Chap换流器工作原理wj资料课件.ppt

1、 文文 俊俊华北电力大学电气与电子工程学院 柔性电力技术研究所 换流器工作原理换流器工作原理 高压直流输电高压直流输电chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 课程安排课程安排v第三章第三章 换流器工作原理换流器工作原理 3.1 单桥整流器工作原理单桥整流器工作原理3.2 双桥整流器工作原理双桥整流器工作原理3.3 单桥逆变器工作原理单桥逆变器工作原理3.4 双桥逆变器工作原理双桥逆变器工作原理chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 假设条件假设条件 1)交流电源为对称的正弦波；交流电源为对称的正弦波；2)交流输电系统及换流变压器阻抗对称；交流输电系统及换流变压器阻抗对称；3)不计交流系

2、统中各元件的电阻及换流变不计交流系统中各元件的电阻及换流变压器的激磁导纳；压器的激磁导纳；4)平波电抗器的电感为无穷大；平波电抗器的电感为无穷大；5)晶闸管具有理想的开关特性；晶闸管具有理想的开关特性；6)等间隔触发等间隔触发双极方式HVDC原理图chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1 单桥整流器工作原理单桥整流器工作原理单桥单桥(6脉动脉动)整流器原理图整流器原理图双极方式HVDC原理图chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1 单桥整流器工作原理单桥整流器工作原理6脉动整流器运行方式脉动整流器运行方式2-3工况（正常运行方式）工况（正常运行方式）3工况（非正常运行方式）

3、工况（非正常运行方式）3-4工况（故障运行方式）工况（故障运行方式）成立的条件：成立的条件：290000600同时同时成立的条件：成立的条件：00309020060120同时同时成立的条件：成立的条件：060同时同时0030chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况2-3工况工况：在：在60的重复周期中，的重复周期中，2个阀和个阀和3个阀轮个阀轮流导通的运行方式。流导通的运行方式。成立的条件：成立的条件：阀导通顺序阀导通顺序290000600chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况自然换相点自然换相点：电源相电压的交点：电源相电压的交点

4、,或线电压过零点。或线电压过零点。触发（延迟）角触发（延迟）角/滞后角滞后角/点燃角（点燃角（）：用电角度表：用电角度表示的从自然换相点到晶闸管控制极上施以触发脉冲的时间。示的从自然换相点到晶闸管控制极上施以触发脉冲的时间。额定：额定：1500chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况换相换相：电流从一个阀转移到同一半桥中另一个阀的过程。：电流从一个阀转移到同一半桥中另一个阀的过程。换相角换相角/叠弧角叠弧角/重叠角（重叠角（）：换相持续时间所对应的电：换相持续时间所对应的电角度。额定：角度。额定：2000ud换相实质：换相是交换相实质：换相是交流系统短时间的两相流

5、系统短时间的两相短路。换相是依靠交短路。换相是依靠交流电源提供的短路电流电源提供的短路电流进行的。流进行的。chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况电压波形电压波形ud2-3工况(理想)波形chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况整流电压平均值整流电压平均值表达式表达式1-定定角外特性角外特性方程方程0cosddxdUUd I0113 21.35dUUU3rxLd电压波形，6p整流器外特性曲线图等值换相电阻等值换相电阻/比换相压降：比换相压降：理想空载直流电压：理想空载直流电压：chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1

6、2-3工况工况整流电压平均值整流电压平均值表达式表达式2表达式表达式3电压波形，6p整流器外特性曲线图0coscos()2ddUU0cos()cos22ddUUchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况电流波形电流波形udchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况换相电流换相电流计算公式计算公式)cos(cos2tIisck22scrEILn 换相实质：换相是交流系统短换相实质：换相是交流系统短时间的两相短路。换相是依靠交时间的两相短路。换相是依靠交流电源提供的短路电流进行的。流电源提供的短路电流进行的。135462ibMNeaLrABC

7、Ld+ud _idiciaLrLcebecoik交流系统两相短路电流幅值：交流系统两相短路电流幅值：电流波形，chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况换相角计算公式换相角计算公式基波电流有效值基波电流有效值相电流有效值相电流有效值电流波形，12coscosrdL IE16(,0)0.78ddIIIddIII816.032)0,(21(,0)hhIchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况功率因数功率因数6p整流器 2cos)2cos(2)cos(coscos2其中，功率因数角其中，功率因数角：00102.500202.5通常通常chap

8、.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况6脉动整流器等效电路脉动整流器等效电路+_+_+_（a a）等效电路等效电路-1-13rxLd0cosdU0dUdudI（b b）等效电路等效电路-2-2+_+_+_3rxLddu0cosdU0dUdI0cosddxdUUd Ichap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.1 2-3工况工况2-3工况的特点工况的特点交替出现交流两相短路交替出现交流两相短路换流阀持续导通换流阀持续导通120+udchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.2 3工况工况3工况工况：在：在600的重复周期中，始终只有的重复周期中，始终只有

