作者：李志刚 字数：1831
摘 要：本文分析IGBT直接串联两电平电压源换流器（2L-VSC）和模块化多电平换流器（MMC）的经济性差异，对比了两种换流器的结构差异，在此基础上通过选择合适的经济性评估指标，对两种换流器的经济性进行定量对比分析。
关键词：电压源换流器；模块化多电平；损耗；经济性
0 引言
本文对IGBT直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器的主电路进行对比，分析两种换流器的器件参数选择方法以及损耗计算方法，对两种换流器的主电路和损耗差异进行定量的对比分析，在此基础上，提出合适的经济性指标，对两种换流器经济性进行全面的评估及对比。
1 换流器主电路拓扑分析及参数选择
IGBT直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器在电气结构上存在着较大差异，IGBT直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器的在电路拓扑上的主要差异有以下3点：（1）前者的串联功率单元为IGBT和反并联二极管（暂不考虑均压电路），而后者的串联功率单元为两组IGBT和反并联二极管和支撑电容构成的子模块；（2）前者的换流电抗器是串联在每一相中，而后者的电抗器是直接串联在各个桥臂中；（3）前者的支撑电容直接跨接与直流母线上，而后者的支撑电容置于每个子模块中。
下面对两种换流器的相电抗器、支撑电容、开关器件的参数设计进行详细分析。为方便分析，这里假设各IGBT和反并联二极管参数相同。
1.1 开关器件
1.2 支撑电容
1.2.1 IGBT串联型两电平换流器支撑电容选型
（1）考虑稳定要求；
（2）考虑储能要求；
（3）考虑电容值对系统有功功率调节动态响应时间的影响。
1.2.2 MMC换流器支撑电容选型
模块化多电平换流器中电容器为子模块提供电压支撑，通过控制子模块的投入和切出，，使子模块电平叠加形成近似正弦的多电平波形。此外，子模块电容与两电平换流器的电容器功能类似，其参数设计原则相似：
（1）考虑子模块电容电压波动的要求；
（2）考虑储能要求；
（3）考虑电容值对系统有功功率调节动态响应时间的影响。
2 谐波分析及滤波器设计
3 换流器损耗计算模型
换流器功率损耗主要由其开关器件（IGBT）及其反并联二极管造成，主要包括：IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、二极管通态损耗和二极管反向恢复损耗。
4 换流器经济性评估
基于上述换流器参数设计方法和损耗计算模型，考虑IGBT直接串联两电平换流器采用SPWM调制，开关频率选用1350Hz，MMC采用载波移相调制，开关频率选用400Hz，针对10kV（AC）/±10kV（DC）/5MW、20kV/±20kV/12MW和35kV/±30kV/18MW工作条件，以投资成本、损耗费用以及成本效率为经济性评价指标，对两种换流器的经济性进行定量对比分析。
4.1 换流器投资成本分析
换流器投资成本是评价其经济性优劣的最直观的指标之一，换流器投资成本越低，反映其经济性越好。IGBT直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器主电路投资成本对比结果如表1所示。
由表1可以看到，35kV及以下的柔性直流输电系统中，IGBT直接串联两电平换流器在投资成本低于模块化多电平换流器（这里只计及主电路成本），且电压等级越低，这种优势越大。
4.2 换流器损耗费用分析
4.3 换流器成本效率分析
由上面分析可见，在35kV及以下输电场合，IGBT直接串联两电平换流器在投资成本方面低于模块化多电平换流器，但其输电损耗费高于后者，为权衡考虑，本文引入成本效率作为换流器经济性评估指标。
成本效率是指投入产出的相对效率，具体是指换流器单位成本的输电效率，对于额定电压等级和输电容量相同的换流器，成本效率越高，说明单位成本对换流器效率的贡献越大，则经济性越好。对两种结构换流器的单位成本效率进行计算，结果如表2所示。
由表2可见，在35kV及以下输电场合，IGBT直接串联两电平换流器的成本效率要高于模块化多电平换流器。
5 结论
通过分析得到结论：在±10kV/5MW、±20kV/12MW、±30kV/18MW条件下，IGBT直接串联两电平换流器与模块化多电平换流器相比，损耗费用较高，但投资成本和运行维护费用较低，且成本效率高于后者，综合考虑，在35kV及以下工作场合，IGBT直接串联两电平换流器经济性更好。
参考文献
[1]于德政.基于模块化多电平换流器结构的HVDClight系统研究[D].合肥工业大学，2009
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