直流输电换流原理(整流部分)
直流输电技术-总结与复习
ij
Id
Id
cos cos(t 120) cos cos( )
35
整流器的阀电流（续）
有效值:
IV
1
2
is2d(t)
2
3
2
3
i2j d(t)
2
3
Id2
Id 3
13 (, ) 0.577Id
13 (, )
36
换流装置的功率因数（直观分析）
2
2013年1月7日
37
• 情况（ 60 ）：
• 情况2（ 60 < 90 ）： 60
• 情况3（ > 90 ）： 30 30
45
15
50
逆变器安全运行条件
> 45时：
? 15
• 情况（ < 60 ）：
• 情况2（ 60 < < 90 ）： 60
• 情况3（ > 90 ）： 30 30
交直流输电的比较
8
HVDC优点
技术上：
1.有利于改善交流系统的稳定性 2.线路故障时的自防护能力强 3.调节速度快，运行可靠 4.限制交流系统的短路容量 5.实现交流系统的非同步联网（输电） 6.同等电压等级下，输送更多的功率
可靠性：直流输电与交流输电的可靠性相当 经济上：
1. 线路造价低 2. 运行损耗小 3. 特别适合电缆输电
无相控整流器阀臂的导通顺序及电流电压波形
13
无相控整流器（续）
• 整流器的直流电压
vd = vm vn
vm vn
脉动六次
14
平均直流电压
eba
2E sin(t )
3
2E
sin(0
传统直流输电控制原理
1.整流器部分工作原理整流部分的结构是三相桥式电路，如图1所示。
图1 整流器电路图e a 、e b 、e c 为等值交流系统的工频基波正弦相电动势，图2 整流侧电压波形（a ）为m 、n 点对中性点的电位，（b ）为直流侧电压u d ，（c ）为触发脉冲。
图（a ）中C1为自然换向点，角度α为延迟触发角，即晶闸管开始导通的角度；μ为叠弧角（换向角），即电流从一相换到另一相的时间。
定义熄弧延迟角为δ， δ=α+μ。
理想直流侧空载电压为απcos 23V r 0E r d =（1）换向引起的压降可用等值换向电阻R cr 代替，可以计算出直流侧电压平均值为dcr r d d cr dr I I E R -cos V R -cos 23V 0r ααπ==（2）图3 整流侧外特性随α增大，直流侧电压减小。
2.逆变器部分工作原理图4 逆变器电路图逆变器和整流器的原理接线图相同，根据式（1）απcos 23V r 0E r d =，若延迟触发角α为90°时，cos α=0直流侧电压为0，当α>90°时，直流侧电压为负值，变流器做逆变运行，为方便起见，定义β=180°-α，为超前触发角。
设逆变侧直流空载电压为V d0i ,则ii 023V E d π=（3），考虑换向角μ的存在，用R ci 作为逆变侧等值换向电阻，作为逆变侧换向引起的压降，则直流侧电压为dci i d dci d ci d ci di I I E I E I E R -cos V R -cos 23-R -)180(cos 23-R -cos 23V 0i i i ββπαπαπ-==-︒==（4）定义超前熄弧角（也叫关断角）为γ，γ=π-δ=π-α-μ=β-μ。
3.控制原理直流输电的接线原理简图：图5 直流输电原理简图直流输电等效电路图：图6 直流输电等效电路图其中α为整流器延迟触发角；β为逆变器的超前触发角；γ为逆变器熄弧角；V d0r 和V d0i 分别为整流侧和逆变侧的无相控理想空载直流电压；R cr 和R ci 分别为整流和逆变侧的等值换相电阻，等效了换向损失的电压，但不是真正意义的电阻，不消耗有功功率。
直流输电换流站的原理
直流输电换流站的原理直流输电换流站（HVDC变流站）是高压直流输电系统的一个重要组成部分。
它的主要作用是将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电，以实现不同电压等级之间的能量传输。
直流输电换流站在全球范围内被广泛应用于长距离电力传输、异地互联以及直流电网的构建等方面。
以下将详细介绍直流输电换流站的原理。
直流输电换流站主要由换流变压器、用于控制直流侧电流的可控整流器和用于控制交流侧电压的可控逆变器等基本部分组成。