9、3个阀轮个阀轮流导通的运行方式。流导通的运行方式。特点：特点：出现出现强制延迟强制延迟现象，最大强迫触发角现象，最大强迫触发角b=30换流阀持续导通换流阀持续导通180原因：原因：Id过大过大计算公式：计算公式：完全同完全同2-3工况的公式工况的公式ud6p整流器运行方式，6p整流器外特性曲线图chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.1.3 3-4工况工况3-4工况：在工况：在600的重复周期中，的重复周期中，3个阀和个阀和4个阀交个阀交替轮流导通的运行方式。替轮流导通的运行方式。特点：特点：交替出现交流两相和三相短路交替出现交流两相和三相短路直流短路直流短路换流阀持续导通换流阀持续导

10、通60180当当=120时，形成稳定时，形成稳定的的4个阀同时导通，阀持续个阀同时导通，阀持续导通导通240。此时。此时Ud=0，Id为交流三相短路电流的峰值。为交流三相短路电流的峰值。原因：原因：Id故障性增大故障性增大6p整流器运行方式，6p整流器外特性曲线图udchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2 双桥整流器工作原理双桥整流器工作原理多桥换流器多桥换流器 由直流端串联、交流端并联的一个以上单桥构由直流端串联、交流端并联的一个以上单桥构成的换流器。成的换流器。多桥换流器的多桥换流器的接线方式接线方式 典型方式典型方式:每极每极1组组12脉动换流单元脉动换流单元-双极双桥双极双

11、桥 其他方式其他方式:每极每极2组组12脉动换流单元串联脉动换流单元串联 每极每极2组组12脉动换流单元并联脉动换流单元并联 特点特点：单桥数目为偶数：单桥数目为偶数chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2 双桥整流器工作原理双桥整流器工作原理双桥换流器导通顺序双桥换流器导通顺序V11V12 V21 V22 V31 V32 V41 V42 V51 V52 V61 V62 V11 （循环）（循环）导通间隔为导通间隔为30chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2 双桥整流器工作原理双桥整流器工作原理双桥换流器运行方式：双桥换流器运行方式：4-5工况（正常运行方式）工况（正常运行

12、方式）5工况（非正常运行方式）工况（非正常运行方式）5-6工况（非正常运行方式）工况（非正常运行方式）成立条件：成立条件：290000030同时同时成立条件：成立条件：0030902003060同时同时成立条件：成立条件：030同时同时0030chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.1 4-5工况工况4-5工况工况：在：在30的重复周期中，的重复周期中，4个阀和个阀和5个阀轮个阀轮流导通的运行方式。流导通的运行方式。特性特性 对每一个对每一个6脉动整脉动整流器而言，相当于工流器而言，相当于工作在作在2-3工况。故工况。故6脉脉动整流器的特性及电动整流器的特性及电压、电流公式均成立。

13、压、电流公式均成立。chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.1 4-5工况工况整流电压波形整流电压波形（=0）o2tea1c1u26ea2c21212脉动脉动621ddduuu2du1duchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.1 4-5工况工况整流电压波形整流电压波形（4-5工况工况）21ddduuu2du1duchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.1 4-5工况工况整流电压平均值整流电压平均值02(cos)ddxdUUd I0coscos()22ddUU02cos()cos22ddUU其中其中,理想空载直流电压理想空载直流电压321.35doUEE定定

14、角外特性方程角外特性方程电压波形，6p整流器外特性曲线图chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.1 4-5工况工况电流波形电流波形（=0）chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.1 4-5工况工况电流计算公式电流计算公式（=0）换流变两侧相电流有效值换流变两侧相电流有效值换流变两侧基波相电流有效值换流变两侧基波相电流有效值160.78ddIII20.8163ddIII21(,0)hhI电流波形，chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.1 4-5工况工况换相电流计算公式换相电流计算公式换相角计算公式换相角计算公式 与与6脉动整流器的脉动整流器的相应公式相同相应

15、公式相同chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.2 桥间相互影响桥间相互影响邻桥的换相使本桥邻桥的换相使本桥（6脉动整流器）所脉动整流器）所有未导通阀的电压有未导通阀的电压产生畸变，即出现产生畸变，即出现“附加换相齿附加换相齿”。可能影响可能影响12脉动脉动整整流器接班阀流器接班阀的正常的正常开通。开通。chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.2.2 桥间相互影响桥间相互影响桥间相互影响系数桥间相互影响系数ssrLALL式中式中,Ls系统每相等值电感；系统每相等值电感；Lr换流变压器换流变压器每相漏感；每相漏感；A=0 1。A越大，桥间相互影响越强；越大，桥间相互影响越强；

