Войти
Преобразователь HVDC преобразует электрическую мощность из высокого напряжения От переменного тока (AC) до постоянного тока высокого (HVDC) или наоборот. HVDC используется как альтернатива переменному току для передачи электроэнергии на большие расстояния или между энергосистемами переменного тока разных частот. Созданы преобразователи HVDC, способные преобразовывать до двух гигаватт (ГВт) и с номинальным напряжением до 900 кило в (кВ), и технически возможны даже более высокие значения. Полная преобразовательная подстанция может содержать несколько таких преобразователей, включенных последовательно, для достижения общего номинального напряжения системы постоянного тока до 1100 кВ.
Символ для преобразователя HVDC Практически все преобразователи HVDC по своей природе двунаправлены; они могут преобразовывать переменный ток в постоянный (выпрямление) или из постоянного в переменный (инверсия). Полная система HVDC всегда включает в себя по крайней мере один преобразователь, работающий как выпрямитель (преобразовывающий переменный ток в постоянный ток), и по крайней мере один, работающий как инвертор (преобразовывающий постоянный ток в переменный ток). Некоторые системы HVDC в полной мере используют это свойство двунаправленности (например, системы, предназначенные для трансграничной торговли электроэнергией, такие как межканальная связь между Англией и Франция ). Другие, например, предназначенные для экспорта энергии с удаленной электростанции, такие как схема Итайпу в Бразилия, могут быть оптимизированы для потока энергии только в одном предпочтительном направлении. В таких схемах пониженного пропускания понижается пропускная способность.
Преобразователи HVDC могут принимать несколько различных форм. Ранние системы HVDC, построенные до 1930-х годов, фактически были роторными преобразователями и использовали электромеханическое преобразование с двигателями - генераторами, соединенными последовательно на стороне постоянного тока и постоянной скорости переменного тока. Однако все системы HVDC, построенные с 1940-х годов, использовали электронные (статические) преобразователи.
Электронные преобразователи для HVDC делятся на две основные категории. Преобразователи с линейной коммутацией (HVDC classic) выполнены с электронными переключателями , которые могут быть только включены. Преобразователи напряжения производятся с переключающими устройствами. В преобразователях с линейной коммутацией (LCC) использовались ртутно-дуговые клапаны до 1970-х годов или тиристоры с 1970-х годов до наших дней. Преобразователи источника напряжения (VSC), которые впервые появились в HVDC в 1997 году, используют транзисторы, обычно биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).
По состоянию на 2012 год важны технологии как с линейной коммутацией, так и с источниками напряжения, при этом преобразователи с линейной коммутацией используются в основном там, где требуется очень высокая мощность и эффективность, а преобразователи с источниками напряжения используются в в основном для соединения слабого переменного тока. системы для подключения крупномасштабных ветряных электростанций сети или соединений для HVDC, которые, вероятно, будут расширены, чтобы в будущем стать многополюсными системами HVDC. Рынок преобразователя напряжения HVDC быстро растет благодаря резкому увеличению инвестиций в оффшорную ветроэнергетику, с одним конкретным типом преобразователя, модульным многоуровневым преобразователем (MMC), выходящим на передний план. -раннер.
Уже в 1880-х годах преимущества передачи постоянного тока на большие расстояния стали очевидны, и было введено в эксплуатацию несколько коммерческих систем передачи электроэнергии. Наиболее успешные из них использовали систему, изобретенную Рене Тюри, и основывались на принципе последовательного соединения нескольких мотор-генераторных установок на стороне постоянного тока. Самым известным примером была 200-километровая схема передачи постоянного тока Лион-Мутье в Франции, которая коммерчески работала с 1906 по 1936 год, передавая энергию от гидроэлектростанции Мутье в город Лион. Кимбарк сообщает, что эта система работала достаточно надежно; однако общая сквозная эффективность (около 70%) была низкой по сегодняшним стандартам. Начиная с 1930-х годов, начались обширные исследования статических альтернатив с использованием газонаполненных трубок - в основном ртутно-дуговых клапанов, но также тиратронов, которые удерживали обещание значительно более высокой эффективности. Очень маленькие механические поворотные преобразователи нагружают в нишевых приложениях в неблагоприятных условиях, например, в качестве преобразования энергии от до высоких напряжений, необходимых для радиоатели и радаров, до 1960-х годов и до эры транзисторов.
