入无功功率Im（UI）>0,容性运行模式,也能从交流网络吸纳无功功率Im-（UiI1）<0,感性运行模式。在整流方式和逆变方式下，VSC都能运行在感性模式或容性模式。由于VSC直流侧连接电压源，所以称之为电压源换流器。由图2的左侧可见，一个直流电压源U。连接着一个代表直流电路阻抗的直流电阻器Ra和一个跨接在VSC的直流端的直流电容器。直流并联电容器起稳定直流电压UQ的作用。根据VSC换流器的拓扑结构，直流储能电容器为两极间的主要的直流储能元件，或为换流器相单元内分布的多级储能元件。有关VSC实现从直流到交流的转换过程见第5章。交流侧有一个联接电感，它有两个作用：第一，稳定交流电流；第二，控制VSC输出的有功功率和无功功率，如4.1.2所述。联接电感能由相电抗器、变压器漏抗提供或者二者共同提供。输入侧的直流电容器和输出侧的交流联接电感是VSC正常运行的重要部件。VSC的交流侧能连接有源或无源交流网络。如果其交流侧为无源网络，功率只能从直流侧输送至交流侧的无源负荷。如果其交流侧为有源网络，通过控制VSC交流输出电压U。，能实现功率的双向流动。控制UW的相位角能调节VSC的有功功率(见4.1.2.2),控制Uo的电压幅值能调节VSC的无功功率(见4.1.2.3)o4. 1.2有功功率和无功功率控制原理4.1.1.1 概述VSC能等效为一个没有转动惯量的同步发电机，具有独立控制有功功率和无功功率的能力。在VSC和交流网络间交换的有功功率和无功功率通过VSC输出电压(与交流网络电压相关)的相位角和幅值控制。有功功率P和无功功率Q分别与交流系统的交流电压U、换流器的交流电压Us、这些电压之间的电抗X以及它们之间的相位角6有关，如公式(1)和公式(2)所示：P=5U(1)U1."-U-Cosa),、如果U与线电压U同相且其幅值等于Ui,那么VSC没有交流电流1.流出。这样的情况下，直流电流Ia为零，且直流电容器电压Ua等于直流电压源电压U。4.1.1.2 有功功率控制原理有功功率控制的原理如图3所示。其中，流过联接电感的有功功率通过调整VSC电压的相位角控制。UoIUtXcMneonyPcow=OUoy=UtIy=0标引序号说明：Poay换流器输出有功功率;Xy换流曙滤波电抗。Pcoy<0整流运行Psoy>0逆变运行图3有功功率控制原理如果VSC输出电压的相位角超前于交流网络电压，VSC将向交流网络注入有功功率，即作为逆变器运行。在直流侧，等效电流从直流电压源流出，且电压Ua将按照欧姆定律减小(Ua=U,-RaIa)°另一方面，如果VSC输出电压的相位角滞后于交流网络电压，VSC将从交流网络吸纳有功功率，即作为整流器运行。在直流侧，等效电流流入直流电压源，且电压Ua:将按照欧姆定律增加(U=U+R4,Ic)a如果VSC连接到一个无源负荷，从VSC输出交流电流，其大小由欧姆定律I=UawZZ确定，且等效直流电流从电源流出，直流电容器上的电压Ua将下降，下降的最终值由欧姆定律确定。因为是无源负荷，所以没有有功功率从交流侧流入。4.1.2 .3无功功率控制原理当有功功率P=O时，无功功率控制的原理如图4所示，通过调整VSC输出交流电压的幅值控制流过联接电感的无功功率。UomxQe<0Uony<Ui感性运行UrIeonvXonxxlcnvUcmvQoaw=0Uaaw=UtIoay=O标引序号½明：Qow一换流器输出有功功率;Qon）W换流器输出无功功率;Xcoay换流器滤波电抗。Qny>OUrow>Ut容性运行图4无功功率控制原理如果VSC输出电压U的幅值高于交流网络电压Ui,VSC向交流网络注入无功功率，即运行在容性模式。