16、桥间相互影响的实质：共有一桥间相互影响的实质：共有一个耦合电感个耦合电感Ls。chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3 单桥逆变器工作原理单桥逆变器工作原理逆变器与整流器比较逆变器与整流器比较元件及电路结构相同元件及电路结构相同触发角触发角的范围不同的范围不同0090200901802整流器：整流器：逆变器：逆变器：chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3 单桥逆变器工作原理单桥逆变器工作原理均为相控换流器（均为相控换流器（PCC），必须与交流系统相），必须与交流系统相连。此逆变也叫连。此逆变也叫“有源逆变有源逆变”实现有源逆变的充要条件实现有源逆变的充要条件与交流电网相连

17、；与交流电网相连；与足够大直流电源相连；与足够大直流电源相连；在在90180内可调。内可调。chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3 单桥逆变器工作原理单桥逆变器工作原理有关名词：有关名词：超前触发角超前触发角/超前角超前角()：用电气角度表示的落：用电气角度表示的落后于自然换相点后于自然换相点180处到控制脉冲发出时刻处到控制脉冲发出时刻之间的时间。之间的时间。正常运行值：正常运行值：=30400180 同时同时006 0006 0适合条件：适合条件：6p逆变器，6p逆变器电压波形chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3 单桥逆变器工作原理单桥逆变器工作原理关断角关断角/

18、熄弧角熄弧角()：用电角度表示的：用电角度表示的关断关断阀上正阀上正向电压为负的时间。向电压为负的时间。正常值：正常值：0=1518熄弧裕度角熄弧裕度角 该值既考虑了换流阀恢复阻断能力所需的最短时间，该值既考虑了换流阀恢复阻断能力所需的最短时间，同时还考虑了交流系统的不对称性而留的裕度。同时还考虑了交流系统的不对称性而留的裕度。逆变器阀逆变器阀电压波形电压波形 6p逆变器，chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3 单桥逆变器工作原理单桥逆变器工作原理单桥逆变器运行方式单桥逆变器运行方式2-3工况（正常运行方式）工况（正常运行方式）3-4工况（故障运行方式）工况（故障运行方式）成立条件

19、：成立条件：009018020600同时同时成立条件：成立条件：0060120同时同时00901802chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况2-3工况工况：在：在60的重复周期中，的重复周期中，2个阀和个阀和3个阀轮个阀轮流导通的运行方式。流导通的运行方式。成立条件：成立条件：060000901802chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况整流电压波形整流电压波形电流波形电流波形chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况换相失败换相失败换相失败：关断阀在换相结束后不控而重新导换相失败：关断阀在换相结束后不

20、控而重新导通的过程。通的过程。原因：原因：关断角关断角过小时，关断阀在换相结束后没过小时，关断阀在换相结束后没有足够的时间恢复其正向阻断能力。有足够的时间恢复其正向阻断能力。分类分类:对策：控制保护系统紧急停运对策：控制保护系统紧急停运,自动再启动。自动再启动。一般，一般，80%的一次换相失败不会发展为连续两的一次换相失败不会发展为连续两次换相失败。次换相失败。一次换相失败一次换相失败连续换相失败连续换相失败 6p逆变器，6p逆变器电压波形chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况整流电压平均值整流电压平均值表达式表达式1-定定角外特性角外特性方程方程0113 21

21、.35dUUU3rxLd0cosddxdUUd I理想空载直流电压：理想空载直流电压：等值换相电阻等值换相电阻/比换相压降：比换相压降：6p逆变器，6p逆变器电压波形,6p逆变器外特性曲线图（定）chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况整流电压平均值整流电压平均值表达式表达式2-定定角外特性角外特性方程方程表达式表达式3表达式表达式4 6p逆变器，6p逆变器电压波形,6p逆变器外特性曲线图（定）0cosddxdUUd I0coscos()2ddUU0cos()cos22ddUUchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况换相电流换相电流计

22、算公式计算公式)cos(cos2tIisck22scrEILeaebecicLribia+udi A4MN12563BCoLrLrIdLdik交流系统两相短路电流幅值：交流系统两相短路电流幅值：电流波形chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况换相角计算公式换相角计算公式关断角计算公式关断角计算公式12coscosrdL IE060且且 060 时时060且且 6090 时时060060且且 9090+/2 时时030chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况电流计算公式电流计算公式(=0,=0)相电流有效值相电流有效值基波电流有效值基波

23、电流有效值160.78ddIII20.8163ddIII21(,0)hhI 电流波形chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况功率因数功率因数cos()cos22coscos()cos222其中，功率因数角其中，功率因数角：000(1518)2.500202.5通常通常 6p逆变器chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.1 2-3工况工况6脉动逆变器等效电路脉动逆变器等效电路3rxLddI+_du+_0cosdU+_0dU（a a）等效电路等效电路-1-10cosddxdUUd I3rxLd dI+_du+_0cosdU+_0dU（b b）等效电路等效电

