换流器的工作原理.doc

直流输电的基本原理
1 换流器电路的理论分析 1
1.1 忽略电源电感的电路分析(即Lc=0) 2
1.2 包括电源电感的电路分析(即Lc≠0) 10
1.2.1 换相过程 10
1.2.2 电路的分析 11
2 整流和逆变工作方式分析 14
2.1 整流的工作方式 15
2.2 逆变的工作方式 15
3 总结 20

1 换流器电路的理论分析
高压直流换流器(包括整流和逆变)主要是由晶闸管阀组成的，其接线方式有很多种，如：单相全波、单相桥式、三相半波、三相全波等，但是我们现在常用的是三相全波，即6脉动换流器。其原理结构如图1-1所示：

图1-1 三相桥式全波直流换流器原理结构
其中，Ua、Ub和Uc表示A、B、C三相交流电压，它们之间相差120゜。
令
Ua=Em sin(wt+150)

Ub=Em sin(wt+30)

Uc=Em sin(wt-90)

我们可以将换流阀这样定义：

图1-2 6脉动换流阀电路图
1.1 忽略电源电感的电路分析(即Lc=0)
从以上的电路图中，我们可以发现对于三相电压，每相电路中都存在电感Lc，为了便于分析，我们先假设该电感不存在，即Lc=0。
（一）无触发延迟（触发角a=0）
无触发延迟，即只要阀上晶闸管正向电压建立，门级会立即接收到触发脉冲导通整阀。
对于V1、V3和V5来讲，由于它们共阴极，因此三相中电压较高的那相的阀导通，其余两个阀关断。而对于V4、V6和V2来说，由于它们共阳极，因此三相中电压较低的那相的阀导通，其余两个阀关断。总之，就是比较三相电压的高低来确定哪两个阀导通。
下面我们结合下图进行分析：

举个例子，C~C0时刻，A相电压最高，B相电压最低。因此根据之前的分析，则共阴极的V1、V3和V5阀，则会由处于A相的V1阀导通，而共阳极的V4、V6和V2阀，则是由处于B相的V6阀导通，此后的依此类推，循环往复。
从上述的阀导通表格中可以看出，每个阀单个周期内导通的时间为120゜，V1~V6阀按顺序依次导通，间隔时间为60︒。（举例，如V1阀在-120゜~0︒导通，V2阀在-60゜~60︒时刻导通，其中每个阀导通时间为120゜。V1阀导通起始时刻为-120︒，而V2阀导通的起始时刻为-60゜，两者刚好相差60︒）。
接下来再来分析下6脉动换流器输出的直流电压Ud波形。从图1-2中可以看出直流线路上的输出电压Ud的电压与m点和n点的电势有很大关系，即
Ud=Um-Un
不难发现，m点的电位其实就是共阴极阀V1、V3和V5阀，哪个阀导通，m点电位就是与哪个阀所处的相电压，比如，V1阀导通，m点的电位就是A相此刻的电压。同理，n点电位也是如此。再结合刚刚分析所得阀的导通时刻图，可以得出Ud的波形图：

按照一个周期对直流输出电压Ud进行分析：
对于C~C0时刻： Ud=ea-eb=eab
对于C0~C1时刻：Ud=ea-ec=eac
对于C1~C2时刻：Ud=eb-ec=ebc
对于C2~C3时刻：Ud=eb-ea=eba
对于C3~C4时刻：Ud=ec-ea=eca
对于C4~C5时刻：Ud=ec-eb=ecb
以C~C0时刻为例，此时可以进行如下的推导：
Ud= ea-eb=eab= Em sin(wt+150゜)- Em sin(wt+30︒)
=Em·2cos(wt+90︒) ·sin60︒
= Em cos(wt+90︒) （wt∈[-120︒,-60︒]）
= Em cosµ （µ∈[-30︒,30︒]）
再以C0~C1时刻为例，
Ud= ea-ec=eac= Em sin(wt+150゜)- Em sin(wt-90︒)
=Em·2cos(wt+30︒) ·sin120︒
= Em cos(wt+30︒) （wt∈[-60︒,0︒]）
= Em cosµ （µ∈[-30︒,30︒]）
该周期的其它时段也是如此，因此Ud
由上述的推导，可以发现Ud就是以 Em为基数的三角函数，其函数区间为[-30︒,30︒]。则Ud的波形图如下