Большинство работающих сегодня систем HVDC основаны на преобразователях с линейной коммутацией (LCC). Термин «линейная коммутация» указывает на то, что процесс преобразования зависит от линейного напряжения системы переменного тока, к которому подключен преобразователь, для осуществления коммутации от одного коммутирующего устройства к его соседнему. В преобразователях с линейной коммутацией используются переключающие устройства, которые либо неуправляемы (например, диоды ), либо могут быть включены (не выключены) только управляющим генератором, например, тиристоры. Несмотря на то, что HVDC в принципе могут быть построены из диодов, такие преобразователи могут работать в режиме выпрямления, и отсутствие возможности управления постоянным напряжением серьезным недостатком. Следовательно, на практике все системы LCC HVDC используют либо управляемые сетью ртутно-дуговые клапаны (до 1970-х годов), либо тиристоры (до наших дней).
В преобразователе с сетевой коммутацией постоянный ток не меняет своего направления; он протекает через большую индуктивность и может считаться почти постоянным. Со стороны переменного тока преобразователь ведет себя примерно как источник тока, подавая в сети переменного тока токи сетевой частоты и гармонические токи. По этой причине преобразователь с линейной коммутацией для HVDC. Изменение направления потока мощности посредством направления направления тока нельзя изменить.
В конфигурации LCC для HVDC используется трехфазный мостовой выпрямитель Graetz или шестиимпульсный мост, используя шесть электронных переключателей, каждое подключение одного из трех фаз к одной из двух клемм постоянного тока. Полный коммутирующий элемент обычно называют клапаном, независимо от его конструкции. Обычно два клапана в мосту работают в любое время: один к фазе в верхнем ряду и один (из другой фазы) в нижнем ряду. Два проводящих клапана через подключают два из трех фазных напряжений переменного тока к клеммам постоянного тока. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока в любой момент времени определяется последовательной комбинацией двух фазных напряжений переменного тока. Например, если клапаны V1 и V2 являются проводящими, выходное напряжение постоянного тока определяется напряжением фазы 1 минус напряжение фаза 3.
Из-за неизбежной (но полезной) индуктивности в переменном токе, переход от одной пары токопроводящих клапанов к другой не происходит мгновенно. Скорее, когда одновременно работают короткие период перекрытия, когда два клапана работают в одном ряду моста. Например, если клапаны V1 и V2 проводят ток, а затем клапан V3 включен, проводимость переходит от V1 к V3, но на короткий период оба эти клапана проводят одновременно. В течение этого периода выходное напряжение постоянного тока определяется как среднее значение напряжения 1 и 2 для вычетом напряжения фазы 3. Угол перекрытия μ (или u) в преобразователе HVDC увеличивает с током нагрузки, но обычно составляет около 20 ° при полной нагрузке.
 Трехфазная двухполупериодная (Гретца) мостовая схема выпрямителя с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов |  Объяснение процесса коммутации. Когда только клапаны 1 и 2 являются проводящими, постоянное напряжение формируется из двух из трех фазных напряжений. В течение периода перекрытия постоянное напряжение формируется из всех трех фазных напряжений. |
В течение периода перекрытия выходное постоянное напряжение ниже, чем оно могло бы быть в силе, и период перекрытия визуую выемку в постоянном напряжении. Важным эффектом этого является то, что среднее выходное напряжение постоянного тока по мере увеличения периода перекрытия; Следовательно, среднее постоянное напряжение падает с постоянного тока.
Формы сигналов напряжения и тока для шестиимпульсного моста при альфа = 20 ° с углом перекрытия 20 ° Среднее выходное напряжение постоянного тока шестиимпульсного преобразователя определяется как:
Где:
Угол срабатывания α представляет собой временную задержку с момента, когда напряжение на клапане становится положительным (в этот момент диод начинает проводить ток) и тиристоры включаются. ся. Фактически, с преобразователем с линейной коммутацией gle представляет собой единственный быстрый способ управления преобразователем. Управление углом зажигания используется для непрерывного регулирования постоянного тока на обоих концах системы HVDC, чтобы получить желаемый уровень передачи мощности.
