換流器的工作原理

1、直流輸電的基本原理1 換流器電路的理論分析11.1 忽略電源電感的電路分析(即Lc=0)21.2 包括電源電感的電路分析(即Lc0)101.2.1 換相過程101.2.2 電路的分析112 整流和逆變工作方式分析142.1 整流的工作方式152.2 逆變的工作方式153 總結(jié)201 換流器電路的理論分析高壓直流換流器(包括整流和逆變)主要是由晶閘管閥組成的，其接線方式有很多種，如：單相全波、單相橋式、三相半波、三相全波等，但是我們現(xiàn)在常用的是三相全波，即6脈動換流器。其原理結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：圖1-1 三相橋式全波直流換流器原理結(jié)構(gòu)其中，Ua、Ub和Uc表示A、B、C三相交流電壓，它們之間相差

2、120。令 Ua=Em sin(wt+150) Ub=Em sin(wt+30)Uc=Em sin(wt-90)我們可以將換流閥這樣定義：圖1-2 6脈動換流閥電路圖1.1 忽略電源電感的電路分析(即Lc=0)從以上的電路圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)對于三相電壓，每相電路中都存在電感Lc，為了便于分析，我們先假設(shè)該電感不存在，即Lc=0。（一）無觸發(fā)延遲（觸發(fā)角a=0）無觸發(fā)延遲，即只要閥上晶閘管正向電壓建立，門級會立即接收到觸發(fā)脈沖，導通整閥。對于V1、V3和V5來講，由于它們共陰極，因此三相中電壓較高的那相的閥導通，其余兩個閥關(guān)斷。而對于V4、V6和V2來說，由于它們共陽極，因此三相中電壓較低的那相

3、的閥導通，其余兩個閥關(guān)斷?？傊褪潜容^三相電壓的高低來確定哪兩個閥導通。下面我們結(jié)合下圖進行分析：舉個例子，CC0時刻，A相電壓最高，B相電壓最低。因此根據(jù)之前的分析，則共陰極的V1、V3和V5閥，則會由處于A相的V1閥導通，而共陽極的V4、V6和V2閥，則是由處于B相的V6閥導通，此后的依此類推，循環(huán)往復。從上述的閥導通表格中可以看出，每個閥單個周期內(nèi)導通的時間為120，V1V6閥按順序依次導通，間隔時間為60。（舉例，如V1閥在-1200導通，V2閥在-6060時刻導通，其中每個閥導通時間為120。V1閥導通起始時刻為-120，而V2閥導通的起始時刻為-60，兩者剛好相差60）。接下來再

4、來分析下6脈動換流器輸出的直流電壓Ud波形。從圖1-2中可以看出直流線路上的輸出電壓Ud的電壓與m點和n點的電勢有很大關(guān)系，即Ud=Um-Un不難發(fā)現(xiàn)，m點的電位其實就是共陰極閥V1、V3和V5閥，哪個閥導通，m點電位就是與哪個閥所處的相電壓，比如，V1閥導通，m點的電位就是A相此刻的電壓。同理，n點電位也是如此。再結(jié)合剛剛分析所得閥的導通時刻圖，可以得出Ud的波形圖：按照一個周期對直流輸出電壓Ud進行分析：對于CC0時刻： Ud=ea-eb=eab對于C0C1時刻：Ud=ea-ec=eac對于C1C2時刻：Ud=eb-ec=ebc對于C2C3時刻：Ud=eb-ea=eba對于C3C4時刻：U

5、d=ec-ea=eca對于C4C5時刻：Ud=ec-eb=ecb 以CC0時刻為例，此時可以進行如下的推導：Ud= ea-eb=eab= Em sin(wt+150)- Em sin(wt+30) =Em·2cos(wt+90) ·sin60 =3 Em cos(wt+90) （wt-120,-60） =3 Em cosµ （µ-30,30） 再以C0C1時刻為例，Ud= ea-ec=eac= Em sin(wt+150)- Em sin(wt-90)=Em·2cos(wt+30) ·sin120=3 Em cos(wt+30) （w