（以下纯属个人意思通过这个公示我们可以看出，对于wt∈[-120︒,-60︒]这个区间，Ud将该区间的正弦函数幅值增大了，但是切割成了两段，更利于采样滤波了。）
直流电压是由线电压的60°时段组成的。因此，平均直流电压可由任一60°时段的瞬时电压积分后对时间求平均得到。
则 Ud= =
用相电压的有效值或者线电压的有效值表示（相电压：单相电压，火线对零线电压，常用的为220V。线电压为任意两根相线之间的电压，常用的为380V。线电压=相电压。）
其中，交流电峰值Em为相电压有效值的倍，则（为相电压有效值，为线电压有效值）
Ud= =
Ud= =
通过对输出的平均直流电压Ud推导，可以很容易得到阀电压的波形。因为当该阀导通时，我们可以简单的认为该阀上所承受的电压为0；而当阀关断时，则无论时共阳极还是共阴极的阀，它们必定都有一个阀是导通的。因此，它们一端的电压必定为导通阀所在的相电压，另一端为本相电压，这样其阀上的压降跟平均直流电压Ud是一样的，则可以推断出阀电压波形如下：

图1-3 阀V1所承受的电压波形图
（从上述的波形图可以很明显的看出来，在V1阀导通时，其阀上所承受的电压为0。当其关断时，其阀上的电压跟我们之前推导的直流输出电压的波形很相似。注意观察，如果所有阀所承受的电压波形都画出来，那么最上面虚线画出来的部分就是输出的直流电压Ud。）
从波形图以及公式的推导可以分析出，阀所承受的电压峰值V阀峰=Em。则

接下来，再利用图1-2来分析阀侧A相、B相和C相的电流：
ia=i1+i4
ib=i3+i6
ic=i5+i2
其电流波形如下图1-4所示：

图1-4 阀电流波形
则各相的电流波形如下：
i2
i2
i5
i5
i6
i6
i3i
i3i
i4
i4
i1
i1

这就是阀V1的电流示意图，该图中就可以很明显的看出来，阀V1导通的时段。高电平的为导通，低电平为关断(这其实就是FCS)。单个周期内导通时间为120︒，关断时间为240︒，对于常用的50Hz的交流电来讲，简单换算之后就是导通时间约为6.67ms，关断时间约为13.33ms。
（二）有触发延迟（触发角a≠0）
有触发延迟，顾名思义：阀控系统并不是接到来自阀的正向电压建立信号就会立即触发，而是延迟一段时间再向晶闸管门极发送触发脉冲。通常，用a表示“延迟触发角度”。
举个例子，以V1阀和V3阀为例，正常没有触发延迟的情况下，V1阀在wt=-120︒时触发，V3阀在wt=0︒时触发。如果有了触发延迟角度a时，则V1阀会在wt=-120︒+a时触发，而V3阀在wt=0︒+a时触发。（注意这里的a是角度，对应于时间轴应该是 。其它的阀依次类推，即所有阀会在原来触发角度的基础上再延迟a角度之后才会触发。(需要注意的是：这里所指的触发延迟角度是所有阀的导通都延迟a角度，并不是单指某一个单阀。)
a

