第二章 换流器的工作原理.
换流器的工作原理
直流输电的基本原理1 换流器电路的理论分析..................................................................... 错误!未定义书签。
1.1 忽略电源电感的电路分析(即L c=0)................................... 错误!未定义书签。
1.2 包括电源电感的电路分析(即L c≠0) .................................. 错误!未定义书签。
1.2.1 换相过程.................................................................................. 错误!未定义书签。
1.2.2 电路的分析............................................................................. 错误!未定义书签。
2 整流和逆变工作方式分析................................................................ 错误!未定义书签。
2.1 整流的工作方式 ....................................................................... 错误!未定义书签。
2.2 逆变的工作方式 ....................................................................... 错误!未定义书签。
3 总结......................................................................................................... 错误!未定义书签。
换流站的工作原理
换流站的工作原理标题：换流站的工作原理引言概述：换流站是电力系统中重要的设备，其作用是将交流电转换为直流电或者直流电转换为交流电。
换流站的工作原理涉及到电力系统的稳定运行和电能转换，下面将详细介绍换流站的工作原理。
一、换流站的组成结构1.1 主变压器：主要用于将高压交流电转换为适合换流器的电压。
1.2 换流器：用于实现交流电到直流电的转换或者直流电到交流电的转换。
1.3 控制系统：用于监控和控制换流站的运行状态，保证电力系统的稳定运行。
二、换流器的工作原理2.1 半导体器件：换流器中常用的半导体器件有晶闸管、二极管等，通过控制这些器件的导通和截止实现电能的转换。
2.2 逆变器和整流器：逆变器将直流电转换为交流电，整流器将交流电转换为直流电。
2.3 脉冲宽度调制技术：通过调节脉冲的宽度和频率来控制半导体器件的导通和截止，实现电能的精确转换。
三、换流站的运行控制3.1 电压控制：通过控制主变压器的变比和换流器的工作状态来实现电压的稳定。
3.2 频率控制：根据电力系统的需求调节逆变器和整流器的频率，保证电能的正常转换。
3.3 故障保护：控制系统实时监测换流站的运行状态，一旦发现故障即将采取保护措施，避免事故发生。
四、换流站的应用领域4.1 高压直流输电：换流站在高压直流输电系统中起到关键作用，实现长距离电能输送。
4.2 风电、光伏并网系统：换流站将风电和光伏发电的直流电转换为交流电并接入电网。
4.3 工业电力系统：换流站在工业电力系统中用于电能转换和负载控制，提高电力系统的效率。
五、换流站的发展趋势5.1 高效节能：换流站的设计将趋向于高效节能，减少能源损耗。
5.2 智能化控制：控制系统将更加智能化，实现远程监控和自动化运行。
5.3 多功能集成：未来的换流站将具备更多功能，如功率调节、谐波滤波等，提高电力系统的稳定性和可靠性。
总结：换流站作为电力系统中的重要设备，其工作原理涉及到电能转换和系统稳定运行。
换流器的工作原理
此电压称为有相控的理想空载直流电压。
3.整流器工作在有相控且有负载的情况（ 0,0 ）
图2-12 整流器工作在0,0情况下的电压波形
解释：
➢ 在换相角 之内，由于阀5和阀1换相，换流器交流端ca两相
短路，线电压 e c a 全部降落在这两相的换相电抗2 X 上，每相 的降落各为 e c a 的一半，所以这时m点的电位处于 e c 和 e a 两曲
同理，可取一周中的1/6波形来计算直流电压平均值，但积分的 上下限不同。
6
A 6 6
2E co sd22E sinco s 2E co s 6
6
(2-16)
取平均，即可求得在此情况下的直流电压的平均值
Ud A32EcosUd0cos (2-17)
vd ebc
图2-3 阀5和阀6导通时的电路
假定触发角为 ，则在 t 阀1触发开通的
瞬间，实际导通的电路变为图2-4。
图2-4 阀5和阀1换相时的实际电路
此时，阀5、6、1都导通了，等值电路如图 2-5所示。
图2-5 阀5和阀1换相时的等值电路
在分析换流器各组阀导通状态转换过程时， 一个基本原则是：在导通或关断瞬间，通过 电感的电流是连续的，不会突变。
逆变运行需要三个条件：
✓ 一个反极性的直流电源以提供连续的单向电流； ✓ 一个提供换相电压的有源交流系统； ✓ 要有足够大的关断越前角，以保证安全运行。
图2-16 作为逆变器运行的换流器
整流器和逆变器的不同：
✓ 触发滞后角的不同； ✓ 整流器功率从交流侧传送到直流侧，直流侧是负 载，而逆变器的功率是从直流侧传送到交流侧，直 流侧是电源。
第二章 换流器的工作原理.