如果VSC输出电压UWn的幅值低于交流网络电压Ur,VSC从交流网络吸纳无功功率,即运行在感性模式04.1.3 VSC输电方案的运行原理图5给出的点对点VSC输电方案，在直流侧通过直流输电线路连接两个VSC,这两个VSC在交流侧连接到两个不同的交流网络。4.1.l和4.1.2中已经描述了VSC的基本特性，其中一个特性是直流电压极性通常相同相比之下，采用电网换相换流器的高压直流输电（1.CCHVDC）直流电压的极性取决于功率传输的方向。因此，直流电流的方向通常决定了直流线路上的功率传输方向。在图5中，直流线路上的电流和功率从VSCl（送端或整流端）流向VSC2（受端或逆变端）。图5点对点VSC输电方案直流电流的方向总是从直流电压的高电位流向低电位，因此直流输电线路送端的直流电压需要高于受端的直流电压。电流的大小由欧姆定律Ia=（Uaa-U2）Ra确定，即送端和受端之间的电压差除以直流输电线路的电阻。例如，能通过将受端换流器（逆变器）处的直流电压保持在恒定值，且通过送端换流器（整流器）调节直流电流，从而控制直流输送功率。4.1.4 VSC输电应用领域通常VSC输电的主要应用领域是异步电网互联，以及通过架空线或电缆远距离输电。对于不同的应用领域，VSC输电具有如下显著特征。一交流谐波滤波器等辅助设备少，VSC换流站设计紧凑，占地面积小。适用于可用空间小的场合，诸如在城市中心或海上平台上的安装。VSC直流输电基于自换相运行，因而用于无源系统或弱交流系统是可行的。正常运行时，VSC负责控制交流系统的电压和频率。交流故障期间的运行是VSC的重要准则。VSC注入故障电流的能力有助于交流系统保护动作和故障清除。示例有远距离风电场、石油和天然气平台以及远距离矿场供电。-多数情况下，VSC运行时，直流电压极性不变。输送功率方向反转通过直流电流方向改变实现。在交直流线路并联运行的情况下，通过迅速而准确的直流电流控制维持交流线路的功率稳定。由于直流电压的极性不变，使用VSC比使用1.CCHVDC更容易实现多端系统和高压直流(HVDC)电网。4.2 ttf*通常，出于资金、技术或环境优势考虑，VSC输电作为1.CCHVDC,交流输电或本地发电的替代方案。在评估不同技术时，比较其寿命周期成本很重要。输电系统的技术设计寿命通常很长一一30a或者更长。然而，一项投资只要能提供最大资本收益，便能持续多久就持续多久，这就是所谓“最佳寿命”。最佳寿命总是等于或小于技术设计寿命。4.3 VSC输电系统结构4.3.1 侬对于VSC输电，其直流回路和换流器单元存在儿种可能的系统结构。每个VSC换流站能由单换流器单元组成，实现单极的输电方案。在一些应用中，有必要或有利的是将具有相同换流器相单元拓扑结构的多个换流器单元组合。例如，使用单个换流器单元实现额定功率、电压或电流可能在技术上不可行或经济上不是最佳。能组合多个换流器单元，以提高可用性且在故障时限制停电。两个或多个换流器单元的组合能通过多种方式实现。换流器单元的直流端能并联连接实现大电流输出，或串联连接实现高电压输出。4.3.2 XSm%电缆和架空输电线都能用于VSC输电。但是，下述几个与VSC输电基本原理有关的因素可能影响直流线路的选择。一VSC通常只存在一种直流电压极性，电缆不必依据电压极性反转设计。这就允许使用挤压交联聚乙烯(X1.PE)直流电缆。直流电缆故障被认为是永久性故障，将影响或中断输电。一架空线总是暴露在雷击和污染环境中，因而沿线易产生故障。大多数输电中断都是暂时性的，一旦故障清除且恢复空气绝缘，输电将重新开始。