Напряжение и ток клапана для работы инвертора при γ = 20 ° и μ = 20 ° Выходное напряжение постоянного тока преобразователя постепенно становится менее положительным с помощью угла зажигания: углы зажигания до 90 ° соответствуют выпрямление и приводит к положительным напряжением постоянного тока, в то время как углы зажигания выше 90 ° соответствуют инверсии и вызывают отрицательное напряжение постоянного тока. Однако угол открытия не может быть увеличен до 180 ° по двум причинам. Во-первых, необходимо сделать поправку на угол перекрытия μ, во-второй, на дополнительный угол затухания γ, который необходим для того, чтобы клапаны восстановили свою способность выдерживать положительное напряжение после проведения тока. Угол гашения γ связан с временем выключения t q тиристоров. Типичное значение γ составляет 15 °. α, γ и μ взаимосвязаны таким образом:
При изменении фазы только через каждые 60 ° при использовании шестиимпульсной схемы на клеммах постоянного и переменного тока установлены значительные гармонические искажения. Для восстановления синусоидальности сигнала необходимы большие фильтрующие компоненты. Усовершенствованная конструкция моста с шестью импульсами использует 12 клапанов в мосту с двенадцатью импульсами. Двенадцатиимпульсный мост представляет собой два шестиимпульсных моста, соединенных между собой на одной стороне постоянного тока и смещением фаз между поставщиками переменного тока, так что некоторые гармонические напряжения и токи подавляются.
Сдвиг фаз между двумя источниками переменного тока обычно составляет 30 ° и реализуется с помощью преобразователя трансформаторов с двумя разными вторичными обмотками (или обмотками клапана). Обычно одна из обмоток клапана соединяется звездой (звездой), а другая - треугольником. С двенадцатью клапанами, соединяющими каждый из двух наборов по три фазы с двумя шинами постоянного тока, фаза через каждые 30 °, уровни низкочастотных гармоник значительно снижаются, что значительно упрощает требования к фильтрации. По этой причине двенадцатиимпульсная система стала стандартной для всех HVDC с коммутацией систем линий, хотя системы HVDC, построенные с ртутными дуговыми клапанами, предусматривают временную работу с обходом одной из двух шестиимпульсных групп.
 12-импульсный преобразователь HVDC, использующий ртутные дуговые клапаны, байпасным клапаном и байпасным переключателем на каждом из двух 6-импульсных мостов |  12-импульсный преобразователь HVDC с использованием тиристорных клапанов |  Объясните концепцию четырехпривода от HVDC |
A 150- киловольт, 1800 A ртутно-дуговые клапаны в системе передачи постоянного тока Nelson River в Манитоба, Канада В ранних системах LCC использовались ртутно-дуговые клапаны, конструкции развивались по сравнению с теми, которые используются в промышленных выпрямителях большой мощности. Чтобы сделать такие клапаны пригодными для HVDC, потребовался ряд адаптаций, в частности, использование электродов, регулирующих анодное напряжение, чтобы минимизировать риск очень высоких обратных напряжений, наблюдаемых в HVDC. Большая часть новаторских работ в этой области была выполнена в Швеции доктором Уно Ламмом, широко известным «отцом HVDC» и от имени которого IEEE представил «Премия Уно Ламма» за выдающийся вкладыш в области HVDC. Очень длинные анодные колонны, необходимые для высоковольтных приложений, ограничивают ток, который может безопасно проходить через каждый анод, поэтому в большинстве ртутно-дуговых вентилей для высоковольтного постоянного тока использовалось несколько (чаще всего) анодных колонны параллельно на каждый четыре клапана.
Обычно каждое плечо каждого шестиимпульсного моста состояло только из одного ртутно-дугового клапана, но в двух проектах, построенных в бывшем Советском Союзе, использовались два или три ртутно-дуговых клапана на плечо, без параллельных соединений анодных колонн.
Ртутные дуговые прочные клапаны для HVDC былиными, но требовали большого обслуживания. HVDC был построен с использованием байпасного распределительного устройства через шестиимпульсный мост, так что схема HVDC была построена в режиме шестиимпульсного режима в коротких периодов обслуживания.
