上海交通大学游洪程，蔡旭：LCC-VSC直流互联变压器

提示

LCC-VSC直流互联变压器

游洪程，蔡旭

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.162112

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项目背景

　　为满足大规模远距离电能输送的需求，我国建设了大量基于电网换相换流器(Line Commutated Converter，LCC)的高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)系统。随着风能、太阳能等可再生能源大量接入及对电网灵活性需求的不断增强，近年来基于电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)的柔性直流输电系统得到了快速发展。因此连接LCC-HVDC和VSC-HVDC的直流互联变压器成为构建直流电网的关键装置之一。　　

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论文所解决的问题及意义

　　该文提出了一种适用于连接LCC-HVDC和VSC-HVDC的直接耦合式互联变压器拓扑。当LCC-HVDC工作在常态潮流工况下，提出的直流互联变压器与已有文献提出的相比，交流环流小，效率高；当LCC-HVDC工作在反转潮流工况下，直流互联变压器能够跟踪改变LCC侧电压极性，并仍有较高的效率。　　

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论文重点内容

　　1）拓扑结构和工作原理

　　本文提出的LCC-VSC直流互联变压器拓扑如图1所示，用于连接电压等级不同的LCC-HVDC和VSC-HVDC。一般LCC-HVDC电压等级比VSC-HVDC更高，不考虑LCC侧电压极性，有U_dc2>U_dc1。该拓扑上桥臂由桥臂电感L_a和2_n个全桥型子模块(FBSM）串联而成，下桥臂由n个半桥型子模块(HBSM）串联而成。桥臂中点通过一个电感L_f与VSC-HVDC连接。

图1  直接耦合式LCC-VSC直流互联变压器拓扑

　　2）工作原理

　　当LCC-HVDC工作在常态潮流工况下时，链式模块串1的子模块FBSM₁—FBSM_n以半桥模式运行，子模块FBSM_(n+1)—FBSM_(2n)均被旁路开关旁路。链式模块1和2均工作在幅值为U_dc2的阶梯波两电平PWM模式下，开关周期为T，占空比分别为(1−d)和d，具体波形如图2所示。链式模块2输出电压u_Cl2相对于链式模块1输出电压u_Cl1存在相移，移相占空比为d_s。变换器通过调节占空比d来调节输出电压，通过调节移相占空比d_s来实现链式模块1和2的能量均衡。

　　当LCC-HVDC工作在反转潮流工况下，链式模块串1输出负电平的电压值分别为−U_dc2和−2U_dc2，链式模块串2输出电平依然是0和U_dc2。链式模块串1和2工作在两电平PWM模式下，占空比分别为(1−d)和d；链式模块串2输出电压u_Cl2相对于链式模块串1输出电压u_Cl1存在相移，具体波形如图3所示。

图2  常态潮流工况下稳态波形 

图3 反转潮流工况下稳态波形

　　3）损耗分析

　　本文以电压等级为800kV的LCC-HVDC与电压等级为500kV的VSC-HVDC互联为例分析了变换器的效率，其中开关频率取200Hz。LCC-HVDC运行在常态潮流工况下，变换器的效率达到99.6%。反转潮流工况下，由于需要投入更多的FBSM，且交流环流较大，因此效率下降，但是效率仍达到98%。由于直流互联变压器大部分时间运行在常态潮流工况下，因此该直流互联变压器整体运行损耗低，能满足特高压LCC-HVDC与VSC-HVDC高效互联的需求。

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结论

　　本文提出了一种适用于连接LCC-HVDC和VSC-HVDC系统的、无隔离变压器的直接耦合式变压器拓扑结构及其控制方法。当LCC-HVDC运行在常态潮流工况时，该直流互联变压器比已有文献提出的极性不可反转直流变压器效率更高；当LCC-HVDC运行在反转潮流工况时，该变压器能跟踪改变电压极性，且仍具有较高的效率。由于直流互联变压器大部分时间运行在常态潮流工况下，因此该直流互联变压器整体运行损耗低，且实现上不存在隔离变压器技术瓶颈的限制，能满足特高压LCC-HVDC与VSC-HVDC高效互联的需求。　

引文信息

游洪程, 蔡旭. LCC-VSC 直流互联变压器[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(20): 6014-6026.

You Hongcheng, Cai Xu. DC transformer for interconnection between LCC and VSC [J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(20): 6014-6026 (in Chinese).

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