HVDCコンバータ

HVDC コンバータは、高電圧交流(AC)から高電圧直流(HVDC) へ、またはその逆の電力変換を行います。HVDC は、長距離間または異なる周波数の AC 電力システム間で電気エネルギーを伝送するために、AC の代替として使用されます。 ^[1]最大 2ギガワット(GW) ^{[2]の変換が可能で、最大定格電圧 900}キロボルト(kV) ^[3]のHVDC コンバータが構築されており、さらに高い定格も技術的に可能です。完全な変換所には、このようなコンバータを複数直列または並列に接続して、合計システム DC 電圧定格を最大 1,100 kV にすることができます。

ほぼすべてのHVDCコンバータは本質的に双方向であり、ACからDC（整流）またはDCからAC（反転）のいずれかに変換できます。完全なHVDCシステムには、整流器（ACをDCに変換）として動作するコンバータが少なくとも1つと、インバータ（DCをACに変換）として動作するコンバータが少なくとも1つ含まれます。一部のHVDCシステムは、この双方向特性を最大限に活用しています（たとえば、イギリスとフランス間の海峡横断リンクなど、国境を越えた電力取引用に設計されたシステム）。^{[4]その他のシステム、たとえば}ブラジルのイタイプ計画などの遠隔地の発電所 から電力を輸出するように設計されたシステムでは、 1つの優先方向のみの電力フローに最適化されている場合があります。このような計画では、非優先方向の電力フロー^は容量が減少したり、効率が低下したりする可能性があります。

HVDC コンバーターには、いくつかの異なる形式があります。1930 年代までに構築された初期の HVDC システムは、実質的に回転コンバーターであり、 DC 側では直列に、AC 側では並列に接続されたモーター発電機セットによる電気機械変換を使用していました。ただし、1940 年代以降に構築されたすべての HVDC システムでは、電子(静的) コンバーター が使用されています。

HVDC 用の電子変換器は、主に 2 つのカテゴリに分けられます。外付け整流式変換器(HVDC クラシック) は、オンのみの電子スイッチで作られています。電圧源変換器は、オンとオフの両方が可能なスイッチング デバイスで作られています。外付け整流式変換器 (LCC) は、1970 年代までは水銀アーク バルブ^[6]を 、1970 年代から現在まではサイリスタを使用していました。1997 年に HVDC に初めて登場した電圧源変換器 (VSC) [ ^7]は、トランジスタ、通常は 絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ(IGBT)を使用します。

2012年現在、他励式と電圧源の両方の技術が重要であり、他励式コンバータは主に非常に高い容量と効率が必要とされる場合に使用され、電圧源コンバータは主に弱い交流システムの相互接続、大規模風力発電のグリッドへの接続、または将来的にマルチ端子HVDCシステムに拡張される可能性のあるHVDC相互接続に使用されます。電圧源コンバータHVDCの市場は、洋上風力発電への投資の急増に牽引されて急速に成長しており、モジュラーマルチレベルコンバータ（MMC） ^[8]という特定のタイプのコンバータがフロントランナーとして浮上しています。

1880 年代には早くも直流長距離送電の利点が明らかになり始め、いくつかの商用送電システムが運用されました。^{[1]これらの中で最も成功したのは、}ルネ・テュリーが発明したシステムを使用し、直流側で複数のモーター発電機セットを直列に接続するという原理に基づいていました。最もよく知られている例は、フランスの200 km のリヨン – ムーティエ直流送電計画で、1906 年から 1936 年まで商業的に運用され、ムーティエ水力発電所からリヨン市に電力を送電しました。^[9] キンバーク^[10]は、このシステムは非常に確実に動作したと報告しています。ただし、エンドツーエンドの総合効率 (約 70%) は、今日の基準からすると低いものでした。1930 年代以降、^[6]大幅に高い効率が期待されるガス充填管(主に水銀アーク弁だがサイラトロンも) を使用する静的代替手段の広範な研究が開始されました。非常に小型の機械式ロータリーコンバータは、1960 年代のトランジスタ時代まで、バッテリーからラジオやレーダーに必要な高電圧への電力変換方法として、航空機や車両などの厳しい環境でのニッチな用途に使用され続けました。