它通过控制和调节这些部件的工作状态和参数，实现交直流之间的互换。
首先，换流变压器是直流输电换流站的核心部件之一。
它负责将高压交流电连接到换流站的交流侧，并将其转换为低压交流电。
同时，换流变压器还承担着升降电压的作用，使得直流电源和负载之间的电压匹配。
换流变压器通常采用三相铁芯变压器结构，其中包含交流侧绕组、直流侧绕组和中性点连接器等。
换流变压器的设计和制造对于直流输电系统的性能和效率具有重要影响。
其次，可控整流器是直流输电换流站的关键设备之一。
它通过控制可控硅等半导体器件的导通和关断，将交流电转换为直流电。
可控整流器不仅能够实现电压的控制，还可以实现变流器的功率因数调节。
可控整流器通常采用双向可控硅和并联整流器等结构，以适应不同的输电能力和电压等级。
同时，可控整流器还需要配备控制和保护系统，以确保整流器的安全可靠运行。
另外，可控逆变器也是直流输电换流站的重要组成部分。
可控逆变器通过控制可控硅等半导体器件的导通和关断，将直流电转换为交流电。
可控逆变器不仅可以实现电压的控制和调节，还可以实现直流系统的频率调节。
可控逆变器通常采用多电平逆变器和子模块化逆变器等结构，以提高逆变器的输出质量和效率。
此外，还需要配备控制和保护系统来充分调节和保护直流输电换流站的正常运行。
控制系统主要负责对直流侧电流、直流侧电压、交流侧电流和交流侧电压等参数进行实时检测和控制。
保护系统主要负责对直流输电换流站的设备和线路进行监测和保护，以确保直流输电换流站的安全可靠工作。
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
直流输电原理
17
6 脉动桥触发脉冲序列示意
18
稳态直流电流
19
整流换流器直流电压
20
整流侧直流电压波形 （不考虑换相阻抗）
21
换相过程电流、电压
UM=(UA+UB)/2
UA UB UC
M+
N-
22
阀1向阀3换相过程中， 直流M端电压变化情况
23
换相过程的直流电压
24
C
A
B
C
A
B
相
电
压Байду номын сангаас
整
（UA+UB ）/2 直
R R为直流回路电阻，主要包括：直流线路电阻、平波
电抗器电阻、接地极引线电阻及接地极电阻。
42
整流侧 逆变侧
直流输电基本原理
直流功率 Pd
双极 单极 双极 单极
P d ? 2U d 1Id P d ? U d1Id
P d ? 2U d 2 Id P d ? U d 2Id
43
换流带来的问题
（1）换流器需要消耗大量无功； （2）换流在交流侧产生谐波电流、在直流侧
? 阀电压、换相电压、直流电压
? 整流、逆变
? 触发角、换相角、熄弧角
5
换流设备的基本构成 （1）换流基本元件（可控硅） （2）换流基本单元（ 6脉动换流阀）
6
换流基本元件（可控硅）
正面为阴极
背面为阳极
阳极(A)
控制极
门极(控制 极G)
阴极(K)
7
反向闭 锁状态
可控硅基本特性
导通状态 闭锁状态
33
直流系统主回路
双端直流系统运行时，整流器作为电源侧 , 逆变器作为负荷侧。
直流输电基本原理
逆变器定γ 等值电路
逆变器定β 等值电路
稳态特性
μ δ=γ
单桥换流器稳态特性
直流电压与a角的关系
换流器的功率因数
a
μ
2
μ
μ
μ
相关公式总结
U d 1.35 U cos a 3
整流
3
L I d
L I d )
逆变
U d (1.35 U cos
5 6
6 1
1 2
2 3
3 4
4 5
6 1 2
1 2 3
eba
2 3 4
eca
3 4 5
ecb
4 5 6
eab eac ebc
180
5 6 1
6 1 2
1 2 3
eba
2 3 4
eca
3 4 5
ecb
4 5 6
0.5
ud
120
a a
a 3
2
4
6
8
10
12
t
0.5
uV 3
1
整流桥波形
逆变电压
V1 V5V1 C V5 P1 c4 A
a
经过计算
3
U d (1.35 U cos
L I d )
逆变器的阀电压与阀电流
单桥逆变器阀电流波形
2 1.5
p5
p6
p1.
