第2章?lián)Q流器理論及特性方程2.0直流輸電與換流技術(shù)2.1閥特性2.2換流電路分析2.3整流器和逆變器工作方式2.4交流量與直流量之間的關(guān)系2.5多橋換流器2.0直流輸電與換流技術(shù)換流技術(shù)是指交流電力與直流電力之間的相互變換的技術(shù)。（復(fù)習(xí)換相、換流方式的概念和區(qū)別）整流：將送端的交流電變換為直流電逆變：將直流電變換為交流電直流輸電換流技術(shù)換流器是實(shí)現(xiàn)以上交直流變換的主要設(shè)備，是直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分。由于直流輸電的傳輸容量大，輸電電壓高，要實(shí)現(xiàn)以上電力變換，需要有高電壓、大容量的換流設(shè)備，通常這種設(shè)備稱為換流閥。直流輸電的發(fā)展與換流技術(shù)的發(fā)展有著密切的關(guān)系，其中特別是大功率換流器件起著關(guān)鍵的作用。直流輸電換流技術(shù)包括實(shí)現(xiàn)換流的高壓大功率換流閥和控制保護(hù)裝置以及進(jìn)行換流的理論和方法，而高壓大功率換流閥往往起決定性作用。換流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)直流輸電的基本條件，換流技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了直流輸電的發(fā)展，而直流輸電發(fā)展的需要又反過來促進(jìn)換流技術(shù)的發(fā)展。換流技術(shù)水平的高低是決定直流輸電各種運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)性能的重要因素。2.1閥特性高壓直流換流器中的閥是一個(gè)可控電子開關(guān)。它通常僅單向?qū)?，正方向是從陽極到陰極，導(dǎo)通時(shí)閥上僅有一個(gè)小的壓降。在相反方向，即施加在閥上的電壓使陰極相對(duì)于陽極為正時(shí)，閥阻止電流通過。早期的HVDC系統(tǒng)采用汞弧閥，汞弧閥的缺點(diǎn)是體積大，有逆向?qū)ǖ目赡?。?0年代中期開始，所有的HVDC系統(tǒng)均采用晶閘管。晶閘管串聯(lián)起來以得到希望的系統(tǒng)電壓，而用并聯(lián)來滿足正常和事故過流的要求。晶閘管伏安特性導(dǎo)通條件：陽極（A）和陰極（K）之間施加正向電壓；門極（G）和陰極（K）之間施加觸發(fā)脈沖電流。導(dǎo)通時(shí)的正向電壓降只有幾伏。一旦晶閘管開始導(dǎo)通，它就被鉗住在導(dǎo)通狀態(tài)，而此時(shí)門極電流可以取消。晶閘管不能被門極關(guān)斷，直到電流降至零和有反向偏置電壓作用在晶閘管上時(shí)，它才會(huì)截止。當(dāng)晶閘管再次進(jìn)入正向阻斷狀態(tài)后，允許門極在某個(gè)可控的時(shí)刻將晶閘管再次觸發(fā)導(dǎo)通。在選用組成換流器的晶閘管元件時(shí)，一般要求各元件具有下列的性能，即耐壓強(qiáng)度高，過流能力強(qiáng)，開通、關(guān)閉時(shí)間短，并盡量一致，正向壓降小，剩余載流子電荷差值小，有承受較大的導(dǎo)通電流變化率和關(guān)斷電壓變化率的能力等。多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)連接時(shí)，由于各元件的特性不一致，造成晶閘管間電壓分布不勻，因此需要加裝均壓裝置來限制其不均勻程度。另外，晶閘管換相時(shí)，電壓發(fā)生突變，由于閥的雜散電容等和回路電感的存在而產(chǎn)生振蕩。為了抑制這個(gè)振蕩過電壓需要設(shè)置阻尼裝置。這些均壓、阻尼裝置，大都是由統(tǒng)一的RLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。應(yīng)當(dāng)指出的是，如果使用統(tǒng)一的RLC網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則在選擇網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)，需要同時(shí)滿足均壓參數(shù)與振蕩阻尼兩方面的要求，做到統(tǒng)籌兼顧，合理配置。高壓直流換流器的基本單元是三相全波橋式電路。該電路又稱為格雷茲(Graetz)橋。優(yōu)點(diǎn)：更好地利用換流變壓器；當(dāng)其截止時(shí)閥上反向峰值電壓較低。2.2換流電路分析