di5 di1 Lr Lr ea ec (2-3) dt dt 由于ea ec ，所以 ir 的方向是从a点流向c点，因此： i1 ir i5 I d ir (2-4)
代入式（2-3），可得：
d I d ir dir Lr Lr ea ec dt dt
11
阀厅钢梁
直流连接1
屏蔽罩
屏蔽罩
阀层 阀模块
交流连接
10.4m
单阀
直流连接2
屏蔽罩 5.5m
屏蔽罩
二重阀阀塔外形图
阀等效：单个晶闸管
K g
A
阀导通条件：
阳极电位高于阴极电位，阀承受正向电压； 触发脉冲。
假定条件：
三相交流电源的电动势是对称的正弦波，频率恒 定； 交流电网的阻抗也是对称的，而且忽略不计换流 变压器的激磁导纳； 直流侧平波电抗器具有很大的电感，使直流侧电 流经滤波后波形是平直的，没有纹波； 阀的特性是理想的，即通态正向压降和断态漏电 流小到可以忽略不计； 六个桥阀以1/6周期的等相位间隔依次轮流触发。
vn
ia ib ic
ia iv1 iv 4
ib iv 3 iv 6
ic iv 5 iv 2
2-滞后触发
Ld
m
Id
ea
o
Lɤ
ia
ib
1
a
3
5
+
eb
Lɤ Lɤ
b c
vd
6
n
Ud
_
ec
ic
4
2
单桥整流器的等值电路图
触发滞后角
P1
P3
1
3
电压波形（>0，=0 ）
换流器的工作原理讲解
求积分后，得：
2E sin t
(2-6)
ir
2E
2 Lr
cos t
A
2E 2Xr
cos t
A
Is2 cos t A (2-7)
式中， Lr X r --从电源到桥之间的每相等值电抗；
2E 交流系统在换流器交流端两相短路 I s 2 2 Lr 时，短路电流强制分量的幅值；
A -- 积分常数。
2.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
直流电 压有缺
口
图2-11 整流器工作在 0, 0情况下的电压波形
同理，可取一周中的1/6波形来计算直流电压平均值，但积分的 上下限不同。
A 6
ea ea
ec
2E
2E sin t
sin t 120
(2-2)
ebc ebo eoc ec eb
2E
sin
t
120
可以从阀5和阀6导通，其余各阀阻断的状态 开始，并且假定整流器向直流线路输出的直 流电流为 I d ，这时，整流器实际导通的电路 为：
vd ebc
图2-3 阀5和阀6导通时的电路
在 t 时，电路从一组阀（阀5和阀6）导通改变成
另一组阀（阀5、阀6和阀1）导通的瞬间，电流不会突变，
即：i1 ir 0
所以式（2-7）中的积分常数：
A
2E cos
2Xr
Is2 cos
将式（2-8）代入式（2-7）中即得：
(2-8)
i1
ir
2E 2Xr
cos
cost
Is2
cos
cost
大，而阀5电流逐渐减小。
如果经过一定相角 μ 之后，电流 ir增大到 Id。即当t
直流输电换流原理讲义
-
2Xg Id 2E
其它参数不变的情况下：
Id、E、 Xg 、 a
g
2020年3月27日
42
第二章 换流器的工作原理
换相重叠角g（a 变化时）
直流输电换流原理
2020年3月27日
43
第二章 换流器的工作原理
换相角g 与工况
直流输电换流原理
2020年3月27日
44
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
直流输电换流原理
2020年3月27日
19
补充材料：晶闸管阀
阳极电抗
均压电路
稳态均压电阻
直流输电换流原理
晶闸管 关断暂态均压
冲击陡波均压
组间均压
2020年3月27日
20
补充材料：晶闸管阀
换流器桥臂
组件
2020年3月27日
直流输电换流原理
桥臂
21
第二章 换流器的工作原理
换流器的功能
直流输电换流原理
• 交流－直流变换 • 直流－交流变换 • 直流－直流变换 • 交流－交流变换
整流器 逆变器 斩波器 变频器
2020年3月27日
22
第二章 换流器的工作原理
三相交－直换流器桥接线
共阴极组
直流输电换流原理
桥臂
2020年3月27日
共阳极组
23
第二章 换流器的工作原理
三相桥式换流器的优点
直流输电换流原理
i1
换相中
ig
ti=L1=g-=iIa1dds22iL2=ig:t1gL;2=ii-gL1gdEdg=id2L=tdgcigX2tiigog-5IEdgssd===2Lit5(g0eIct=c;ddoaA(s-e=IAaad=idg-=-t-22e-icX2gcEo2E)g=ssX2=icenEgocetascc)aaotis5
