第二讲换流器基本理论及特性方程演示文稿
第二章换流器理论1——整流基本原理
具有哪些 优点？
2012-09-12
4
四种整流电路的比较
单相全波
单相桥式
V1 V3
2.1 概述（续）
Id
Id
Ud
Ud
V4
V2
三相半波
Id
三相全波
各自输出的 电压波形？
Ud
2012-09-12
5
1.单相全波
2.单相桥式
V1 V3
3.三相半波
Id
4.三相全波
Id
K / 1
序号 名称 阀数 脉动数 电 流 阀
体积大，有逆向导通的可能性。
从上个世纪70年代中期开始，所有的HVDC系统均采 用晶闸管阀。
2012-09-12 8
晶闸管 ——硅晶体闸流管的简称，是目前工业中实现大 容量功率变换和控制的主要电力电子器件。
晶闸管相当于一个可以控制接通的导电开关。
晶闸管是半导体型功率器件，对超过极限参数运用很敏 感，实际运用时应该注意留有较大电压、电流余量 ，并
R
iC 2 β2iG
i B 2 iG
iC 2 2 iG i B 1
iC1 β1 β2iG
G
iG
T2 EA
+ _
iC 1 β 1 iC 2
1 2 iG i B 2
在极短时间内使两个 三极管均饱和导通， 此过程称触发导通。
13
EG K EA > 0、EG > 0
2.094Pd 1.481Pd 1.209Pd
6 Id 0.333Id 0.816Id
/K 0.140Ud
变压器 有效值
Id
/K 1.571Ud
高压直流输电系统PPT课件
（3）过负荷能力
通常，交流输电线路具有较高的持续运行能力，受发热
条件限制的允许最大连续电流比正常输送功率大得多， 其最大输送容量往往受稳定极限控制。
直流线路也有一定的过负荷能力，受制约的往往是换流
站。通常分2h过负荷能力、10s过负荷能力和固有过负荷 能力等。前两者葛上直流工程分别为10％和25％，后者 视环境温度而异。
以下是维持高功率因数的几个原因：
在给定变压器和阀的电流和电压额定值的 条件下，使换流器的额定功率尽可能高；
减轻阀上的应力； 使换流器所连接的交流系统中设备的损耗
和电流额定最小； 在负荷增加时，使交流终端的电压降最小； 使供给换流器的无功功率费用最小。
控制特性
图4.1.2 理想的稳态伏安特性（Vd是在整流器上测量的值；
当电压降低时，也会面临换相失败和电压不稳定的风险。 这些和低电压条件下的运行状况有关的问题可通过引入 “依赖于电压的电流指令限制”（VDCOL）来防止。当 电压降低到预定值以下时，这个限制降低了最大容许直流 电流。VDCOL特性曲线可能是交流换相电压或直流电压 的函数。图示出了这两种类型的VDCOL。
Id
Vdorcos Vdoi cos Rcr RLRci
Pdr VdrId
P di VdiIdP drRLId 2
图3.1.1 HVDC输电联络线 （a）示意图；（b）等值电路；（c）电压分布。
高压直流系统通过控制整流器和逆变器的 内电势（Vdorcosα）和（Vdoicosγ）来控制 线路上任一点的直流电压以及线路电流 （或功率）。这是通过控制阀的栅／门极 的触发角或通过切换换流变压器抽头以控 制交流电压来完成的。
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
第二章换流器理论3——多桥换流器
High Voltage Direct Current Transmission Technology
西安交通大学高压教研室 汲胜昌 2012年 09月~ 11月
2012-09-12
1
第二章 换流器理论及其特性方程
2012-09-12
2
2.5 多桥换流器
将两个或多个换流桥串联可获得所要求的高直流电压。
A *
EA
B *
EB
EC
C *
Ea
a *
b *
c *
Ec
Eb
如果把高压侧线电势相量EAC指向
A
a
钟面上的数字12，此时低压侧线 电势相量Eac指向1，这相当于1点 钟的位置，因此称这种变压器的
a
o
B
Ec
Ea
组别为Y/Y-1.