6、t-60,0）=3 Em cosµ （µ-30,30）該周期的其它時段也是如此，因此Ud由上述的推導，可以發(fā)現(xiàn)Ud就是以3 Em為基數(shù)的三角函數(shù)，其函數(shù)區(qū)間為-30,30。則Ud的波形圖如下（以下純屬個人意思，通過這個公示我們可以看出，對于wt-120,-60這個區(qū)間，Ud將該區(qū)間的正弦函數(shù)幅值增大了，但是切割成了兩段，更利于采樣濾波了。）直流電壓是由線電壓的60°時段組成的。因此，平均直流電壓可由任一60°時段的瞬時電壓積分后對時間求平均得到。則 Ud= = 用相電壓的有效值或者線電壓的有效值表示（相電壓：單相電壓，火線對零線電壓，常用的為220V。線

7、電壓為任意兩根相線之間的電壓，常用的為380V。線電壓=3相電壓。）其中，交流電峰值Em為相電壓有效值的倍，則（為相電壓有效值，為線電壓有效值）Ud= =Ud= =通過對輸出的平均直流電壓Ud推導，可以很容易得到閥電壓的波形。因為當該閥導通時，我們可以簡單的認為該閥上所承受的電壓為0；而當閥關(guān)斷時，則無論時共陽極還是共陰極的閥，它們必定都有一個閥是導通的。因此，它們一端的電壓必定為導通閥所在的相電壓，另一端為本相電壓，這樣其閥上的壓降跟平均直流電壓Ud是一樣的，則可以推斷出閥電壓波形如下：圖1-3 閥V1所承受的電壓波形圖（從上述的波形圖可以很明顯的看出來，在V1閥導通時，其閥上所承受的電壓為

8、0。當其關(guān)斷時，其閥上的電壓跟我們之前推導的直流輸出電壓的波形很相似。注意觀察，如果所有閥所承受的電壓波形都畫出來，那么最上面虛線畫出來的部分就是輸出的直流電壓Ud。）從波形圖以及公式的推導可以分析出，閥所承受的電壓峰值V閥峰=3Em。則接下來，再利用圖1-2來分析閥側(cè)A相、B相和C相的電流：ia=i1+i4 ib=i3+i6 ic=i5+i2其電流波形如下圖1-4所示：圖1-4 閥電流波形則各相的電流波形如下：i2i2i5i5i6i6i3ii3ii4i4i1i1這就是閥V1的電流示意圖，該圖中就可以很明顯的看出來，閥V1導通的時段。高電平的為導通，低電平為關(guān)斷(這其實就是FCS)。單個周期內(nèi)

9、導通時間為120，關(guān)斷時間為240，對于常用的50Hz的交流電來講，簡單換算之后就是導通時間約為6.67ms，關(guān)斷時間約為13.33ms。（二）有觸發(fā)延遲（觸發(fā)角a0）有觸發(fā)延遲，顧名思義：閥控系統(tǒng)并不是接到來自閥的正向電壓建立信號就會立即觸發(fā)，而是延遲一段時間再向晶閘管門極發(fā)送觸發(fā)脈沖。通常，用a表示“延遲觸發(fā)角度”。舉個例子，以V1閥和V3閥為例，正常沒有觸發(fā)延遲的情況下，V1閥在wt=-120時觸發(fā)，V3閥在wt=0時觸發(fā)。如果有了觸發(fā)延遲角度a時，則V1閥會在wt=-120+a時觸發(fā)，而V3閥在wt=0+a時觸發(fā)。（注意這里的a是角度，對應(yīng)于時間軸應(yīng)該是 。其它的閥依次類推，即所有閥會

