Преобразователь HVDC преобразует электроэнергию из переменного тока высокого напряжения (AC) в постоянный ток высокого напряжения (HVDC) или наоборот. HVDC используется как альтернатива переменному току для передачи электроэнергии на большие расстояния или между системами переменного тока разных частот. [1] Были построены преобразователи HVDC, способные преобразовывать до двух гигаватт (ГВт) [2] и с номинальными напряжениями до 900 киловольт ( кВ) [3] , и даже более высокие номинальные значения технически осуществимы. Полная преобразовательная станция может содержать несколько таких преобразователей последовательно и/или параллельно для достижения общих номинальных напряжений постоянного тока системы до 1100 кВ.
Почти все преобразователи HVDC по своей сути двунаправленные; они могут преобразовывать либо из переменного тока в постоянный ( выпрямление ), либо из постоянного тока в переменный ( инверсия ). Полная система HVDC всегда включает в себя по крайней мере один преобразователь, работающий как выпрямитель (преобразующий переменный ток в постоянный), и по крайней мере один, работающий как инвертор (преобразующий постоянный ток в переменный). Некоторые системы HVDC в полной мере используют это двунаправленное свойство (например, те, которые предназначены для трансграничной торговли электроэнергией, такие как линия связи между Англией и Францией ). [4] Другие, например, те, которые предназначены для экспорта электроэнергии с удаленной электростанции, такие как схема Итайпу в Бразилии , [5] могут быть оптимизированы для потока мощности только в одном предпочтительном направлении. В таких схемах поток мощности в непредпочтительном направлении может иметь пониженную мощность или более низкую эффективность.
Преобразователи HVDC могут иметь несколько различных форм. Ранние системы HVDC, построенные до 1930-х годов, фактически представляли собой вращающиеся преобразователи и использовали электромеханическое преобразование с мотор - генераторными установками, соединенными последовательно на стороне постоянного тока и параллельно на стороне переменного тока. Однако все системы HVDC, построенные с 1940-х годов, использовали электронные (статические) преобразователи.
Электронные преобразователи для HVDC делятся на две основные категории. Линейно-коммутируемые преобразователи (классические HVDC) изготавливаются с электронными переключателями , которые можно только включать. Преобразователи с источником напряжения изготавливаются с коммутационными устройствами, которые можно как включать, так и выключать. Линейно-коммутируемые преобразователи (LCC) использовали ртутные дуговые вентили до 1970-х годов [6] или тиристоры с 1970-х годов и по сей день. Преобразователи с источником напряжения (VSC), которые впервые появились в HVDC в 1997 году [7], используют транзисторы , обычно биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).
По состоянию на 2012 год важны как технологии с линейной коммутацией, так и технологии с источником напряжения, причем преобразователи с линейной коммутацией используются в основном там, где требуются очень высокая мощность и эффективность, а преобразователи с источником напряжения используются в основном для соединения слабых систем переменного тока, для подключения крупномасштабной ветроэнергетики к сети или для соединений HVDC, которые, вероятно, будут расширены, чтобы стать многотерминальными системами HVDC в будущем. Рынок преобразователей напряжения HVDC быстро растет, отчасти из-за всплеска инвестиций в оффшорную ветроэнергетику , причем один конкретный тип преобразователя, модульный многоуровневый преобразователь (MMC) [8], становится лидером.
Уже в 1880-х годах преимущества передачи постоянного тока на большие расстояния начали становиться очевидными, и было введено в эксплуатацию несколько коммерческих систем передачи электроэнергии. [1] Наиболее успешные из них использовали систему, изобретенную Рене Тюри , и были основаны на принципе последовательного соединения нескольких мотор-генераторных установок на стороне постоянного тока. Самым известным примером была схема передачи постоянного тока Лион-Мутье протяженностью 200 км во Франции , которая действовала в коммерческих целях с 1906 по 1936 год, передавая электроэнергию от гидроэлектростанции Мутье до города Лион . [9] Кимбарк [10] сообщает, что эта система работала довольно надежно; однако общая сквозная эффективность (около 70%) была низкой по сегодняшним меркам. С 1930-х годов [6] начались обширные исследования статических альтернатив с использованием газонаполненных трубок — в основном ртутных дуговых вентилей , но также и тиратронов — которые обещали значительно более высокую эффективность. Очень маленькие механические вращающиеся преобразователи использовались в узкоспециализированных приложениях в неблагоприятных условиях, например, в самолетах и транспортных средствах, как метод преобразования энергии от батарей в высокие напряжения, необходимые для радио и радаров, вплоть до 1960-х годов и эпохи транзисторов.
