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换流器（converter） 直流 特高压输电网 |
| Huanliuqi 条题编号：706008 换流器（converter） 换流站中用以实现交、直流电能相互转换的设备。实现交流电转换为直流电的叫整流器，而直流电转换为交流电的叫逆变器，它们统称为换流器。整流器和逆变器的设备基本相同，只是控制系统不同。当触发角 <90。时，换流器运行于整流工况，叫整流器；而 >90。时，换流器运行于逆变工况，就叫逆变器。此外，整流器和逆变器的控制原理也不同（见直流输电系统控制）。 换流器通常均由换流阀接成一定的回路来进行换流。直流输电的换流器是采用一个或多个三相桥式换流电路（也称6脉冲换流器 ）串联构成，因而可用6脉动换流器（也称换流桥）作为原理分析的基础。换流桥由6个换流阀组成，其中阀V1、V3、V5共阴极，称为阴极换相组或阴极半桥；阀V2、V4、V6共阳极，称为阳极换相组或阳极半桥。代表阀的符号V后面的编号是按换流阀运行时触发次序编排的，通常是将V1的阳极接到a相。 整流原理 单桥整流器的原理接线如图1所示。图2给出整流器主要各点的电压和电流波形。 图1 单桥整流器原理接线图 图2 整流器的电压和电流波形 图1中ea、eb、ec为等值交流系统的工频基波正弦相电动势， L 为每相的等值换相电抗。对照图1和图2，uac、ubc、uba、uca、ucb、uab为换流阀的换相电压，并且规定线电压uac由负变正的过零点为C1，它是V1的触发角 计时的零点，其余的线电压过零点C2－C6则分别为V2－V6的触发角 的零点。在理想条件下，交流系统是完全对称的，触发脉冲是等距的，换流阀的触发角也是相等的，通常用 来表示。 无相控理想空载直流电压 假定换相电抗L ＝0，换流阀均为不可控的二极管阀，换流阀的通态压降和断态漏电流均可忽略不计，直流电流是平直的。在C1时刻以后，V1和V6处于导通状态时开始分析。此时，换流桥的直流输出电压为线电压uab，直到C2时刻为止。在C2之后，c点电位低于b点电位，V2进入导通状态，V6在反向电压作用下而关断，直流输出电压为uac，直到C3时刻。在C3之后，b点电位高于a点电位，V3导通，V1关断，直流输出电压为ubc。按此方法分析，换流器在任何时刻总有两个阀导通，它们是V6V1，V1V2，V2V3，…，V5V6。每个阀在一个工频周期内导通120。（电角度），阻断240。。由于L ＝0，阀的开通和关断均是瞬时完成的。在交流电动势的作用下，换流阀周而复始地按序开通和关断，从而在n和m点之间可得到依次为1/6周期的uab、uac、ubc、uba、uca、ucb 6个正弦曲线段组成的直流电压波形。如图2（b）所示。这样，三相交流电动势ea、eb、ec经整流而变成带有6个脉动的直流电压ud，因此单桥换流器又称为6脉动换流器。 从直流电压瞬时值ud取平均值得Ud0，称为6脉动换流器的理想空载直流电压，即 Ud0= ………………………………………（1） 式中E为交流线电动势的有效值。 有相控理想空载直流电压 如果换流桥由晶闸管换流阀组成，晶闸管的开通条件是：①在外电路作用下，晶闸管阳极对阴极的电位是正；②晶闸管的控制极必须加一个具有一定宽度的、对阴极为正的触发脉冲。因此，触发脉冲Pi（i表示1－6中的一个序数），只有在相应的电压过零点Ci到来之后才能使Vi开通。Pi延迟与Ci的电角度 i称为延迟触发角，简称触发角（也称控制角）。因此，对于有相控的换流器，在触发脉冲Pi到来之前，原来导通的阀仍然继续导通，直到Pi来到时，才能被刚触发的Vi所顶替，从而使6个换流阀的开通时间均后移 电角度。此时，整流器的理想空载直流电压的平均值为： Ud0′＝Ud0 cos ………………………………………（2） 很明显，Ud0′< Ud0。ud的波形见图2（b）。整流器在正常运行时，为了保证阀中串联晶闸管开通的同时性，并留有可调节的余地，常取 ＝5。～20。（直流输电降压运行或利用整流器调节无功功率时除外）。 实际上换流器的直流端难免存在杂散电导和电容，由于电容的储能作用，其平均空载直流电压的实际值最大时可到换相线电压的幅值（ E），最小时将不会低于其理想空载直流电压（Ud0 cos ）。 有载整流器直流侧外特性 当换流器直流侧有载时，由于平波电抗器足够大，有时还装有直流滤波器，直流电流的波形近似平直，其平均值为Id。实际上L >0，因此实际的换相过程与上述L ＝0的情况不同。