模块化多电平换流器原理及应用

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第1章 绪论
　　1.1 可再生能源的发展需求
　　能源短缺和环境污染一直是世界各国关注的焦点问题。近年来全球能源消费增长速度正在逐步提升[1]。2018年世界一次能源消费增长2.9%，几乎是过去十年平均增速(1.5%)的两倍，其中化石能源(包括石油、煤炭、天然气)仍是最主要的能源消耗。随着人类数百年来的过度开采与巨大消耗，化石能源正在不可逆转地走向枯竭，而与之相伴的环境问题也日益引起国际社会的极大忧虑。
　　空气污染是化石燃料焚烧带来的问题。据世界卫生组织(World Health Organization，WHO)估计，空气污染每年会造成大约700万人过早死亡，成为继高血压、饮食风险和吸烟之后的人类第四大健康威胁[2]。目前大气中几乎全部的硫氧化物、氮氧化物以及85%的PM2.5(PM2.5又称为细颗粒物，指大气中直径小于或等于2.5μm、大于0.1μm的颗粒物)都是人类对能源的生产消耗造成的。尤其在我国诸多高速发展的城市中，空气污染将会继续作为一种重大的公共健康危害，而且我国人口老龄化导致人体健康更易受到空气污染的影响。根据我国生态环境部2019年5月公布的《2018年中国生态环境状况公报》，2018年我国338个地级及以上城市中共有217个城市环境空气质量超标，超标比例高达64.2%[3]。生产和利用能源的方式若不改变，空气污染给人类健康带来的危害则必将增加。
　　全球气候变暖是化石燃料焚烧带来的另一种环境问题。气候变暖导致地球温度上升，使全球降水重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升，严重危害自然生态系统的平衡，威胁人类的生存环境。为了减缓全球变暖的趋势，2015年12月在巴黎气候变化大会上，《联合国气候变化框架公约》195个缔约方一致通过了《巴黎协定》，为2020年后应对全球气候变化做出安排，旨在将全球平均温度升幅与前工业化时期相比控制在2℃以内[4]。
　　面对严峻的能源压力和环境压力，迫切需要加速开发利用更清洁、更环保、更经济的替代性能源。近年来，以水力发电、风力发电、光伏发电为代表的可再生能源发电获得了各国的重视，得到快速发展。其中2018年世界新增可再生能源装机容量为182GW，再创历史新高，使世界累计可再生能源装机总量达到2378GW。尤其是风力发电与光伏发电的增幅最大，分别增长51GW和100GW，合计占2018年新增可再生能源装机容量的83%[5]。图1.1与图1.2分别为2018年世界主要国家风力发电和光伏发电的装机容量，其中我国在2018年分别新增风力发电21.1GW、光伏发电44.3GW，已成为全球这两项可再生能源利用规模最大的国家：风力发电累计装机容量209.5GW、光伏发电累计装机容量174GW。我国公布的《中国2050高比例可再生能源发展情景暨途径研究》调研报告中指出[6]，到2050年，为了再现碧水蓝天的美丽中国，除了实行有效的污染治理外，可再生能源应满足我国一次能源需求的60%及电力需求的85%以上。其中，风力发电、太阳能发电将成为实现高比例可再生能源情景的支柱性技术，届时风力发电装机容量预计要增长到2400GW，太阳能发电装机容量要达到2700GW。
　　图1.1 2018年世界部分主要国家风力发电装机容量[5]
　　图1.2 2018年世界部分主要国家光伏发电装机容量[5]
　　1.2 柔性直流输电技术
　　在我国可再生能源发电工程大规模建设的同时，如何有效接纳这些可再生能源成为迫切需要解决的课题[7，8]。据国家能源局统计，2018年全国“弃风”电量高达277亿kWh、平均弃风率为7%[9]，全国“弃光”电量54.9亿kWh，平均弃光率为3%，其中新疆弃光率为16%、甘肃为10%。可再生能源的消纳与送出是可再生能源发展的瓶颈之一。由于我国风光资源多地处偏远、远离用电负荷中心，为了将可再生能源发电送出，必须采取跨区域远距离电能输送方案[10]。在这种长距离输电的场合下，高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电技术相比交流输电技术在成本和效率将更具优势[11-13]。