Большинство систем HVDC, работающих сегодня, основаны на преобразователях с линейной коммутацией (LCC). Термин « линейно-коммутируемый» указывает на то, что процесс преобразования зависит от линейного напряжения системы переменного тока, к которой подключен преобразователь, чтобы осуществить коммутацию от одного коммутационного устройства к его соседу. [11] Преобразователи с линейной коммутацией используют коммутационные устройства, которые либо неконтролируемы (например, диоды ), либо могут быть включены (не выключены) только управляющим воздействием, например, тиристоры . Хотя преобразователи HVDC, в принципе, могут быть построены из диодов, такие преобразователи могут использоваться только в режиме выпрямления, а отсутствие управляемости постоянного напряжения является серьезным недостатком. Следовательно, на практике все системы HVDC LCC используют либо управляемые сеткой ртутно-дуговые вентили (до 1970-х годов), либо тиристоры (до настоящего времени).
В преобразователе с линейной коммутацией постоянный ток не меняет направления; он протекает через большую индуктивность и может считаться почти постоянным. Со стороны переменного тока преобразователь ведет себя примерно как источник тока, вводя в сеть переменного тока как сетевые, так и гармонические токи. По этой причине преобразователь с линейной коммутацией для HVDC также рассматривается как преобразователь с источником тока . [11] Поскольку направление тока нельзя изменить, изменение направления потока мощности (там, где это необходимо) достигается путем изменения полярности постоянного напряжения на обеих станциях.
Базовая конфигурация LCC для HVDC использует трехфазный мостовой выпрямитель Грэтца или шестиимпульсный мост , содержащий шесть электронных переключателей, каждый из которых подключает одну из трех фаз к одному из двух выводов постоянного тока. [12] Полный коммутационный элемент обычно называют клапаном , независимо от его конструкции. Обычно два клапана в мосту проводят в любой момент времени: один к фазе в верхнем ряду и один (от другой фазы) в нижнем ряду. Два проводящих клапана подключают два из трех фазных напряжений переменного тока последовательно к выводам постоянного тока. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока в любой данный момент времени задается последовательной комбинацией двух фазных напряжений переменного тока. Например, если клапаны V1 и V2 проводят, выходное напряжение постоянного тока задается напряжением фазы 1 минус напряжение фазы 3.
Из-за неизбежной (но полезной) индуктивности в источнике переменного тока переход от одной пары проводящих вентилей к другой не происходит мгновенно. Скорее, существует короткий период перекрытия , когда два вентиля в одном ряду моста проводят одновременно. Например, если вентили V1 и V2 изначально проводят, а затем включается вентиль V3, проводимость переходит от V1 к V3, но в течение короткого периода оба этих вентиля проводят одновременно. [11] В течение этого периода выходное напряжение постоянного тока определяется средним значением напряжений фаз 1 и 2 за вычетом напряжения фазы 3. Угол перекрытия μ (или u) в преобразователе HVDC увеличивается с током нагрузки, но обычно составляет около 20° при полной нагрузке.
В течение периода перекрытия выходное постоянное напряжение ниже, чем оно было бы в противном случае, и период перекрытия создает видимый провал в постоянном напряжении. [11] Важным следствием этого является то, что среднее выходное постоянное напряжение уменьшается по мере увеличения периода перекрытия; следовательно, среднее постоянное напряжение падает с увеличением постоянного тока.