换流器的工作原理
直流输电的基本原理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，、和表示A、B、C三相交流电压，它们之间相差120゜。
令(150)(30)(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，为了便于分析，我们先假设该电感不存在，即0。
（一）无触发延迟（触发角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，0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゜，V16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波形。
从图1-2中可以看出直流线路上的输出电压的电压与m点和n点的电势有很大关系，即不难发现，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。
换流器的工作原理
2.2 单桥整流器的工作原理
2.2.1 换相过程
交流系统三相等值电势
交流系统每相 等值电感
图2-2 单桥整流器的等值电路图
如果以系统等值电动势 eca 的矢量作为基准， 则电源相电动势的瞬时值为
ea eoa eb eob ec eoc 2 E sin t 30 3 2 E sin t 90 3 2 E sin t 150 3
此时，阀5、6、1都导通了，等值电路如图 2-5所示。
图2-5 阀5和阀1换相时的等值电路
在分析换流器各组阀导通状态转换过程时， 一个基本原则是：在导通或关断瞬间，通过 电感的电流是连续的，不会突变。
在等值电路中有：
di5 di1 Lr Lr ea ec (2-3) dt dt 由于ea ec ，所以 ir 的方向是从a点流向c点，因此： i1 ir i5 I d ir (2-4)
所以
A 3 2 U E cos cos 3 2
Ud 0 cos cos Vd 0 sin sin (2-21) 2 2 2
将式（2-11）代入上式可得换相压降：
图2-8 换相角 的大小和换流器工作过程中 同时导通的桥阀数的关系
2.2.2 整流器的直流电压和换相压降
1.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
六脉动
vd eba
图2-9 整流器工作在 0, 0 情况下的电压波形
整流器的直流电压 Vd在一周之中是由六段相同的正弦曲线 段组成的，求其平均值时，只要取其中的一段计算。 假定基准纵轴Y-Y位于 t 30处，则曲线 eba 的纵坐标可 用 2 E cos 表示。在 从 6 到 6 间隔内，这段 曲线下的面积为：
换流器的工作原理
换流器的工作原理
换流器（inverter）是一种将直流电能转换为交流电能的装置。
它主要由晶体管、电容器和电感器等元器件组成。
换流器的工作原理如下：
1. 输入直流电能：换流器的输入端接收来自直流电源的直流电能。
2. PWM调制：换流器通过对输入的直流电能进行PWM（脉宽调制）控制，将直流电能转换为高频的方波信号。
3. 电感滤波：将PWM产生的高频信号通过电感器进行滤波，去除方波的高频分量，得到一个类似于正弦波的信号。
4. 晶体管开关：通过晶体管开关控制滤波后的信号，将其转换为交流电能。
5. 输出交流电能：换流器的输出端输出经过转换的交流电能，可以用于驱动交流电机、供电给交流电设备等。
总之，换流器通过PWM调制和晶体管开关的控制，将输入的直流电能转化为交流电能。
换流器工作原理
换流器工作原理
换流器工作原理是指利用变压器的原理，通过交变电流在初级线圈跟副级线圈之间的耦合，将输入电源的交流电压转换为输出电压，从而实现电能的转换与传输。
换流器主要由输入电源、主变压器、副变压器、整流桥和滤波电路组成。
输入电源提供交流电源，通过主变压器提供所需要的变压比例，然后经过副变压器再次进行变压，得到所需的输出电压。
整流桥将变压器输出的交流电流转换为直流电流，滤波电路则对直流电流进行滤波处理，使得输出电压更加平稳。
具体来说，当输入电源提供交流电流时，通过主变压器的电感耦合，将输入电压传递到副变压器的线圈上。
由于主副线圈的匝数比不同，所以会按照变压比例进行电压转换。
副变压器的输出电压经过整流桥的四个二极管进行整流操作，将交流电流转换为直流电流。
