《高壓直流輸電》換流器工作原理

2020/3/4Chap.3

換流器工作原理高壓直流輸電chap.3

換流器工作原理2020/3/42課程安排第三章?lián)Q流器工作原理3.1

6

脈動(dòng)整流器工作原理3.2

12

脈動(dòng)整流器工作原理3.3

6

脈動(dòng)逆變器工作原理3.4

12

脈動(dòng)逆變器工作原理chap.3

換流器工作原理假設(shè)條件1)

交流電源為對(duì)稱(chēng)的正弦波；2)

交流輸電系統(tǒng)及換流變壓器阻抗對(duì)稱(chēng)；3)

不計(jì)交流系統(tǒng)中各元件的電阻及換流變壓器的激磁導(dǎo)納；4)

平波電抗器的電感為無(wú)窮大；5)

晶閘管具有理想的開(kāi)關(guān)特性；6)

等間隔觸發(fā)雙極HVDC原理圖32020/3/4chap.3

換流器工作原理3.1 6

脈動(dòng)整流器工作原理6脈動(dòng)(單橋)整流器原理圖雙極HVDC原理圖42020/3/4chap.3

換流器工作原理3.1 6

脈動(dòng)整流器工作原理6脈動(dòng)整流器運(yùn)行方式2-3工況（正常運(yùn)行方式）3工況（非正常運(yùn)行方式）3-4工況（故障運(yùn)行方式）2

成立的條件：

0

9000

600同時(shí)成立的條件：2300

900600

1200

同時(shí)成立的條件：

600同時(shí)0

3002020/3/45chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-32-3工況：在60o的重復(fù)周期中，2個(gè)閥和3個(gè)閥輪流導(dǎo)通的運(yùn)行方式。閥導(dǎo)通順序22020/3/46

成立的條件：0

9000

600chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3自然換相點(diǎn)：電源相電壓的交點(diǎn),或線電壓過(guò)零點(diǎn)。觸發(fā)（延遲）角/滯后角/點(diǎn)燃角（α）：用電角度表示的從自然換相點(diǎn)到晶閘管控制極上施以觸發(fā)脈沖的時(shí)間。額定：150±2.502020/3/47chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3u2020/3/48d換相：電流從一個(gè)閥轉(zhuǎn)移到同一半橋中另一個(gè)閥的過(guò)程。換相角/疊弧角/重疊角（μ）：換相持續(xù)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電角度。額定：200±2.50換相實(shí)質(zhì)：換相是交流系統(tǒng)短時(shí)間的兩相短路。換相是依靠交流電源提供的短路電流進(jìn)行的。chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3電壓波形ud2-3工況(理想)波形2020/3/49chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3整流電壓平均值表達(dá)式1--定α角外特性方程Ud

Ud

0

cos

dx

Id1d

0

1

U

3 2

U

1.35Ux

d

3

Lr等值換相電阻/比換相壓降：理想空載直流電壓：電壓波形，

6p整流器外特性曲線圖102020/3/4chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3整流電壓平均值表達(dá)式2表達(dá)式3dd

0cos

cos(

)

2U

Ud電壓波形，

6p整流器外特性曲線圖112020/3/4d

0U

U cos(

)

cos

2 2chap.3

換流器工作原理3.1.1

正常運(yùn)行方式——工況2-3電流波形ud2020/3/412chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3換相電流計(jì)算公式ik

Isc2(cos

cos

t)sc

2rE2

LI

時(shí)間的兩相短路。換相是依靠交流電源提供的短路電流進(jìn)行的。135462MNea

AB+ud_Ld idicLr

iaLr

CLc

ib換相實(shí)質(zhì)：換相是交流系統(tǒng)短 ec

ebo

ik交流系統(tǒng)兩相短路電流幅值：電流波形，2020/3/413chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3換相角計(jì)算公式基波電流有效值相電流有效值2

Lr

IdE

cos

1

cos

1dd6

I

I(

,0)