Среднее выходное напряжение постоянного тока шестиимпульсного преобразователя определяется по формуле: [13]
Где:
Угол зажигания α представляет собой задержку времени от точки, в которой напряжение на клапане становится положительным (в этой точке диод начнет проводить ток), и включения тиристоров. [11] [14] Из приведенного выше уравнения ясно, что с увеличением угла зажигания среднее выходное напряжение постоянного тока уменьшается. Фактически, в случае преобразователя с линейной коммутацией угол зажигания представляет собой единственный быстрый способ управления преобразователем. Управление углом зажигания используется для непрерывного регулирования напряжений постоянного тока на обоих концах системы HVDC с целью получения желаемого уровня передачи мощности.
Выходное напряжение постоянного тока преобразователя постепенно становится менее положительным по мере увеличения угла зажигания: углы зажигания до 90° соответствуют выпрямлению и приводят к положительным напряжениям постоянного тока, в то время как углы зажигания свыше 90° соответствуют инверсии и приводят к отрицательным напряжениям постоянного тока. [15] Однако угол зажигания не может быть расширен до 180° по двум причинам. Во-первых, необходимо сделать поправку на угол перекрытия μ, а во-вторых, на дополнительный угол затухания γ, который необходим для того, чтобы вентили восстановили свою способность выдерживать положительное напряжение после проведения тока. Угол затухания γ связан со временем выключения t q тиристоров. Типичное значение γ составляет 15°. α, γ и μ взаимосвязаны следующим образом:
(в градусах)
При изменении фазы только каждые 60°, при использовании шестиимпульсной схемы на клеммах постоянного и переменного тока возникают значительные гармонические искажения. Для восстановления синусоидальных форм сигналов необходимы крупные фильтрующие компоненты. Улучшение шестиимпульсной схемы моста использует 12 ламп в двенадцатимпульсном мосту . [11] Двенадцатимпульсный мост фактически представляет собой два шестиимпульсных моста, соединенных последовательно на стороне постоянного тока и расположенных со сдвигом фаз между их соответствующими источниками переменного тока, так что некоторые гармонические напряжения и токи подавляются.
Фазовый сдвиг между двумя источниками переменного тока обычно составляет 30° и реализуется с помощью преобразовательных трансформаторов с двумя различными вторичными обмотками (или обмотками вентилей ). Обычно одна из обмоток вентилей соединена звездой (звездой), а другая — треугольником. [16] При двенадцати вентилях, соединяющих каждый из двух наборов из трех фаз с двумя рельсами постоянного тока, происходит изменение фазы каждые 30°, а уровни низкочастотных гармоник значительно снижаются, что значительно упрощает требования к фильтрации. По этой причине двенадцатиимпульсная система стала стандартной почти для всех систем HVDC с коммутацией по линии, хотя системы HVDC, построенные с ртутными дуговыми вентилями, предусматривают временную работу с одной из двух шестиимпульсных групп, шунтированных.
Ранние системы LCC использовали ртутно-дуговые вентили , конструкции которых были разработаны на основе тех, которые использовались в мощных промышленных выпрямителях. [17] Для того, чтобы сделать такие вентили пригодными для HVDC, потребовалось несколько адаптаций, в частности, использование анодных электродов градуировки напряжения для минимизации риска возникновения дуги при очень высоких обратных напряжениях, наблюдаемых в HVDC. [18] Большая часть новаторской работы в этой области была выполнена в Швеции доктором Уно Ламмом , которого широко считают «отцом HVDC» и в честь которого IEEE учредил «Премию Уно Ламма» за выдающийся вклад в области HVDC. [19] Очень длинные анодные колонны, необходимые для высоковольтных приложений, ограничивали ток, который мог безопасно переноситься каждым анодом, поэтому большинство ртутно-дуговых вентилей для HVDC использовали несколько (чаще всего четыре) анодных колонн параллельно на один вентиль. [6]
Обычно каждое плечо каждого шестиимпульсного моста состояло только из одного ртутно-дугового вентиля, но два проекта, построенные в бывшем Советском Союзе, использовали два или три ртутно-дуговых вентиля последовательно на плечо, без параллельного соединения анодных колонн. [20]
