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換流器（converter） 直流 特高壓輸電網(wǎng) |
| Huanliuqi 條題編號(hào)：706008 換流器（converter） 換流站中用以實(shí)現(xiàn)交、直流電能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)交流電轉(zhuǎn)換為直流電的叫整流器，而直流電轉(zhuǎn)換為交流電的叫逆變器，它們統(tǒng)稱為換流器。整流器和逆變器的設(shè)備基本相同，只是控制系統(tǒng)不同。當(dāng)觸發(fā)角 <90。時(shí)，換流器運(yùn)行于整流工況，叫整流器；而 >90。時(shí)，換流器運(yùn)行于逆變工況，就叫逆變器。此外，整流器和逆變器的控制原理也不同（見直流輸電系統(tǒng)控制）。 換流器通常均由換流閥接成一定的回路來進(jìn)行換流。直流輸電的換流器是采用一個(gè)或多個(gè)三相橋式換流電路（也稱6脈沖換流器 ）串聯(lián)構(gòu)成，因而可用6脈動(dòng)換流器（也稱換流橋）作為原理分析的基礎(chǔ)。換流橋由6個(gè)換流閥組成，其中閥V1、V3、V5共陰極，稱為陰極換相組或陰極半橋；閥V2、V4、V6共陽極，稱為陽極換相組或陽極半橋。代表閥的符號(hào)V后面的編號(hào)是按換流閥運(yùn)行時(shí)觸發(fā)次序編排的，通常是將V1的陽極接到a相。 整流原理 單橋整流器的原理接線如圖1所示。圖2給出整流器主要各點(diǎn)的電壓和電流波形。 圖1 單橋整流器原理接線圖 圖2 整流器的電壓和電流波形 圖1中ea、eb、ec為等值交流系統(tǒng)的工頻基波正弦相電動(dòng)勢(shì)， L 為每相的等值換相電抗。對(duì)照?qǐng)D1和圖2，uac、ubc、uba、uca、ucb、uab為換流閥的換相電壓，并且規(guī)定線電壓uac由負(fù)變正的過零點(diǎn)為C1，它是V1的觸發(fā)角 計(jì)時(shí)的零點(diǎn)，其余的線電壓過零點(diǎn)C2－C6則分別為V2－V6的觸發(fā)角 的零點(diǎn)。在理想條件下，交流系統(tǒng)是完全對(duì)稱的，觸發(fā)脈沖是等距的，換流閥的觸發(fā)角也是相等的，通常用 來表示。 無相控理想空載直流電壓 假定換相電抗L ＝0，換流閥均為不可控的二極管閥，換流閥的通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流均可忽略不計(jì)，直流電流是平直的。在C1時(shí)刻以后，V1和V6處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)開始分析。此時(shí)，換流橋的直流輸出電壓為線電壓uab，直到C2時(shí)刻為止。在C2之后，c點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，V2進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，V6在反向電壓作用下而關(guān)斷，直流輸出電壓為uac，直到C3時(shí)刻。在C3之后，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，V3導(dǎo)通，V1關(guān)斷，直流輸出電壓為ubc。按此方法分析，換流器在任何時(shí)刻總有兩個(gè)閥導(dǎo)通，它們是V6V1，V1V2，V2V3，…，V5V6。每個(gè)閥在一個(gè)工頻周期內(nèi)導(dǎo)通120。（電角度），阻斷240。。由于L ＝0，閥的開通和關(guān)斷均是瞬時(shí)完成的。在交流電動(dòng)勢(shì)的作用下，換流閥周而復(fù)始地按序開通和關(guān)斷，從而在n和m點(diǎn)之間可得到依次為1/6周期的uab、uac、ubc、uba、uca、ucb 6個(gè)正弦曲線段組成的直流電壓波形。如圖2（b）所示。