Ртутные дуговые клапаны были построены с номиналами до 150 кВ, 1800 А. Последней (и самой мощной) установлена система передачи постоянного тока Nelson River в Канаде, в которой использовалось шесть анодных колонны, подключенные параллельные на клапан, и было завершено в 1977 году. Последняя действующая система ртутной дуги (HVDC Inter-Island связь между Северным и Южным островами Новой Зеландии ) была остановлена. в 2012 году. Ртутные дуговые клапаны также использовались в следующих проектах HVDC:
Тиристорный клапан впервые был использован в системах HVDC в 1972 году на преобразовательной станции Eel River в Канаде. Тиристор представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство, подобное диоду , но с дополнительной клеммой управления, которая используется для включения устройства в определенный момент. Поскольку тиристоры имеют напряжение пробоя всего в несколько киловольт каждый, тиристорные клапаны HVDC построены с использованием большого количества тиристоров, соединенных последовательно. Дополнительные пассивные компоненты, такие как конденсаторы и резисторы, должны быть подключены параллельно с каждым тиристором, чтобы обеспечить равномерное распределение напряжения на клапане между тиристорами. Тиристор плюс его схемы градуировки и другое вспомогательное оборудование называется тиристорным уровнем.
12-импульсный тиристорный преобразователь для полюса 2 HVDC Inter-Island между Северным и Южным островами Новой Зеландии. Человек внизу дает представление о масштабе. Каждый тиристорный клапан обычно содержит десятки или сотни тиристорных уровней, каждый из которых работает с разным (высоким) потенциалом относительно земли. Таким образом, командную информацию для включения тиристоров нельзя просто отправить по проводному соединению - ее необходимо изолировать. Метод изоляции может быть магнитным (с использованием импульсных трансформаторов ), но обычно это оптический. Используются два оптических метода: косвенный и прямой оптический запуск. В методе непрямого оптического запуска низковольтная управляющая электроника посылает световые импульсы по оптическим волокнам в управляющую электронику на стороне высокого напряжения, которая получает свою мощность от напряжения на каждом тиристоре. Альтернативный метод прямого оптического запуска обходится без большей части электроники верхнего плеча, вместо этого используются световые импульсы от управляющей электроники для переключения световых тиристоров (LTT), хотя может все же потребоваться небольшой блок контрольной электроники для защиты клапана.
По состоянию на 2012 год тиристорные клапаны использовались более чем в 100 схемах HVDC, и многие другие все еще строятся или планируются. Наивысшая номинальная мощность любого отдельного преобразователя HVDC (двенадцатиимпульсный мост) в эксплуатации составила 2000 МВт в 2010 году по схеме ± 660 кВ Ниндун – Шаньдун в Китае. По два таких преобразователя предусмотрены на каждом конце схемы, имеющей обычную биполярную конструкцию. С 2007 года наивысшим номинальным напряжением для одного преобразователя HVDC является схема ± 450 кВ NorNed, связывающая Норвегию с Нидерландами, где имеется только один преобразователь на расположение каждого конца необычно для схемы LCC HVDC.
Поскольку тиристоры (и ртутные выпрямители) могут быть включены (не выключены) только с помощью управляющего воздействия, и полагаясь на внешнюю систему переменного тока для выполнения процесса выключения, система управления имеет только одну степень свободы - когда в цикле включает тиристор. Это ограничивает полезность HVDC в некоторых случаях, поскольку это означает, что система переменного тока, к которой подключен преобразователь HVDC, всегда должна содержать синхронные машины, чтобы обеспечить синхронизацию коммутируемого напряжения - преобразователь HVDC не может подавать мощность в пассивную систему. Это не проблема с подачей дополнительной энергии в сеть, которая уже находится под напряжением, но не может использоваться в качестве единственного источника энергии.
С другими типами полупроводниковых устройств, таких как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), можно управлять синхронизацией включения и выключения, что дает вторую степень свободы. В результате, IGBT могут быть использованы для создания самокоммутируемых преобразователей, которые в работе ближе к большому инвертору. В таких преобразователях полярность постоянного напряжения обычно фиксирована, и постоянное напряжение, сглаженное большой емкостью, можно считать постоянным. По этой причине преобразователь HVDC, использующий IGBT, обычно называют преобразователем источника напряжения (или преобразователем источника напряжения). Дополнительная управляемость дает много преимуществ, в частности, возможность многократно включать и выключать IGBT за цикл для улучшения гармонических характеристик, а также тот факт, что преобразователь (будучи самокоммутируемым) больше не полагается на синхронные машины в сети переменного тока. система для его работы. Таким образом, преобразователь напряжения может подавать питание в сеть переменного тока, состоящую только из пассивных нагрузок, что невозможно с LCC HVDC. Преобразователи напряжения также значительно компактнее преобразователей с линейной коммутацией (в основном потому, что требуется гораздо меньше фильтрации гармоник) и предпочтительнее преобразователей с линейной коммутацией в местах с ограниченным пространством, например на морских платформах.