当触发脉冲Pi到来时，由于有电感L 的作用，刚被触发开通的阀Vi中的电流不可能立刻上升到Id，将要关断的阀Vi-2中的电流也不能立即从Id下降到零，都必须经历同样长的一段时间，这段时间所对应的电角度μ称为换相角，这一过程称为换相过程。见图2（d）。在换相过程中参与换相的在同一半桥中的两个阀都处于导通状态，从而形成换流变压器阀侧线圈的两相短路。在刚开通的阀中，其电流与两相短路电流的方向相同，而在即将关断的阀中，其电流方向与两相短路电流的方向相反，从而促成两个阀完成换相过程。其电压、电流波形见图2。此时换流器的直流电压平均值为： Ud＝Ud0′－ ωL Id＝Ud0′－ x Id ＝Ud0′－d Id……………………………………（3） 式中ω是工频角频率，x 是换相电抗。 ωL 用d 表示，是一个单位的直流电流在换相过程中引起的直流电压降，故也称为比换相压降。式（3）所表达的是整流器直流电压平均值和直流电流平均值的关系，所以也称为整流器的伏安特性或外特性（见换相、换流器的运行特性）。 逆变原理 逆变器是将直流电转变为交流电，然后送入受端的交流系统。图3为单桥逆变器原理接线图。 图3 单桥逆变器原理接线图 对比图3和图1可知，逆变器和整流器的原理接线图相同，因此换流器既可作为整流器又可作为逆变器，它们只是运行状态的不同。由于换流阀的单向导电性，逆变器阀的可导通方向必须和整流器一致，才能保证直流电流的流通。 换流器作为逆变器运行时，其共阴极点（m′）的电位为负，共阳极点（n′）则为正，与其作为整流器运行时的极性正好相反。由式（2）可知，当 ＝90。时，则Ud0′＝Ud0 cos ＝0，如果 继续增大（ >90。），则Ud0′即为负值，此时换流器就有可能由整流器变为逆变器运行。根据换流阀的导通条件，换流阀只能在0。< <180。区间内有可能导通，而在此区间内当 <90。为整流器运行， >90。则为逆变器运行。对于逆变器公式（3）可写成： Udi＝Ud0icos －d ′Id＝－Ud0icos（180。－ ）－d ′Id ＝－（Ud0icosβ＋d ′Id）………………………………（4） 式中Udi为逆变器无相控理想控制直流电压，d ′为逆变器的比换相压降，β＝180。－ ，为逆变器的超前触发角。由于受端系统等值电感L ′的存在，逆变器的换相也不是瞬时的，它也有一个换相过程，要求从换流阀Vi关断到电压由负变正的过零点Ci-1之间的时间足够大，使得Vi关断后处于反向电压的时间，能够充分满足恢复换流阀阻断能力的要求，以保证换相的成功。否则当Ci-1点电压变正时，Vi在无触发的情况下可能又重新开通，造成换相失败（见换流器故障）。规定从Vi关断（阀中电流到零）到Ci-1之间的时间为关断角 ， ＝β－μ′。 为防止换相失败， 角一般必须大于 0， 0取15。－20。（见换相）。引入 角后，逆变器的外特性还可表示为： Udi＝Ud0icos －d ′Id……………………………（5） 综上所述，逆变器正常运行的条件是：①逆变器与整流器的导通方向要相一致；②逆变器的直流侧必须加有大于其反电动势的直流电压，才能满足向逆变器注入电流的要求；③逆变器交流侧受端系统必须提供换相电压和电流以实现换相（用可关断器件组成的逆变器则不需此条件）；④逆变器的触发角 >90。，其直流侧电压为负值；⑤逆变器的关断角 必须大于 0，以保证正常换相。 逆变器的阀电压、阀电流、直流电压等波形相当于整流器的波形翻转180。。因此，逆变器的阀在一个工频周期内大部分时间处于正向阻断状态，而整流器则大部分时间处于反向阻断状态。 多桥换流器 单桥换流器的工作原理是双桥和多桥换流器工作原理的基础。将两个换流桥串级连接，即直流端串联，交流端通过换流变压器网侧绕组并联。同时换流变压器阀侧绕组一个为星形接线，而另一个为三角形接线，使串级的两个换流桥得到相位相差30。的换相电压，从而构成12脉动双桥换流器。它的每一个换流桥的工作原理与单桥换流桥的基本相同。双桥换流桥的直流电压是两个单桥换流桥直流电压之和，它在一个工频周期中有12个脉动数，所以又称为十二脉动换流器。它的交流电流谐波和直流电压谐波比6脉动的小（见直流输电系统谐波）。实际工程中，串接的换流桥数不超过四个，四桥换流器一般是由两个十二脉动换流器串接而成。 参考书目 浙江大学发电教研室，直流输电，新一版，北京：水利电力出版社，1985。 [苏] 波谢，直流输电结线及运行方式，华北电力学院直流输电研究室译，北京：水利电力出版社，1979。 |
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