10、在原來觸發(fā)角度的基礎(chǔ)上再延遲a角度之后才會觸發(fā)。(需要注意的是：這里所指的觸發(fā)延遲角度是所有閥的導通都延遲a角度，并不是單指某一個單閥。)a圖1-5 延遲觸發(fā)a角度的波形圖結(jié)合圖1-5(圖中的C、C0C8都是自然換相點，也稱為過零點，在正常沒有延遲觸發(fā)的情況下，閥都是在這些過零點開始換相)，以三相交流電正弦波的上半部分，即共陰極閥（可以看成上半部分為V1、V3和V5閥的導通，下半部分為V2、V4和V6閥的導通）進行分析。在C1點處，此時共陰極閥中V1閥導通，m點電位為ea；當C1<wt<C1+a時，此時V3閥的陽極電壓為eb，而陰極電壓由于V1閥仍在導通，陰極電壓為ea。通過圖1-

11、5，可以看出，在此時eb>ea，但是由于延遲觸發(fā)的原因，此時閥控系統(tǒng)并沒有向V3閥的晶閘管門極發(fā)送觸發(fā)脈沖。因此，V3閥沒有滿足晶閘管導通的兩個必備條件，因而不能導通。當wt>C1+a時，閥控系統(tǒng)開始發(fā)送觸發(fā)脈沖到V3閥晶閘管的門極，若a<180，仍滿足eb>ea，則此時V3閥導通，m點的電位變?yōu)閑b(此前一直為ea)。若是a>180，則此時雖然有出發(fā)脈沖，但是由于陽極電位eb小于陰極電位ea，V3閥仍不會導通。因此，a的變化范圍應(yīng)在0180之間。（也許會有人說，在120<a<180期間，應(yīng)該是V5閥的陽極電位最高，應(yīng)該是V5閥觸發(fā)。但是請不要忘記前面

12、講過的，延遲觸發(fā)是指所有閥都延遲a角度觸發(fā)，此時應(yīng)該觸發(fā)的仍是V3閥，因為此時的V5閥并沒有收到觸發(fā)脈沖。）Ud根據(jù)上述分析，可以畫出直流輸出電壓Ud的m點電位和n點電位的波形圖：圖1-6 延遲觸發(fā)a角度時電位波形圖分析輸出直流電壓Ud的波形：以C1時刻的分界點為例：當C1<wt<C1+a,此時Ud=eac=3 Em cos(wt+30)當C2>wt> C1+a,此時Ud=ebc=3 Em cos(wt-30)由此，可以看出，原來的C1C2的時間段被劃分成了兩段，因此其直流輸電電壓Ud的波形跟之前沒有延遲觸發(fā)角的有些許的不同。按照上述的分析和圖示，當延遲觸發(fā)角度為a時，

13、輸出的平均直流電壓Ud可以表示為(以【，+ 】為區(qū)間的ebc時段來分析)：Ud= = = = 之前沒有延遲觸發(fā)角度時Ud=,由此可見，晶閘管延遲角度觸發(fā)后使得輸出的平均直流電壓Ud減小為之前的倍。延遲觸發(fā)角度的取值區(qū)間為0,180，因此cos的取值范圍在±1之間，即Ud的取值在和 之間。當<90時為正值，此時Ud表示的是從交流到直流，為整流狀態(tài)；當>90時為負值，此時的Ud表示的是直流到交流，是與整流狀態(tài)相反的逆變狀態(tài)。當=90時，Ud=0，此時為零功率狀態(tài)。由此可見，=90為整流和逆變狀態(tài)的臨界值。當=180時，剛好是與=0相反的，其輸出的直流電壓波形與=0時相反，為正

14、弦波負半軸的6脈動逆變器。同樣，各個閥在導通時刻通過的電流為Id，而在截止時，電流為0。每個閥還是導通120，而僅僅只是波形相位移動了角度，其余的都沒有變化。1.2 包括電源電感的電路分析(即Lc0)1.2.1 換相過程（1）由于交流電源電感Lc的存在，使得每相線路上的電流不可能發(fā)生瞬間的變換，電流的變換需要一個過程，因而換相就需要一定的時間，這個時間我們就稱之為“換相時間”或者“疊弧時間”，其對應(yīng)的角度也被稱之為“換相角”或者“疊弧角”，用表示。換相時間：/（2）在0<<60時，換相過程中只有三個閥同時導通，在兩次換相之間（即上次換相結(jié)束到下一次換相開始之前）則只有兩個閥同時導通