b
c
c
Eb
低压侧超前高压侧30°
C
b
2012-09-12
8
②关于换流变绕组的联接方式 （3）Y/△-11联结组 符号Y/△的表示高、低压（原、副边）绕组的接
换流桥在直流侧串联，而在交流侧通过换流变的网侧绕
组并联在一起。
实际应用中，一般是由两个6脉动换流器组成一个12脉
动换流器，如下图所示。
2012-09-12
3
2.5 多桥换流器
Id
V5
①关于两个换流变的变比 在右图中，两组换流变一 组 为 Y0/Y 连 接 ， 另 一 组 为 Y0/△连接，二者变比为：
iaY
ia
3 /2 /2 0.0
a
i'aY
b
/2
换流站换流器工作原理培训课件
2
Ud
0
ud
(t)d 2
(t)
U do
cos
（5）
特点： 增加，则 Ud 减少
28
计及触发延时、计及换相角时 单桥工作原理
问题的提出：
▪ ip能否突变？ ▪ ip的变化规律？
假设短路电流ik
M
Ld Id
13 5
ea Lc ia
+
A
eb Lc ib ik
o
B
ud
Lc
ec
C
_
ic 4 6 2
29 N
和 线电压： eba 2E sin(t)
可得：
2 Lc
dik dt
2E sin(t)
（7）
考虑初始条件： ik ( ) 0
31
换相电流计算公式
ik I sc2 (cos cost) （8）
交流系统两相短路电流的幅值
I sc 2
E
2Lc
等值换相电感
（9）
ik波形、阀电流、相电流、直流电流波形
（17） （18） （19）
通常
100 ~ 200
150 ~ 250
41
目录
一、基本概念 二、6脉动整流器工作原理 三、6脉动逆变器工作原理 四、12脉动换流器工作原理 五、常用公式
42
6脉动逆变器的工作原理
▪ 逆变器接入HVDC系统的方式
Ld
Id Ld
M
N
++
135
ea Lc ia A
---定α角外特性方程
Ud ( , ) Ud 0 cos dx Id
等值换相电阻/比换相压降：
dx3 LC 定α角外特来自曲线（13） （14）
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 (1)=0) (2)1.1 忽略电源电感的电路分析(即Lc≠0) (10)1.2 包括电源电感的电路分析(即Lc1.2.1 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 (14)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U a =Emsin(wt+150)Ub =Emsin(wt+30)U c =Emsin(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L c=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L，c=0。
为了便于分析，我们先假设该电感不存在，即Lc（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︒。
2直流输电构成与换流原理
直流输电系统构成与换流原理- - 11 -20152015年年8月1010日日目录1直流输电系统构成2直流输电换流原理直流输电系统构成•采用直流输电必须有换流。
•在送端需要将交流电变换为直流电，称为整流，经过直流线路送往受端。
•在受端需要将直流电变换为交流电，称为逆变。
•整流站•逆变站•可分为两端直流输电与多端直流输电•两端直流输电系统可以分为单极系统（正极或负极）、双极系统（正负两极）和背靠背直流系统（无直流输电线路）三种类型。
对于单极直流输电系统，可以采用正极性或负极性。
单极系统运行的可靠性和灵活性均不如双极系统好，实际工程中大多采用双极系统。
双极系统是两个可独立运行的单极系统所组成双极大地回线直流输电系统示意图。
每个站的换流器中点接地，构成两个极。
通过线路的两根导线输送到另一站的正负极。
如两根导线对地电位分别为+500kV和-500kV，则称为±500kV直流输电系统。
直流滤波器2/12/36复奉直流极Ⅱ线路复奉直流极Ⅰ线路接地极811B8111B8112B8111B8112B80105780105801018010L B81201812B8121B8122B00102821B8211B8212B802118211B 8212B80201822B8221B 8222B8022100202802050121B0122B03000100202002020001000400020010600N BG S0221B 0222B 8020L B 81202811B8111B8112B8111B8112B 80105801018010L B81201812B8121B8122B00102821B8211B8212B8211B8212B 80201822B8221B8222B8022100202802050121B0122B 010010200102000100010020600N BG S0221B0222B 8020L B8120205000020*******0100104000直流滤波器2/12/36直流滤波器2/12/36直流滤波器2/12/368121F Q8122F Q812H L Q80128012100122801268221F Q8222F Q822H L Q802200222802268111F Q8112F Q811H L Q80118011180112801168121F