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【精彩论文】大容量可控关断的直流输电用电流源型换流器研究综述
大容量可控关断的直流输电用电流源型换流器研究综述
陈龙龙1,2, 徐飞3, 魏晓光2, 汤广福2, 崔翔1, 高冲2, 陈骞4
（1. 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206; 2. 先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司），北京 102209; 3. 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室（中国科学院电工研究所），北京 100190; 4. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014）
引文信息
陈龙龙, 徐飞, 魏晓光, 等. 大容量可控关断的直流输电用电流源型换流器研究综述[J]. 中国电力, 2021, 54(1): 25-36.
CHEN Longlong, XU Fei, WEI Xiaoguang, et al. A review on large capacity controllable switching current source converter research[J]. Electric Power, 2021, 54(1): 25-36.
引言
中国能源资源和负荷中心的分布呈现不平衡的形态，大量的清洁能源比如风能主要分布在近海海域及西部地区，而主要的能源负荷区域多在东部经济发达地区[1-5]。为了保证能源高效开发和大规模应用，需要研究大容量、远距离的直流输电技术[2-3]。目前，远距离大容量直流输电技术为基于晶闸管的电网换相换流器（line commutated converter，LCC），该技术损耗小、可靠性高、技术成熟，在中国特高压直流输电以及异步交流电网互联等场合发挥着重要作用[1]。但运行时LCC逆变侧存在的换相失败风险[5-6]严重威胁系统的安全。另外，由于晶闸管无法自关断，需要借助外电路关断，无法向无源和孤岛网络送电，这限制了该技术的应用灵活性。另一种技术为基于全控型器件（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的电压源型换流器（voltage source converter, VSC），该方案控制灵活，不存在换相失败问题，可向无源系统送电[5-7]，且在功率反转时电压极性不需要跟随变化，因此在多端系统和直流电网也具有很好的技术优势。与LCC相比，VSC的核心器件IGBT成本高，且换流器容量较小，用于大容量功率送出时劣势较为明显。鉴于上述2种技术的优劣，国内外学者提出了结合LCC和VSC优势的混合直流输电方案[7-10]，然而该混合直流输电系统送端容量大、受端容量小，功率匹配时受端需要并联换流器。另外，由于受端VSC反并联二极管的存在，导致其难以处理VSC侧直流故障，且送端为电流源、受端为电压源，整体控制技术复杂。基于以上问题，国内外学者提出较为可行的方案是可控关断的电流源换流器（controllable current source converter，CCSC）[11-12]。该方案与电压源型换流器成对偶形式，在电机驱动、动态无功补偿、风电并网等领域得到理论发展或工程应用。从技术先进性比较，CCSC由于可控关断，能够在交流侧故障时继续控制换流器运行，从而避免换相失败问题，且CCSC不包含反并联二极管，可有效处理直流系统故障。从器件性能角度进行比较，CCSC具有较强的短路耐受能力，也不需要闭锁以保护换流器的安全。对于海上风电等新能源集中送出的应用场景，相较于目前的VSC技术方案，CCSC不需要体积和重量较大的子模块电容，在有限的空间下其占地和单位容量的费用均较VSC具有技术经济优势。