三相全波橋式電路

換流變壓器的交流側(cè)配有有載調(diào)壓分接頭。變壓器的交流側(cè)繞組通常采用星形接地(Y0)聯(lián)接，閥側(cè)繞組通常采用三角形(△)或星形(Y)聯(lián)接。三相全波橋式換流器等效電路（注：圖中各閥觸發(fā)順序編號(hào)）

直流電流(Ld)保持恒定且無紋波，這是因?yàn)樵谥绷鱾?cè)采用了一個(gè)較大的平波電抗器(Ld)；晶閘管具有理想的開關(guān)特性，導(dǎo)通時(shí)呈零電阻，截止時(shí)呈無窮大電阻。2.2.1為便于分析，我們先做以下假設(shè)：含有換流變壓器的交流系統(tǒng)可表示為一個(gè)電壓和頻率恒定的理想電壓源與一個(gè)無損電感（主要代表變壓器的漏電感）串聯(lián)；電源瞬時(shí)相電壓為：則線電壓為：2.2.2電源電壓2.2.3忽略電源電感（即Lc=0）且無觸發(fā)滯后的情況。

(1)電壓波形分析

每個(gè)閥的導(dǎo)通角均為120°。當(dāng)其導(dǎo)通時(shí)，閥電流的幅值Id，上排閥中流通的電流為正，而下排閥中電流為負(fù)（或稱為返回電流）。

(2)電流波形分析交流電源各相電流由與該相相連的兩個(gè)閥中的電流合成。例如，a相電流為i1-i4，如圖所示，該電流表示換流變壓器的副邊繞組電流。

電流從一個(gè)閥轉(zhuǎn)移到同一組中另一個(gè)閥，稱為“換相”。在上述分析中，我們假定忽略了電源電感Lc，因此換相是瞬時(shí)完成的，也就是說沒有疊弧現(xiàn)象。所以在任一時(shí)刻，最多只有兩個(gè)閥導(dǎo)通(一個(gè)共陰極閥和一個(gè)共陽極閥)。交流電壓的每個(gè)周期中Vd有6個(gè)脈波，因此該橋式電路又叫“六脈動(dòng)換流電路”。（3）平均直流電壓橋兩端(共陰極閥的陰極和共陽極閥的陽極之間)的瞬時(shí)直流電壓由線電壓的60°時(shí)段組成。因此，平均直流電壓可由任一60°時(shí)段的瞬時(shí)電壓積分求得?？紤]時(shí)段60°<ωt<120°，則無觸發(fā)延遲時(shí)平均直流電壓為：其中，