p2
p3
P4
p5
p6
p1
p2
p3
p4
1
0.5
ea
0
eb
C3 C5 C4
6 1 6 1 2 1 2 3
2-4直流输电系统
直流输电的优点
• 联网后不会增大短路容量 • 两端交流系统间不存在稳定问题和同期问题 • 稳态下，不存在交流长电缆线路的容性电纳
引起的电压升高 • 直流线路由于电压没有正负交替，所以无充
放电电流 • 产生较大的谐波电流和电压 • 用直流联网，便于分区调度，有利于故障时
交流系统间快速紧急支援和限制事故扩大 • 长距离电力电缆输电宜采用直流输电
多端直流系统是指与交流电力系统有3个或3个以上连接节点 的直流系统。其每个换流站都与各自的交流系统连接，多端 直流输电线路构成直流网络
直流网络可分为分支方式和闭环方式 闭环方式又分为并联型和串联型
两端直流系统是特例
多端直流输电系统
换流器并联一 直流网络分支
方式
换流器并联一 直流网络闭环
方式
换流器串联一 直流网络闭环
中性点两端接地方式
双极系统三种方式：……
中性点一端接地方式：也称 两线制。避免了腐蚀问题。
但是一极线路发生故障，迫 使健全极停运。若未接地换 流站中性点可以接地，则可 以恢复单极运行。
中性点一端接地方式 中性线方式
中性点两端接地方式
双极系统三种方式：……
中性线方式：也称三线制。 避免了腐蚀问题。单极可以 连续运行
直流输电的缺点
• 换流器消耗无功功率大 • 可控硅元件过载能力低 • 以大地（海水）方式工作时，对沿途金属设施造成腐蚀 • 灭弧困难
交流输电和直流输电比较
• 直流输电采用双极中性点接地方式时，同样截面和绝缘水 平下，2根导线的直流和3根导线的交流输送有功近似相等， 因此直流架空线路更经济
• 电缆绝缘用于直流的容许工作电压比用于交流时高2倍 • 换流站的投资远高于同等容量、相同电压的交流变电站
直流输电基本原理
相电流
桥臂电压
逆变运行
逆变运行小结
超前角 ＝180°－a 迭弧角 关断角 (δ ) 熄弧角，换相余裕角
直流电压 Vd＝Vdiocos ＋dId Vd＝Vdiocos －dId Vdio＝1.35E 理想空载直流电压 E 换流变阀侧线电压有效值 d ＝3L / 等值换相电阻 Id 直流电流
交流量和直流量的近似关系
• 交流电流和直流电流 换流桥交流侧电流有效值 I=( 6/)*Id = 0.78Id 换流桥交流侧基波电流有效值 I1=( 6/)*Id*k1 k1 = f(a,) • 交流电压和直流电压 Vd = [3*2/(2)]*E*[cosa+cos(a +)] • 换流器视在功率 W = 3*E*I • 换流器总功率因数 cos = [cos a + cos (a+)]/2 • 交流功率和直流功率 P = Pd 忽略换流器损耗（< 1％Pdn）
定Ud、定Id
Vd
(p.u.)
Vd
(p.u.)
1.0
C
B
0.8
b
c
0.0
Id(p.u.)
0.0
Id(p.u.)
控制特性配合4
电流裕度控制
(p.u.) Vd
°
Vd
(p.u.)
1.0
γ
1.0
In
γ =18°
Idz
Idn
Idz
∆I
0.0
Id(p.u.)