0.78Idd2

I3I

(

,0)

h電流波形，2020/3/414I

2

(

,

0)

h

1

0.816I

chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3功率因數(shù)6p整流器

cos(

)

cos

2 22cos

cos

cos(

)2

其中，功率因數(shù)角：

150

2.50

200

2.50通常2020/3/415chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-36脈動(dòng)整流器等效電路_+_+_（a）等效電路-1x

d

3

LrUd

0cos

Ud

0+

udId（b）等效電路-2+_+_x

d

3

Lrudd

0U+

Ud

0cos

_IdUd

Ud

0

cos

dx

Id2020/3/416chap.3

換流器工作原理3.1.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3工況的特點(diǎn)交替出現(xiàn)交流兩相短路換流閥持續(xù)導(dǎo)通120o+

μud2020/3/417chap.3

換流器工作原理3.1.2 非正常運(yùn)行方式——工況33工況：在600的重復(fù)周期中，始終只有3個(gè)閥輪流導(dǎo)通的運(yùn)行方式。特點(diǎn)：出現(xiàn)強(qiáng)制延遲現(xiàn)象，最大強(qiáng)迫觸發(fā)角αb=30o換流閥持續(xù)導(dǎo)通180o原因：

Id過(guò)大計(jì)算公式：完全同2-3工況的公式ud6p整流器運(yùn)行方式，

6p整流器外特性曲線圖2020/3/418chap.3

換流器工作原理3.1.3 故障運(yùn)行方式——工況3-4工況：在600的重復(fù)周期中，3個(gè)閥和4個(gè)閥交替輪流導(dǎo)通的運(yùn)行方式。特點(diǎn)：交替出現(xiàn)交流兩相和三相短路直流短路換流閥持續(xù)導(dǎo)通60o～180o當(dāng)μ=120°時(shí)，形成穩(wěn)定的4個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，閥持續(xù)導(dǎo)通240o。此時(shí)Ud=0，Id。為交流三相短路電流的峰值原因：

Id故障性增大6p整流器運(yùn)行方式，

6p整流器外特性曲線圖ud2020/3/419chap.3

換流器工作原理3.1.4 6脈動(dòng)整流器外特性2020/3/420chap.3

換流器工作原理3.2 12脈動(dòng)整流器工作原理多橋換流器由直流端串聯(lián)、交流端并聯(lián)的一個(gè)以上單橋構(gòu)成的換流器。多橋換流器的接線方式典型方式:

每極1組12脈動(dòng)換流單元--雙極雙橋其他方式:

每極2組12脈動(dòng)換流單元串聯(lián)每極2組12脈動(dòng)換流單元并聯(lián)特點(diǎn)：?jiǎn)螛驍?shù)目為偶數(shù)2020/3/421chap.3

換流器工作原理3.2 12脈動(dòng)整流器工作原理雙橋換流器導(dǎo)通順序V1→V2→V3→

V4→V5→V6→V7

→V8→V9→V10→V11→V12→V1→（循環(huán)）導(dǎo)通間隔為30°2020/3/422chap.3

換流器工作原理3.2 12脈動(dòng)整流器工作原理雙橋換流器運(yùn)行方式：4-5工況（正常運(yùn)行方式）5工況（非正常運(yùn)行方式）5-6工況（非正常運(yùn)行方式）成立條件：2

0

9000

300同時(shí)成立條件：2300

900

同時(shí)300

600成立條件：

300同時(shí)0

3002020/3/423chap.3

換流器工作原理3.2.1 正常運(yùn)行方式——工況4-54-5工況：在30o的重復(fù)周期中，4個(gè)閥和5個(gè)閥輪流導(dǎo)通的運(yùn)行方式。特性對(duì)每一個(gè)6脈動(dòng)整流器而言，相當(dāng)于工作在2-3工況。故6脈動(dòng)整流器的特性及電壓、電流公式均成立。2020/3/424chap.3

