探索高压输电——第1部分：电网换相换流器

据美国能源信息管理局统计，2014年美国能源的平均零售价格为10.44美分/千瓦时，预计输配电损耗为5%。这一损耗值似乎很低，但是这必须考虑到美国的总净发电功率是4.1万亿兆瓦时。在这种情况下，5%的损耗意味着超过2000亿千瓦时和210亿美元的损失，因此努力改善电力传输方式成为我们的优先事项。

高压直流(HVDC)输电是为减少输配电损耗而实施的解决方案之一。为什么HVDC比常规交流输电更高效呢?HVDC输电线路的损耗比相同电压的AC线路少30-50%。当电压和电流变得异相时，HVDC可以提高功率因数。因为DC没有与其相关的频率，因此它不受集肤效应的影响，可以降低通过线路传输的总功率。当电流密度集中在表面或“外肤位置”时，会发生集肤效应，并且当其朝导体中心移动时会渐渐稀疏。沿表面的电流密度越高，AC的有效电阻也就越高。HVDC还提高了网络的可靠性。某些类型的HVDC站可以帮助稳定异步网络。

那么这么大量的电力如何从全国范围内传输到你家呢?电力首先从源开始，被传输到换流站，在整流为DC电压前，AC在这里被升级至所需电压。然后，电力可以作为HVDC通过远距离转移到另一个换流站，在那里被重新转换为AC，某些类型的换流站具有控制有功和无功功率的增值效益。然后变压器将AC电力提高到所需的电压，以根据需要将电压传输和配送到家庭和/或工厂。图1展示了这一完整过程。

图1：传输过程(输电线路图片由美国杜克公司提供)

最常见的换流站类型是电网换相换流器(LCC)和电压源换流器(VSC)。

电网换相换流器

目前运行的大多数HVDC系统采用LCC拓扑。LCC的效率稍高于VSC，能够传输更大数量的电力。其典型电压电平为450kV或500kV;然而，中国有几条800kV的线路。由于采用脉宽调制(PWM)技术，LCC不会像VSC那样出现开关损耗。LCC使用晶闸管作为开关装置。多个晶闸管串联成三相整流器的单支线路，即构成了所谓的“阀”。

由于晶闸管只能接通，不能断开，因此交流电压会使晶闸管发生反向偏置并停止传导。因此，LCC中的晶闸管的偏置取决于电网AC侧用于换流的功率。在晶闸管正向偏置后导通时的延时决定了相位角延迟(触发角)。晶闸管的相位角延迟实现了交流波的相位角控制。

LCC有两种典型的架构：6脉冲桥和12脉冲桥。图2所示为6脉冲桥，其使用六个晶闸管阀：每个相位使用两个阀来传导正负电压波形。LCC的谐波响应能力非常差。为了弥补这一点，通过将两个6脉冲桥串联形成12脉冲桥则可以改善谐波。

图2：LCC配置(图片由EE web提供)

通过分析信号，可以控制进出换流器的波形。适当地分析信号能够让系统知道电压和电流电平以及功率因数，并且有助于确定线路上是否存在任何故障。保护继电器或智能电子设备(IED)分析信号。请参见图3。

图3：信号解释

TI有几个介绍信号分析方法的设计指南。使用Delta-Sigma芯片诊断来测量保护继电器中AC电压和电流的参考设计讨论了如何通过使用电流互感器、分压器或罗戈夫斯基线圈来采集输出信号。然后，该信号由隔离和非隔离运算放大器进行调节，以增加振幅，抑制任何共模电压和噪声。随即由ADC分析经调节的信号。从ADC获得的数字化信息被传递到MCU进行解释。根据波形确定的信息反馈到换流器的控制装置，从而将对不断变化的相位和电压电平进行调整以保持稳定性。