現在稼働しているHVDCシステムのほとんどは、他線整流型コンバータ（LCC）をベースにしている。他線整流型という用語は、変換プロセスが、コンバータが接続されているACシステムの線間電圧に依存して、 1つのスイッチングデバイスから隣のスイッチングデバイスへの整流を実行することを示している。 ^{[11]他線整流型コンバータは、制御されていないスイッチングデバイス（}ダイオードなど）または制御アクションによってのみオンにできる（オフにできない）サイリスタなどのスイッチングデバイスを使用する。HVDCコンバータは、原理的にはダイオードで構成できるが、このようなコンバータは整流モードでのみ使用でき、DC電圧を制御できないことが重大な欠点である。したがって、実際にはすべてのLCC HVDCシステムで、グリッド制御の水銀アークバルブ（1970年代まで）またはサイリスタ（現在まで）のいずれかが使用されている。

他励式コンバータでは、直流電流の方向は変化せず、大きなインダクタンスを通って流れ、ほぼ一定であるとみなすことができます。交流側では、コンバータはほぼ電流源として動作し、グリッド周波数と高調波電流の両方を交流ネットワークに注入します。このため、HVDC用の他励式コンバータは電流源コンバータとしても考えられます。^[11] 電流の方向は変えられないため、電力の流れの方向を反転させるには（必要な場合）、両方のステーションで直流電圧の極性を反転させます。

HVDC の基本的な LCC 構成では、3 相 Graetzブリッジ整流器または6 パルス ブリッジを使用します。これには6 つの電子スイッチが含まれており、各スイッチは 3 つの相の 1 つを 2 つの DC 端子の 1 つに接続します。^{[12]完全なスイッチング要素は、その構造に関係なく、通常、}バルブと呼ばれます。通常、ブリッジ内の 2 つのバルブは常に導通しています。1 つは上段の相に、もう 1 つは下段の相 (異なる相から) に導通しています。2 つの導通バルブは、3 つの AC 相電圧のうち 2 つを直列に DC 端子に接続します。したがって、任意の瞬間の DC 出力電圧は、2 つの AC 相電圧の直列組み合わせによって得られます。たとえば、バルブ V1 と V2 が導通している場合、DC 出力電圧は相 1 の電圧から相 3 の電圧を引いた値になります。

AC電源には避けられない（しかし有益な）インダクタンスがあるため、1組の導通バルブから次の導通バルブへの移行は瞬時には起こりません。むしろ、ブリッジの同じ列にある2つのバルブが同時に導通している短いオーバーラップ期間があります。たとえば、バルブV1とV2が最初に導通していて、次にバルブV3がオンになった場合、導通はV1からV3に移りますが、短い期間、これらのバルブの両方が同時に導通します。 ^[11]この期間中、DC出力電圧は、相1と相2の電圧の平均から相3の電圧を引いた値になります。HVDCコンバータのオーバーラップ角度μ（またはu）は負荷電流とともに増加しますが、通常は全負荷で約20°です。

オーバーラップ期間中、出力DC電圧は通常よりも低くなり、オーバーラップ期間中はDC電圧に目に見えるノッチを生成します。 ^[11] これの重要な効果は、オーバーラップ期間が長くなるにつれて平均DC出力電圧が低下することです。したがって、平均DC電圧はDC電流の増加とともに低下します。

6パルスコンバータの平均DC出力電圧は次のように表される: ^[13]

${\displaystyle {V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cos(\alpha )}-{6fL_ {\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }}}$

どこ：

V _{LLpeak - 線間入力電圧のピーク値（コンバータ}トランスのコンバータ側）、

α - サイリスタの点弧角

L _c - 相当たりの整流インダクタンス

I _d - 直流電流

点火角αは、バルブの両端の電圧が正になる時点（ダイオードが導通を開始する時点）からサイリスタがオンになるまでの時間遅延を表します。^{[11] [14]}前述の式から、点火角が増加すると、平均DC出力電圧が低下することは明らかです。実際、ライン整流コンバータでは、点火角はコンバータを制御する唯一の高速方法を表します。点火角制御は、HVDCシステムの両端のDC電圧を連続的に調整して、必要なレベルの電力伝送を実現するために使用されます。