15、，通過下面的示意圖可以看出6060（3）如果當60<<120時，在換相過程中就將會產(chǎn)生三個閥和四個閥交替同時導通的現(xiàn)象，這是一種異常情況。因為，若是有四個閥同時導通，那么必然會有處于同一相的兩個閥同時導通，這樣就造成了短路。因此，必須要求在正常運行情況下，換相角0<<60。一般的角度在15和25范圍之間，接下來分析的電路也都是保證在0<<60區(qū)間之內(nèi)。1.2.2 電路的分析(1)電流分析以V1到V3的換相過程來分析，若考慮到換相延遲角度a，則換相過程從t=a開始，當t=a+時，整個換相過程結(jié)束，V1閥成功換相到V3閥。那么=a+，稱之為“熄弧角”。換相期間V

16、1閥和V3閥的電路圖如下所示：而： 根據(jù)相關(guān)的推導，可以得出而： 當wt=a+時，=，=0，即：=那么，從而得出換相角 ，通過換相角公式，可以看出換相角和延遲觸發(fā)角a以及電源電感Lc、直流輸出電流Id以及Em有關(guān)。(2)電壓分析在觸發(fā)延遲角度a之后，的范圍之內(nèi)，也就是換相過程中，存在三個閥同時導通，此時以V1閥和V3閥為例繼續(xù)分析電源電感造成的疊弧現(xiàn)象對線路電壓的影響。·m在換相過程中，V1閥和V3閥同時導通的，此時m點的電壓記為Um。而， 所以， 從而可以得出： 即在從延遲觸發(fā)角度a之后到=a+之間，的電壓將不會再是，而是變?yōu)榱耍ㄓ捎诮涣麟娙嚯妷旱南辔魂P(guān)系ea+eb+ec=0）。

17、a+3依次類推，可以畫出m點和n點的電壓波形圖，如下所示：a-ec/2從上圖可以看出，有了疊弧電壓的影響，輸出的平均直流電壓下降了A/3,而， 則，平均壓降為A/3= 所以，此時輸出的平均直流電壓Ud= A/3=當換相結(jié)束時， 即=a+時，=，=0，在上一章節(jié)電流分析過程中，得知：，則，平均壓降A(chǔ)/3 =此時輸出的平均直流電壓也可以表示為：從上面公式上，我們將看成為線路電阻Rc，也常常被稱為“等效換相電阻”，不過其不消耗功率，只是可以用來解釋由于換相疊弧現(xiàn)象導致的壓降。這里，我們可以進行各總結(jié)：（記 33Em 為Vd0）在沒有電源電感的影響下，沒有延遲觸發(fā)角度即a=0，此時輸出的平均直流電壓為

18、Ud= 33Em = Vd0在沒有電源電感的影響下，有延遲觸發(fā)角度a，此時輸出的平均直流電壓為Ud= 33Em×cos = Vd0·cos在有電源電感的影響下，并且有延遲觸發(fā)角度a，此時輸出的平均直流電壓為Ud= 33Em2×（cos+cos） = Vd02·（cos+cos），（=a+）2 整流和逆變工作方式分析2.1 整流的工作方式換流器整流時，是交流變?yōu)橹绷?，然后通過接線直流輸送到逆變器端。它要求延遲觸發(fā)角度a應(yīng)當小于90。正常運行時，整流器以一定的交流電壓和延遲觸發(fā)角度a運行，其等值電路如下圖所示：其中，上圖中的Rc相當于換流變到閥側(cè)的等值換相電