　　HVDC输电技术的发展依赖于电力电子技术的进步，其发展过程可划分为三代技术。**代是基于汞弧阀的HVDC输电技术，该技术自1954年起共建设了十余个直流输电工程。随着半控型电力电子器件的成功研制，自1972年起，基于晶闸管型电网换相换流器(line commutated converter，LCC)的第二代HVDC输电技术开始了大规模发展，迄今已建设上百个工程，并成为超大容量远距离电力输送的主要手段，其电压和电流等级已提升至±1100kV/5500A[14]。第三代HVDC输电技术则是基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)全控型电力电子器件的电压源型换流器(voltage sourced converter，VSC)[15]。表1.1为LCC-HVDC与VSC-HVDC输电技术特点对比。虽然LCC-HVDC在容量和电压等级上占据绝对优势，但VSC-HVDC在可控性和灵活性上展现出一系列优点：交流侧可连接弱电网甚至无源网络、不存在换相失败问题、可独立快速地控制有功和无功功率、波形质量好、滤波器体积小、潮流反转容易等。基于这些灵活性特点，VSC-HVDC输电系统在我国又称为柔性直流输电系统[16-18]。
　　表1.1 LCC-HVDC与VSC-HVDC的对比(数据截至2018年)
　　柔性直流输电技术大力推动了海上风力发电的发展，这主要得益于其换流站体积小、重量轻、容易安装在海上平台上，能够向风电场提供交流电源和无功支撑，潮流反转容易，并能实现风电场的黑启动[19]。基于VSC的海上风电柔性直流输电系统结构如图1.3所示。截至2018年底，世界范围内已投运三十余条VSC-HVDC输电工程，在建的工程也多达十余条。同时，柔性直流输电技术正逐渐向着多端化与网络化方向发展[20-22]。通过将一系列直流输电线路互联，可实现广域内能源资源的优化配置，大范围平抑可再生能源发电的波动性与随机性，有效应对未来风能和太阳能等清洁能源的大规模接入[23]。世界各国已陆续推出直流电网的建设规划，包括欧洲的北海Super Grid计划，美国的Gird 2030计划以及我国的全球能源互联网计划等，均旨在以直流电网为骨干网架建立跨国、跨区域的电力传输网络[24-26]。我国在柔性直流电网方面的研究和工程探索已经走在国际前列，建设了世界上输送容量最大的张北柔性直流电网试验示范工程，包含四座±500kV VSC换流站，换流容量总计9000MW，工程动态投资126.4亿元，在全世界范围内首次实现风力发电经直流电网向特大城市供电[27]。
　　图1.3 基于VSC的海上风电柔性直流输电系统示意图
　　1.3 高压大容量VSC
　　VSC是指直流侧呈现电压源特性而交流侧电压可通过脉宽调制(pulse width modulation，PWM)快速调节的一类电力电子拓扑结构[28]。目前工业中得到广泛应用的VSC拓扑主要包括两电平换流器、三电平换流器、级联H桥型换流器及MMC。
　　1.3.1 两电平换流器
　　两电平换流器拓扑结构如图1.4所示，包含三相六个开关，是最基础的VSC结构，其工作原理简单，在低压领域中获得了普遍使用。但两电平换流器在VSC-HVDC等高压大容量应用中，为了承受数百千伏的电压，必须采用功率器件串联技术，往往需要数百个IGBT进行串联，而且必须使用压接式IGBT封装，并采用复杂快速(纳秒级)的门极驱动均压技术。为保证输出电压波形质量，两电平换流器的开关频率较高(1～2kHz)、损耗大(1.5%)；输出的两电平电压波形造成电压变化率(du/dt)和电流变化率(di/dt)高、IGBT开关应力大；电磁噪声强烈；输出电压谐波含量高，需要安装笨重的滤波器；直流母线侧需安装昂贵的高压电容器组，当直流侧发生短路故障时电容放电还将加剧短路电流[29]。这些问题都限制了两电平换流器在高压大容量场合下的应用。
　　图1.4 两电平换流器拓扑结构
　　1.3.2 三电平换流器
　　三电平换流器是指输出相电压中包含三个电平的电路拓扑[30，31]，其中应用最为广泛的主要是中点钳位型(neutral-point-clamped，NPC)三电平换流器，如图1.5所示。相比两电平换流器，三电平换流器输出相电压波形由两电平增加为三电平，电平幅值由原来的整个直流电压降低为直流电压的一半，降低了输出电压谐波，du/dt因此减半，并可减小换流器损耗[32]。然而，中点钳位型三电平换流器在VSC-HVDC等高压应用中仍需要采用IGBT串联。虽然其串联器件的数目相比两电平有所减少，但要额外增加一系列的串联二极管作为钳位元件。该拓扑的另一个缺陷是桥臂内各功率器件的损耗分布不平均，导致器件结温不一致，限制了换流器的功率容量。针对这一问题，可将钳位二极管替换为IGBT，构成有源NPC(active NPC，ANPC)[33]，如图1.6所示。通过控制该钳位开关改变输出零电平状态下的电流路径，能够有效平衡各功率器件的损耗。但增加钳位开关后，拓扑的控制逻辑更加复杂。
　　图1.5 中点钳位型三电平换流器拓扑结构
　　图1.6 ANPC三电平换流器拓扑结构
　　另一种经典的三电平换流器为飞跨电容型(flying capacitor，FC)三电平换流器，如图1.7所示，利用飞跨电容作为电压钳位元件[34]。飞跨电容型三电平换流器开关状态的自由度更高，但需要采用较高的开关频率来保持飞跨电容器的充放电平衡，并且存在启动充电问题，限制了其在大容量场合中的应用。
　　图1.7 飞跨电容型三电平换流器拓扑结构