背靠背接线方式是VSC输电的特殊应用，其直流输电距离为零。43.3WW放4.13.1 侬VSC换流器能在不同的单极接线方式下运行:对称单极；一不对称单极金属回线；不对称单极大地回线。4.13.2 ）W在对称单极中，直流输电电压大小相等但极性相反。直流回路的中性点通过电容器接地（如图6所示），或通过其他方式接地（例如交流侧的高频接地电抗器）O-c)jVA图6对称单极的VSC输电4.13.3 不对称极图7和图8所示的不对称单极中，换流器直流侧的输出是不对称的，通常一侧接地。输电系统运行在金属回线或大地回线方式都是可能的。图7不对称单极金属回线VSC输电图8不对称单极大地回线VSC输电4.13.4 双两个不对称换流器能通过大地回线（如图9所示）或专用金属回线（如图10所示）连接在一起构成双极方式。图10采用专用金属回线双极接线方式的VSC输电中性母线能参照双极1.eCHVDC方案通常采用的设计过程设计。当一个换流器停运或一极的直流线路/电缆故障时，通常设计为可能以不对称单极方式运行剩余系统。一种可能的双极接线方式为固定双极接线方式（如图U所示）。在固定双极接线方式中，两个换流站之间没有中性线连接。旁路开关与每个换流器单元并联，使得如果一个换流器单元发生故障，使用故障极的极导线作为中性回路，系统仍能使用剩余极运行。采用固定双极接线方式时，当旁路开关投入运行，正常极恢复之前，两极的功率输送会短时间中断。图11固定双极接线方式的VSC输电4.13.5 换流器并联两个VSC换流器的直流端能并联以输出更大的直流电流，如图12所示。图12双换流器并联连接为防止两个并联的换流器之间产生不希望的相互作用，可在两个换流器之间设置一定的阻抗。选择换流器单元并联时，换流器单元间需要上级的控制以协调电流指令。在换流器单元内部故障时，为了实现高可靠性，需要额外的开关或开断装置隔离故障换流器单元。显然，在直流线路故障时，共用的直流输电线路没有冗余。4.13.6 换流器串联连接两个VSC换流器能在其直流侧串联在一起。与采用单个换流器单元相比，这种方法能用来提高VSC输电的直流电压等级。串联连接的最典型应用为4.3.4中所述的双极接线方式。4.13.7 换流器的串联、并联连接原理上，两个以上的换流器单元也能并联或串联连接。每个换流器单元要么连接到公共变压器的单独绕组，要么连接到单独的变压器。通常，需要根据工程的具体要求评估采用多换流器单元带来的复杂性。4.4VSC输电用半导体器件在电压源换流器正常运行中，功率半导体器件耐受单极性电压，且能正反向导通电流。因此，功率半导体器件应具有开通和关断能力，以及正向高电压阻断能力(通常为数千伏)。目前，这些要求通常通过可关断半导体器件及其续流二极管实现，如图13所示。然而，双模绝缘栅晶体管(BiGTjGBT的一种型式)允许在同一硅片中双向传导电流，因而不需要单独的续流二极管。图13可关断半导体器件和续流二极管的符号示意图多种不同的可关断半导体器件都适用于VSC技术，但迄今只有图14所示的绝缘栅双极晶体管(IGBT及其派生器件诸如BiGT和注入增强栅晶体管(IEGT)用于已建成的采用电压源换流器的高压直流(VSCHVDC)商业工程。因此，虽然也可使用其他半导体器件诸如门极关断晶闸管(GTo)和集成门极换流晶闸管(IGCT),本文件以IGBT为例对可关断半导体器件进行描述。注：适用于VSC输电的半导体器件有两类，“晶体管”类(包括IGBT)和“晶闸管”类(包括GTO和IGCa“晶闸管”类器件比“晶体管”类器件能处理更大的功率，但缺乏某些控制功能，例如采用控制栅极实现器件Jll耐导通和关三雌九“晶的类陶枇“跳管”类器阐劾谢强高，这使得它们目前在VSC输电中的硼更J困难。