В отличие от преобразователей HVDC с линейной коммутацией, преобразователи источника напряжения поддерживают постоянную полярность напряжения постоянного тока, а реверс мощности достигается вместо этого путем изменения направления тока. Это значительно упрощает подключение преобразователей источника напряжения к многополюсной системе HVDC или «сети постоянного тока».
В системах HVDC, основанных на преобразователях источника напряжения, обычно используется шестиимпульсное соединение, поскольку преобразователь производит гораздо меньше гармонических искажений, чем у сопоставимого LCC, и двенадцатипульсное соединение не требуется. Это упрощает конструкцию преобразователя трансформатора. Однако существует несколько различных конфигураций преобразователя источника напряжения, и продолжаются исследования новых альтернатив.
С самой первой установленной схемы VSC-HVDC (экспериментальная линия Hellsjön введена в эксплуатацию в Швеции в 1997 г.) до 2012 г., большинство построенных систем VSC HVDC было основано на двухуровневом преобразователе. Двухуровневый преобразователь представляет собой простейший тип преобразователя трехфазного источника напряжения и может рассматриваться как шестиимпульсный мост, в котором тиристоры заменены на IGBT с обратнопараллельными диодами, а сглаживающие реакторы постоянного тока были заменены конденсаторами сглаживания постоянного тока . Такие преобразователи получили свое название от того факта, что напряжение на выходе переменного тока каждой фазы переключается между двумя дискретными уровнями напряжения, соответствующими электрическим потенциалам положительной и отрицательной клемм постоянного тока. Когда верхний из двух клапанов в фазе включен, выходная клемма переменного тока подключается к положительной клемме постоянного тока, что приводит к выходному напряжению + ½ U d по отношению к потенциалу средней точки конвертер. И наоборот, когда нижний клапан в фазе включен, выходная клемма переменного тока подключается к отрицательной клемме постоянного тока, в результате чего выходное напряжение составляет -½ U d. Два клапана, соответствующие одной фазе, никогда не должны включаться одновременно, так как это может привести к неконтролируемой разрядке конденсатора постоянного тока, что может серьезно повредить оборудование преобразователя.
 Трехфазный, двухуровневый преобразователь источника напряжения для HVDC |  Принцип работы двухуровневого преобразователя, однофазное представление (напряжение на графике: выходное напряжение относительно средней точки шины постоянного тока) |
Один Метод генерации последовательности импульсов ШИМ, соответствующей данному сигналу, представляет собой пересекающуюся ШИМ: сигнал (здесь красная синусоида) сравнивается с пилообразной формой волны (синяя). Когда последнее меньше первого, сигнал ШИМ (пурпурный) находится в высоком состоянии (1). В противном случае он находится в низком состоянии (0). Самая простая форма волны (а также самая высокая амплитуда), которая может быть сформирована двухуровневым преобразователем, - это прямоугольный сигнал ; однако это приведет к неприемлемым уровням гармонических искажений, поэтому для улучшения гармонических искажений преобразователя всегда используется некоторая форма широтно-импульсной модуляции (PWM). В результате ШИМ транзисторы IGBT включаются и выключаются много раз (обычно 20 раз) в каждом сетевом цикле. Это приводит к высоким коммутационным потерям в IGBT и снижает общую эффективность передачи. Для HVDC возможны несколько различных стратегий PWM, но во всех случаях эффективность двухуровневого преобразователя значительно ниже, чем у LCC, из-за более высоких потерь переключения. Типичная преобразовательная подстанция LCC HVDC имеет потери мощности около 0,7% при полной нагрузке (на каждом конце, за исключением линии или кабеля HVDC), в то время как с двухуровневыми преобразователями источника напряжения эквивалентная цифра составляет 2-3% на каждом конце.