Em為相電壓峰值；

Vd0稱為“理想空載直流電壓”。2.2.4有觸發(fā)延遲的情況（1）波形分析。門極可延遲閥的觸發(fā)，用α表示“觸發(fā)延遲角”，它對(duì)應(yīng)于延遲時(shí)間α/ω秒。有觸發(fā)延遲時(shí)，閥1在ωt＝α（而不是ωt＝0）時(shí)觸發(fā)，閥2在ωt＝α＋60°時(shí)觸發(fā)，閥3在ωt＝α＋120°時(shí)觸發(fā)，其余依次類推。觸發(fā)延遲角限制在180°以內(nèi)。如果α超過180°，閥將觸發(fā)失敗。例如，考慮閥1的觸發(fā)，當(dāng)α＝0時(shí)，閥1在ωt＝0時(shí)觸發(fā)。該觸發(fā)可延遲到ωt＝180°，超過180°時(shí)，ea不再大于ec，因而閥1的陽極對(duì)陰極為負(fù)電壓，將無法觸發(fā)導(dǎo)通。（2）平均直流電壓。當(dāng)延遲角為α?xí)r。平均直流電壓Vd為：可見觸發(fā)延遲的影響是使平均直流電壓減小cosα倍。由于α的范圍在0°到180°之間，cosα的范圍在＋1到－1之間。因此Vd可在＋Vd0到－Vd0之間變化。如本章后面所述，負(fù)的Vd表示與整流相反的逆變狀態(tài)。（3）電流與相角的關(guān)系。當(dāng)觸發(fā)延遲角α增大時(shí)，供電相中交流電壓和交流電流之間的相位移也會(huì)改變。電流的變化情況如前面圖中所示。a相電流波形由閥1和閥4中的方波電流合成。

根據(jù)假設(shè)可知，直流電流是恒定的(平波電抗器Ld阻止了Id的變化)。由于每個(gè)閥導(dǎo)通120°，交流線電流變化幅值Id、寬度為120°或2π/3弧度的方波。假定無疊弧，則交流線電流的波形與α無關(guān)，只有相位移隨α而變化。對(duì)電流波形進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分析，可以確定交流線電流的基頻分量：交流線電流基頻分量的有效值為：忽略換流器的損耗，交流功率一定等于直流功率，因此其中，ELN為相電壓有效值；φ為基頻線電流滯后于電源相電壓的角度?；?jiǎn)：這樣，換流器就可以作為將交流轉(zhuǎn)換為直流(或?qū)⒅绷鬓D(zhuǎn)換為交流)的設(shè)備運(yùn)行，使得電流的比值是固定的，而電壓的比值隨觸發(fā)角的改變而變化，觸發(fā)延遲可由門極控制。觸發(fā)延遲角α使電流波形及其基頻分量移動(dòng)一個(gè)角度α，如圖所示。當(dāng)α＝0o時(shí)，電流的基頻分量(ia1)與相電壓ea同相位；有功功率()為正，無功功率()為零。當(dāng)α從0o增大到90o時(shí)，Pa減小，Qa增大。當(dāng)α＝90o時(shí)，Pa為零，Qa達(dá)到最大。當(dāng)α從90o增加到l80o時(shí)，Pa變?yōu)樨?fù)值，其絕對(duì)值增大；Qa仍為正，且幅值減小。當(dāng)α＝180o時(shí)，Pa達(dá)到負(fù)的最大值，Qa為零。

無論是作為整流裝置還是逆變裝置，換流器都將從交流系統(tǒng)中吸收無功功率。

（1）換相過程

由于交流電源電感L的影響，相電流不可能瞬時(shí)改變。因此，電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相需要一定的時(shí)間，稱為換相時(shí)間或疊弧時(shí)間。相應(yīng)的“換相角”或“疊弧角”表示為μ。

2.2.4包括換相疊弧的分析

正常運(yùn)行狀況下，換相角小于60o；典型的滿負(fù)荷值在15o至25o范圍內(nèi)。當(dāng)0＜μ＜60o時(shí)，在換相過程中有三個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通。但是在兩次換相之間則只有兩個(gè)閥導(dǎo)通。每隔60o開始一次新的換相，并持續(xù)角度為μ的一個(gè)時(shí)段。在每次換相過程中，加入閥中的電流從0增大到Id，退出閥中的電流從Id減小到0。如果將產(chǎn)生三個(gè)閥和四個(gè)閥交替導(dǎo)通的異常運(yùn)行方式，只考慮的正常運(yùn)行方式。換相過程從ωt＝α(觸發(fā)延遲角)時(shí)開始，到ωt=α＋μ=δ時(shí)結(jié)束，其中δ為“熄弧角”(等于觸發(fā)延遲角α和換相角μ之和)。（2）以閥1到閥3的換相過程為例來分析疊弧現(xiàn)象。在換相開始時(shí)(ωt=120°＋α）：i1=Id且i3=0；在換相結(jié)束時(shí)(ωt=120°