換流器工作原理3.2.1 正常運(yùn)行方式——工況4-5整流電壓波形（

α=μ=0

）o

tu2

6ea1cea2c1212脈動(dòng)

6d

2d1du

u

uud

2ud

12020/3/425chap.3

換流器工作原理3.2.1 正常運(yùn)行方式——工況4-5整流電壓波形（4-5工況）d

2d1du

u

uud

2ud

12020/3/426chap.3

換流器工作原理3.2.1

正常運(yùn)行方式——工況4-5整流電壓平均值Ud

2(Ud

0

cos

dx

Id

)dd

0cos

cos(

)

2U

2UUd

2Ud0cos(

)

cos

2 2其中,理想空載直流電壓doU

32

E

1.35E電壓波形，

6p整流器外特性曲線圖定α角外特性方程2020/3/427chap.3

換流器工作原理3.2.1 正常運(yùn)行方式——工況4-5電流波形（

α=μ=0

）2020/3/428chap.3

換流器工作原理3.2.1 正常運(yùn)行方式——工況4-5電流計(jì)算公式（

α=μ=0

）換流變兩側(cè)相電流有效值換流變兩側(cè)基波相電流有效值1 dd

I

6

I

0.78Id d2

I3I

h2020/3/429I

2

(

,

0)

h

1

0.816I

電流波形，chap.3

換流器工作原理3.2.1 正常運(yùn)行方式——工況4-5換相電流計(jì)算公式換相角計(jì)算公式與6脈動(dòng)整流器的相應(yīng)公式相同2020/3/430chap.3

換流器工作原理3.2.2

橋間相互影響鄰橋的換相使本橋（6脈動(dòng)整流器）所有未導(dǎo)通閥的電壓產(chǎn)生畸變，即出現(xiàn)“附加換相齒”?？赡苡绊?2脈動(dòng)整流器接班閥的正常開(kāi)通。2020/3/431chap.3

換流器工作原理3.2.2

橋間相互影響橋間相互影響系數(shù)A

LsLs

Lr式中,Ls系統(tǒng)每相等值電感；Lr換流變壓器每相漏感；A=0

1。A越大，橋間相互影響越強(qiáng)；橋間相互影響的實(shí)質(zhì)：共有一個(gè)耦合電感Ls

。2020/3/432chap.3

換流器工作原理3.2.3

相關(guān)計(jì)算公式相電流計(jì)算公式整流電壓平均值計(jì)算公式整流電壓中的諧波hI

I1h1 dd

I

6

i

0.78i3

22020/3/433Udo

E

1.35Eh

12kchap.3

換流器工作原理3.3 6脈動(dòng)逆變器工作原理逆變器與整流器比較元件及電路結(jié)構(gòu)相同觸發(fā)角α的范圍不同0

2

1800整流器：0

90

2逆變器：9002020/3/434chap.3

換流器工作原理3.3 6脈動(dòng)逆變器工作原理均為相控?fù)Q流器（PCC），必須與交流系統(tǒng)相連。此逆變也叫“有源逆變”實(shí)現(xiàn)有源逆變的充要條件與交流電網(wǎng)相連；與足夠大直流電源相連；α在90°～180°內(nèi)可調(diào)。2020/3/435chap.3

換流器工作原理3.3 6脈動(dòng)逆變器工作原理有關(guān)名詞：超前觸發(fā)角/超前角(β)：用電氣角度表示的落后于自然換相點(diǎn)180°處到控制脈沖發(fā)出時(shí)刻之間的時(shí)間。正常運(yùn)行值：β=30o～40o

1800

2020/3/436同時(shí)0

6000

600適合條件：6p逆變器，

6p逆變器電壓波形chap.3

換流器工作原理3.3 6脈動(dòng)逆變器工作原理關(guān)斷角/熄弧角(γ)：用電角度表示的關(guān)斷閥上正向電壓為負(fù)的時(shí)間。正常值：γ0=15o～18o6p逆變器，關(guān)斷裕度角該值既考慮了換流閥恢復(fù)阻斷能力所需的最短時(shí)間，同時(shí)還考慮了交流系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)性而留的裕度。逆變器閥電壓波形2020/3/437chap.3