這樣，三相交流電動(dòng)勢(shì)ea、eb、ec經(jīng)整流而變成帶有6個(gè)脈動(dòng)的直流電壓ud，因此單橋換流器又稱為6脈動(dòng)換流器。 從直流電壓瞬時(shí)值ud取平均值得Ud0，稱為6脈動(dòng)換流器的理想空載直流電壓，即 Ud0= ………………………………………（1） 式中E為交流線電動(dòng)勢(shì)的有效值。 有相控理想空載直流電壓 如果換流橋由晶閘管換流閥組成，晶閘管的開通條件是：①在外電路作用下，晶閘管陽極對(duì)陰極的電位是正；②晶閘管的控制極必須加一個(gè)具有一定寬度的、對(duì)陰極為正的觸發(fā)脈沖。因此，觸發(fā)脈沖Pi（i表示1－6中的一個(gè)序數(shù)），只有在相應(yīng)的電壓過零點(diǎn)Ci到來之后才能使Vi開通。Pi延遲與Ci的電角度 i稱為延遲觸發(fā)角，簡稱觸發(fā)角（也稱控制角）。因此，對(duì)于有相控的換流器，在觸發(fā)脈沖Pi到來之前，原來導(dǎo)通的閥仍然繼續(xù)導(dǎo)通，直到Pi來到時(shí)，才能被剛觸發(fā)的Vi所頂替，從而使6個(gè)換流閥的開通時(shí)間均后移 電角度。此時(shí)，整流器的理想空載直流電壓的平均值為： Ud0′＝Ud0 cos ………………………………………（2） 很明顯，Ud0′< Ud0。ud的波形見圖2（b）。整流器在正常運(yùn)行時(shí)，為了保證閥中串聯(lián)晶閘管開通的同時(shí)性，并留有可調(diào)節(jié)的余地，常取 ＝5。～20。（直流輸電降壓運(yùn)行或利用整流器調(diào)節(jié)無功功率時(shí)除外）。 實(shí)際上換流器的直流端難免存在雜散電導(dǎo)和電容，由于電容的儲(chǔ)能作用，其平均空載直流電壓的實(shí)際值最大時(shí)可到換相線電壓的幅值（ E），最小時(shí)將不會(huì)低于其理想空載直流電壓（Ud0 cos ）。 有載整流器直流側(cè)外特性 當(dāng)換流器直流側(cè)有載時(shí)，由于平波電抗器足夠大，有時(shí)還裝有直流濾波器，直流電流的波形近似平直，其平均值為Id。實(shí)際上L >0，因此實(shí)際的換相過程與上述L ＝0的情況不同。當(dāng)觸發(fā)脈沖Pi到來時(shí)，由于有電感L 的作用，剛被觸發(fā)開通的閥Vi中的電流不可能立刻上升到Id，將要關(guān)斷的閥Vi-2中的電流也不能立即從Id下降到零，都必須經(jīng)歷同樣長的一段時(shí)間，這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電角度μ稱為換相角，這一過程稱為換相過程。見圖2（d）。在換相過程中參與換相的在同一半橋中的兩個(gè)閥都處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而形成換流變壓器閥側(cè)線圈的兩相短路。在剛開通的閥中，其電流與兩相短路電流的方向相同，而在即將關(guān)斷的閥中，其電流方向與兩相短路電流的方向相反，從而促成兩個(gè)閥完成換相過程。其電壓、電流波形見圖2。此時(shí)換流器的直流電壓平均值為： Ud＝Ud0′－ ωL Id＝Ud0′－ x Id ＝Ud0′－d Id……………………………………（3） 式中ω是工頻角頻率，x 是換相電抗。 ωL 用d 表示，是一個(gè)單位的直流電流在換相過程中引起的直流電壓降，故也稱為比換相壓降。式（3）所表達(dá)的是整流器直流電壓平均值和直流電流平均值的關(guān)系，所以也稱為整流器的伏安特性或外特性（見換相、換流器的運(yùn)行特性）。 逆變?cè)? 逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，然后送入受端的交流系統(tǒng)。圖3為單橋逆變器原理接線圖。 圖3 單橋逆變器原理接線圖 對(duì)比圖3和圖1可知，逆變器和整流器的原理接線圖相同，因此換流器既可作為整流器又可作為逆變器，它們只是運(yùn)行狀態(tài)的不同。由于換流閥的單向?qū)щ娦?，逆變器閥的可導(dǎo)通方向必須和整流器一致，才能保證直流電流的流通。 