コンバータの直流出力電圧は、点弧角が増加するにつれて徐々に正極性が弱くなります。点弧角が 90° までは整流に相当し、直流電圧は正になります。一方、点弧角が 90° を超えると反転に相当し、直流電圧は負になります。^[15]ただし、点弧角を 180° まで拡張することはできません。その理由は 2 つあります。1 つ目は、重なり角 μ を考慮する必要があること、2 つ目は、電流を流した後にバルブが正電圧に耐える能力を回復するために必要な追加の消光角γ を考慮する必要があることです。消光角 γ は、サイリスタのターンオフ時間t _qに関係しています。γ の一般的な値は 15° です。α、γ、μ は次のように相互に関連しています。

${\displaystyle \gamma =180-\alpha -\mu }$(度)

6パルス構成では、位相が60°ごとに変化するだけなので、DC端子とAC端子の両方でかなりの高調波歪みが発生します。波形を正弦波に戻すには、大きなフィルタリング部品が必要です。6パルスブリッジ構成の強化版では、12パルスブリッジで12個のバルブを使用します。^[11] 12パルスブリッジは、実質的にはDC側で直列に接続された2つの6パルスブリッジであり、それぞれのAC電源間で位相がずれるように配置されているため、高調波電圧と電流の一部がキャンセルされます。

2つのAC電源間の位相ずれは通常30°で、2つの異なる二次巻線（またはバルブ巻線）を備えたコンバータトランスを使用することで実現されます。通常、バルブ巻線の1つはスター（Y）結線され、もう1つはデルタ結線されます。 ^[16] 2組の3相のそれぞれを2つのDCレールに接続する12個のバルブを使用すると、30°ごとに位相が変化し、低周波高調波のレベルが大幅に減少し、フィルタリング要件が大幅に簡素化されます。このため、12パルスシステムはほぼすべての外付けコンバータHVDCシステムの標準となっていますが、水銀アークバルブを使用して構築されたHVDCシステムでは、2つの6パルスグループのうち1つをバイパスした一時的な操作に対応しています。

初期の LCC システムでは、高出力産業用整流器で使用されていたものから進化した設計の水銀アーク バルブが使用されていました。 ^[17] このようなバルブを HVDC に適合させるには、多くの改良が必要でした。特に、HVDC で発生する非常に高い逆電圧でのアークバックのリスクを最小限に抑えるために、陽極電圧グレーディング電極を使用する必要がありました。 ^[18]この分野における先駆的な研究の多くは、スウェーデンのウノ ラム博士によって行われました。ラム博士は「HVDC の父」として広く知られており、IEEE はHVDC 分野における優れた貢献に対して彼の名を冠した「ウノ ラム賞」を創設しました。^[19]高電圧用途に必要な非常に長い陽極列は、各陽極で安全に流せる電流を制限するため、HVDC 用のほとんどの水銀アーク バルブでは、バルブごとに複数 (ほとんどの場合 4 つ) の陽極列を並列に使用していました。^[6]

通常、6パルスブリッジの各アームは1つの水銀アークバルブのみで構成されていましたが、旧ソ連で建設された2つのプロジェクトでは、陽極列を並列に接続せずに、アームごとに2つまたは3つの水銀アークバルブを直列に使用しました。^[20]

HVDC用の水銀アークバルブは頑丈だが、メンテナンスに手間がかかる。このため、ほとんどの水銀アークHVDCシステムは、6パルスブリッジごとにバイパススイッチギアを備えて構築されており、短時間のメンテナンスのためにHVDCスキームを6パルスモードで動作させることができる。^{[16] [21]}

水銀アークバルブは、定格150 kV、1800 Aまで製造されました。最後に設置された（そして最も強力な）水銀アークシステムは、カナダのネルソンリバー直流送電システムのもので、バルブごとに6つの陽極列を並列に使用し、1977年に完成しました。[ 22 ] ^{[ 23]} 最後に稼働していた水銀アークシステム（ニュージーランドの北島と南島を結ぶHVDC島間リンク）は2012年に停止しました。水銀アークバルブは、次のHVDCプロジェクトでも使用されました。^[24]