Q8122F Q812H L Q80128012100122801268221F Q8222F Q822H L Q802200222802268111F Q8112F Q811H L Q80118011180112801168211F Q8212F Q821H L Q802180212802168211F Q8212F Q821H L Q8021802118021280216直流滤波器2/12/36复奉直流极Ⅱ线路复奉直流极Ⅰ线路接地极811B8111B8112B8111F Q8112F Q811H L Q80118011180112801168111B8112B80105780105801018010L B81201812B8121B8122B8121F Q8122F Q812H L Q801280121001228012600102821B8211B8212B8211F Q8212F Q821H L Q80218021180212802168211B 8212B80201822B8221B 8222B8221F Q8222F Q822H L Q802280221002228022600202802050121B0122B03000100202002020001000400020010600N BG S0221B 0222B 8020L B 81202811B8111B8112B8111F Q8112F Q811H L Q80118011180112801168111B8112B 80105801018010L B81201812B8121B8122B8121F Q8122F Q812H L Q801280121001228012600102821B8211B8212B8211F Q8212F Q821H L Q80218021180212802168211B8212B 80201822B8221B8222B8221F Q8222F Q822H L Q802280221002228022600202802050121B0122B 010010200102000100010020600N BG S0221B0222B 8020L B8120205000020*******0100104000直流滤波器2/12/36直流滤波器2/12/36直流滤波器2/12/36直流滤波器2/12/36复奉直流极Ⅱ线路复奉直流极Ⅰ线路接地极811B8111B8112B8111F Q8112F Q811H L Q80118011180112801168111P B8112P B80105780105801018010L B81201812B8121B8122B8121F Q8122F Q812H L Q801280121001228012600102821B8211B8212B8211F Q8212F Q821H L Q80218021180212802168211P B 8212P B80201822B8221B 8222B8221F Q8222F Q822H L Q802280221002228022600202802050121P B0122P B03000100202002020001000400020010600N BG S0221P B 0222P B 8020L B 81202811B8111B8112B8111F Q8112F Q811H L Q80118011180112801168111P B8112P B 80105801018010L B81201812B8121B8122B8121F Q8122F Q812H L Q801280121001228012600102821B8211B8212B8211F Q8212F Q821H L Q80218021180212802168211P B8212P B 80201822B8221B8222B8221F Q8222F Q822H L Q802280221002228022600202802050121P B0122P B 010010200102000100010020600N BG S0221P B0222P B 8020L B8120205000020*******0100104000直流滤波器2/12/36直流滤波器2/12/36直流滤波器2/12/36特高压直流接线方式运行类型 接线方式 接线方式数量 编号双极 完整双极 1C01～C17 1/2双极 163/4双极 8 C18～C25单极大地 完整单极 2C26～C35 1/2单极 8单极金属 完整单极 2C36～C45 1/2单极 8融冰 两极高端换流器并联 1 C46 共计 46•背靠背直流系统无直流输电线路的两端直流输电系统。
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cos(
)
阀电流和交流侧电流
1.假定无换相重叠， 0
阀电流波形是宽度为120°的矩形波，幅值为 Id
阀电流有效值
IV 0
1
2
2
3
Id2
1 3
Id
0.577Id
阀电流和交流侧电流
桥交流侧线电流有效值
I
2 3Id
0.816Id
，（ IV 0的
2倍）
对应基波分量有效值
I1
2
3
Id
cosd
基本概念
• 触发滞后角
对控制极施加触发脉冲的时刻滞后于自然换相点的相位角
角一般选择为10°~15 °左右：
➢为保证阀正常触发开通，应大于其最小值， 同时在实际运行中需留有调节余地，故应稍大一些
➢为尽可能提高功率因数，不能过大
• 换相角