图1-5 延迟触发a角度的波形图
结合图1-5(图中的C、C0~C8都是自然换相点，也称为过零点，在正常没有延迟触发的情况下，阀都是在这些过零点开始换相)，以三相交流电正弦波的上半部分，即共阴极阀（可以看成上半部分为V1、V3和V5阀的导通，下半部分为V2、V4和V6阀的导通）进行分析。在C1点处，此时共阴极阀中V1阀导通，m点电位为ea；当C1V1阀仍在导通，阴极电压为ea。通过图1-5，可以看出，在此时eb>ea，但是由于延迟触发的原因，此时阀控系统并没有向V3阀的晶闸管门极发送触发脉冲。因此，V3阀没有满足晶闸管导通的两个必备条件，因而不能导通。当wt>C1+a时，阀控系统开始发送触发脉冲到V3阀晶闸管的门极，若a<180︒，仍满足eb>ea，则此时V3阀导通，m点的电位变为eb(此前一直为ea)。若是a>180︒，则此时虽然有出发脉冲，但是由于阳极电位eb小于阴极电位ea，V3阀仍不会导通。因此，a的变化范围应在0︒~180︒之间。（也许会有人说，在120︒请不要忘记前面讲过的，延迟触发是指所有阀都延迟a角度触发，此时应该触发的仍是V3阀，因为此时的V5阀并没有收到触发脉冲。）
Ud
根据上述分析，可以画出直流输出电压Ud的m点电位和n点电位的波形图：

图1-6 延迟触发a角度时电位波形图
分析输出直流电压Ud的波形：
以C1时刻的分界点为例：
当C1wt> C1+a,此时Ud=ebc= Em cos(wt-30︒)
由此，可以看出，原来的C1~C2的时间段被划分成了两段，因此其直流输电电压Ud的波形跟之前没有延迟触发角的有些许的不同。
按照上述的分析和图示，当延迟触发角度为a时，输出的平均直流电压Ud可以表示为(以【，+ 】为区间的ebc时段来分析)：
Ud=
=
=
=
之前没有延迟触发角度时Ud=,由此可见，晶闸管延迟角度触发后使得输出的平均直流电压Ud减小为之前的倍。
延迟触发角度的取值区间为[0︒,180︒]，因此cos的取值范围在±1之间，即Ud的取值在和 之间。当<90︒时为正值，此时Ud表示的是从交流到直流，为整流状态；当>90︒时为负值，此时的Ud表示的是直流到交流，是与整流状态相反的逆变状态。当=90︒时，Ud=0，此时为零功率状态。由此可见，=90︒为整流和逆变状态的临界值。当=180︒时，刚好是与=0︒相反的，其输出的直流电压波形与=0︒时相反，为正弦波负半轴的6脉动逆变器。
同样，各个阀在导通时刻通过的电流为Id，而在截止时，电流为0。每个阀还是导通120︒，而仅仅只是波形相位移动了角度，其余的都没有变化。
1.2 包括电源电感的电路分析(即Lc≠0)
1.2.1 换相过程
（1）由于交流电源电感Lc的存在，使得每相线路上的电流不可能发生瞬间的变换，电流的变换需要一个过程，因而换相就需要一定的时间，这个时间我们就称之为“换相时间”或者“叠弧时间”，其对应的角度也被称之为“换相角”或者“叠弧角”，用μ表示。
换相时间：μ/ω
μ

（2）在0︒<μ<60︒时，换相过程中只有三个阀同时导通，在两次换相之间（即上次换相结束到下一次换相开始之前）则只有两个阀同时导通，通过下面的示意图可以看出

60︒
60︒

（3）如果当60︒<μ<120︒时，在换相过程中就将会产生三个阀和四个阀交替同时导通的现象，这是一种异常情况。因为，若是有四个阀同时导通，那么必然会有处于同一相的两个阀同时导通，这样就造成了短路。因此，必须要求在正常运行情况下，换相角0︒<μ<60︒。一般的μ角度在15︒和25︒范围之间，接下来分析的电路也都是保证μ在0︒<μ<60︒区间之内。
1.2.2 电路的分析
(1)电流分析
以V1到V3的换相过程来分析，若考虑到换相延迟角度a，则换相过程从
ωt=a开始，当ωt=a+μ时，整个换相过程结束，V1阀成功换相到V3阀。那么δ=a+μ，称之为“熄弧角”。