• ドイツ、ベルリンのエルベプロジェクト
• ロシアのモスクワ・カシラ計画[ 20 ^]
• スウェーデンのゴットランドプロジェクトの第1フェーズ
• イギリスとフランス間の最初の（160MW）海峡横断プロジェクト
• ロシアとウクライナを結ぶヴォルゴグラード・ドンバス計画^[20]
• スウェーデンとデンマークを結ぶコンティ・スカン鉄道の第一フェーズ
• 日本の佐久間周波数変換器
• イタリア・コルシカ島・サルデーニャ島を結ぶ第一段階
• カナダのバンクーバー島リンクの第一段階
• オレゴン州から米国ロサンゼルスまでの太平洋DCインタータイの第一フェーズ
• イギリス、ロンドンのキングスノースリンク
• カナダのネルソン川直流送電システムの第1フェーズ

サイリスタバルブは、1972年にカナダのイールリバー変換所でHVDCシステムに初めて使用されました。^{[23]サイリスタは}ダイオードに似た固体半導体デバイスですが、定義された瞬間にデバイスをオンにするために使用される追加の制御端子を備えています。サイリスタのブレークダウン電圧はそれぞれ数キロボルトしかないため、HVDCサイリスタバルブは多数のサイリスタを直列に接続して構築されます。バルブ全体の電圧がサイリスタ間で均一に共有されるようにするには、グレーディングコンデンサや抵抗器などの追加の受動部品を各サイリスタに並列に接続する必要があります。サイリスタと、そのグレーディング回路と他の補助機器を合わせてサイリスタレベルと呼ばれます。

各サイリスタバルブには通常、数十から数百のサイリスタレベルが含まれており、各レベルはアースに対して異なる（高い）電位で動作します。^[16] そのため、サイリスタをオンにするコマンド情報は、単純に配線接続を使用して送信することはできず、絶縁する必要があります。絶縁方法は磁気（パルストランスを使用）にすることもできますが、通常は光学的です。間接光トリガーと直接光トリガーの2つの光学方法が使用されます。間接光トリガー方法では、低電圧制御電子機器が光ファイバーに沿って光パルスをハイサイド制御電子機器に送信し、ハイサイド制御電子機器は各サイリスタの両端の電圧から電力を得ます。もう1つの直接光トリガー方法では、ハイサイド電子機器のほとんどが不要になり、代わりに制御電子機器からの光パルスを使用して光トリガーサイリスタ（LTT）を切り替えますが、^[25]バルブの保護のために小さな監視電子機器ユニットが必要になる場合があります。

2012年時点で、サイリスタバルブは100を超えるHVDCスキームで使用されており、さらに多くのスキームが建設中または計画中です。稼働中のHVDCコンバータ（12パルスブリッジ）の最高定格電力は、2010年に中国の±660kV寧東–山東スキームで2000MWでした。スキームの両端には2つのコンバータが設けられており、これは従来のバイポーラ構造です。^{[2] 2007年以来、単一のHVDCコンバータの最高定格電圧は、}ノルウェーとオランダを結ぶ ±450kV NorNedスキームであり、LCC HVDCスキームでは珍しい配置で両端にコンバータが1つしかありません。^[3]