Ртутные дуговые клапаны для HVDC были прочными, но требовали большого обслуживания. Из-за этого большинство ртутно-дуговых систем HVDC были построены с обходным распределительным устройством через каждый шестиимпульсный мост, так что схема HVDC могла работать в шестиимпульсном режиме в течение коротких периодов обслуживания. [16] [21]
Ртутные дуговые вентили были построены с номинальными характеристиками до 150 кВ, 1800 А. Последняя (и самая мощная) установленная ртутная дуговая система была установлена в системе передачи постоянного тока реки Нельсон в Канаде , которая использовала шесть анодных колонн параллельно на вентиль и была завершена в 1977 году. [22] [23] Последняя действующая ртутная дуговая система ( межостровная линия HVDC между Северным и Южным островами Новой Зеландии ) была закрыта в 2012 году. Ртутные дуговые вентили также использовались в следующих проектах HVDC: [24]
Тиристорный вентиль был впервые использован в системах HVDC в 1972 году на преобразовательной станции Ил-Ривер в Канаде . [23] Тиристор — это твердотельное полупроводниковое устройство, похожее на диод , но с дополнительной управляющей клеммой, которая используется для включения устройства в определенный момент времени. Поскольку тиристоры имеют пробивное напряжение всего несколько киловольт каждый, тиристорные вентили HVDC строятся с использованием большого количества тиристоров, соединенных последовательно. Дополнительные пассивные компоненты, такие как градуировочные конденсаторы и резисторы, должны быть подключены параллельно с каждым тиристором, чтобы гарантировать, что напряжение на вентиле равномерно распределяется между тиристорами. Тиристор плюс его градуировочные цепи и другое вспомогательное оборудование известны как тиристорный уровень .
Каждый тиристорный клапан обычно содержит десятки или сотни тиристорных уровней, каждый из которых работает при различном (высоком) потенциале по отношению к земле. [16] Поэтому командная информация для включения тиристоров не может быть просто отправлена с помощью проводного соединения — она должна быть изолирована. Метод изоляции может быть магнитным (с использованием импульсных трансформаторов ), но обычно является оптическим . Используются два оптических метода: косвенный и прямой оптический запуск. В методе косвенного оптического запуска низковольтная управляющая электроника посылает световые импульсы по оптическим волокнам в управляющую электронику высокой стороны , которая получает питание от напряжения на каждом тиристоре. Альтернативный метод прямого оптического запуска обходится без большей части электроники высокой стороны, вместо этого используя световые импульсы от управляющей электроники для переключения светозапускаемых тиристоров (LTT), [25] хотя небольшой блок контрольной электроники все еще может потребоваться для защиты клапана.
По состоянию на 2012 год тиристорные вентили использовались в более чем 100 схемах HVDC, и еще больше все еще находятся в стадии строительства или планирования. Самая высокая номинальная мощность любого отдельного преобразователя HVDC (двенадцатиимпульсный мост) в эксплуатации составила 2000 МВт в 2010 году на схеме ±660 кВ Ниндун-Шаньдун в Китае . Два таких преобразователя предусмотрены на каждом конце схемы, которая имеет обычную биполярную конструкцию. [2] С 2007 года самым высоким номинальным напряжением отдельного преобразователя HVDC является схема ±450 кВ NorNed, связывающая Норвегию с Нидерландами , которая имеет только один преобразователь на каждом конце в расположении, которое необычно для схемы LCC HVDC. [3]
Поскольку тиристоры (и ртутные выпрямители) могут быть включены (не выключены) только посредством управляющего воздействия и полагаются на внешнюю систему переменного тока для осуществления процесса выключения, система управления имеет только одну степень свободы — когда в цикле включается тиристор. [11] Это ограничивает полезность HVDC в некоторых обстоятельствах, поскольку это означает, что система переменного тока, к которой подключен преобразователь HVDC, всегда должна содержать синхронные машины, чтобы обеспечить синхронизацию для коммутирующего напряжения — преобразователь HVDC не может подавать питание в пассивную систему. Это не проблема подачи дополнительной мощности в сеть, которая уже находится под напряжением, но не может использоваться в качестве единственного источника питания.
