柔性直流輸電經濟性分析

李志剛

摘 要：本文分析IGBT直接串聯兩電平電壓源換流器（2L-VSC）和模塊化多電平換流器（MMC）的經濟性差異，對比了兩種換流器的結構差異，在此基礎上通過選擇合適的經濟性評估指標，對兩種換流器的經濟性進行定量對比分析。

關鍵詞：電壓源換流器；模塊化多電平；損耗；經濟性

0 引言

本文對IGBT直接串聯兩電平換流器和模塊化多電平換流器的主電路進行對比，分析兩種換流器的器件參數選擇方法以及損耗計算方法，對兩種換流器的主電路和損耗差異進行定量的對比分析，在此基礎上，提出合適的經濟性指標，對兩種換流器經濟性進行全面的評估及對比。

1 換流器主電路拓撲分析及參數選擇

IGBT直接串聯兩電平換流器和模塊化多電平換流器在電氣結構上存在著較大差異，IGBT直接串聯兩電平換流器和模塊化多電平換流器的在電路拓撲上的主要差異有以下3點：（1）前者的串聯功率單元為IGBT和反并聯二極管（暫不考慮均壓電路），而后者的串聯功率單元為兩組IGBT和反并聯二極管和支撐電容構成的子模塊；（2）前者的換流電抗器是串聯在每一相中，而后者的電抗器是直接串聯在各個橋臂中；（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子模塊中。

下面對兩種換流器的相電抗器、支撐電容、開關器件的參數設計進行詳細分析。為方便分析，這里假設各IGBT和反并聯二極管參數相同。

1.1 開關器件

1.2 支撐電容

1.2.1 IGBT串聯型兩電平換流器支撐電容選型

（1）考慮穩定要求；

（2）考慮儲能要求；

（3）考慮電容值對系統有功功率調節動態響應時間的影響。

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，其參數設計原則相似：

（1）考慮子模塊電容電壓波動的要求；

（2）考慮儲能要求；

（3）考慮電容值對系統有功功率調節動態響應時間的影響。

2 諧波分析及濾波器設計

3 換流器損耗計算模型

換流器功率損耗主要由其開關器件（IGBT）及其反并聯二極管造成，主要包括：IGBT通態損耗、IGBT開關損耗、二極管通態損耗和二極管反向恢復損耗。

4 換流器經濟性評估

基于上述換流器參數設計方法和損耗計算模型，考慮IGBT直接串聯兩電平換流器采用SPWM調制，開關頻率選用1350Hz，MMC采用載波移相調制，開關頻率選用400Hz，針對10kV（AC）/±10kV（DC）/5MW、20kV/±20kV/12MW和35kV/±30kV/18MW工作條件，以投資成本、損耗費用以及成本效率為經濟性評價指標，對兩種換流器的經濟性進行定量對比分析。

4.1 換流器投資成本分析

換流器投資成本是評價其經濟性優劣的最直觀的指標之一，換流器投資成本越低，反映其經濟性越好。IGBT直接串聯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中，IGBT直接串聯兩電平換流器在投資成本低于模塊化多電平換流器（這里只計及主電路成本），且電壓等級越低，這種優勢越大。

4.2 換流器損耗費用分析

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，但其輸電損耗費高于后者，為權衡考慮，本文引入成本效率作為換流器經濟性評估指標。

成本效率是指投入產出的相對效率，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越大，則經濟性越好。對兩種結構換流器的單位成本效率進行計算，結果如表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 結論

通過分析得到結論：在±10kV/5MW、±20kV/12MW、±30kV/18MW條件下，IGBT直接串聯兩電平換流器與模塊化多電平換流器相比，損耗費用較高，但投資成本和運行維護費用較低，且成本效率高于后者，綜合考慮，在35kV及以下工作場合，IGBT直接串聯兩電平換流器經濟性更好。

參考文獻

[1]于德政.基于模塊化多電平換流器結構的HVDClight系統研究[D].合肥工業大學，2009