サイリスタ（および水銀整流器）は制御アクションによってのみオンにすることができ（オフにすることはできません）、ターンオフプロセスを実行するために外部ACシステムに依存しているため、制御システムには、サイリスタをオンにするサイクルのタイミングという1つの自由度しかありません。^[11]これにより、状況によってはHVDCの有用性が制限されます。これは、HVDCコンバータが接続されているACシステムには、整流電圧のタイミングを提供するために常に同期機が含まれていなければならないことを意味するためです。HVDCコンバータは受動システムに電力を供給できません。これは、すでに通電されているグリッドに追加の電力を供給する場合は問題ありませんが、唯一の電源として使用することはできません。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）などの他のタイプの半導体デバイスでは、ターンオンとターンオフの両方のタイミングを制御できるため、2番目の自由度が得られます。その結果、IGBTを使用して、動作が大型インバータに近い自己整流コンバータを作成できます。このようなコンバータでは、DC電圧の極性は通常固定されており、DC電圧は大きな容量によって平滑化されるため、一定であると見なすことができます。このため、IGBTを使用したHVDCコンバータは通常、電圧源コンバータ（または電圧源コンバータ^[26]）と呼ばれます。追加の制御性により、多くの利点が得られます。特に、高調波性能を向上させるためにサイクルごとにIGBTを何度もオン/オフする機能、およびコンバータ（自己整流であるため）の動作にACシステムの同期機に依存しないという事実があります。したがって、電圧源コンバータは、受動負荷のみで構成されるACネットワークに電力を供給できますが、これはLCC HVDCでは不可能です。電圧源コンバータは、外線整流コンバータよりもかなりコンパクトであり（主に高調波フィルタリングの必要性がはるかに少ないため）、オフショアプラットフォームなど、スペースが限られている場所では外線整流コンバータよりも適しています。

線路整流型HVDCコンバータとは対照的に、電圧源コンバータはDC電圧の極性を一定に保ち、代わりに電流の方向を反転させることで電力の反転を実現します。これにより、電圧源コンバータはマルチターミナルHVDCシステムまたは「DCグリッド」に接続するのがはるかに簡単になります。^[27]

電圧源コンバータに基づくHVDCシステムでは、通常、6パルス接続が使用されます。これは、コンバータが同等のLCCよりも高調波歪みをはるかに少なく生成し、12パルス接続が不要であるためです。これにより、コンバータトランスの構造が簡素化されます。ただし、電圧源コンバータにはいくつかの異なる構成があり^[28]、新しい代替案の研究が続けられています。

最初に設置された VSC-HVDC 方式（1997 年にスウェーデンで稼働したHellsjön実験リンク^[7]）から 2012 年まで、構築された VSC HVDC システムのほとんどは2 レベル コンバータに基づいていました。2 レベル コンバータは、3 相電圧源コンバータ^[29]の最も単純なタイプであり、サイリスタが逆並列ダイオードを備えた IGBT に置き換えられ、DC 平滑リアクトルが DC 平滑コンデンサに置き換えられた6 パルス ブリッジと考えることができます。このようなコンバータの名前は、各相の AC 出力の電圧が、正と負の DC 端子の電位に対応する 2 つの離散電圧レベル間で切り替えられるという事実に由来しています。相内の 2 つのバルブのうち上側がオンになると、AC 出力端子が正の DC 端子に接続され、出力電圧 + ⁠1/2⁠ U _{d は}コンバータの中点電位に対して変化する。逆に、ある相の下側のバルブがオンになると、AC出力端子は負のDC端子に接続され、出力電圧は− ⁠1/2⁠ U _d . 1 つの相に対応する 2 つのバルブを同時にオンにしないでください。同時にオンにすると、DC コンデンサが制御不能に放電され、コンバータ機器に重大な損傷を与える危険があります。

2 レベル コンバータで生成できる最も単純な (また、振幅が最も大きい) 波形は方形波です。ただし、これでは許容できないレベルの高調波歪みが生じるため、コンバータの高調波歪みを改善するために、何らかの形のパルス幅変調(PWM) が常に使用されます。PWM の結果、IGBT は各主電源サイクルで多数回 (通常は 20 回) オンとオフが切り替わります。^[30]これにより、IGBT のスイッチング損失が大きくなり [de] 、全体的な伝送効率が低下します。HVDC ではいくつかの異なる PWM 戦略が考えられますが^[31]、いずれの場合も、スイッチング損失が高いため、2 レベル コンバータの効率は LCC よりも大幅に低くなります。一般的な LCC HVDC 変換所の電力損失は、全負荷で約 0.7% (HVDC ラインまたはケーブルを除く、端あたり) ですが、2 レベル電圧源コンバータでは、同等の数値は端あたり 2 ～ 3% です。