目前已有文献研究表明，CCSC在风电送出和海上风电组网中的应用具有技术优势[13-18]。虽然CCSC具有较好的技术优势，但并未实现大规模工程应用，其关键原因是缺少可用于串联的大功率可关断的全控型电流型器件，且必须具备反压耐受能力。从器件角度讲，集成门极换流晶闸管（integrated gate commutated thyristor，IGCT）具有通流能力大、短路耐受能力强、损耗低的优点，是潜在可行器件。IGCT的开通速度和通态压降均比同等容量的IGBT低，而其关断损耗与IGBT的接近、比GTO的小，可靠性高[19-20]。依据是否具备反压耐受能力，可将IGCT分为“逆导型”和“逆阻型”两大类。通过“逆导型”器件构建CCSC换流器拓扑的方案是在桥臂上串联IGCT器件和二极管，该方案成本高、体积大、可靠性较低，不具有工程应用价值。逆阻型IGCT器件技术的突破[21]，为新一代CCSC技术的发展提供了支撑。目前IGCT器件的制造水平还处于研究阶段，其驱动功率大、关断电流有限、串联均压等问题需要进一步研究。鉴于器件的发展已经到了可以推动技术发展的阶段，本文的工作聚焦在以下几个方面：首先，对CCSC技术特点和发展现状进行调研总结，提炼适用于直流输电的CCSC典型拓扑方案；其次，对其控制策略进行总结分析，给出可用于直流输电系统的CCSC系统方案和可用场景；最后，对CCSC需要突破的重点问题进行展望，以期对后续研究提供参考和借鉴。
1 电流源型换流器的发展现状
1.1 电流源型换流器简介
电流源型换流器和VSC的主要区别是直流侧特性不同。CCSC的直流侧电抗器较大，使得输出的直流电流几乎不变且为单向，而VSC的直流侧依靠电容器支撑电压，因而其直流侧为单向直流电压。这些特性要求VSC具有双向通流和单向电压阻断能力，而CCSC具有单向通流和双向电压阻断能力。与VSC所构成的直流电网需要考虑短路故障一样，CCSC所构成的直流系统需要考虑开路故障，并设计保护功能。在电流源换流器的任何单电抗割集中，必须提供紧急电流通路，防止电流突变造成电抗器严重的过电压。早期的三电平换流器的容量较小，控制简单，由于输出的电流谐波较多，电压等级较低，仅适用于低压领域。实现高电压的思路有：一是依然采用三电平拓扑[11-12]，但是采用具有反向逆阻能力的器件直接串联构成高压换流器，本文称为全控直串式CCSC拓扑；一是采用模块化多电平结构的电流源型换流器（multilevel modular current source converter，MM-CSC）技术[22-24]。MM-CSC除了具有三电平电流源变流器优点外，还具有单个器件开关应力小、输出容量大、输出波形谐波含量小等优点，可以独立对有功功率和无功功率进行控制。通过调研，针对高压直流输电应用场合，总结潜在可用拓扑如图1所示。图1 电流源型换流器典型拓扑
Fig.1 Typical topology of current source converter
1.2 全控直串式CCSC拓扑
全控直串式CCSC的拓扑方案比较成熟，为了保证直流侧恒流，采用电感值可达H级的大容量电感，换流器由大量三相可关断器件串联构成，每相桥臂分为上下两个桥臂。该拓扑交流侧采用LC低通滤波器，对换流器输出的电压和电流进行滤波，控制交流侧输出的谐波含量。全控直串式CCSC与交流系统通过变压器直接相连，并通过交流电流、电压闭环控制，可有效调节输出的波形和功率[11-12]。全控直串式CCSC拓扑采用的器件必须为全控型半导体器件。目前，可采用的器件包括对称型、逆导型IGCT和二极管串联，也可以是逆阻型IGBT/IEGT，GTO等。这些器件中，商业用IGCT为反向导通，无法阻断反向电流，因此需要与二极管串联使用，该方案的器件种类多、数量多、成本高、体积也庞大，大量使用的前景不乐观；大容量IGBT/IEGT器件的直接串联技术一直是较难突破的工程瓶颈问题；压接型IGBT的失效模式虽然为短路失效模式，但其短路时间仅为1 min[20]，这对直接串联技术而言是致命缺陷，需要配对旁路开关等辅助设备。