＋α＋μ=120°＋δ)：i1=0，且i3=Id。在換相過程中，閥1、2和3均導(dǎo)通，有效的換流器電路如圖所示。從圖中可知，對(duì)于閥l和閥3的回路，有電壓()叫做“換相電壓”。因此：由于有因此故當(dāng)ωt=120°＋α＋μ=120°＋δ時(shí),換相結(jié)束，i1＝0；i3=Id

μ與Id、Em、L和α四個(gè)因素有關(guān)。當(dāng)L和α不變時(shí)，μ隨Id的增加或Em的下降而增大。當(dāng)L增大時(shí)，則μ增大。μ與α的關(guān)系，當(dāng)運(yùn)行在整流工況（α<90°）時(shí)，μ隨α的增加而減小。在α＝0°時(shí)，μ最大；在α＝90°時(shí)，μ最小。（3）換相疊弧引起的電壓下降

在換流過程中由于疊弧的影響，在ωt=α后的瞬間，P端電壓將恢復(fù)至(ea＋eb)/2，而不是恢復(fù)到eb，因此，疊弧的影響可用每隔60°(π/3弧度)從面積A0中減去面積Aμ來度量。相應(yīng)地，由疊弧引起的相應(yīng)平均電壓降為：其中，Vd0為空載理想電壓。由于換相結(jié)束時(shí)ωt=120°＋δ，且i3=Id，則：因此有換相疊弧及觸發(fā)延遲的情況下，直流電壓為:

其中:

Rc叫做“等效換相電阻”，可用來解釋換相疊弧所引起的電壓下降。然而它并不代表一個(gè)實(shí)際的電阻，且不消耗功率。（4）直流側(cè)電壓波形（5）閥電流和交流側(cè)電流波形（6）閥電壓波形在閥V1阻斷期內(nèi)只有相位寬度為α的一段很短區(qū)間內(nèi)閥V1處于正向閥電壓作用下，其余的（120°＋μ）相位區(qū)間內(nèi)閥V1處于導(dǎo)通狀態(tài)，閥電壓為零。在工頻一個(gè)周期內(nèi)整流器的閥有一半以上時(shí)間要承受反向閥電壓，因此，對(duì)早期的汞弧整流閥來說，容易發(fā)生逆弧故障。可控硅整流閥雖無逆弧故障情況，但要求閥的每個(gè)元件具備良好的阻斷性能和承受反向閥電壓的能力。2.3

整流器和逆變器工作方式

2.3.1整流器工作方式

基于上一節(jié)的分析，橋式整流器等效電路如圖所示。等效電路中的直流電壓及電流均為平均值。內(nèi)電勢(shì)為觸發(fā)延遲角α的函數(shù)，換相角μ沒有專門表示于圖中，而是用Rc代表了換相疊弧的影響。寫出整流器在恒定交流電壓和定延遲角a的條件下，正常運(yùn)行時(shí)的外特性方程式，并繪出它的外特性曲線。整流器的外特性是一族等斜率的曲線，它是隨著I增大而向下傾斜的直線，其斜率為－Rc，它在縱坐標(biāo)上的截距等于有相控理想空載直流電壓Vd0cosα。當(dāng)α增大時(shí)，Vd0cosα

減小，外特性直線向下平移。

整流器的外特性是指它輸出的直流電壓平均值Vd和直流電流Id的函數(shù)關(guān)系。用下式表示：注意：整流器在運(yùn)行時(shí)為使閥中的元件可靠的同時(shí)觸發(fā)開通，一般要求延遲角α大于3°～5°

