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，但是你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了我们的优先事项。
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，所以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，所以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）可以分析信号。请参见图3。
图3：信号解释
在Part2部分将讨论VSC及其优势，并将其与LCC进行比较。
Part2 电压源换流器
Part1部分介绍了电网换相换流器（LCC）。在这部分中，我将讨论电压源换流器（VSC）并比较两种拓扑结构。
VSC目前已成为首选实施对象，原因如下：VSC具有较低的系统成本，因为它们的配站比较简单。VSC实现了电流的双向流动，更易于反转功率流方向。VSC可以控制AC侧的有功和无功功率。VSC不像LCC那样依赖于AC网络，因此它们可以向无源负载供电并具有黑启动能力。使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）阀，则无需进行晶闸管所需的换流操作，并可实现双向电流。
表1对LCC和VSC进行了对比。VSC的电压电平通常在150kV-320kV范围内，但一些电压电平可高达500kV。VSC有几种不同的类型。让我们来看看两电平、三电平和模块化多电平。
表1：换流器比较
两电平电压源换流器
如图1所示，两电平VSC具有IGBT，每个IGBT具有与其并联的反向二极管。每个阀包括多个串联的IGBT/二极管组件。使用脉宽调制（PWM）控制IGBT，以帮助形成波形。因为IGBT在实现PWM时多次导通关断，所以会发生开关损耗，而谐波是一个因素。
图1：两电平VSC（HVDC换流器图片由维基百科提供）
三电平电压源换流器
如图2所示，三电平VSC改善了谐波问题。三电平换流器每相有四个IGBT阀。其中两个二极管阀用于钳位电压，但您可以用IGBT代替它们，以获得更好的可控性。打开顶部的两个IGBT获得较高的电压电平，打开中间的两个IGBT获得中间（或零）电压电平，打开底部的两个阀获得较低的电压电平。
图2：三电平VSC（HVDC换流器图片由维基百科提供）
模块化多电平换流器
MMC与另两种换流器不同，因为每个阀就是一个具有内置式平流电容器的换流器模块。MMC取代了含有多个IGBT的阀，它具有多个级联的换流器模块。其中每一个模块都代表了特定的电压电平。MMC中的换流器模块是半桥式或全桥式换流器。
图3：模块化换流器类型（HVDC换流器图片由维基百科提供）
MMC方法显著提高了谐波性能，以致通常不需要滤波。它也比两电平和三电平VSC更有效，因为它没有与IGBT阀相同的开关损耗。
图4：波形输出（图片由SVC PLUS VSC技术提供）
为了监控功率因数、电压和电流电平，可在配站交流和直流的可测量侧测量信号。在接收到该信息时，换流器控制装置可以做出所需的调整，以维持稳定的功率电平和适当的功率因数。 保护继电器系统或智能电子器件（IED）可收集信号信息。请参见图5。
图5：信号解释
来源：TI社区
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