然后通过滤波电路对直流电流进行滤波处理，去除电流中的脉动，使得输出电压更加平稳。
换流器工作原理中的核心是变压器的电感耦合和整流桥的整流操作。
通过变压器的电压传递和变压比例转换，实现输入电压到输出电压的转换。
而整流桥的整流操作则将交流电流转换为直流电流，并通过滤波电路进行平滑处理，使得输出电压具有稳定性。
总的来说，换流器通过利用变压器的原理进行电能转换，将输入交流电压转换为输出直流电压，并通过滤波电路使得输出电
压更加平稳。
这种工作原理使得换流器在不同的电力系统中得到广泛应用。
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0
360
0
1.2
单桥整流器自然换相过程（=0，=0 ）
阀电流波形（=0，=0 ）
p1 p2 p3 p4 p5
p6 p1
p2
p3
ea
C1
0
60C3
0
eb
C5 180
0
ec
300
0 0 C1 0
vm
C3
360
C2
120
0
C4
240
t
C6
C2
v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4 v4v5 v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4
C3
12
0
120
0
6
10
ea
1 0.5
eb
C5 180
0
ec
ec
0
vm
0
C1
0 2
ea
C2
60C3
0
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eb
300
8
C1
360
0
ea
C2
C3
12
0
120
0
6
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0.5
C4
240
t
C6
1
v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4 v4v5 v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4
2 1.5
vn
ebc eba eca ecb eab eac ebc eba eca ecb
直流输电与FACTS技术
杨用春 电力工程系电力教研室 E-mail：yongchunyangjx@
1
第二章 换流器的工作原理
• • • • • 概述 单桥整流器的工作原理 单桥逆变器的工作原理 多桥换流器简介 换流器的常见故障
§2.1 概述
• 两端HVDC系统示意图
交流系 统A 换流站Ⅰ 换流站Ⅱ
vm
C3
360
C2
120
0
Байду номын сангаас
C4
240
t
C6
C2
v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4 v4v5 v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4
vn
1.2
ebc eba eca ecb eab eac ebc
3 2 3
vd
60
0
0
180 120
0
0
300 240
0
6.28
0
12.57
0
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vd
t
0.5
60
0
180 120
0
0
6
300 240
0
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8 10 12
0
2
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0.5
1
阀电流波形(>0，=0 ）
p1 p2 p3 p4 p5
p6 p1
p2
p3
p4
p5
ea
1 0.5
eb
C5 180
0
ec
ec
0 0 C1 300
8
vm
ea
360
0
C1
0 2
ea
C2
60C3
0
4
eb
2.2 单桥整流器的工作原理
交流系统三相等值电势
Ld
m
Id
ea
o
Lɤ Lɤ Lɤ
ia
ib
1
a
3
5
+
eb
b c
vd
6
n
Ud
_
ec
交流系统每相 等值电感
ic
4
2
单桥整流器的等值电路图
如果以系统等值电动势 eca 的矢量作为基准， 则电源相电动势的瞬时值为
ea eoa eb eob ec eoc 2 E sin t 30 3 2 E sin t 90 3 2 E sin t 150 3