“晶闸管”类器件储如KTD的应用研究仍在进行中。Q1.图14IGBT及相关续流二极管的符号与所有二极管一样，与可关断器件并联的续流二极管关断时具有较大的反向恢复电流。IGBT和续流二极管都需要应对开关暂态，特别是电流变化率和电压变化率。IGBT是电压控制型器件，只有容性电流能流进栅极。该器件在任何时刻都是可控的，甚至在开关暂态过程中，即栅极电压能影响到负荷电流。在规定的运行条件下，IGBT具有短路保护能力。这意味着短路情况下，IGBT将负荷电流限制到几千安培以内(通常称为去饱和过程)。需要在数微秒内施加适当的栅极关断信号，以关断故障电流，使器件免受过热应力。IGBT的开关时间为数微秒或更短。此外，能通过栅极驱动电路调整开关过程，从而获得过电压峰值和开关损耗的最佳波形。许多情况下，将电压和电流的变化率保持在可接受水平的缓冲电路是不必要的。IGBT的栅极驱动电路可以很简单，因为只需要提供数瓦的功率至栅极。大功率IGBT由芯片并联构成，以实现大电流容量，采用压接式外壳或模块式外壳封装形式。大多数情况下，续流二极管(FWD)芯片与之封装在同一个外壳内。压接式外壳封装的IGBT夹在两片散热器中间，电流和热的路径为被绝缘材料环隔开的、作为IG-BT集电极和发射极的铜电极。对于高压器件，该绝缘材料在大多数情况下采用高强度陶瓷，也可采用玻璃纤维增强型树脂。模块式外壳封装的IGBT为单面冷却，由螺钉安装在散热器上，无需使用弹簧压紧机构。电气接线端子位于模块顶部，热量通过模块的底板流向散热器。由于模块的电气部分与底板之间是绝缘的，在同一散热器上能安装不同电位的模块。5VSC输电换流器拓扑结构5.1 喇对于大功率VSC输电系统，决定整个系统成本和运行损耗的关键问题是构建交流输出电压波形的主电路结构。为了消除或最小化谐波滤波的需要，输出电压波形需要近似于正弦波。实际工程使用的换流器是直流电压固定的电压源换流器。换流器由可关断半导体器件组成，它们在一定时间间隔内周期性地将直流输入电压连接到输出端，从而产生交流输出电压。VSC输电系统每一-端的换流器能以多种不同方式布置，换流器接线方式通常被称为其拓扑结构。截止目前，已投运工程中包括两种不同的换流器类型：一种是换流器阀作为可控开关，另一种是换流器阀作为可控电压源。5.2和5.3分别描述了这两种换流器。参考文献11描述了一些具有“可控开关”和“可控电压源”两种类型特性的其他换流器拓扑结构。任何可行的拓扑结构设计的基本准则是能满足功能要求附录A给出了VSC输电系统的功能规范。不同的拓扑结构有不同的技术特点，因而允许以不同的方式优化总体方案。制造商可能有各自采用的拓扑结构，且能围绕各自的拓扑结构提出最优方案。除非有充分的理由，不建议用户指定VSC输电系统的拓扑结构。换流器可能有单相、三相或多相交流输出/输入的拓扑结构。本文件仅讨论三相换流器拓扑结构。5.2 “开关”型VSC润的换流器拓扑结构5.2.1 雌换流器开关(通常称为VSC阀)执行将交流母线连接到直流端的功能。如果通过两个交替操作的开关直接连接，交流母线电压将在两个直流端的电压之间变化，这种换流器被称为两电平换流器。在两电平换流器中，每个VSC阀需要承受两个直流端间的电压。如果直流电容器分组或增加额外的直流电容器，交流电压不但能达到两个直流端之一处的电压，而且还能达到中间电平的电压。交流母线电压能切换的电平数量取决于阀的数量，以及直流电容器分组或增加的直流电容器的数量。根据能达到的电平数量，相应拓扑结构的换流器称为三电平或多电平换流器。