，在實(shí)際工程中，α角往往需要留有一定的可調(diào)范圍，因此一般取15°左右。正常運(yùn)行時(shí)α

角也不宜過大，以免整流器的功率因數(shù)過低而增加無功功率的消耗。2.3.2逆變器工作方式

如果不存在換相疊弧現(xiàn)象，則。因此，當(dāng)時(shí)，Vd將反號(hào)。

考慮疊弧時(shí)即從整流轉(zhuǎn)向逆變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角αt由下式確定：可見疊弧的影響使αt從90°降至90°－μ/2。初看起來，直到實(shí)際的陽極電壓變?yōu)樨?fù)時(shí)才發(fā)出觸發(fā)脈沖似乎令人難以理解。但是，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，只要換相電壓（eba=eb-ea）為正，并且只要退出閥在其截止后承受一個(gè)反向電壓，換相總是可以實(shí)現(xiàn)的。為使換相成功，必須在換相電壓變?yōu)樨?fù)值以前完成從退出閥到加入閥的轉(zhuǎn)換。例如，只有當(dāng)eb>ea時(shí)，從閥1到閥3的換相才能實(shí)現(xiàn)；從閥l到閥3的電流轉(zhuǎn)換必須在ea>eb之前完成，而且需要足夠的裕度使閥完成去游離。直流側(cè)電壓波形閥電流和交流側(cè)電流波形有源逆變運(yùn)行要求存在如下三個(gè)條件：一個(gè)提供換相電壓(換相短路電流)的有源交流系統(tǒng)；一個(gè)反極性的直流電源以提供連續(xù)的單向(即通過開關(guān)器件從陽極流向陰極)電流；一個(gè)提供觸發(fā)延遲超過90°的全控整流（Ud<0）。

當(dāng)這三個(gè)條件滿足時(shí)，幅值為負(fù)的電壓施加到換流橋上，功率（-VdId）產(chǎn)生逆變。2.3.3

換流的幾個(gè)角

為描述整流器工作方式，我們用了以下幾個(gè)角度：α＝觸發(fā)延遲角；μ＝疊弧角；δ＝熄弧延遲角＝α＋μ。

與整流器類似，逆變器的工作方式也可用同樣定義的α和δ來描述。但是與整流器不同的是，逆變器的α和δ值在90°至180°之間。在實(shí)際應(yīng)用中，通常用觸發(fā)超前角β和熄弧超前角γ來描述逆變器的性能，這兩個(gè)角定義為相對(duì)于換相電壓為零并繼而減小的時(shí)刻（對(duì)閥3的觸發(fā)和閥1的熄弧而言，即ωt＝180°）所超前的角度，如圖所示。β＝π－α＝觸發(fā)超前角；γ＝π－δ＝熄弧超前角（關(guān)斷角通常取15°~18°）；μ＝δ－α＝β－γ＝疊弧角。在通常的換流器方程中認(rèn)為逆變電壓為負(fù)值，而專門針對(duì)逆變器列寫方程時(shí)，常常將其視為正值?；谝陨戏匠?，逆變器可表示為以下兩個(gè)等效電路。

由于cosα＝-cosβ和cosδ＝-cosγ，因此有：或逆變器的等效電路（Vd為正）

2.4交流量與直流量之間的關(guān)系

其中，ELN為相電壓有效值；IL1為基頻電流有效值。因此平均直流電壓Vd為：用相電壓有效值ELN表示，有：忽略損耗，則交流功率與直流功率相等，有：當(dāng)μ=0時(shí)，有：2.5多橋換流器

將兩個(gè)或多個(gè)換流橋串聯(lián)可以獲得所要求的高直流電壓。換流橋在直流側(cè)串聯(lián)、在交流側(cè)并聯(lián)，變壓器組聯(lián)接于交流電源與橋形連接的換流閥之間，變壓器的變比可以在負(fù)載的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用中，常見多為12脈波換流橋。在