全控直串式CCSC拓扑的桥臂为大量直接串联的器件，需要解决的主要问题是器件的电压均衡技术和控制一致性问题。其中电压均衡又包含动态电压和静态电压均衡2个方面。动态电压是在换流器工作过程中，桥臂需要承受低频的交流电压，以及桥臂半导体器件动作瞬间电压的均衡。静态均压主要是换流器不工作时承受的直流静态电压。动态电压和静态电压都需要控制在合理的范围内，防止造成器件的击穿，参考晶闸管换流阀的设计，不均衡系数应小于5%。器件的开关一致性也需要同步控制，因为桥臂中器件同时动作，要求控制系统和半导体器件的驱动能够根据指令快速动作。虽然CCSC的拓扑与LCC相近，但LCC交流侧含有6k±1、直流侧含有6k次谐波的特性（k=1, 2, 3,···,∞），而全控直串式 CCSC在低通滤波器之后基本不含高次谐波，通过合理的调制和控制策略，可将交流侧谐波含量控制到较低水平，因而也不需要较大的特征谐波滤波器。同时，由于CCSC直流侧串联电感较大，其短路电流不会太大，相对于LCC需要晶闸管耐受高达10倍额定电流的短路电流，VSC在2倍以上额定电流的短路电流即需要闭锁的运行要求，因此全控直串式CCSC具有较为优越故障穿越能力。总体而言，全控直串式CCSC拓扑简单，控制也相对简单，是高压直流输电应用较为理想的方案，但大功率反向阻断型器件以及直接串联的器件电压均衡是其制约难点。1.3 多模块组合型全控CCSC拓扑
全控直串式CCSC的拓扑虽然简单，但由于滤波容量较大，单只器件的输出电流较小，在大电流场合应用受限。一种改善型的多模块并联的全控CCSC拓扑可以解决这个问题。该拓扑采用全控H桥作为基本单元，再将H桥的输出部分并联[25-26]。假设H桥的总数为N，通过对各个H桥进行调制使得每个H桥的输出为直流电流的1/N，然后通过控制使得交流侧输出接近正弦波。多模块组合型全控CCSC拓扑根据电感的位置，可将其进一步划分为单值电感和多值电感2类[26]，二者的主要区别是直流侧电流大小形成的方式不同。为详细描述2种电路的差异性，采用单相电路进行描述，如图2所示。单值电感和多值电感拓扑的不同点主要在于电感上的电流不同，假设每个H桥的电流为1/N，对于单值电感电路，每个H桥中电感的电流均为1/N的直流电流，而对于多值电感电路，越靠近直流侧的电感电流越大。1.4 模块化多电平CCSC拓扑
基于模块化多电平结构的柔性直流换流器具备诸多优势，是目前的主要技术路线[4-6]。近年来，有学者基于对偶原则提出基于单相电路电流源型的模块化多电平换流器拓扑[24,29-32]，并采用电平逼近的方法在交流侧输出多电平的交流电流，最大限度减少谐波。若要直接采用对偶定理，电路拓扑必须是平面网络，需要满足平面网络条件。对非平面网络提出了一种实现电气对偶的方法[31-32]，即利用节点型变压器和网孔型变压器将非平面网络分割成几个平面网络，从而利用对偶定理进行变换，这是非常重要的一种拓扑变换方法。图3为电压源子模块和电流源子模块的对偶变换[32]，其中为支撑电压的电容器被变换为电抗器。电压源子模块的工作方法为：通过交替开通上管，使得电容器充电放电实现能量交换，而通过交替开关下管，使得子模块主动旁通或者通过二极管旁通。电流源子模块的工作方法为：交替开通和关断上下两管，使得电流输出或者闭锁。开通上管后，电感电流可以输出至桥臂；关断上管可以闭锁电流的输出；在关断上管的同时，需要开通下管，使得电感电流可以续流。与电压源子模块完全不同，电流源子模块不需要旁路，而是直接关断子模块。图3 模块化多电平CCSC典型拓扑
Fig.3 Typical topology of multilevel modular CCSC