С другими типами полупроводниковых устройств, такими как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), можно управлять временем включения и выключения, что дает вторую степень свободы. В результате IGBT можно использовать для создания самокоммутируемых преобразователей , которые по работе приближаются к большому инвертору . В таких преобразователях полярность постоянного напряжения обычно фиксирована, а постоянное напряжение, сглаживаемое большой емкостью, можно считать постоянным. По этой причине преобразователь HVDC, использующий IGBT, обычно называют преобразователем с источником напряжения (или преобразователем с источником напряжения [26] ). Дополнительная управляемость дает много преимуществ, в частности, возможность включать и выключать IGBT много раз за цикл для улучшения гармонических характеристик, а также тот факт, что (будучи самокоммутируемым) преобразователь больше не полагается на синхронные машины в системе переменного тока для своей работы. Таким образом, преобразователь с источником напряжения может подавать питание в сеть переменного тока, состоящую только из пассивных нагрузок, что невозможно с LCC HVDC. Преобразователи напряжения также значительно компактнее преобразователей с линейной коммутацией (главным образом потому, что требуется гораздо меньшая фильтрация гармоник) и предпочтительнее преобразователей с линейной коммутацией в местах с ограниченным пространством, например, на морских платформах.
В отличие от преобразователей HVDC с линейной коммутацией, преобразователи источника напряжения поддерживают постоянную полярность постоянного напряжения, а изменение направления мощности достигается путем изменения направления тока. Это значительно упрощает подключение преобразователей источника напряжения в многотерминальную систему HVDC или «DC Grid». [27]
Системы HVDC на основе преобразователей напряжения-источника обычно используют шестиимпульсное соединение, поскольку преобразователь производит гораздо меньше гармонических искажений, чем сопоставимый LCC, а двенадцатимпульсное соединение не нужно. Это упрощает конструкцию преобразовательного трансформатора. Однако существует несколько различных конфигураций преобразователя напряжения-источника [28], и исследования продолжаются в поисках новых альтернатив.
Начиная с самой первой установленной схемы VSC-HVDC ( экспериментальная линия Hellsjön , введенная в эксплуатацию в Швеции в 1997 году [7] ) и до 2012 года большинство построенных систем VSC HVDC были основаны на двухуровневом преобразователе . Двухуровневый преобразователь является простейшим типом трехфазного преобразователя напряжения [29] и может рассматриваться как шестиимпульсный мост, в котором тиристоры были заменены на IGBT с инверсно-параллельными диодами, а сглаживающие реакторы постоянного тока были заменены на сглаживающие конденсаторы постоянного тока . Такие преобразователи получили свое название из-за того, что напряжение на выходе переменного тока каждой фазы переключается между двумя дискретными уровнями напряжения, соответствующими электрическим потенциалам положительного и отрицательного выводов постоянного тока. Когда верхний из двух вентилей в фазе включен, выходной вывод переменного тока подключается к положительному выводу постоянного тока, в результате чего выходное напряжение составляет + 1/2 U d относительно потенциала средней точки преобразователя. Наоборот, когда нижний клапан в фазе включен, выходная клемма переменного тока подключается к отрицательной клемме постоянного тока, что приводит к выходному напряжению − 1/2 U d . Два клапана, соответствующие одной фазе, никогда не должны включаться одновременно, так как это приведет к неконтролируемому разряду конденсатора постоянного тока, что может привести к серьезному повреждению оборудования преобразователя.
Самая простая (а также самая высокоамплитудная) форма волны, которую может создать двухуровневый преобразователь, — это прямоугольная волна ; однако это приведет к неприемлемым уровням гармонических искажений, поэтому для улучшения гармонических искажений преобразователя всегда используется некоторая форма широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В результате ШИМ IGBT включаются и выключаются много раз (обычно 20) в каждом цикле сети. [30] Это приводит к высоким потерям переключения в IGBT и снижает общую эффективность передачи . Для HVDC возможны несколько различных стратегий ШИМ [31] , но во всех случаях эффективность двухуровневого преобразователя значительно ниже, чем у LCC из-за более высоких потерь переключения. Типичная станция преобразователя LCC HVDC имеет потери мощности около 0,7% при полной нагрузке (на один конец, за исключением линии или кабеля HVDC), в то время как для двухуровневых преобразователей источника напряжения эквивалентная цифра составляет 2-3% на один конец.
