VSC为_LCC 和 VSC (MMC) 的底层特性区别

前面文章讲了许多关于 LCC 的，两电平三电平 VSC 以及 MMC 没有涉及，在详细讲述 MMC 之前这篇文章先介绍下 LCC 和 VSC 的最底层特性区别，方便大家尤其初学者对 VSC 和 LCC 的区别有更好把握。MMC-HVDC 这种东西是属于 VSC-HVDC 的，即基于电压源换流器的高压直流输电，国内也称为柔直（第一次听这名字就感觉很艺术，因为柔这词有软，温和，灵活的意思，很贴切），那到底“柔”在哪呢，下面就解释下。

来看一下为什么会有 VSC 这种东西它到底好在哪里，本质又是什么呢（其实我不太喜欢本质这个词，总给人以想走捷径快速理解知识的感觉）？我们从最底层分析下电压源换流器（VSC）和电流源换流器（CSC）也就是 LCC 的区别，可以从电流源逆变器和电压源逆变器的角度来看。

一、LCC (line-commutated converter) 或 CSC (current source converter)

(1）电流源逆变器

图 1 Current Source Inverter

i）直流回路串以大电感

作无功元件（滤波元件）储存无功功率，也就构成了逆变器高阻抗的电源内阻特性（电流源特性），即输出电流确定，波形接近矩形；电压波形与负载有关，在正弦波基础上迭加换流电压尖峰。

ii) 由于直流环节电流

不能反向，只有改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向、反馈无功功率，无需设置反馈二极管（其实也就是无功功率不可控）。

(2) 由最基本的电流源逆变器对高压直流输电中 LCC 的思考

上升到高压直流输电中的 LCC (CSC) 来说，无论是整流还是逆变过程因为晶闸管只能控制导通不能控制关断，LCC (CSC) 的换相过程要依赖交流网络，也就是所谓的自然换相（natural commutation）。既然 LCC 本质上是电流源换流器，我们首先就能想到可以直接控制直流电流的大小来给予晶闸管触发信号，然后直流电压也就通过自然换相过程确定了，这就是所谓的 LCC 定直流电流控制，其它控制方式如下：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/115185503zhuanlan.zhihu.com

因为晶闸管的使用，直流电流方向不能改变，如果要改变潮流方向只能通过改变电压极性使 LCC 从整流进入逆变模式或从逆变进入整流模式，在构成并联多端系统时单端潮流难以单独反转实现很不方便。这也是所谓的 LCC 只有一个控制自由度（只能控制晶闸管导通），即通过控制触发角大小来决定直流电压大小。当然了这可以通过定电流、定触发角、定熄灭角控制来间接影响直流电压，也可以采用定电压控制或定功率控制来直接控制直流电压。因为 LCC 本身的特性，其只能通过不同的控制方式来控制有功功率的大小和方向，无功消耗由运行情况决定不能控制。

二、VSC （voltage source converter）

(1）电压源逆变器

图 2 Current Source Inverter

电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图 2 为单相桥式电压源型逆变器原理图。电压源型逆变器有如下特点：

i）直流输入侧并联大电容

用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。

ii）由于直流侧电压极性不允许改变，无功从交流向直流回馈时只能改变电流方向来实现，为此在各功率开关元件旁反并联续流二极管，为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路。

，功率从直流流向交流；

，功率从交流流向直流，其中反并联二极管

对无功传递起到重要作用。

(2) 由最基本的电压源逆变器对高压直流输电中 VSC 或者 MMC 的思考

同样上升到 VSC （MMC 也一样）来说，因为全控型器件（如典型的 IGBT）的采用电流可以双向流动，也就是说我们在不停运改变电压极性的情况下可以通过改变直流电流的方向进而灵活的控制功率！这也是所谓的 VSC 有两个控制自由度（可以控制导通也可以控制关断），这两个自由度呢可以从不同层面来解释：

i）从有功和无功的单独控制来解释：首先重复下 LCC，因为 LCC 本身的特性，其只能通过不同的控制方式来控制有功功率的大小和方向，无功消耗由运行情况决定不能控制；对 VSC 来说，毫无疑问有功功率是可控的，至于无功功率呢，由上述最底层的电压源逆变器的解释 “开关元件旁反并联续流二极管，为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路”，也就是说无功功率也是可控的。

ii）其次呢，对于 VSC 来说还可以从基波等效电路来解释，这也是《柔性直流输电》中的解释，但是我总感觉解释的有些拔高而且不能作为和 LCC 的对比，不如我总结的第一个解释对于初学者更容易接受。因为只要理解了最基本的电压源逆变器原理，就能理解这两个控制自由度是什么又是决定了什么。

VSC 基波等效电路

这里的意思是说，VSC从交流系统来看可以看成一个无转动惯量的电动机或发电机，有功和无功可以四象限运行，用公式解释就是：

对于 VSC 来说，就是

和

的大小均可控。我之前也有回答解释了有功功率的公式怎么来的，无功同理（电力系统功角特性的知识）：

请问电力系统中Pij=(ViVjsinθij)/Xij是怎么得来的?www.zhihu.com

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下一篇将讲述点对点和多终端 MMC-HVDC 的基本控制策略

预览：

众多文献对 MMC（modular multilevel converter，模块化多电平换流器）的控制层级表述有些许区别，但是本质都是一样的，就是：

1）由双闭环或者说内外环控制系统构成的站级 (station level) 控制，有些文献也会说是系统层级 (system level) 控制；

2）由桥臂环流抑制，子模块电压均压（能量均衡），不同调制策略（PWM，NLM）构成的换流器内部控制（有些文献也叫阀级控制）。

对于第二点换流器内部控制来说，调制策略可能会被单独列出，桥臂环流控制有些文献也会列到站级控制。Anyway，名称和分类只是为了方便分析和区分，懂得原理才重要。

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