在图3中，MM-CSC每一相由上下互补桥臂构成，通过桥臂电压叠加抵消电压直流偏置分量，电流源的桥臂同样可以采取该方法，每一个桥臂电流是总直流电流的1/3，等于交流相电流的1/2。不同的是，电压源的桥臂电抗为交流和直流的能量交换元件，而电流源的电容器则为交换元件，这是换流器层面的对偶形式。为了提高CCSC的电压，一般通过大规模的子模块级联实现。在增加子模块单元数后，每个CCSC桥臂均需要承受线电压。换流器应用在高压领域，对子模块的电压平衡具有挑战性。解决该问题的思路是：借助电容器电压不能突变特性，将以电感为基础的电流源单元串联起来[23-24]，通过电容进行均压。MM-CSC输出电流谐波小，但控制较为复杂，是和MMC-VSC对应的技术方案。电流源换流器在功率反转时，电压极性需要反转，不利于构建直流电网，因此这种结构复杂的换流器拓扑并不适用于高压直流输电领域。
1.5 多模块串联全控CCSC拓扑
为了满足海上风电平台中各个风机独立运行，而集群送出功率的要求，文献[17-18,33]提出采用多个全控三电平CCSC串联构成的结构，每个三电平CCSC与换流变压器独立连接，通过移相消除输入电网电流中的特定次谐波。多模块串联全控CCSC将若干个全控CCSC电路拓扑在直流侧串联，从而承受直流高压，达到高电压大容量输送的目的。海上风电平台的绝缘空间有限，因此降低换流器占地面积、提高换流器的输出功率至关重要。海上风电大多采用多模块串联全控CCSC拓扑，从等效电路来看，该拓扑直流侧由多个CCSC子换流器串联构成，总的直流电压在每个子换流器均分，每个子换流器通过变压器独立连接到交流侧的风机变频器。为了提高换流器输出能力，在同样传输功率下，要求换流器具有较低电压和较大的通流能力。在风电平台的绝缘空间有限情况下，也可采用换流器并联的方式增大功率送出。在海上风电平台应用场景，通过多个模块串联构成的换流器系统可实现高压直流的送出，与柔性直流输电技术方案相比，换流器的体积和造价大幅降低；从控制策略上来看，也可实现有功功率和无功功率的独立解耦调节。文献[17]为了降低损耗，使用最小电流控制方法，只需要网侧换流器的功率即可实现完全解耦，提高了传输效率。然而，在端对端的高压直流输电领域，需要数量众多的全控CCSC系统串并联，导致移相变压器数量众多，整体电路结构复杂，控制困难。1.6 拓扑对比分析
通过上述讨论，对图1的拓扑进行对比分析，重点对直串式、单值电感多模块组合型和模块化多电平结构进行对比，结果如表1所示。
表1 CCSC典型拓扑对比分析
Table 1 Comparative analysis of CCSC topologies
全控直串式CCSC电路拓扑结构简单、控制方便、应用广泛，可作为直流输电领域可行技术方案。多模块组合型和模块化多电平拓扑虽然能在交流侧输出阶梯波的交流电流，改善了电流谐波质量，但在高压场合应用需要的子模块数量多、结构复杂。多模块串联全控CCSC电路拓扑需要数量众多的子换流器串联，移相变压器数过多，电路结构比较复杂，不适合大功率远距离，可作为海上风电平台可行方案。
2 典型调制策略
现有的调制策略[34-50]包括技术成熟的正弦脉宽调制法（sinusoidal PWM, SPWM）、能够有效提高调制比的梯形波调制法（trapezoidal PWM, TPWM）、动态性能优异的空间矢量调制法（space vector modulation, SVM）以及针对特征谐波的特定谐波消除法（selected harmonic elimination pulse width modulation, SHE-PWM）等。
2.1 SPWM调制策略
SPWM是较为成熟的调制技术，基本原理为通过高频三角波与参考波进行比较，产生一系列触发脉冲，如图4a）所示。这些PWM脉冲将准确复现参考波基本信息[34-37]。在CCSC中参考波为交流侧电流，为了减少器件的开通损耗，三角调制波的频率不宜太高。SPWM是一种在线调制策略，具有动态响应快和实现方便的优点。部分文献在传统VSC二值逻辑SPWM技术基础上通过预处理和二三逻辑转换给出了适用于全控CCSC的调制脉冲信号[38-40]。SPWM开关脉冲谐波含有大量的低次谐波，需要较多的滤波器，否则就需要提高开关频率，在CCSC中应用SPWM调制策略需要优化设计。