Другим недостатком двухуровневого преобразователя является то, что для достижения очень высоких рабочих напряжений, необходимых для схемы HVDC, необходимо последовательно соединить несколько сотен IGBT и одновременно переключать их в каждом вентиле. [32] Для этого требуются специализированные типы IGBT со сложными схемами управления затвором , и это может привести к очень высоким уровням электромагнитных помех .
В попытке улучшить плохие гармонические характеристики двухуровневого преобразователя, некоторые системы HVDC были построены с трехуровневыми преобразователями . Трехуровневые преобразователи могут синтезировать три (вместо двух) дискретных уровня напряжения на клемме переменного тока каждой фазы: + 1/2 U d , 0 и - 1/2 U d . Распространенным типом трехуровневого преобразователя является преобразователь с диодной фиксацией (или нейтралью ), в котором каждая фаза содержит четыре вентиля IGBT, каждый из которых рассчитан на половину напряжения постоянного тока между линиями, а также два фиксирующих диодных вентиля. [32] Конденсатор постоянного тока разделен на две последовательно соединенные ветви, при этом фиксирующие диодные вентили подключены между средней точкой конденсатора и точками одной четверти и трех четвертей на каждой фазе. Для получения положительного выходного напряжения (+ 1/2 U d ) верхние два IGBT-клапана включены, чтобы получить отрицательное выходное напряжение (- 1/2 U d ) нижние два IGBT-клапана включены, а для получения нулевого выходного напряжения включены средние два IGBT-клапана. В этом последнем состоянии два фиксирующих диодных клапана замыкают путь тока через фазу.
В усовершенствовании преобразователя с диодным зажимом, так называемом активном преобразователе с зажимом нейтральной точки , фиксирующие диодные вентили заменяются на IGBT-вентили, что обеспечивает дополнительную управляемость. Такие преобразователи использовались в проекте Murraylink [33] в Австралии и в линии Cross Sound Cable в Соединенных Штатах . [34] Однако скромное улучшение гармонических характеристик было достигнуто за счет значительной цены с точки зрения увеличения сложности, и конструкция оказалась сложной для масштабирования до напряжений постоянного тока выше ±150 кВ, используемых в этих двух проектах.
Другой тип трехуровневого преобразователя, используемый в некоторых приводах с регулируемой скоростью , но никогда в HVDC, заменяет фиксирующие диодные клапаны отдельным, изолированным, плавающим конденсатором, подключенным между точками одна четверть и три четверти. [32] Принцип работы аналогичен принципу работы преобразователя с диодным зажимом. Оба варианта трехуровневого преобразователя с диодным зажимом и плавающим конденсатором могут быть расширены до большего числа выходных уровней (например, пять), но сложность схемы увеличивается непропорционально, и такие схемы не были признаны практичными для приложений HVDC.
Впервые предложенный для приложений HVDC в 2003 году Марквардтом [8] и впервые использованный в коммерческих целях в проекте Trans Bay Cable в Сан-Франциско [35] , модульный многоуровневый преобразователь (MMC) в настоящее время становится наиболее распространенным типом преобразователя источника напряжения для HVDC. [36]
Подобно двухуровневому преобразователю и шестиимпульсному линейно-коммутируемому преобразователю, MMC состоит из шести вентилей, каждый из которых соединяет одну клемму переменного тока с одной клеммой постоянного тока. Однако, если каждый вентиль двухуровневого преобразователя фактически является высоковольтным управляемым переключателем, состоящим из большого количества последовательно соединенных IGBT, каждый вентиль MMC является отдельным управляемым источником напряжения сам по себе. Каждый вентиль MMC состоит из ряда независимых подмодулей преобразователя , каждый из которых содержит свой собственный накопительный конденсатор. В наиболее распространенной форме схемы, полумостовом варианте, каждый подмодуль содержит два IGBT, соединенных последовательно через конденсатор, причем соединение средней точки и один из двух выводов конденсатора выведены в качестве внешних соединений. [35] В зависимости от того, какой из двух IGBT в каждом подмодуле включен, конденсатор либо шунтируется, либо подключается к цепи. Таким образом, каждый подмодуль действует как независимый двухуровневый преобразователь, генерирующий напряжение либо 0, либо U sm (где U sm — напряжение конденсатора подмодуля). При наличии соответствующего количества последовательно соединенных подмодулей клапан может синтезировать ступенчатую форму напряжения, которая очень близка к синусоидальной и содержит очень низкий уровень гармонических искажений.