換流器作為逆變器運(yùn)行時(shí)，其共陰極點(diǎn)（m′）的電位為負(fù)，共陽極點(diǎn)（n′）則為正，與其作為整流器運(yùn)行時(shí)的極性正好相反。由式（2）可知，當(dāng) ＝90。時(shí)，則Ud0′＝Ud0 cos ＝0，如果 繼續(xù)增大（ >90。），則Ud0′即為負(fù)值，此時(shí)換流器就有可能由整流器變?yōu)槟孀兤鬟\(yùn)行。根據(jù)換流閥的導(dǎo)通條件，換流閥只能在0。< <180。區(qū)間內(nèi)有可能導(dǎo)通，而在此區(qū)間內(nèi)當(dāng) <90。為整流器運(yùn)行， >90。則為逆變器運(yùn)行。對(duì)于逆變器公式（3）可寫成： Udi＝Ud0icos －d ′Id＝－Ud0icos（180。－ ）－d ′Id ＝－（Ud0icosβ＋d ′Id）………………………………（4） 式中Udi為逆變器無相控理想控制直流電壓，d ′為逆變器的比換相壓降，β＝180。－ ，為逆變器的超前觸發(fā)角。由于受端系統(tǒng)等值電感L ′的存在，逆變器的換相也不是瞬時(shí)的，它也有一個(gè)換相過程，要求從換流閥Vi關(guān)斷到電壓由負(fù)變正的過零點(diǎn)Ci-1之間的時(shí)間足夠大，使得Vi關(guān)斷后處于反向電壓的時(shí)間，能夠充分滿足恢復(fù)換流閥阻斷能力的要求，以保證換相的成功。否則當(dāng)Ci-1點(diǎn)電壓變正時(shí)，Vi在無觸發(fā)的情況下可能又重新開通，造成換相失?。ㄒ姄Q流器故障）。規(guī)定從Vi關(guān)斷（閥中電流到零）到Ci-1之間的時(shí)間為關(guān)斷角 ， ＝β－μ′。 為防止換相失敗， 角一般必須大于 0， 0取15。－20。（見換相）。引入 角后，逆變器的外特性還可表示為： Udi＝Ud0icos －d ′Id……………………………（5） 綜上所述，逆變器正常運(yùn)行的條件是：①逆變器與整流器的導(dǎo)通方向要相一致；②逆變器的直流側(cè)必須加有大于其反電動(dòng)勢(shì)的直流電壓，才能滿足向逆變器注入電流的要求；③逆變器交流側(cè)受端系統(tǒng)必須提供換相電壓和電流以實(shí)現(xiàn)換相（用可關(guān)斷器件組成的逆變器則不需此條件）；④逆變器的觸發(fā)角 >90。，其直流側(cè)電壓為負(fù)值；⑤逆變器的關(guān)斷角 必須大于 0，以保證正常換相。 逆變器的閥電壓、閥電流、直流電壓等波形相當(dāng)于整流器的波形翻轉(zhuǎn)180。。因此，逆變器的閥在一個(gè)工頻周期內(nèi)大部分時(shí)間處于正向阻斷狀態(tài)，而整流器則大部分時(shí)間處于反向阻斷狀態(tài)。 多橋換流器 單橋換流器的工作原理是雙橋和多橋換流器工作原理的基礎(chǔ)。將兩個(gè)換流橋串級(jí)連接，即直流端串聯(lián)，交流端通過換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組并聯(lián)。同時(shí)換流變壓器閥側(cè)繞組一個(gè)為星形接線，而另一個(gè)為三角形接線，使串級(jí)的兩個(gè)換流橋得到相位相差30。的換相電壓，從而構(gòu)成12脈動(dòng)雙橋換流器。它的每一個(gè)換流橋的工作原理與單橋換流橋的基本相同。雙橋換流橋的直流電壓是兩個(gè)單橋換流橋直流電壓之和，它在一個(gè)工頻周期中有12個(gè)脈動(dòng)數(shù)，所以又稱為十二脈動(dòng)換流器。它的交流電流諧波和直流電壓諧波比6脈動(dòng)的?。ㄒ娭绷鬏旊娤到y(tǒng)諧波）。實(shí)際工程中，串接的換流橋數(shù)不超過四個(gè)，四橋換流器一般是由兩個(gè)十二脈動(dòng)換流器串接而成。 參考書目 浙江大學(xué)發(fā)電教研室，直流輸電，新一版，北京：水利電力出版社，1985。 [蘇] 波謝，直流輸電結(jié)線及運(yùn)行方式，華北電力學(xué)院直流輸電研究室譯，北京：水利電力出版社，1979。 |
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