换相过程所经历的相位角，又称“重叠角”
交流侧电压波形
自然换相点Ci 是阀Vi触发角i 计时的零点(i=1,2,…,6)
得出
32
Vd0 E 1.35E
整流器的直流电压
• 有相控的理想空载直流电压( 0, 0 )
由于α角的存在，积分上下限值有所不同。
Vd0
1
3
6 6
2E cosd
得出
Vd0
32
E cos
Vd 0
cos
整流器的直流电压
• 有相控、有负载时直流电压( 0, 0 )
在换相期间，m点（共阴极点）的电位处于ec和 ea两
30°的6脉动换流器所组成
• 绝大多数直流输电工程均采用12脉动换 流器
• 用于直流输电的电力换流器都采用三相 桥式接线
简单系统换流器原理接线图
2.2 6脉动整流器工作原理
三相桥式换流器的原理接线图
换流阀按正常轮流开通的次序编号
晶闸管换流阀的通断条件
• 导通条件
❖换流阀的阳极电位必须高于阴极电位 （即：阀电压必须是正向的） ❖在控制极加上触发所需的脉冲
换相过程(1)
换相前，阀5、6导通
以
－V5
的V1
换
相
过
程
为
例
换相过程(1)
等值电路
以 －V5 的V1 换 相 过 程 为 例
换相过程(2)
阀5和阀1换相过程
以
－V5
的V1
换
相
过
程
为
例
换相过程(2)
等值电路
以 －V5 的V1 换 相 过 程 为 例
换相过程(3)
换相结束，阀6、1导通
以
－V5
曲线之间的中点上。
直流电压压降，由区域A表示
A
( )
(ea
ea
2
ec
)d
2E cos cos( )
2
直流电压波形局部放大
整流器的直流电压
有相控、有负载时直流电压( 0, 0)
平均电压压降
Vd
3
A
32
2
Ecos
cos(
)
前面推出
Id
2E
2L
cos
cos(
)
故
Vd
3L
Id
3X
第二讲换流器基本理论及特性 方程演示文稿
1
（优选）第二讲换流器基本理 论及特性方程
2
2.1 换流器概述
• 换流器功能：
实现交流－直流或直流－交流的变换
• 换流器分类：整流器；逆变器
【按功能】
• 换流器分类：单桥（6脉动）；多桥（12
【按结构】
脉动及以上）
换流器概述
• 6脉动换流器：三相桥式换流回路 • 12脉动换流器：由两个交流侧电压相位差
的V1
换
相
过
程
为
例
换相过程(3)
等值电路
以 －V5 的V1 换 相 过 程 为 例
直流电压波形（不考虑换相重叠）30为例Fra bibliotek直 流
端对 中 性 点 直
流电 压 Vd
直流电压波形（考虑换相重叠）
30, 0为例
直 流
端对 中 性 点 直
流电 压 Vd
阀电流和交流电流波形
阀 电 流
交 流 侧 电 流
is
E
2 L
(cos
cost)
Id
cos cost cos cos( g
)
换相期下降段( 120 + t 120 + + g ) :
ij
Id
Id
cos cos(t 120) cos cos( g )
阀电流和交流侧电流
• 关断条件
❖阀电流减小到零，且阀电压保持一段时间等于零 或为负，使阀元件内多余载流子消失
6脉动桥式整流电路
理想假定条件
• 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，使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
交流侧电压源表达式
• 以 eca的矢量作为基准
• 交流侧电源相电动势：
E:电源线电动势的有效值
交流侧电压源表达式
• 交流侧电源电动势（线电势）
eca ea ec 2E sin t eab eb ea 2E sin( t 120) ebc ec eb 2E sin( t 120)
2L Id
2E
【结论】
其它参数不变的情况下，
Id、E、 L 、
整流器的直流电压
• 无相控的理想空载直流电压( 0 )
直流电压V在d 一周之中由6段相同正弦曲线组成。
假定基准纵轴位于t 30 处，则曲线 eba的纵坐标
可用 2E cos 表示。
则
1
Vd 0
3
6
6
2E cosd
2
Id
sin
3
3
6
Id
3
波形上各点对矩形波中线的角度
阀电流和交流侧电流
2.考虑换相重叠， 0
考虑阀电流上升和下降部分波形的变化
前面已经推出，
导通期的非换相期间 ( + g t 120 + )，
阀电流等于直流电流：
Id
2E
2L
cos
cos(
)
阀电流和交流侧电流
换相期上升段（ t + g）:
得出
i1
i
2E
2L
(cos
cost)
I s2 (cos
cost)
i5 Id i
则
交流系统在换流器交流 端两相短路时，短路电 流强制分量的幅值
Id
2E
2L
cos
cos(
)
换相过程中的电流波形
两相短路电压 换相开始
短路电流直流分量
换相结束
短路电流强制分量
换相重叠角
2-3工作模式下：
arccos cos
Id
6 fL Id
dxId
整流器的直流电压
有相控、有负载时直流电压( 0, 0)
从而
Vd Vd0 V Vd0 cos dxId
其中，dx 3X , 比换相压降
（又称等值换相电阻，但并不消耗有功功率）
通过公式代换，还可得出
Vd
Vd 0 2
cos
cos(
)
3 2E
2
cos
阀电压波形(阀V1)
下面进行公式推导
换相过程中的电流( V5 V1 )
在阀V1开通后的等值电路中，
L
di1 dt
L
di5 dt
ea
ec
换相过程中：i1 i ，i5 Id i
临界条件：ii11
0 Id
& &
i5 Id , i5 0,
t t
换相过程中的电流(V5 V1 )