换相期间V1阀和V3阀的电路图如下所示：

而：
根据相关的推导，可以得出

而：
当wt=δ=a+μ时，=，=0，即：
=
=
那么，
从而得出换相角 ，通过换相角公式，可以看出换相角和延迟触发角a以及电源电感Lc、直流输出电流Id以及Em有关。
(2)电压分析
在触发延迟角度a之后，μ的范围之内，也就是换相过程中，存在三个阀同时导通，此时以V1阀和V3阀为例继续分析电源电感造成的叠弧现象对线路电压的影响。
·
m

在换相过程中，V1阀和V3阀同时导通的，此时m点的电压记为Um。

而， ＝＞
所以， ＝＞
从而可以得出：
即在从延迟触发角度a之后到δ=a+μ之间，的电压将不会再是，而是变为了（由于交流电三相电压的相位关系ea+eb+ec=0）。
a+
依次类推，可以画出m点和n点的电压波形图，如下所示：
a
-ec/2

从上图可以看出，有了叠弧电压的影响，输出的平均直流电压下降了Aμ/,而，
则，平均压降为Aμ/=
所以，此时输出的平均直流电压Ud= Aμ/
=
当换相结束时， 即=δ=a+μ时，=，=0，在上一章节电流分析过程中，得知：
，
则，平均压降Aμ/=
此时输出的平均直流电压也可以表示为：

从上面公式上，我们将看成为线路电阻Rc，也常常被称为“等效换相电阻”，不过其不消耗功率，只是可以用来解释由于换相叠弧现象导致的压降。
这里，我们可以进行各总结：（记 为Vd0）
在没有电源电感的影响下，没有延迟触发角度即a=0︒，此时输出的平均直流电压为Ud= = Vd0
在没有电源电感的影响下有延迟触发角度a，此时输出的平均直流电压为Ud= = Vd0·
在有电源电感的影响下，并且有延迟触发角度a，此时输出的平均直流电压为Ud= = ·，（δ=a+μ）
2 整流和逆变工作方式分析
2.1 整流的工作方式
换流器整流时，是交流变为直流，然后通过接线直流输送到逆变器端。它要求延迟触发角度a应当小于90︒。正常运行时，整流器以一定的交流电压和延迟触发角度a运行，其等值电路如下图所示：

其中，上图中的Rc相当于换流变到阀侧的等值换相电感，也很好的解释了换相电感对直流输出电压Ud的影响，使得Ud降低了Rc·Id 。
根据公式 可以画出整流器输出端的特性曲线图(正常运行时换相角度μ≤60︒),也称之为“等a外特性曲线图”。

当换相延迟角度a一定时，随着输出端直流电流Id的增大，输出电压Ud在减小；图中<<,随着a的增大，其输出端直流电压Ud会减小。
2.2 逆变的工作方式
逆变就是将直流电转换成交流电的工作方式，在直流输电工程中，逆变器相当于受端，整流侧相当于供端。这里，虽然逆变器是受端，但是目前大部分的逆变器都是有源逆变。它要求逆变器所连接的交流系统必须提供换流器的换相电压和电流，即受端交流系统必须有交流电源。
在实际运行过程中，直流输送线路上有很大的平波电抗器等滤波设备，输出的电压Vmn经过滤波之后，即会以平均直流电压Ud输出。因此，考虑到延迟触发角度a(此时不考虑换相电感)，当a<90︒时，>0,即Vmn为正，按照阀导通的方向送出直流电流，此时相当于向负荷端输送功率；在a>90︒时，<0，此时Vmn为负，按照阀导通的方向送出直流电流，就相当于负荷向换流器输送功率。（其实，该有源负荷就相当于整流端的输出直流电压，从而给逆变器端输送功率。下图中所示的“负荷”其实是一个虚拟对象，其目的是为了便于分析。）

考虑到现场，Y接型阀塔均与直流场相连接。根据电流的方向，对于整流器端，电流是从D阀流向Y阀，从而进行直流输出。那么，则对于整流端而言，可以分析出D接型的为，Y接型的为；从而，D阀的电流是从阀塔下部流向上部，从下向上为D1阀、D2阀。而Y阀的电流时从上部流向下部，从上向下依次为Y3阀、Y4阀。
而对于逆变端而言，电流是从Y阀流向D阀，从而进行直流输入。那么，可以分析出Y接型的为，D接型的为。
如上图所示，逆变器端的V m-n是小于0的，即n端为正电位端，m端为负电位端，同整流器端连接起来的等值电路图就如上图所示。
下面再对上述整体的电路进行分析（重点分析逆变器端）：

