串聯型電壓源換流器降損措施的研究

劉子堅

摘要：本文基于VSC-HVDC（柔性直流輸電）和FACTS（靈活交通輸電）的現狀下，對串聯型電壓源換流器的損耗原因進行了一番分析，同時針對其損耗因素制定了相關降損策略。希望該策略在日后串聯型電壓源換流器的損耗上起到幫助性作用，同時保證了裝置安全可靠性以及對電網運行損耗率的降低，從一定層面上推動了電網工程建設的發展。

[關鍵詞]串聯型電壓源 換流器損耗

1 串聯型電壓源換流器降損現狀

隨著我國電網工程建設和發展，FACTS和VSC-HVDC在其中有著關鍵性的作用。FACTS對系統有著安全性、有效性和穩定性的作用，同時對線路傳輸能力也有積極性的作用。而VSC-HVDC在新能源接入、孤島供電、城市中心供電以及弱電網等多方面領域中的運用可以說是恰到好處。在該兩者之間有一個關鍵性的共性技術是電力電子可關斷器件，譬如：IGBT（電壓驅動器件）。現今，在電力系統中運用的大容量電壓源換流器關鍵還是在IGBT直接串聯的基礎上，與兩電平電壓源換流器和模塊化多電平兩種類型串聯。

上述的運用范疇中，因為帶有在高壓大功率環境下保持長久運作的條件，一定會造成元器件溫度不斷變高，從而對輸電設施的安全穩定性產生不良作用。并且，假設換流器損耗在整個電氣工程損耗中占有的比例極大，那么對輸電設施的工程造價以及運作效率有著重要性的作用。文章針對換流器損耗進行一番分析，并從中找到相關降損策略，在一定程度上保證了靈活輸電設備的安全性、可靠性，從而減少了電網運行損耗率，對其在日后工程運用過程中起到了促進作用。

2 損耗原因

由電力電子器件、組件、換流器三種物理等級分層對換流器損耗的結構起到了決定性的作用，其是由可關斷器件和二極管以及相關輔助電路組成的。在實際實施的工程工作中，對換流器損耗的重要因素有以下幾點。

2.1 調制方式問題

該種方式主要有調制方式、調制比例以及開關頻率等。串聯型電壓源換流器通過對正弦脈寬調制（SPWM）和空間矢量調制（SVPWM）以及優化脈寬調制（OPWM）幾方面的運用，做出了相關比較和分析，由此可知，若按照損耗率高低排序，由高到低分別是：正弦脈寬調制（SPWM）、空間矢量調制（SVPWM）、優化脈寬調制（OPWM）。通過對不同調制方式的運用，開關器件的動作頻率變化也極大，而對于相同的調制方式，調制比例越大，損耗率就越高，因為此刻是處于電流大部分在IGBT（電壓驅動器件）經過的時段，而IGBT的損耗會使總損耗率得到提升。而針對一張確定的調制方式，開關損耗會隨著開關頻率的變化而變化。

2.2 器件驅動方式問題

IGBT也就是電壓驅動器件，在不同驅動電壓情況下，該器件導通以及關斷時間、集射極電壓以及斜率和過沖等具有很大的差異性，并對損耗率造成極其明顯的作用。

2.3 換流器結構工藝和附屬設備問題

換流器雜散電感中含有直流側雜散電感和閥臂雜散電感兩類。雜散參數在串聯型電壓源環流器開通過程中有著很大的影響，譬如：導致震蕩和電流過沖的現象出現，在一定層面上提高了換流器的損耗率，同時還極有可能對設備運行的安全與否產生無法預計的影響。而換流器附屬設備中包含均壓電阻、散熱器以及連接導線等其他方面，該參數對環流器的損耗有一定程度的影響。

2.4 器件結溫問題

電子器件所具備的工作特點一般都與運作中產生的溫度有很大關系，由于溫度的不斷變化，其自身性能就會隨之而改變。當溫度相較過高的時候，電子器件中的每一項性能通常會變低，因此造成損耗提升，若沒有很快的對其制定相關策略，損耗持續增大導致器件發熱量升高，從而造成溫度進一步提升，如此惡性循環，最終造成電子器件損耗過度并失效。

3 降損策略

3.1 調制策略

減少開關頻率能有效性的降低開關損耗，對其導入子模塊電容電壓平均值保證整形電路總能量變動的平衡。然后對調制機制和能量平衡，因為重復性的充電和放電行為造成子模塊電容電壓產生波動分量，因此對其安裝了二階低通濾波器來獲取直流分量值，再與電容電壓額定值作對比和經過比例積分控制器，從而得到一個直接控制量。為了預防因直接控制了造成的開關在短時間內產生頻繁的開斷情況，必須要先解決不對稱方波的調制造成的脈沖信號，然后在觸發有關導通開關。因此子模塊電容電壓平衡和能量再分配需要依據整形電路才能符合標準。

3.2 完善器件驅動方式

在優化IGBT（電壓驅動器件造成的損耗基礎上，主動均壓驅動技術。通過對多重閉環的運用，讓IGBT（電壓驅動器件）開關過程中集射極電壓隨著既定的參考電壓變化，然后達到IGBT（電壓驅動器件）直接串聯中電壓平衡的效果。

3.3 完善換流器結構，改善附屬設備

針對換流器結構設計進行不斷的完善，通過對均壓屏蔽手段的運用，減少雜散參數對換流器損耗率的不良影響。由于換流器附屬設備影響作用不大，通常在篩選時盡量的篩選雜散參數不大、阻值不高的設施。

3.4 改善器件結溫狀況

由于電子器件使用壽命時長和電子器件在運作過程中產生的溫度有直接關系，基于此，我們要改善器件結溫的狀況，結合IGBT（電壓驅動器件），通過運用其平均損耗功率等效熱阻抗模型來計算IGBT（電壓驅動器件）結溫，并且實際運行的結溫其實是在一個工頻周期中脈動的，同時最高的運行結溫相比平均結溫要高，因此我們一定要對平均損耗率進行不斷的完善，在其計算的基礎上制定了子模塊投切占空比的損耗功率相關措施，從而使器件結溫得到有效性的改善。

4 結論

現階段由于科學技術的飛快發展，柔性直流輸電和靈活交通輸電技術在電力工程建設中有著決定性的作用，而作為核心關鍵性因素的換流器更是對整體的工程造價以及運行效率有著重要影響。文章針對串聯型電壓源換流器的損耗和降損措施進行了一番探討，并提出了部分有關建議希望在一定程度上對串聯型電壓源換流器產生的損耗過大情況起到積極性作用，從而推動我國電力工程建設的長遠、健康、可持續發展。