換流器工作原理3.3 6脈動(dòng)逆變器工作原理單橋逆變器運(yùn)行方式2-3工況（正常運(yùn)行方式）成立條件：2900

18000

600同時(shí)3-4工況（故障運(yùn)行方式）成立條件：600

1200同時(shí)2900

18002020/3/438chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-32-3工況：在60o的重復(fù)周期中，2個(gè)閥和3個(gè)閥輪流導(dǎo)通的運(yùn)行方式。成立條件：0

6002900

18002020/3/439chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3整流電壓波形電流波形2020/3/440chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3換相失敗換相失?。宏P(guān)斷閥在換相結(jié)束后不控而重新導(dǎo)通的過(guò)程。原因：關(guān)斷角過(guò)小時(shí)，關(guān)斷閥在換相結(jié)束后沒(méi)有足夠的時(shí)間恢復(fù)其正向阻斷能力。2020/3/441分類(lèi):一次換相失敗連續(xù)換相失敗對(duì)策：控制保護(hù)系統(tǒng)緊急停運(yùn),自動(dòng)再啟動(dòng)。一般，80%的一次換相失敗不會(huì)發(fā)展為連續(xù)兩次換相失敗。6p逆變器，

6p逆變器電壓波形chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-31d

0

1

U

3 2

U

1.35Ux

d

3

Lr整流電壓平均值表達(dá)式1--定β角外特性方程Ud

Ud

0

cos

dx

Id理想空載直流電壓：等值換相電阻/比換相壓降：2020/3/4426p逆變器，

6p逆變器電壓波形,

6p逆變器外特性曲線圖（定β）chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3整流電壓平均值表達(dá)式2

--定γ角外特性方程表達(dá)式3表達(dá)式46p逆變器，

6p逆變器電壓波形,

6p逆變器外特性曲線圖（定γ）Ud

Ud

0

cos

dx

Iddd

0cos

cos(

)

2U

Ud2020/3/443d

0U

U cos(

)

cos

2 2chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3換相電流計(jì)算公式ik

Isc2(cos

cos

t)sc

2rE2

LI

eaia

Lr+udi－A4MN16 23BC5oib

Lr ebic

Lr ecIdLdik交流系統(tǒng)兩相短路電流幅值：2020/3/444電流波形chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3換相角計(jì)算公式2

Lr

IdE

cos

1

cos

2020/3/445

600

關(guān)斷角計(jì)算公式0<μ≤60o且

0<β≤60o

時(shí)0<μ≤60o且

60o<

β≤90o

時(shí)0<μ≤60o且

90o<

β≤90o+

μ/2

時(shí)

300

chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3電流計(jì)算公式(γ=0,

=

0)相電流有效值基波電流有效值1dd

I

6

I

0.78Id2

I3I

h2020/3/446I

2

(

,

0)

h

1

0.816I

d

電流波形chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-3功率因數(shù)

cos(

)

cos

2 22cos

cos

cos(

)22

其中，功率因數(shù)角：

(150 180

)

2.50

200

2.50通常6p逆變器2020/3/447chap.3

換流器工作原理3.3.1 正常運(yùn)行方式——工況2-36脈動(dòng)逆變器等效電路x

d

3

LrId+_ud+_Ud0cos

+_Ud

0（a）等效電路-1Ud

Ud

0

cos

dx

Idx

d

3

LrId+_ud+_Ud0

cos

_

+

Ud

0（b）等效電路-2Ud

Ud

0

cos

dx

Id2020/3/448chap.3

換流器工作原理3.3.2 故障運(yùn)行方式——工況3-4工況：在600的重復(fù)周期中，3個(gè)閥和4個(gè)閥交替輪流導(dǎo)通的運(yùn)行方式。特點(diǎn)：交替出現(xiàn)交流兩相和三相短路直流短路換流閥持續(xù)導(dǎo)通60o～180o當(dāng)μ=120°時(shí)，形成穩(wěn)定的4個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，閥持續(xù)導(dǎo)通240o。此時(shí)Ud=0，Id為交流三相短路電流的峰值。原因：

