3基本大功率变流器技术

• 假定通过采用谐波消除技术，变流器输出的电压 可以近似看作是和系统频率相同的正弦交流电压， 并且所有的有功损耗均可以用一个等效的串联电 阻来近似，则并联条件下电压源变流器和电力系 统之间的相互作用，可以等效为通过一个串联电 抗相连的两个电压源之间进行功率交换。
• 由于上述电压源变流器的运行和常规同步电机一样， 必须和系统同步，所以在电力系统控制器中统称为同 步电压源变流器，其工作原理可以参照同步电机的运 行来加以说明。据此，送电端提供的有功功率和无功 功率可以分别由下式给出：
Us U cU s P cos cos( ) Z Z 2 Us U cU s Q sin sin( ) Z Z
2
U iU s Pi sin XL U s (U i cos U s ) Qi XL
• 根据图示的电流和电压相量可以得到，电 流相量处于1,4象限表明电流的有功分量和 电压同相，由系统流入变流器；而电流相 量位于2,3象限表示电流由变流器流入系统， 所以平面上横轴的正方向表示系统输出有 功功率到变流器，负方向则表示系统吸收 变流器发出的有功功率。
• 在FACTS技术中，相控式变流器主要用作 交流开关，通过开关作用在负荷上产生一 个其基频分量的频率和电源频率相同，但 幅值可调的交流电压。
• 实际上，由于相控变流器是通过改变无源储能元 件如电容和电抗的电纳，进而改变相应元件所产 生和吸收的无功能量来进行补偿的；它实质上等 效于一个无源器件，所以除了从系统中吸收一定 的有功功率以补偿装置本身的有功损耗外，并不 与系统进行有功功率的交换；因此此类装置所涉 及的仅是无功能量的交换。在功率平面上只能实 现两象限运行，是此类补偿器的一个主要局限， 也是从上个世纪30年代就开始推动研究人员开发 自换流变流器的一个重要原因。
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当变流器输出电压的基频幅值大于系统电压幅值 时，电流超前系统电压，系统将吸收感性无功，或 者说变流器将输出感性无功功率。
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当变流器输出电压的基频幅值小于系统电压幅值 时，电流滞后系统电压，系统将输出感性无功， 或者说变流器将吸收感性无功功率。
• （2）自换流变流器 虽然上述采用相控技术的变流器已经在电力系统 中得到了广泛的应用，并取得了良好的效果，但 是随着用电负荷的急剧增加和输电距离的加大， 以及人们对于生存环境的日益增加的关注，不论 从响应速度还是从电能质量来考虑，相控式变流 器越来越不能满足现代电力系统的要求。采用可 关断器件以提高电力系统的可控性，成为推动现 代电力技术发展的一个重要支柱。
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• 假定变流器输出电压的相位和系统电压的 相位相同，此时变流器和系统之间将不存 在有功功率的交换。
• 但是，构成补偿器的变流器、变压器等均不可避免地 存在有功损耗，如线路电阻引起的损耗，器件的开关 损耗等。由于储能元件本身不能提供能量来补偿这些 损耗，所以只能由系统提供这部分能量，以维持补偿 器的正常运行，显然系统电流相量将位于1、4象限。 又由于通常变流器的损耗均很小，大体为1%~5%， 所以为补偿上述损耗所需的有功功率也很小，实际运 行中如图所示，上述变流器将工作在1、4象限中横轴 附近夹角为±M 的一个很窄的扇形区间，而由系统 提供相应的有功电流。
• 通过上述讨论可以看到，我们可以通过控 制开关器件开通和关断的时刻来调节充电 模式和放电模式动作时间的比例，从而控 制电力系统和变流器之间所交换的有功功 率和无功功率的大小和方向。
• 由于电压源变流器采用的是全控器件，所 以我们可以通过调节开关器件的导通时刻 来控制变流器输出电压和系统电压之间的 夹角，进而使流经耦合电抗的负荷电流和 系统电压之间的夹角在0-360o之间变化，即 一个自换流变流器可以如一个常规的同步 交流电机一样，随着输出电压和电流之间 夹角的变化在4个象限中运行，从而和交流 电力系统交换有功能量和/或无功能量。
• 以上两模式表明了变流器的一个特殊运行 工况——无功功率补偿。由于此时变流器 和系统之间仅进行无功功率的交换，而不 涉及有功功率的流动，所以在变流器中用 来提供和吸收有功能量的直流侧电源就不 再需要，而代之以可对电能进行存储和释 放的储能元件——直流中间电容或电感来 提供中间直流电压（或电流）支撑。
• 自换流变流器就是利用上述6个电子开关在 控制信号作用下的顺序通断，将直流电源 Ed 的正负两端交替地接到交流侧，从而在 变流器的接入端产生三相交流输出电压。
◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电， 各相开始导电的角度差120 °，任一瞬间 有三个桥臂同时导通。
VT1, VT2 和 VT6在开通脉冲的作用下导通(图中涂黑器件，下同)，负荷电流由 三相交流电源的B相和C相经VT2和VT6流入直流电源Ed的负极，再由电源正极 流出，经VT1注入A相交流电源。由于此时电流是由直流电源的正极流出，所以 该电压源变流器工作于逆变状态，也即变流器向交流系统输出有功功率，一般称 为“放电”模式。
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• 上述两个模式中，变流器输出电压的相位 超前系统电压 ，此时变流器将通过直流 电源向系统输出有功功率，即处于发电状 态。因此当变流器直流侧装有有功电源时， 上述变流器可以作为独立电源通过直交变 换向系统提供有功支持。
• 电流相量位于上半平面表示代表系统的发电机的电流 超前电压，即发电机处于欠励磁（进相）运行，发电 机输出超前的无功功率，即吸收滞后（感性）的无功 功率。同理，由于落后的电流起去磁作用，故电流相 量位于下半平面则表明代表系统的发电机处于过励磁 状态，将输出滞后（感性）的无功功率，即吸收超前 （容性）的无功功率。
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在预定时刻，控制器向VT1的门极发出一个开通脉冲，同时向 VT4的门极发出一个关断脉冲，VT4被强迫关断，使原流经其 的电流转移到VD1。此时，负荷电流由直流电源的正端流入， 表明交流系统对直流电源进行充电，所以该过程被称作变流器 的“充电”模式。
由VT4，VD1和变压器漏抗La构成的A相半桥电路，显然上 述电路构成一个常规的升压斩波器。和常规升压斩波器的 工作过程同样，在上一“续流”过程中存储于漏抗La中的 磁能将在VT4关断时，转换成直流电能，并经VD1向直流电 源充电。因此采用电容提供中间直流支撑电压时，可以根 据需要利用斩波器的升压作用得到高于输入交流电压峰值 的中间直流电压。
• 自换流式变流器具有多种不同的结构，但根据其 控制变量的不同，大体分为可以看作一个电压源 的电压源变流器，和可以看作一个电流源的电流 源变流器两种。在变频调速系统中大量采用的逆 变器就是一个典型的应用实例。 • 电流源型变流器直流侧大电感上始终有电流流过， 该电流将在大电感的内阻上产生较大损耗，因而 电流源型变流器目前比较少用。
3基本大功率变流器技术
• (1)相控型变流器
所谓相控型变流器即采用如晶闸管这样的半控器 件作为开关元件所构成的变流器，其开通时刻是 在器件处于正向偏置时，通过在门极施加的脉冲 信号加以控制；关断时刻则是当器件在外界条件 的作用下，比如处于反向偏置时，使得流经该器 件的电流小于其维持电流时自行关断。
相控式整流电路
• 用于电力系统的变流器虽然从结构上和常 规的逆变器相似，但由于其和交流系统直 接相连，为了可以稳定工作，其输出信号 的基频需与系统频率相同；同时外接交流 电源既是其输入信号源，又是其控制对象， 因此二者之间必须保持同步，所以一般将 此类变流器又称为同步变流器。
VT1
VT3
VT5
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VD1 VT6 VD3 VT2 VD5
假定在某一时刻向VT1的门极施加一个关断脉冲，同时向VT4的门极施加 开通脉冲。此时VT1将被关断，而VT4导通，也即原来流经变流器上臂开 关( VT1, VD1 )的A相交流电流将被转移到下臂开关 (VT4,VD4 )， 同时A 相接点也将由与直流电源的正极相连转换为与直流电源的负极相连。
• 注意到由于电路中存在连接电感La ，所以电流的 方向不能瞬时变化，而相对于原负荷电流而言 VT4处于反方向，所以不能为上述电流提供通路。 但仔细研究一下电路就可以发现反并VD4正好处 于电流的方向上，所以可以为上述电流提供通路， 从而维持电感La中的电流连续。这样原来流经 VT1的负荷电流将转移到VD4中，而导通的二极 管VD4和VT2、VT6在同一点相连，事实上造成 三相交流电压通过变压器的漏抗短路，从而引起 负荷电流的增加，以及存储于变压器电抗中的磁 能的增大。
• 虽然电路中该连接电抗的减小有利于增加 响应速度和储能，但实际应用中为了限制 换流电流，变压器的电抗也不能取得过小。 在上述换流过程中，由于负荷电流流经相 连的VD4, VT2, VT6,从而在三相电压之间 造成环流，因此该模式通常被称为“续流 模式”或“环流模式”。
随着流经VD4的电流逐渐减小到零而关断，此时VT4将处于正 向偏置而导通，如图所示，连接电抗La，Lb，Lc中的电流将 反向，流经VT4, VD2和VD6，形成一个新的续流模式。