2.2 TPWM调制策略
TPWM是为了提高调制比的一种典型调制策略，典型的调制波形如图4b）所示，TPWM适合于定调制的应用场景，其典型的调制范围为0.9~1.05，调制变化范围较小[41]。TPWM在谐波抑制方面不具备优势，对于全控CCSC，若要满足开关约束条件，要求半个周期的PWM脉冲数大于7，否则谐波含量就较高[42]。TPWM的优点是实时性、动态性能、开关频率等性能优异，然而受限于调制比范围的约束，不能最大程度根据直流电流进行控制和调节，使变流器工作在宽调制范围内的性能最优、损耗最小的状态[34,36,40-42]。2.3 SVPWM调制策略
SVPWM调制策略下直流电流的利用率高，开关损耗也较低[43]。SPWVM调制的基本方法是将开关组合状态划分为6个非零和3个零矢量，然后再将相邻的非零矢量进行合成，如图4c）所示。SVPWM易于通过DSP实现，但是由于需要安排冗余矢量的时序，避免过多开关动作，使得动作过程较为复杂，较难向高电平推广，造成交流侧存在较多的低次谐波[43-45]。为减小谐波，文献[44]提出错时采样策略，通过将多个采样时间错开，以抵消低次谐波。与 SHE-PWM相比，SVPWM 能够实时在线调整，且具有更高的开关频率和动态性能。与 TPWM 相比，SVPWM 的调制比能在 0~1 之间任意调整，直流电流利用率更高。2.4 SHE-PWM调制策略
SHE-PWM是一种低开关频率下的调制方法，可以根据输出电流波形的要求，调制开关角度，从而消除特定的谐波次数[46]。SHE-PWM调制策略如图4d）所示。该调制技术的优点是开关频率低、器件损耗低、交流电流低次谐波特性好，缺点是需要查表输出脉冲，需要的数据存储多，相对TPWM和SVPWM灵活性较差，适合开关频率低的场合。文献[46-48]讨论了多电平换流器及其并联模块调制方法，但对初始导通角和计算等关键问题未展开论述。文献[38,49]提出了CCSC中SHE-PWM的具体过程，但电流脉冲类型少、幅值低，比较适合调制度范围变化小的场合，所提出的依据谐波特性的通用策略存在开关状态复杂、调制比低的问题。文献[50]采用两段式消除谐波策略，但存在动态切换失败风险。2.5 方案对比
综上所述，对上述4种典型的调制策略对比分析，如表2所示。SPWM和SVPWM实现相对简单，且能够在线调制，动态特性好，但低次谐波含量较大，滤波器容量较大。TPWM调制简单，直流电流的利用率高，但调制的变化范围太小，并不适合于直流输电系统宽范围功率调节要求。SHE-PWM谐波特性好，能够有针对性的消除CCSC产生的低次谐波，但动态响应慢。现有SHE-PWM策略电流脉冲类型选取和零开关状态分配过程复杂。针对全控CCSC，一方面，要求全控器件的开关频率不能过高，防止开关损耗过大，降低设备的经济性；另一方面，要求输出的交流电流谐波含量少，这样可以有效降低滤波器容量。同时，还要求传输的功率能够宽范围的调节，这就必须要求调制策略的调制比不能太低。此外，更重要的问题是在系统出现故障时要求具有快速调节能力。因此，需要结合不同调制策略的优缺点，根据系统运行工况优化择取可行策略。表2 CCSC调制方法比较
Table 2 Comparison of CCSC modulation methods
3 基于全控CCSC的直流输电
由CCSC和LCC构成的混合系统控制简单，可解决换相失败问题且器件易于做大，是一种具有广阔前景的方案。
3.1 基本原理
由LCC-CCSC构成的混合直流输电系统[11,51]拓扑如图5所示，采用双极两端中性点接地方式，其中整流侧正负极均采用传统12脉波LCC，较为经济、安全、可靠。逆变侧正负极均采用双移相全控CCSC串联的拓扑结构。通过SHE-PWM调制消除CCSC交流输出电流中的主要谐波，减少交流侧LC二阶低通滤波器容量，与传统直流输电相比，滤波器占地和造价大大减少。