0.0
Id(p.u.)
电流调节器示意
Id调节例
小结
直流滤波器
等效干扰电流 表示所有谐波的综合干扰效应，沿线 分布 Ieq(i) = [Ie(i) A2+ Ie(i) B 2]1/2 Ie(i) A 换流站A直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值 Ie(i) B 换流站B直流谐波电压源在i点产生的等效干扰电流幅值 3. 性能衡量标准 Ieq目前国际上尚无统一标准
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eca 过零点
计时起点
eab 过零点
ebc 过零点
ebc 过零点
eca 过零点
eab 过零点
9
单桥整流器触发时间范围
触发V1前导通
va vc v1 0
v1 va vc
180
10
无相控整流器
理想的假定条件
• 三相交流电源对称、正弦、频率恒定 • 交流电网阻抗对称，忽略换流变压器激磁导纳 • 大电感平波电抗器，换流器直流侧电流为纯直流 • 阀的特性是理想的 • 桥阀等相位间隔依次轮流触发
6
sin 2 sin 2( ) 2
4cos cos( )
Id
54
整流器的功率分析（续）
基波分I量(1) :
I2 (1) y
I2 (1)w
6
k(1)Id
cos 2 cos 2( )2 sin 2 sin 2( ) 2 2
k(1)
4cos cos( )
1 cos cos( ) 1 csc csc(2 ) ctg(2 )2
换相开始
换相结束
2012年12月3日
33
整流器换相过程（续）
换相过程：六个电子开关轮流工作
• i ：换相电流（两相短路电流） • vac ：换相电压（两相短路电压） • X ：换相电抗 • 换相期间三阀导通；非换相期间两阀导通
2012年12月3日
34
换相角
arccos
cos
2X
Id
2E
1
csc csc(2 ) ctg(2 )2 1
2012年12月3日
59
换流装置的功率因数（工程应用）
较精确
cos
cos (1)
cos
2
较粗略
cos cos(1) cos
60
换流装置的功率因数分析（续）
P= 3 T
T
eidt
0
3 T
T
ei(1)dt
0
3 T
T
ei(n)dt
n1 0
3
eb eob
2 E sin(t 90)
3
ec eoc
2 E sin(t 150)
3
• 线电势
eca ea ec 2E sin t eab eb ea 2E sin(t 120) ebc ec eb 2E sin(t 120)
8
电网侧电势量分析（续）
• 交流侧电源线电势过零点
0.78Id
2012年12月3日
52
整流器的功率分析
有功功率平衡： PAC PDC
3EI(1) y Vd I d
32
2
E[cos
cos(
)]I d
基波有功分量:
I(1) y I(1) cos (1)
6 cos cos( )
2
Id
53
整流器的功率分析（续）
基波无功分量:
I(1)w I(1) sin(1)
• 当a=180时，Pa为最大负值而Qa为 零。不管换流器是用作整流器或是逆 变器，它都要从系统吸收无功功率。
24
有相控整流器——带触发滞后
• L 存在（换流变压器漏感、交流系统等值电感等） • L 的存在使得阀电流不能突变 • 存在同一半桥中两阀同时导通的区间 • 直流负载电流 Id 从一阀向另一阀转移 • 换相过程为两相短路过程
换相中
1 2 (ebc
• m点电势：OR
•
n点电势：
OB
•
换向过程直流电压：1
2
(ebc
eab )
• 缺口面积纵坐标长度：?
38
整流器的换相压降（， ）
A=
1
2E sin d
2 E cos cos( )
2
2
V
A
32
2
E cos
cos(
)
3
Vd 0 2
cos
cos(
)
Vd 0
sin
2
120 矩形波，波形形状与无关，相位与有关
I 1 T i 2 dt
T0
IV 0
1
2
2
3
I
2 d
1 3
Id
0.577 I d
20
整流器电流分析
整流器的交流侧电流（ ）
总有效值：=?