Другой недостаток двухуровневого преобразователя заключается в том, что для достижения очень высоких рабочих напряжений, требуемых для схемы HVDC, несколько сотен IGBT должны быть соединены последовательно и переключены одновременно в каждом клапане. Для этого требуются специальные типы IGBT со сложными схемами управления затвором, и это может привести к очень высоким уровням электромагнитных помех.
в попытке улучшить плохие характеристики гармоник двухуровневый преобразователь, некоторые системы HVDC были построены с трехуровневыми преобразователями. Трехуровневые преобразователи могут синтезировать три (вместо двух) дискретных уровней напряжения на выводе переменного тока каждой фазы: + ½ U d, 0 и -½ U d. Распространенным типом трехуровневого преобразователя является преобразователь с диодной фиксацией (или с фиксацией нейтральной точки), где каждая фаза содержит четыре клапана IGBT, каждый из которых рассчитан на половину линейного напряжения постоянного тока, а также два фиксирующих диодных клапана. Конденсатор постоянного тока разделен на две последовательно соединенные ветви, с ограничивающими диодными лампами, подключенными между средней точкой конденсатора и точками четверти и трех четвертей на каждой фазе. Для получения положительного выходного напряжения (+ ½ U d) включаются два верхних клапана IGBT, для получения отрицательного выходного напряжения (-½ U d) два нижних клапана IGBT включаются, и для получения нулевого выходного напряжения включаются два средних клапана IGBT. В этом последнем состоянии два ограничивающих диодных клапана замыкают путь тока через фазу.
 Трехфазный, трехуровневый преобразователь источника напряжения с диодной фиксацией для HVDC |  Принцип работы трехуровневого преобразователя с диодной фиксацией, однофазное представление |
В усовершенствовании схемы с диодной фиксацией В преобразователе, так называемом активном преобразователе с фиксированной нейтралью, ограничивающие диодные клапаны заменены клапанами IGBT, что дает дополнительную управляемость. Такие преобразователи использовались в проекте Murraylink в Австралии и в канале Cross Sound Cable в США. Тем не менее, небольшое улучшение гармонических характеристик было достигнуто значительной ценой с точки зрения повышенной сложности, и конструкция оказалась трудной для масштабирования до напряжений постоянного тока выше, чем ± 150 кВ, используемое в этих двух проектах.
Другой тип трехуровневого преобразователя, используемый в некоторых преобразователях скорости, но никогда в HVDC, заменяет ограничивающие диодные вентили отдельным изолированным летающим конденсатором, подключенным между одним- четверть и три четверти очков. Принцип работы аналогичен принципу действия преобразователя с диодной фиксацией. Варианты трехуровневого преобразователя как с диодным фиксатором, так и с летающими конденсаторами могут быть расширены до большего числа выходных уровней (например, пяти), но сложность схемы увеличивается непропорционально, и такие схемы не считаются практичными для приложений HVDC.
Впервые предложен для приложений HVDC в 2003 году компанией Marquardt и впервые использован в коммерческих целях в проекте Trans Bay Cable в Сан Francisco, модульный многоуровневый преобразователь (MMC) в настоящее время становится наиболее распространенным типом преобразователя источника напряжения для HVDC.
 Трехфазный модульный многоуровневый преобразователь (MMC) для HVDC. |  Эксплуатация принцип модульного многоуровневого преобразователя (MMC) для HVDC, с четырьмя последовательно подключенными субмодулями на клапан. Для ясности показана только одна фаза из трех. |
Подобно двухуровневому преобразователю и шестипульсному преобразователю с линейной коммутацией, MMC состоит из шести вентилей, каждый из которых соединяет одну клемму переменного тока с одной клеммой постоянного тока. Однако там, где каждый клапан двухуровневого преобразователя фактически представляет собой высоковольтный управляемый переключатель, состоящий из большого количества последовательно соединенных IGBT, каждый клапан MMC сам по себе является отдельным управляемым источником напряжения. Каждый клапан MMC состоит из нескольких независимых субмодулей преобразователя, каждый из которых содержит свой накопительный конденсатор. В наиболее распространенной форме схемы, варианте полумоста, каждый субмодуль содержит два IGBT, подключенных последовательно через конденсатор, при этом соединение средней точки и один из двух выводов конденсатора выведены как внешние соединения. В зависимости от того, какой из двух IGBT в каждом субмодуле включен, конденсатор либо шунтируется, либо подключается к цепи. Таким образом, каждый субмодуль действует как независимый двухуровневый преобразователь, генерирующий напряжение либо 0, либо U sm (где U sm - напряжение конденсатора субмодуля). При соответствующем количестве субмодулей, соединенных последовательно, клапан может синтезировать ступенчатую форму волны напряжения, которая очень близко приближается к синусоиде и содержит очень низкие уровни гармонических искажений.