图5 LCC-CSC混合直流的基本拓扑
Fig.5 Primary topology of hybrid HVDC transmission system based on LCC-CSC
与LCC类似，CCSC采用串联直串式拓扑，桥臂由一定数量的逆阻全控型半导体器件串联组成，2台全控CCSC直流侧直接串联，构成高、低压换流器，然后通过移相变压器并入交流电网。CCSC的运行遵循“交流侧等效为电流源、直流侧等效为电压源”规律，端对端的LCC系统的控制策略启停、潮流控制和恢复等可以继承[51]。文献[11,51]提出的系统稳态控制特性如图6所示，整流侧LCC采用最小触发角控制和定电流控制，分别为AB和BC段，逆变侧CCSC采用定电压和无功控制，分别对应ED和EF段，为了防止整流侧电压跌落导致控制失稳，逆变侧同时具有定电流控制能力，当发现电流减小时，逆变侧通过电流控制维持系统电流恒定。
图6 LCC-CCSC混合直流系统的稳态控制策略
Fig.6 Stability control strategy for LCC-CCSC hybrid HVDC system
3.2 技术优势
随着高压直流输电系统电压等级和输电距离的不断增加，工程对换流器造价、占地面积、暂稳态性能、交直流故障穿越能力等指标提出了更高的要求，全控CCSC具有以下优势。（1）与LCC相比，CCSC采用全控型功率半导体器件，可以实现黑启动且不存在换相失败问题。CCSC交流侧采用LC二阶滤波器，滤波器体积较LCC小。CCSC可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制简单。（2）与VSC相比，CCSC直流侧串联有大电感，可以轻易穿越直流短路故障，具有体积小、结构和控制简单、损耗小、造价低等优点。通过上述分析，换流器具体性能对比如表3所示。表3 换流器性能对比
Table 3 Performance comparison of converters
在大容量、远距离的直流输电领域，由于整流侧接近能源中心，电网特性简单，电网故障率低，采用造价低和技术成熟的LCC较合适。逆变侧接近负荷中心，电网特性复杂，电网的故障率高，采用具有交直流故障穿越能力强且造价低的CCSC更具优势。
3.3 应用前景
通过对以上技术特点分析，CCSC可用于以下场景。（1）提供一种新型的大规模远距离直流输电型式，能够解决传统的LCC工程的换相失败和不能无源送电的本质缺陷，提升直流工程整体适用性和可靠性。CCSC作为电流源型换流器，与LCC换流器匹配良好，将CCSC作为受端的LCC直流工程，可解决受端负荷中心近距离大量馈入大容量直流的电网稳定性问题，防止发生直流连续换相失败和连带换相失败，因此可应用于新建或者需要改造的端对端直流工程。（2）可用于支撑中国分布式新能源的输送。中国大量风能、太阳能分布在西北地区弱交流系统，电压支撑能力不足，但受限于目前IGBT的器件水平，MMC-VSC技术只有形成直流电网，才能极大程度提高输送容量，而CCSC技术本身的设备容量较大，因此在同等输送容量下，可减少工程造价。在海上风电等东南沿海分布式新能源的输送问题上，使用MMC送出的海上平台占地大、质量大、投资巨大，使用CCSC送出可以减少占地和投资，提高经济性。4 关键技术分析及研究方向
虽然在CCSC的拓扑、控制策略及其应用方式等方面已取得了丰硕的研究成果，但由于技术的复杂性，仍存在许多问题亟待解决。
4.1 直流系统构建和运行方式
由CCSC和LCC构成的混合直流输电系统在高压直流输电领域具有广泛的应用前景，需研究具备定电流、定电压和定功率等多种运行方式的系统控制策略。现有关于混合直流输电系统逆变侧CCSC的控制策略基本都是以直流电流和网侧电流为控制目标，定直流电压控制情况下CCSC功率因数运行区间尚不完全明确，限制了CCSC在高压直流输电领域的灵活配置，因此需开展针对混合直流输电系统直流电压和无功功率闭环控制的运行区间及区间内的控制策略研究。系统发生故障工况时，需制定送受端合理的配合控制策略，结合故障时序确定功率恢复速度，充分利用电流源型换流器的快速故障自清理能力，提高运行可靠性。特别是在CCSC发生交流、直流和换流器内部等故障时，需提出合理的控制策略，通过调节CCSC的有功和无功分配，保证系统在故障过程中对交流系统影响最小。4.2 以降损为目标的换流器调制策略
