柔性直流輸電經(jīng)濟(jì)性分析

李志剛

摘 要：本文分析IGBT直接串聯(lián)兩電平電壓源換流器（2L-VSC）和模塊化多電平換流器（MMC）的經(jīng)濟(jì)性差異，對比了兩種換流器的結(jié)構(gòu)差異，在此基礎(chǔ)上通過選擇合適的經(jīng)濟(jì)性評估指標(biāo)，對兩種換流器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量對比分析。

關(guān)鍵詞：電壓源換流器；模塊化多電平；損耗；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

本文對IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器和模塊化多電平換流器的主電路進(jìn)行對比，分析兩種換流器的器件參數(shù)選擇方法以及損耗計(jì)算方法，對兩種換流器的主電路和損耗差異進(jìn)行定量的對比分析，在此基礎(chǔ)上，提出合適的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對兩種換流器經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面的評估及對比。

1 換流器主電路拓?fù)浞治黾皡?shù)選擇

IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器和模塊化多電平換流器在電氣結(jié)構(gòu)上存在著較大差異，IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器和模塊化多電平換流器的在電路拓?fù)渖系闹饕町愑幸韵?點(diǎn)：（1）前者的串聯(lián)功率單元為IGBT和反并聯(lián)二極管（暫不考慮均壓電路），而后者的串聯(lián)功率單元為兩組IGBT和反并聯(lián)二極管和支撐電容構(gòu)成的子模塊；（2）前者的換流電抗器是串聯(lián)在每一相中，而后者的電抗器是直接串聯(lián)在各個(gè)橋臂中；（3）前者的支撐電容直接跨接與直流母線上，而后者的支撐電容置于每個(gè)子模塊中。

下面對兩種換流器的相電抗器、支撐電容、開關(guān)器件的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。為方便分析，這里假設(shè)各IGBT和反并聯(lián)二極管參數(shù)相同。

1.1 開關(guān)器件

1.2 支撐電容

1.2.1 IGBT串聯(lián)型兩電平換流器支撐電容選型

（1）考慮穩(wěn)定要求；

（2）考慮儲能要求；

（3）考慮電容值對系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的影響。

1.2.2 MMC換流器支撐電容選型

模塊化多電平換流器中電容器為子模塊提供電壓支撐，通過控制子模塊的投入和切出，使子模塊電平疊加形成近似正弦的多電平波形。此外，子模塊電容與兩電平換流器的電容器功能類似，其參數(shù)設(shè)計(jì)原則相似：

（1）考慮子模塊電容電壓波動(dòng)的要求；

（2）考慮儲能要求；

（3）考慮電容值對系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的影響。

2 諧波分析及濾波器設(shè)計(jì)

3 換流器損耗計(jì)算模型

換流器功率損耗主要由其開關(guān)器件（IGBT）及其反并聯(lián)二極管造成，主要包括：IGBT通態(tài)損耗、IGBT開關(guān)損耗、二極管通態(tài)損耗和二極管反向恢復(fù)損耗。

4 換流器經(jīng)濟(jì)性評估

基于上述換流器參數(shù)設(shè)計(jì)方法和損耗計(jì)算模型，考慮IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器采用SPWM調(diào)制，開關(guān)頻率選用1350Hz，MMC采用載波移相調(diào)制，開關(guān)頻率選用400Hz，針對10kV（AC）/±10kV（DC）/5MW、20kV/±20kV/12MW和35kV/±30kV/18MW工作條件，以投資成本、損耗費(fèi)用以及成本效率為經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)，對兩種換流器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量對比分析。

4.1 換流器投資成本分析

換流器投資成本是評價(jià)其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的最直觀的指標(biāo)之一，換流器投資成本越低，反映其經(jīng)濟(jì)性越好。IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器和模塊化多電平換流器主電路投資成本對比結(jié)果如表1所示。

由表1可以看到，35kV及以下的柔性直流輸電系統(tǒng)中，IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器在投資成本低于模塊化多電平換流器（這里只計(jì)及主電路成本），且電壓等級越低，這種優(yōu)勢越大。

4.2 換流器損耗費(fèi)用分析

4.3 換流器成本效率分析

由上面分析可見，在35kV及以下輸電場合，IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器在投資成本方面低于模塊化多電平換流器，但其輸電損耗費(fèi)高于后者，為權(quán)衡考慮，本文引入成本效率作為換流器經(jīng)濟(jì)性評估指標(biāo)。

成本效率是指投入產(chǎn)出的相對效率，具體是指換流器單位成本的輸電效率，對于額定電壓等級和輸電容量相同的換流器，成本效率越高，說明單位成本對換流器效率的貢獻(xiàn)越大，則經(jīng)濟(jì)性越好。對兩種結(jié)構(gòu)換流器的單位成本效率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

由表2可見，在35kV及以下輸電場合，IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器的成本效率要高于模塊化多電平換流器。

5 結(jié)論

通過分析得到結(jié)論：在±10kV/5MW、±20kV/12MW、±30kV/18MW條件下，IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器與模塊化多電平換流器相比，損耗費(fèi)用較高，但投資成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低，且成本效率高于后者，綜合考慮，在35kV及以下工作場合，IGBT直接串聯(lián)兩電平換流器經(jīng)濟(jì)性更好。

參考文獻(xiàn)

[1]于德政.基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的HVDClight系統(tǒng)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2009