I
2
2
2
3
Id2
2 3Id
0.816Id
2012年12月3日
21
整流器电流分析（续）
整流器的交流侧电流
13 (, )
2012年12月3日
49
思考题：整流器的阀电流（续）
(,
)
1
2
sin
2
cos(2
cos
) 12cos cos( )2
cos(
)
2012年12月3日
50
整流器的阀电流（续）
• 修正系数性质 有效值系数：
2012年12月3日
51
整流器的交流侧电流（ ）
有效值:
I 2IV 0.816Id 13(, )
换相前 换相中 换相后
28
整流器换相过程（V5 V1 ）
i1
换相中
L
di1 dt
L
di5 dt
ea
ec
eca
i1 i ; i5 Id i
i5
2012年12月3日
L
di dt
L
d(Id i ) dt
eca
2L
di dt
eca
2Esint
29
整流器换相过程（V5 V1 ）
i
2E
换相角与工况
2012年12月3日
45
换流器电流分析
整流器的阀电流和交流侧电流（， ）
下降段
阀
非换相段（直流）
电
上升段
流
交 流 侧 电 流
2012年12月3日
46
整流器的阀电流（ ）
上升段（ t + ）:
is
E (cos cost)
2X
Id
cos cost cos cos(
)
2012年12月3日
sin
2
V
3 L
Id
3
X Id
6 fL Id
R Id
等值换相电阻
2012年12月3日
39
换流装置的等值电路
Vd
Vd 0 2
cos
cos(
) Vd 0
cos
2
cos
2
Vd
0
cos
3X
Id
Vd 0 cos R Id
等值换相电阻
有相控理想空载电压
无相控理想空载电压
有相控带载输出电压
40
cos
3
• 延迟触发的影响：平均直流电压减少 cos 倍
• α可由0度变成180度，Vd 可由 Vd0 变为 Vd0
16
整流器的空载直流电压
30°
> 30°
17
整流器的直流电压（α变化）
阀电势
直流电压
18
整流器的阀电流和交流侧电流
阀 电 流
交 流 侧 电 流
19
整流器电流分析
• 整流器的阀电流
阀的利用率高
• 换流变压器容量较小
变压器的利用率高
• 换流变压器接线较简单
• 阀的伏安容量较小
• 直流电压纹波较小
5
三相桥式换流器（续） 直流平波电感
交流电源
交流侧电流
阀电流
直流侧电流
换相电感
直流侧电压（滤波前）
单桥整流器
直流侧电压（滤波后）
6
三相桥式换流器（续）
三相桥式换流器中重要的量
• 交流侧相电压： va、 vb、 vc 桥交流端对 “O”点电位
直流输电基础
直流输电换流原理 （整流部分）
主要内容
单桥换流器
整流器
无相控：电压、电流、功率 有相控：电压、电流、功率
逆变器
双桥换流器 谐波
2
典型双极直流系统接线图
3
三相桥式换流器
• 三相交－直换流器桥接线 共阴极组
桥臂
共阳极组
4
4
三相桥式换流器（续）
三相桥式换流器的优点
• 桥阀承受的电压峰值较低
63
单桥换流器的计算公式（ ）
2012年12月3日
64 64
单桥换流器的计算公式（ ）（续）
65
END
66
整流器的直流电压（变化， ）
阀电势
直流电压
2012年12月3日
41
整流器的阀电压
2012年12月3日
关断（承受反压）
导通
关断（承受正压）
42
整流器的阀电压（变化， ）
阴/阳极电压
V1的阳极电位（蓝）和阴极电位（红）
2012年12月3日
43
整流器的阀电压（变化， ）
阀电压
2012年12月3日
44
cos
2
cos
2
57
换流装置的总功率因数（精确分析）
cos = P
W
3
cos
2
cos
2
1 3 (, )
0.955
cos
2
cos
2
1 3 (, )
0.955
cos
cos
2
cos
2
1cos cos( )
2
58
换流装置的基波功率因数（精确分析）
cos(1) =
cos2 cos2( )