术语“多电平”指的是换流器相单元拓扑结构，其中交流母线电压能切换到三个以上不同的电平。在三电平或多电平的拓扑结构中，通常VSC阀不需要设计成承受直流端之间的全部电压。例如，正常运行时，三电平换流器拓扑结构中的每个VSC阀只承受端之间直流电压的50%。类似地，正常运行时，n电平换流器拓扑结构中的每个VSC阀承受的电压为相单元端子之间的直流电压除以(n-l)o在5.2.3和5.3中将更详细描述适用于VSe输电系统的换流器拓扑结构。值得注意的是，正在对电压源换流器技术进行大量的研究和开发，本文件发布后，可能会有其他可用的拓扑结构。5.22运行原理本条介绍理想VSC的基本运行原理，介绍的内容仅限于两电平VSC。两电平VSC是将直流电压转换为交流电压所需要的最简单结构。虽然其他类型的多电平VSC更加复杂，但它们的基本运行原理与两电平VSC没有区别。为了便于描述，将VSC阀当作没有任何开关损耗的理想开关。实际应用中，VSC阀包含了大量串联的半导体器件，在5.4中有更详尽的描述。此处忽略了杂散电感，且假设直流电容器具有无穷大的电容，即没有显示直流纹波电压。如4.1所述，VSC的输出需要串联相电抗器。相电抗器除了平滑VSC输出电流之外，还使VSC能控制功率输出。5.2.3拓扑结构5.Z3.1两电平换流器两电平换流器是最简单的拓扑结构，能从直流源产生简单方波形式的交流输出。图15给出了采用三个两电平相单元的三相换流器。图15三相两电平换流器示意图以及单相交流电压波形图15中给出的交流输出电压波形是相对中性点的电压。中性点电压是换流器两直流端的平均电压。在实际的HVDC方案中，图15所示的方波输出电压是不可接受的，这种类型的换流器通常采用PWM技术，如9.3所述。图16给出了典型的PWM开关波形，采用载波调制方法，开关频率为基波频率的21倍。为便于说明，假设直流电容器的电容为无穷大(即直流电压无纹波)。度(")图1621倍基波频率时采用PWM的两电平换流器单相交流电压其他的PWM技术也是可用的，诸如优化PWM(OPWM)或特定消谐方法(SHEM)O这些旨在改善输电能力、开关频率和谐波性能之间的关系。5.2.3.2 中性点钳位(NPC)的三电平换流器图17所示的三相换流器包括三个三电平相单元。换流器的三个直流端连接到直流源的两端及中间抽头。如图所示，相比两电平相单元，三电平相单元使用了更多的阀，需要额外的二极管或阀连接到直流源的中间抽头，该抽头为参考零电位。然而，阀两端额定电压相同时，总的直流源电压能增加一倍，以便每个阀的输出电压保持相同。图17三相三电平NPC换流器的示意图以及相应的单相交流电压波形注：在一些应用中，图17所示的用于中性点钳位的二极管能由IGBT代替。图17所示的交流电压波形为相对中性点的电压。中性点电压是直流电容器中点处的电压。如图17所示，三电平相单元的输出电压能为正、负或零。正电压输出通过开通相单元上桥臂的两个阀产生，负电压输出通过开通相单元下桥臂的两个阀产生。当通过两个二极管将直流源的中间抽头连接到输出端的两个中间阀开通时，产生零电压输出。零电压输出时，正向电流流经中上部的可关断器件和上部的中间抽头二极管，负向电流流经中下部的可关断器件和下部的中间抽头二极管。如图17所示，正（和负）输出电压相对于零电压输出持续时间的相对持续时间是控制参数a的函数，控制参数a定义了最上端和最下端阀的导通时间间隔。相单元产生的输出电压的基波频率分量的幅值是参数a的函数。当a=O。时，幅值最大；当a=9O°时，幅值为零。因此，三电平相单元的一个优点是它具有控制输出电压幅值的内在能力，不用改变阀在每个周期中