三相电压波形图
线电压波形图
2.2.1 工作过程的定性分析-自然换相
Ld
m
Id
ea
o
Lɤ
ia
ib
1
a
3
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+
eb
Lɤ Lɤ
b c
vd
6
n
Ud
_
ec
ic
4
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单桥整流器的等值电路图
1 -自然换相
p1 p2 p3 p4 p5
p6
p1
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p3
ea
C1
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60C3
0
eb
C5 180
0
ec
300
0 0 C1 0
11
阀厅钢梁
直流连接1
屏蔽罩
屏蔽罩
阀层 阀模块
交流连接
10.4m
单阀
直流连接2
屏蔽罩 5.5m
屏蔽罩
二重阀阀塔外形图
阀等效：单个晶闸管
K g
A
阀导通条件：
阳极电位高于阴极电位，阀承受正向电压； 触发脉冲。
假定条件：
三相交流电源的电动势是对称的正弦波，频率恒 定； 交流电网的阻抗也是对称的，而且忽略不计换流 变压器的激磁导纳； 直流侧平波电抗器具有很大的电感，使直流侧电 流经滤波后波形是平直的，没有纹波； 阀的特性是理想的，即通态正向压降和断态漏电 流小到可以忽略不计； 六个桥阀以1/6周期的等相位间隔依次轮流触发。
(2-1)
其中，E为电源线电动势的有效值。
则相应的线电动势为：
eab eb ea 2 E sin t 120 ebc ec eb 2 E sin t 120 eca ea ec 2 E sin t
(2-2)
降低在扰动和正常换相期间在晶闸管级上产生的陡波前浪涌
7
换流阀
阀组件（或阀模块、阀段） 若干晶闸管级串联并与阳极电抗器串联后，再与均压 电容并联，组成阀组件
8
换流阀
单阀（阀臂） 若干个阀组件串联连接组成一个单阀。单阀组成6脉动换 流器的一个臂，所以单阀也称为阀臂
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桥臂符号
组件
vn
ia ib ic
ia iv1 iv 4
ib iv 3 iv 6
ic iv 5 iv 2
2-滞后触发
Ld
m
Id
ea
o
Lɤ
ia
ib
1
a
3
5
+
eb
Lɤ Lɤ
b c
vd
6
n
Ud
_
ec
ic
4
2
单桥整流器的等值电路图
触发滞后角
P1
P3
1
3
电压波形（>0，=0 ）
p1 p2 p3 p4 p5 p6 p1 p2 p3 p4 p5
换流器桥臂
换流阀
换流器 换流站中用以实现交、直流电能 相互转换的设备，也称换流阀组。 换流器通常由换流阀接成一定的 回路进行换流。换流器采用一个 或者多个三相桥式换流电路（也 称为6脉动换流器或6脉动换流阀 组）串联构成。两个相差30的6 脉动换流器串联可构成一个12脉 动换流器，或称12脉动换流阀组
vn
iV1 iV2 iV3 iV4 iV5
iV6
相电流波形（=0，=0 ）
p1 p2 p3 p4 p5 p6 p1 p2 p3
ea
C1
0
60C3
0
eb
C5 180
0
ec
300
0 0 C1 0
vm
C3
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C2
120
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C4
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t
C6
C2
v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4 v4v5 v5v6 v6v1 v1v2 v2v3 v3v4
交流系 统B
三相桥式换流器的原理结线图
• 桥臂组成方式--晶闸管串联和并联
M M
晶闸管
A A
串联方式需要均压，并联方式需要均流
晶闸管
电压：5.5~9kV 电流：1.2~6kA
晶闸管级
晶闸管级：由晶闸管元件、阻尼回路、均压回路以及触发、保 护、监视回路（晶闸管控制单元TCU）组成 RC阻尼电路的功能 限制晶闸管关断时刻的换相过电压