2レベルコンバータのもう一つの欠点は、HVDC方式に必要な非常に高い動作電圧を実現するために、数百個のIGBTを直列に接続し、各バルブで同時にスイッチングする必要があることです。^{[32]これには、高度な}ゲート駆動回路を備えた特殊なタイプのIGBTが必要であり、非常に高いレベルの電磁干渉につながる可能性があります。

2レベルコンバータの貧弱な高調波性能を改善するために、一部のHVDCシステムは3レベルコンバータを使用して構築されています。3レベルコンバータは、各相のAC端子で3つの（2つではなく）個別の電圧レベルを合成できます。+ ⁠1/2⁠ U _d、0、- ⁠1/2⁠ U _d。3レベルコンバータの一般的なタイプは、ダイオードクランプ（または中性点クランプ）コンバータであり、各相には4つのIGBTバルブ（それぞれDCライン間電圧の半分の定格）と2つのクランプダイオードバルブが含まれています。^[32] DCコンデンサは2つの直列接続されたブランチに分割され、クランプダイオードバルブはコンデンサの中点と各相の1/4ポイントと3/4ポイントの間に接続されます。正の出力電圧（+ ⁠1/2⁠ U _d ) 上部の2つのIGBTバルブがオンになり、負の出力電圧（- ⁠1/2⁠ U _d ) 下の 2 つの IGBT バルブがオンになり、ゼロ出力電圧を得るために中央の 2 つの IGBT バルブがオンになります。この後者の状態で、2 つのクランプ ダイオード バルブが位相を通る電流経路を完了します。

ダイオードクランプコンバータの改良版であるアクティブ中性点クランプコンバータでは、クランプダイオードバルブがIGBTバルブに置き換えられ、制御性が向上しています。このようなコンバータは、オーストラリアのマレーリンクプロジェクト^[33]や米国のクロスサウンドケーブルリンク^[34]で使用されました。 しかし、高調波性能のわずかな改善は、複雑さの増加という点でかなりの代償を伴い、設計はこれら2つのプロジェクトで使用された±150kVよりも高いDC電圧に拡張することが困難であることが判明しました。

一部の可変速ドライブで使用されているがHVDCでは決して使用されていない別のタイプの3レベルコンバータでは、クランプダイオードバルブを、1/4ポイントと3/4ポイントの間に接続された独立したフライングコンデンサに置き換えます。 ^[32]動作原理はダイオードクランプコンバータと似ています。3レベルコンバータのダイオードクランプ型とフライングコンデンサ型の両方のバリエーションは、より多くの出力レベル（たとえば5）に拡張できますが、回路の複雑さが不釣り合いに増加するため、このような回路はHVDCアプリケーションには実用的ではないと考えられています。

モジュラー マルチレベルコンバータ（MMC）は、2003年にMarquardt ^{[8]によってHVDCアプリケーション用に初めて提案され、}サンフランシスコのトランスベイケーブルプロジェクトで初めて商業的に使用され、^[35]、現在ではHVDC用の最も一般的なタイプの電圧源コンバータになりつつあります。^[36]

2 レベル コンバータや 6 パルス ライン整流コンバータと同様に、MMC は 6 つのバルブで構成され、各バルブは 1 つの AC 端子を 1 つの DC 端子に接続します。ただし、2 レベル コンバータの各バルブは、実質的には多数の IGBT を直列に接続した高電圧制御スイッチであるのに対し、MMC の各バルブは、それ自体が独立した制御可能な電圧源です。各 MMC バルブは、それぞれ独自のストレージ コンデンサを含む、多数の独立したコンバータ サブモジュールで構成されています。最も一般的な回路形式であるハーフ ブリッジバリアントでは、各サブモジュールに、コンデンサを横切って直列に接続された 2 つの IGBT が含まれており、中間点接続と 2 つのコンデンサ端子の 1 つが外部接続として引き出されています。^{[35]各サブモジュールの 2 つの IGBT のどちらがオンになっているかに応じて、コンデンサはバイパスされるか、回路に接続されます。したがって、各サブモジュールは、0 または U} _sm (U _smはサブモジュール コンデンサ電圧)の電圧を生成する独立した 2 レベル コンバータとして機能します。適切な数のサブモジュールを直列に接続することで、バルブは正弦波に非常に近似し、高調波歪みのレベルが非常に低いステップ電圧波形を合成できます。