MMC отличается от других типов преобразователей тем, что ток непрерывно течет во всех шести вентилях преобразователя на протяжении всего цикла частоты сети. В результате такие понятия, как «включенное состояние» и «выключенное состояние», не имеют смысла в MMC. Постоянный ток делится поровну на три фазы, а переменный ток делится поровну на верхний и нижний вентили каждой фазы. [35] Таким образом, ток в каждом вентиле связан с постоянным током I d и переменным током I ac следующим образом:
Верхний клапан:
Нижний клапан:
Типичный MMC для применения HVDC содержит около 300 подмодулей, соединенных последовательно в каждом клапане, и поэтому эквивалентен преобразователю 301 уровня. Следовательно, гармонические характеристики превосходны, и обычно не требуются фильтры. Еще одним преимуществом MMC является то, что ШИМ не требуется, в результате чего потери мощности намного ниже, чем у 2-уровневого преобразователя, около 1% на конец. [37] [36] [38] Наконец, поскольку прямое последовательное соединение IGBT не является необходимым, драйверы затворов IGBT не должны быть такими сложными, как для 2-уровневого преобразователя.
MMC имеет два основных недостатка. Во-первых, управление намного сложнее, чем у двухуровневого преобразователя. Балансировка напряжений каждого из конденсаторов субмодуля является значительной проблемой и требует значительной вычислительной мощности и высокоскоростной связи между центральным блоком управления и клапаном. Во-вторых, сами конденсаторы субмодуля большие и громоздкие. [39] MMC значительно больше двухуровневого преобразователя сопоставимого номинала, хотя это может быть компенсировано экономией пространства за счет отсутствия необходимости в фильтрах.
По состоянию на 2012 год самой мощной эксплуатируемой системой MMC HVDC по-прежнему является кабельная система Trans Bay Cable мощностью 400 МВт , но в настоящее время ведется строительство многих более крупных схем, включая подземную кабельную связь из Франции в Испанию, состоящую из двух параллельных линий мощностью 1000 МВт при напряжении ±320 кВ. [40]
Вариант MMC, предложенный одним производителем, включает последовательное соединение нескольких IGBT в каждом из двух переключателей, составляющих подмодуль. Это дает выходную форму напряжения с меньшим количеством, но более крупных шагов, чем обычная схема MMC. Такая схема называется каскадным двухуровневым преобразователем (CTL). [37] Функционально он полностью эквивалентен обычной полумостовой схеме MMC во всех отношениях, за исключением гармонических характеристик, которые немного хуже — хотя все еще считаются достаточно хорошими, чтобы избежать необходимости фильтрации в большинстве случаев.
Другая альтернатива заменяет субмодуль полумоста MMC, описанный выше, на субмодуль полного моста , содержащий четыре IGBT в мостовой схеме H вместо двух. [41] Вариант полного моста MMC позволяет вставлять конденсатор субмодуля в цепь в любой полярности. Это обеспечивает дополнительную гибкость в управлении преобразователем и позволяет преобразователю блокировать ток короткого замыкания, который возникает из-за короткого замыкания между положительными и отрицательными клеммами постоянного тока (что невозможно ни с одним из предыдущих типов VSC). Кроме того, он позволяет напряжению постоянного тока иметь любую полярность (как схема LCC HVDC), что дает возможность создания гибридных систем LCC и VSC HVDC. Однако для полной мостовой схемы требуется вдвое больше IGBT и она имеет более высокие потери мощности, чем эквивалентная полумостовая схема.
Были предложены различные другие типы преобразователей, сочетающие в себе особенности двухуровневых и модульных многоуровневых преобразователей. [42] Эти гибридные системы VSC направлены на достижение низких потерь и высоких гармонических характеристик MMC с более компактной конструкцией и большей управляемостью, но эти концепции все еще находятся на стадии исследований. [43]