假设此时A相的V1阀导通，此时电流的流向为：
V6 eb ea
整流器正端 直流传输线路 V1 整流器负端
V2 ec ea
如果规定此时A相的电流方向为正，则B相的电流和C相的电流的方向为负。

若A相的V4阀导通，则此时的电流的流向为：
eb V3
整流器正端 直流传输线路 V4 ea 整流器负端
ec V5
那么，此时A相的电流方向为负，则B相的电流和C相的电流方向为正。
综上所述，可以看出，在不同时刻流经A相、B相和C相的电流是有正也有负的交流电。这样，当电流流过阀侧的绕组时，换流变的网侧也能感应相应的电流，从而将直流功率转变为交流电功率。
其实，从这里我们可以看出，不论是整流站还是逆变站，其实其原理是极其相似的。我们不妨将其都看为是整流过程，因为它们都是需要有交流电源提供换相电压，然后通过换相过程，将交流电变为直流电。只是，逆变过程之后，虽然变为直流电，但是由于其电电压和电流方向的原因，是由直流输出端向交流输入端流动，因此被看成了直流逆变为交流电。
由此，也可以得出逆变站要实现其正常工作，需要具备的几个条件：
（1）一个提供换相电压的有源交流系统
（2）一个直流电源（其实就是上述分析过程中那个能提供电源“虚拟负荷”），其极性必须与晶闸管导通的方向一致。
其实，通过分析可知，这个直流电源就是整流端输出的直流电压与逆变端输出的直流电压的电压差，即：

这里，需要注意的是V逆变是一个负值，由此我们可以将整流端和逆变端输出直流电压的绝对值之和做为直流输电线路整体的电压值。
（3）最后一条，也是很重要的一条，就是延迟触发角度必须a超过90︒（在换相角度μ=0︒情况下）。
若是，在换相角度μ≠0︒的情况下，那么整流和逆变的转折点就不简单的是触发延迟角度a=90︒了。仔细分析，整流和逆变的主要区别就在于经过换相之后输出的直流电压Vmn。如果Vmn>0，那么该端就是整流端；如果Vmn为负值，那么该端就为逆变端。由此，可以推断出，整流和逆变的“转折点”就在于Vmn=0。
通过1.2.2章节的分析，在换相角度μ≠0︒,且存在延迟触发角度a的情况下，直流输出电压，当时，
即， ，
则， ，

即在换相角度μ≠0︒的影响下，整流和逆变的转折点从a=90︒变为了a=。从而也就保证了在触发延迟角度a=90︒时，肯定处于逆变状态了。
在描述整流器端时，我们常常使用触发延迟角度a和换相角度μ来表示。从而，为了便于描述逆变器端（在逆变器端，a和μ的范围值在90︒到180︒之间，不符合人们用锐角表示的习惯），也可以用相关的参数来描述，它们就是逆变角β以及关断角γ。
γ
μ
β
a

由上图可以看出，逆变器端的逆变角β其实就是：触发脉冲发出的时刻到落后于自然换相点180︒的时刻之间的电气角度；而关断角γ则是阀关断的时刻(即阀上电流为零)到落后于自然换相点180︒的时刻之间的电气角度。由此，可以得出如下结论：

那么，根据前面所得，逆变器端的输出直流电压Vmn=Ud_逆可以如下表示：
，=

亦可以表示为：

3 总结
该文就高压直流输电的基本原理进行了简单的理论分析。主要就是讲述了换流器在整流和逆变过程的电路以及波形的分析，可以作为进一步提升和学习高压直流输电技术的理论基础。同时，在现代的高压直流输电技术中，并不是单桥运行，通常都是采用的多桥换流器。即：将多个6脉动换流器经过串联等形式组成以便获得更高的输出电压。