汞弧整流器有什么特点(基于LCC和双钳位MMC混联高压直流输电的实验)

Posted 2023-05-31

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汞弧整流器有什么特点(基于LCC和双钳位MMC混联高压直流输电的实验)

摘要

北京信息科技大学自动化学院、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学）的研究人员李建国、刘文华等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文指出，基于电流型变换器（也称电网换相变换器LCC）和电压型变换器（VSC）的混联高压直流输电系统，不仅可以灵活控制有功和无功功率，也便于多端新能源电源的并网和无源负荷的供电，并统一接入电网，实现LCC和VSC高压直流输电的优势互补。

在分析主电路和子模块拓扑结构、充电控制、脉冲调制和功率控制策略的基础上，对基于LCC和双钳位模块化多电平变换器（MMC）混联高压直流输电的直流短路故障穿越、单极运行和双极运行进行实验研究。

实验结果表明，所采用拓扑结构可实现混联高压直流输电运行，具有直流短路故障穿越能力，可以快速清除直流短路故障电流，对瞬时性故障还可以快速恢复供电，具有很强的理论和工程应用价值。

20世纪50年代，高压大容量的可控汞弧整流器研制成功为高压直流输电的发展创造了条件，之后基于晶闸管构成的电流型高压直流输电，也称电网换相变换器高压直流输电（Line Commutated Converter-High Voltage Direct Current, LCC-HVDC）一直占据着高压直流输电的主导地位，甚至高压直流输电就等同于LCC-HVDC。

LCC-HVDC具有容量大和成本低的优点，但随着风力发电和太阳能发电等新能源电源的日益增长，LCC-HVDC不能无源逆变、交流侧谐波大和消耗无功功率大的缺点限制了其更广泛的应用[1,2]。随着电力电子器件制造技术和控制技术的发展，基于全控型器件构成的电压型高压直流输电（Voltage Source Converter- HVDC, VSC-HVDC）受到了越来越多的重视，VSC-HVDC也成为新能源电源并网和向孤立负荷供电的最佳选择[3,4]。

基于LCC和VSC的混联高压直流输电（Hybrid HVDC, H-HVDC）使用VSC连接新能源电源并网或向孤立负荷供电，使用LCC和大容量电网连接，可以获得很高的技术和经济效益，将成为未来研究的一个重要发展方向[5]。

关于LCC和VSC的混联高压直流输电，目前国内外的实际工程应用尚少，有据可查的就是ABB公司的斯卡格拉克海峡Skagerrak 4 HVDC Light工程[6]，采用了一极VSC直流输电和另外三极LCC混联的高压直流输电方式，其中VSC和LCC构成双极的接线方式。

此外，文献[7]研究了VSC和LCC混联高压直流输电的线路保护，提出了基于方向比较的纵联保护，文献[8,9]研究了VSC和LCC混联高压直流输电的控制建模，并通过仿真进行证明，但均缺少物理实验验证和实际工程应用。

基于VSC的高压直流输电包括两电平、三电平和多电平结构，其中基于模块化多电平（Modular Multilevel Converter, MMC）的VSC具有模块化程度高、开关频率低和谐波含量低的优点，在VSC- HVDC得到了越来越多的应用和重视，成为VSC最典型的代表[10]。本文所提VSC均特指MMC的拓扑结构，后续的分析也以MMC为研究对象。

由于半桥子模块单元构成的MMC不能穿越直流短路故障，文献[11,12]提出了具有直流短路故障穿越能力的一些组合方式。文献[13]在靠近MMC端的直流线路上增设大功率的二极管，构成LCC- diode-MMC的混联高压直流输电，在直流短路故障时可以有效清除故障电流，但是存在导通损耗较大，需要多管串联，且只能应用于单方向传输功率的情况。

文献[12]使用全桥子模块单元构成的MMC可以有效清除故障电流，但是存在成本高和导通损耗大的缺点。文献[14,15]提出了一种新的子模块拓扑结构，可以有效穿越直流短路故障，但存在使用元器件较多的缺陷。

文献[16,17]提出的双钳位型子模块（Clamp Double Sub Module, CDSM），弥补了半桥子模块MMC不具备直流短路故障穿越能力的缺陷，且成本增加不多，损耗增加也不大，因而受到了较多的关注。本文的实验研究就以这种双钳位型子模块拓扑结构为基础。

图1 LCC和双钳位MMC混联直流输电主电路拓扑

图7 物理实验装置

结论

在分析了主电路和子模块拓扑结构、充电控制、脉冲调制和功率控制策略的基础上，本文对基于LCC和双钳位MMC混联高压直流输电的物理实验进行了研究。实验结果表明所采用的拓扑结构具有直流短路故障穿越能力，对于瞬时性短路故障可以快速恢复供电，具有很强的实际工程应用价值。

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