当前课程知识点：现代电力电子技术及应用 > 第3章多电平变流器及其在柔性直流输电中的应用 > 3.2 柔性直流输电的拓扑结构 > 3.2 柔性直流输电的拓扑结构
直流输电是电力电子技术应用领域中
电压和功率等级最高的
电力电子器件的耐压最高只有几kV
如何构建出满足几百kV耐压的换流器拓扑结构呢
本节首先介绍柔性直流系统的拓扑结构
然后阐述柔直换流器拓扑结构的类型和特点
与传统直流输电类似
根据送端和受端换流站数量
柔性直流系统可以分为两端柔性直流输电系统
和多端柔性直流输电系统
传统直流输电由于潮流反向时
需改变直流电压极性
所以不易构成多端系统
主要是采用两端系统用于点对点的功率输送
而柔性直流输电
则无需电压反向即可灵活改变功率方向
因此易于构成多端系统
适用多个交流电网互联
以及新能源基地多个功率点汇集送出
并且适用于构成直流电网
柔性直流输电采用的是电压源型换流器（VSC）
直流侧为电容滤波
在已经实际应用的柔直工程中
采用过三种类型的VSC换流器
两电平、三电平和模块化多电平换流器
电平数指的是相电压电平的数量
在实际拓扑中
电路输出电平的切换
是由电力电子开关器件实现的
电平数越多
输出电压的谐波就越小
两电平电路可简化为如图所示等效电路
在电力电子开关器件的控制下
电路在两种输出状态下切换
得到的交流侧相电压为±Udc/2两个电平
三电平电路
即在两电平电路的基础上
增加了零电平输出状态
电路在三种输出状态下切换
得到相电压有±Udc/2和0三个电平
模块化多电平电路可简化为如图所示等效电路
桥臂模块数为N的MMC
电路上下桥臂投入子模块数量时刻保持为N
以维持直流侧电压稳定
得到相电压有N+1个电平
如图当桥臂子模块个数为4时
交流侧得到5电平阶梯波以逼近正弦波
这是两电平VSC的拓扑结构
图中标红的部分为单相拓扑的结构
交流侧输出电压为两电平
为满足耐压要求
采用两电平换流器时
需通过大量器件直接串联的阀构成桥臂
全控型器件IGBT开关速度快
串联时动态均压困难
且采用PWM调制
输出电压的高次谐波含量大
开关损耗也比较大
所以只有ABB在初期的柔直工程中采用这种结构
目前已被淘汰
这是两电平换流器的输出电压波形
为两电平SPWM脉冲列
两电平电路有两种工作状态
以单相电路为例
当T1管触发信号为1
T2管触发信号为0时
交流侧输出电压相对于参考点之间的电压为Udc/2
当T1管触发信号为0
T2管为1时
交流侧输出电压相对于参考点之间的电压为-Udc/2
为了改善柔直系统的谐波特性
需采用多电平电路
获得多电平的方式主要有二极管钳位型
和模块串联型
这是二极管钳位型三电平图（ NPC ）电路结构
标红的部分为单相拓扑的结构
其实三电平拓扑
就是在两电平的基础上增加了二极管进行钳位
为零电平输出提供通道
ABB公司首先把二极管钳位型三电平电路
应用到直流输电中
但二极管钳位型三电平电路结构不易扩展
难以形成更多电平
这是NPC电路输出的相电压波形
交流侧输出电压为三电平PWM波形
三电平电路有三种工作状态
当上桥臂的两只开关器件导通
下桥臂的两只开关器件关断时
输出Ud/2
而当二极管和中间的一只器件导通时
则输出0电平
三电平电路的谐波
虽然较两电平电路有所改善
但是仍然不能满足电网的要求
交流侧仍需投入滤波器
由于NPC结构不易扩展
难以形成更多电平数
所以也没有在直流输电中获得推广应用
这是三相MMC换流器拓扑结构
三相MMC拓扑每个相单元
由上下两个桥臂构成
每个桥臂包含N个子模块和一个桥臂电感
德国慕尼黑国防军大学的学者
于2002年提出的模块化多电平换流器
（Modular Multilevel Converter, MMC）拓扑结构
同时还提出了
半桥子模块和全桥子模块两种子模块拓扑结构
传统的级联型多电平换流器
各个单元的直流侧是独立的
无法构成用于直流输电的公共直流端
基于模块化级联思想构成的多电平电路
易于向更高电压和电平数扩展
控制相对容易
采用模块串联构成桥臂
避免了器件的直接串联
并且可形成公共直流端
由于其扩展性好
损耗小
谐波小
已成为目前柔直系统的最优拓扑形式
但该电路也有缺点
器件和电容数量多
存在均压和环流的问题
MMC电路可以根据电压等级
方便的选择模块数量进行拓展
这是400MW MMC换流器
每个桥臂有216个模块串联
MMC分散电容的设计
使得MMC换流器在体积和成本上并不占优势
这是MMC电路a相上桥臂、a相下桥臂
和a相交流相电压的电压波形
交流侧相电压为N+1电平阶梯波
当阶梯数足够多即模块数足够多时
输出交流电压具有很好的谐波特性
交流侧无需滤波器
MMC电路因为扩展性好
谐波小、损耗小
成为直流输电及其他高压大功率领域
交直流变换装置的首选
接下来将深入分析其工作原理和特性
-1.1无功补偿与有源滤波概述
-1.2SVG与APF关键技术
-1.3三相桥式PWM逆变电路
-1.4瞬时功率计算方法
-1.5谐波和无功电流的实时检测
-1.6SVG工作原理及应用
-1.7APF系统控制与仿真
-1.8SVG控制技术与仿真
-第一章习题
-2.1 风力发电技术概述
-2.2 风力发电机组
-2.3 双PWM变流器的运行
-2.4 风力机模型
-2.5 双PWM变流器的数学模型
-2.6 DFIG的数学模型
-2.7 DFIG的控制策略
-2.8 PMSG的数学模型
-2.9 PMSG的控制策略
-第二章习题
-3.1 柔性直流输电系统概述
-3.2 柔性直流输电的拓扑结构
-3.3 子模块的拓扑结构及工作原理
-3.4 MMC的调制方法——NLM
-3.5 MMC的调制方法——PWM
-3.6 MMC-HVDC的建模
-3.7 MMC的谐波分析
-3.8 MMC的均压均流控制
-3.9 柔直换流器的控制系统
-第三章习题
-4.1 蓄电池储能系统概述
-4.2 双向DC-DC变换电路拓扑
-4.3 双向Buck/Boost变换器工作原理（一）
-4.4 双向Buck/Boost变换器工作原理（二）
-4.5 双向Buck/Boost变换器数学模型
-4.6 蓄电池模型
-4.7 基于双向Buck/Boost变换器的BESS充放电控制
--4.7 基于双向Buck/Boost变换器的BESS充放电控制
-第四章习题
-5.1 电力电子变压器及隔离型DC-DC变换器概述
--5.1 电力电子变压器及隔离型DC-DC变换器概述（上）
--5.1 电力电子变压器及隔离型DC-DC变换器概述（下）
-5.2 双有源桥式变换器拓扑及工作原理
-5.3 双有源桥式变换器最小无功功率控制
-5.4 双有源桥式变换器软开关技术
-5.5 双有源桥式变换器在直流电力电子变压器中的应用
-5.6 双有源桥式变换器在交流电力电子变压器系统中的应用
--5.6 双有源桥式变换器在交流电力电子变压器系统中的应用（上）
--5.6 双有源桥式变换器在交流电力电子变压器系统中的应用（下）
-第五章习题