19、感，也很好的解釋了換相電感對直流輸出電壓Ud的影響，使得Ud降低了Rc·Id 。根據(jù)公式 可以畫出整流器輸出端的特性曲線圖(正常運行時，換相角度60),也稱之為“等a外特性曲線圖”。當換相延遲角度a一定時，隨著輸出端直流電流Id的增大，輸出電壓Ud在減?。粓D中<<,隨著a的增大，其輸出端直流電壓Ud會減小。2.2 逆變的工作方式逆變就是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的工作方式，在直流輸電工程中，逆變器相當于受端，整流側(cè)相當于供端。這里，雖然逆變器是受端，但是目前大部分的逆變器都是有源逆變。它要求逆變器所連接的交流系統(tǒng)必須提供換流器的換相電壓和電流，即受端交流系統(tǒng)必須有交流電源。在實

20、際運行過程中，直流輸送線路上有很大的平波電抗器等濾波設(shè)備，輸出的電壓Vmn經(jīng)過濾波之后，即會以平均直流電壓Ud輸出。因此，考慮到延遲觸發(fā)角度a(此時不考慮換相電感)，當a<90時，cos>0,即Vmn為正，按照閥導通的方向送出直流電流，此時相當于向負荷端輸送功率；在a>90時，cos<0，此時Vmn為負，按照閥導通的方向送出直流電流，就相當于負荷向換流器輸送功率。（其實，該有源負荷就相當于整流端的輸出直流電壓，從而給逆變器端輸送功率。下圖中所示的“負荷”其實是一個虛擬對象，其目的是為了便于分析。）考慮到現(xiàn)場，Y接型閥塔均與直流場相連接。根據(jù)電流的方向，對于整流器端，電流

21、是從D閥流向Y閥，從而進行直流輸出。那么，則對于整流端而言，可以分析出D接型的為，Y接型的為；從而，D閥的電流是從閥塔下部流向上部，從下向上為D1閥、D2閥。而Y閥的電流時從上部流向下部，從上向下依次為Y3閥、Y4閥。而對于逆變端而言，電流是從Y閥流向D閥，從而進行直流輸入。那么，可以分析出Y接型的為，D接型的為。如上圖所示，逆變器端的V m-n是小于0的，即n端為正電位端，m端為負電位端，同整流器端連接起來的等值電路圖就如上圖所示。下面再對上述整體的電路進行分析（重點分析逆變器端）： 假設(shè)此時A相的V1閥導通，此時電流的流向為： V6 eb ea 整流器正端 直流傳輸線路 V1 整流器負端

22、V2 ec ea 如果規(guī)定此時A相的電流方向為正，則B相的電流和C相的電流的方向為負。若A相的V4閥導通，則此時的電流的流向為： eb V3整流器正端 直流傳輸線路 V4 ea整流器負端 ec V5那么，此時A相的電流方向為負，則B相的電流和C相的電流方向為正。綜上所述，可以看出，在不同時刻流經(jīng)A相、B相和C相的電流是有正也有負的交流電。這樣，當電流流過閥側(cè)的繞組時，換流變的網(wǎng)側(cè)也能感應(yīng)相應(yīng)的電流，從而將直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姽β?。其實，從這里我們可以看出，不論是整流站還是逆變站，其實其原理是極其相似的。我們不妨將其都看為是整流過程，因為它們都是需要有交流電源提供換相電壓，然后通過換相過程，將交流電變?yōu)橹绷麟?。只是，逆變過程之后，雖然變?yōu)橹绷麟姡怯捎谄潆婋妷汉碗娏鞣较虻脑?，是由直流輸出端向交流輸入端流動，因此被看成了直流逆變?yōu)榻涣麟?。由此，也可以得出逆變站要實現(xiàn)其正常工作，需要具備的幾個條件：（1）一個提供換相電壓的有源交流系統(tǒng)（2）一個直流電源（其實就是上述分析過程中那個能提供電源“虛擬負荷”），其極性必須與晶閘管導通的方向一致。其實，通過分析可知，這個直流電源就是整流端輸出的直流電壓與逆變端輸出的直流電壓的電壓差，即：這里，需要注意的是V逆變是一個負值，由此我們可以將整流端和逆