Id故障性增大6p逆變器運(yùn)行方式,

6p逆變器外特性曲線圖（定γ）2020/3/449chap.3

換流器工作原理3.3.3 6脈動(dòng)逆變器外特性2020/3/450chap.3

換流器工作原理3.4 12脈動(dòng)逆變器工作原理雙橋逆變器與雙橋整流器具有相同的電路結(jié)構(gòu)雙橋逆變器導(dǎo)通順序V1→V2→V3→V4→V5→V6→V7→V8→V9→V10→V11→

V12→

V1

→

（循環(huán)）導(dǎo)通間隔為30°2020/3/451chap.3

換流器工作原理3.4 12脈動(dòng)逆變器工作原理雙橋逆變器運(yùn)行方式4-5工況（正常運(yùn)行方式）成立條件：2900

18000

300同時(shí)5-6工況（非正常運(yùn)行方式）成立條件：22020/3/452900

1800

300同時(shí)chap.3

換流器工作原理3.4 12脈動(dòng)逆變器工作原理整流電壓平均值dd

0cos

cos(

)

2U

2Udd

0U

2UUd

2(Ud

0

cos

dx

Id

)cos(

)

cos

2 26p逆變器，

6p逆變器電壓波形,定β角外特性方程定γ角外特性方程Ud

2(Ud

0

cos

dx

Id

)2020/3/453chap.3

換流器工作原理3.4 12脈動(dòng)逆變器工作原理電流計(jì)算公式（

α=μ=0

）換流變兩側(cè)相電流有效值換流變兩側(cè)基波相電流有效值1 dd

I

6

I

0.78Id d2

I3I

0.816Ih2020/3/454I

2

(

,

0)

h

1

電流波形chap.3

換流器工作原理3.4 12脈動(dòng)逆變器工作原理橋間相互影響鄰橋的換相使本橋（6脈動(dòng)逆變器）所有未導(dǎo)通閥的電壓產(chǎn)生畸變，即出現(xiàn)“附加換相齒”?？赡苡绊?2脈動(dòng)逆變器關(guān)斷閥的正常關(guān)斷，產(chǎn)生換相失敗故障。2020/3/455chap.3

換流器工作原理3.4 12脈動(dòng)逆變器工作原理橋間相互影響系數(shù)A

LsLs

Lr式中,Ls系統(tǒng)每相等值電感；Lr換流變壓器每相漏感；A=0

1。A越大，橋間相互影響越強(qiáng)；橋間相互影響的實(shí)質(zhì)：共有一個(gè)耦合電感Ls

。2020/3/4562020/3/4Chap.3

換流器工作原理結(jié)束文

俊華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院柔性電力技術(shù)研究所hbdl_wenjun@126.com

chap.3

換流器工作原理雙極兩端HVDC原理圖雙極雙橋2020/3/458chap.3

換流器工作原理6脈動(dòng)整流器定α外特性曲線Ud

Ud

0

cos

dx

Ido

1

2

3Ud0

cos

1UdIdUd0

cos

2Ud0

cos

3tan

dx

2020/3/459chap.3

換流器工作原理6脈動(dòng)整流器外特性曲線3d*d*U

cos

1

I3

)22d1*dU

2

I

2

(Ud1*

3

cos(

30

)

Id*

基準(zhǔn)量：UdB=Ud0、2U1

/( 3

Lr

)IdB

ISC3

2-3工況3工況3-4工況2020/3/460chap.3

換流器工作原理?yè)Q相電流波形eba

1800C3p3

tp3

ik

Isc2(cos

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換流器工作原理2020/3/4 626脈動(dòng)逆變器整流電壓波形(2-3工況)61261123345561121233445566112233445561223p4p1 p2 p3P4 p5 p6C62C4