Клапан MMC, показывающий возможные состояния проводимости MMC отличается от преобразователей других типов тем, что ток непрерывно течет во всех шести клапанах преобразователя на протяжении всего цикла частоты сети. В результате такие понятия, как «включенное состояние» и «отключенное состояние» не имеют значения в MMC. Постоянный ток поровну делится на три фазы, а переменный ток поровну делится на верхний и нижний вентиль каждой фазы. Следовательно, ток в каждом клапане связан с постоянным током I d и переменным током I ac следующим образом:
Верхний клапан:
Нижний клапан:
Типичный MMC для приложения HVDC содержит около 300 субмодулей, соединенных последовательно в каждом клапане, и поэтому эквивалентен преобразователь уровня 301. Следовательно, гармонические характеристики превосходны, и обычно фильтры не требуются. Еще одним преимуществом MMC является то, что ШИМ не требуется, в результате чего потери мощности намного ниже, чем у двухуровневого преобразователя, около 1% на конец. Наконец, поскольку прямое последовательное соединение IGBT не требуется, приводы затвора IGBT не должны быть такими сложными, как приводы для двухуровневого преобразователя.
MMC имеет два основных недостатка. Во-первых, управление намного сложнее, чем у двухуровневого преобразователя. Балансировка напряжений каждого из конденсаторов субмодуля представляет собой серьезную проблему и требует значительной вычислительной мощности и высокоскоростной связи между центральным блоком управления и клапаном. Во-вторых, сами конденсаторы субмодуля большие и громоздкие. MMC значительно больше, чем двухуровневый преобразователь сопоставимого номинала, хотя это может быть компенсировано экономией места за счет отсутствия фильтров.
As of 2012 the largest-capacity MMC HVDC system in operation is still the 400 MW Trans Bay Cable scheme but many larger schemes are under construction, including an underground cable interconnection from France to Spain consisting of two 1000 MW links in parallel at a voltage of ±320 kV.
A variant of the MMC, proposed by one manufacturer, involves connecting multiple IGBTs in series in each of the two switches that make up the submodule. This gives an output voltage waveform with fewer, larger, steps than the convent иональное расположение MMC. Эта схема называется двухуровневым каскадным преобразователем (CTL). Функционально он в точности эквивалентен обычному полумосту MMC во всех отношениях, за исключением характеристик гармоник, которые немного уступают - хотя по-прежнему утверждают, что они достаточно хороши, чтобы избежать необходимости фильтрации в большинстве случаев.
Полномостовой субмодуль MMC Другая альтернатива заменяет полумостовой субмодуль MMC, описанный выше, на полный мостовой субмодуль, содержащий четыре БТИЗ в конфигурации H-моста вместо двух. Полномостовой вариант MMC позволяет вставлять конденсатор субмодуля в схему с любой полярностью. Это дает дополнительную гибкость в управлении преобразователем и позволяет преобразователю блокировать ток короткого замыкания, который возникает из-за короткого замыкания между положительной и отрицательной клеммами постоянного тока (что невозможно с любым из предыдущих типов VSC). Кроме того, он позволяет напряжению постоянного тока иметь любую полярность (как схема LCC HVDC), что дает возможность создания гибридных систем LCC и VSC HVDC. Однако полумостовая схема требует вдвое больше IGBT и имеет более высокие потери мощности, чем эквивалентная полумостовая схема.
Были предложены различные другие типы преобразователей, сочетающие в себе особенности двухуровневого и модульного многоуровневого преобразователя. Эти гибридные системы VSC направлены на достижение низких потерь и высоких гармонических характеристик MMC с более компактной конструкцией и большей управляемостью, но эти концепции все еще находятся на стадии исследования.
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с HVDC. |