MMC は、電流が主電源周波数サイクル全体にわたってコンバータの 6 つのバルブすべてに連続的に流れるという点で、他のタイプのコンバータとは異なります。その結果、MMC では「オン状態」や「オフ状態」などの概念は意味を持ちません。直流電流は 3 つの相に均等に分割され、交流電流は各相の上部バルブと下部バルブに均等に分割されます。^[35]したがって、各バルブの電流は、直流電流 I _dと交流電流 I _acに次のように関連しています。

上部バルブ:${\displaystyle {I_{\mathrm {v} }={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}+{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}}$

下部バルブ:${\displaystyle {I_{\mathrm {v} }={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}-{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}}$

HVDCアプリケーション用の典型的なMMCには、各バルブに直列に接続された約300個のサブモジュールが含まれており、したがって301レベルコンバータと同等です。その結果、高調波性能が優れており、通常、フィルターは必要ありません。MMCのさらなる利点は、PWMが不要であるため、電力損失が2レベルコンバータよりもはるかに低く、端あたり約1％になることです。^{[37] [36] [38]}最後に、IGBTを直接直列接続する必要がないため、IGBTゲートドライブは2レベルコンバータほど複雑である必要はありません。

MMCには2つの主な欠点があります。第一に、制御が2レベルコンバータよりもはるかに複雑です。サブモジュールコンデンサのそれぞれの電圧をバランスさせることは大きな課題であり、かなりの計算能力と中央制御ユニットとバルブ間の高速通信が必要です。第二に、サブモジュールコンデンサ自体が大きくてかさばります。^[39] MMCは同等の定格の2レベルコンバータよりもかなり大きいですが、フィルタが不要になることでスペースを節約できるため、この欠点は相殺される可能性があります。

2012年現在、稼働中の最大容量のMMC HVDCシステムは依然として400MWのトランスベイケーブル計画ですが、フランスからスペインへの±320kVの電圧で並列に接続された2つの1000MWリンクからなる地下ケーブル相互接続を含む、より多くのより大規模な計画が建設中です。^[40]

あるメーカーが提案したMMCの変種では、サブモジュールを構成する2つのスイッチのそれぞれに複数のIGBTを直列に接続します。これにより、従来のMMC構成よりもステップ数が少なく、ステップ数が大きい出力電圧波形が得られます。この構成は、カスケード2レベル（CTL）コンバータと呼ばれます。^[37]機能的には、高調波性能を除いて、すべての点で従来のハーフブリッジMMCとまったく同じです。高調波性能はわずかに劣りますが、ほとんどの場合、フィルタリングの必要性を回避するのに十分であると言われています。

もう 1 つの代替案は、上記のハーフブリッジMMC サブモジュールを、 2 つではなく4 つの IGBT をH ブリッジ配置で含むフルブリッジサブモジュールに置き換えることです。 ^[41] MMC のフルブリッジ バリアントでは、サブモジュール コンデンサをどちらの極性でも回路に挿入できます。これにより、コンバータの制御にさらなる柔軟性がもたらされ、コンバータは正と負の DC 端子間の短絡から生じる故障電流をブロックできます (これは、前述のどのタイプの VSC でも不可能なことです)。さらに、DC 電圧をどちらの極性にもできるため (LCC HVDC 方式のように)、ハイブリッド LCC と VSC HVDC システムが可能になります。ただし、フルブリッジ配置では、同等のハーフブリッジ配置よりも 2 倍の IGBT が必要になり、電力損失が大きくなります。

2レベルコンバータとモジュラーマルチレベルコンバータの特徴を組み合わせた様々なタイプのコンバータが提案されている。^[42]これらのハイブリッドVSCシステムは、よりコンパクトな設計と優れた制御性でMMCの低損失と高調波性能を実現することを目指しているが、これらのコンセプトはまだ研究段階にある。^[43]

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ウィキメディア・コモンズには、 HVDCに関連するメディアがあります。

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