在LCC-CCSC混合直流输电系统中，可控关断的CCSC桥臂采用多个器件直接串联，开关损耗较大，以降损为目标的低开关频率策略是高效运行的关键技术。在交流系统谐波约束条件下，需要研究CCSC调制策略以降低开关频率，减小运行损耗。由于CCSC三相开关状态之间的约束条件，现有的调制策略存在低次谐波多、计算过程复杂、初值难以设定、脉冲分配需要存储容量大等问题。同时，CCSC三相开关状态之间相互约束，现有的SHE-PWM策略在调制比变化时可能导致CCSC系统运行的不稳定。因此，需要分析CCSC生成脉冲开关信号和桥臂电流之间的对应关系，研究CCSC零开关状态的分配方法，提出结合相电流生成的调制策略，降低CCSC开关频率。4.3 器件的损耗优化及电气均衡
高压大电流可关断器件的损耗直接决定CCSC运行损耗，是考核CCSC的主要技术指标。器件损耗越低，不仅可提高运行经济性，而且可降低对水冷设备的容量、提高换流器设计的紧凑性、降低设备总体占地面积。高压大电流应用环境下的器件损耗主要取决于器件的材料、设计、制造、工艺等，需要从器件内部构造机理以及驱动协调上深入研究。此外，高压大电流串联组件电气均衡设计需要考虑器件串联均压以及模块间电场、磁场均衡等设计技术。高压大电流串联组件电气均衡设计决定着换流器的暂稳态运行指标，影响设备安全运行，需要从器件参数一致性、驱动设计、组件电磁场以及结构等方面综合考虑。4.4 等效试验技术
全控CCSC为新型设备，无法参考晶闸管换流阀和柔性直流换流阀技术试验方法，对其进行功能性验证和功率验证均面临新的技术挑战。功能验证需要搭建等比例动模平台，以及相应的控制保护系统，通过模拟交流、直流和控制丢脉冲等各类故障下换流器的运行能力，以验证技术路线在直流系统运行的可行性。同时，需要研究与实际功率应力等效的功率试验系统，以保证试验装置的出力能够复现系统在稳态运行和故障工况下的电压、电流、dv/dt和di/dt等关键电气应力参数，稳态工况下的热运行能力，暂态故障工况下的电流关断等。5 结论
本文针对大容量CCSC的重大技术需求，对其技术发展历程、拓扑结构和工作原理进行了分析，并针对直串式、模块组合型和模块化多电平等多种拓扑及调制策略进行了分析，根据现有的文献调研和分析，得到如下结论。（1）全控直串式CCSC电路拓扑结构简单，易于实现高压，是直流输电可行技术方案，但器件的开关频率不宜过高，以减小滤波器体积。（2）SHE-PWM谐波特性好，能够有针对性的消除CCSC产生的低次谐波，但动态响应慢，现有SHE-PWM策略电流脉冲类型选取和零开关状态分配过程复杂。（3）CCSC能够解决传统LCC工程的换相失败和不能向无源孤岛送电的本质缺陷，提升直流工程整体灵活性和可靠性，可为海上风电提供一种可行方案。（4）LCC-CCSC构成的混合系统在系统构建、调制控制策略、逆阻型器件研制、串联电气均衡以及等效试验等关键问题和研究方向上需要进一步研究。（责任编辑 李博）
作者介绍
陈龙龙(1985—)，男，通信作者，博士研究生，高级工程师，从事高压直流输电换流阀、高压直流断路器和行波保护系统等研究，E-mail：chenlonglong_003@163.com;
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徐飞(1983—)，男，博士，副研究员，从事大功率电力电子控制与保护技术研究，E-mail：xufei@mail.iee.ac.cn.
往期回顾
审核：方彤
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