24、路-2-20cosddxdUUd Ichap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.3.2 3-4工况工况3-4工况：在工况：在600的重复周期中，的重复周期中，3个阀和个阀和4个阀交个阀交替轮流导通的运行方式。替轮流导通的运行方式。特点：特点：交替出现交流两相和三相短路交替出现交流两相和三相短路直流短路直流短路换流阀持续导通换流阀持续导通60180当当=120时，形成稳定时，形成稳定的的4个阀同时导通，阀持续个阀同时导通，阀持续导通导通240。此时。此时Ud=0，Id为交流三相短路电流的峰值。为交流三相短路电流的峰值。原因：原因：Id故障性增大故障性增大 6p逆变器运行方式,6p逆变器外特性

25、曲线图（定）chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.4 双桥逆变器工作原理双桥逆变器工作原理双桥逆变器电路同双桥双桥逆变器电路同双桥整流器整流器双桥逆变器导通顺序双桥逆变器导通顺序V11V12 V21 V22 V31 V32 V41 V42 V51 V52 V61 V62 V11 （循环）（循环）导通间隔为导通间隔为30chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.4 双桥逆变器工作原理双桥逆变器工作原理双桥逆变器运行方式双桥逆变器运行方式4-5工况（正常运行方式）工况（正常运行方式）5-6工况（非正常运行方式）工况（非正常运行方式）成立条件：成立条件：009018020030同时同

26、时成立条件：成立条件：00901802030同时同时chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.4 双桥逆变器工作原理双桥逆变器工作原理整流电压平均值整流电压平均值02(cos)ddxdUUd I0coscos()22ddUU02cos()cos22ddUU02(cos)ddx dUUd I 6p逆变器，6p逆变器电压波形,定定角外特性角外特性方程方程定定角外特性角外特性方程方程chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.4 双桥逆变器工作原理双桥逆变器工作原理电流计算公式电流计算公式（=0）换流变两侧相电流有效值换流变两侧相电流有效值换流变两侧基波相电流有效值换流变两侧基波相电流有效

27、值160.78ddIII20.8163ddIII21(,0)hhI 电流波形chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.4 双桥逆变器工作原理双桥逆变器工作原理桥间相互影响桥间相互影响邻桥的换相使本桥邻桥的换相使本桥（6脉动逆变器）所脉动逆变器）所有未导通阀的电压有未导通阀的电压产生畸变，即出现产生畸变，即出现“附加换相齿附加换相齿”。可能影响可能影响12脉动脉动逆逆变器关断阀变器关断阀的正常的正常关断，产生关断，产生换相失换相失败败故障。故障。chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 3.4 双桥逆变器工作原理双桥逆变器工作原理桥间相互影响系数桥间相互影响系数ssrLALL式中式中,L

28、s系统每相等值电感；系统每相等值电感；Lr换流变压器换流变压器每相漏感；每相漏感；A=0 1。A越大，桥间相互影响越强；越大，桥间相互影响越强；桥间相互影响的实质：共有一桥间相互影响的实质：共有一个耦合电感个耦合电感Ls。文文 俊俊华北电力大学电气与电子工程学院 柔性电力技术研究所chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 双极方式双极方式HVDC原理图原理图双极双桥双极双桥 葛洲坝葛洲坝南南 桥桥20932093525/209kVIdId19831983230/500kV500kV500kV198kV220kVchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 6脉动整流器定脉动整流器定外特性曲线外

29、特性曲线0cosddxdUUd Io12301cosdUdUdI02cosdU03cosdUtanxdchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 6脉动整流器外特性曲线脉动整流器外特性曲线*1cos3ddUI2221*3()2ddUI1*3 cos(30)ddUI基准量：基准量：UdB=Ud0、312/(3)dBSCrIIUL2-3工况工况3工况工况3-4工况工况chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 换相电流波形换相电流波形bae0180C3p3tp3 )cos(cos2tIisckkVii3kdViIi1ISC2cosISC2kitIdvitiv1iv3iv1chap.3 换流器工作原

30、理换流器工作原理 6脉动逆变器整流电压波形脉动逆变器整流电压波形(2-3工况工况)6126145634556112323434545656161212323445566112233445561223 p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1.p2 P4 p3 p6 p5C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C106.2812.5721.510.50.511.52ecebeaeaebectnoumouC60C1eabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecbt180nmuchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 6脉动逆变器换相失败波形脉动逆变器换相失败波形cha

31、p.3 换流器工作原理换流器工作原理 6脉动逆变器外特性曲线脉动逆变器外特性曲线IdodU02cosd iU01cosd iU01cosd iU02cosd iU21121212tanxd0cosddxdUUd I0cosddxdUUd Ichap.3 换流器工作原理换流器工作原理 6脉动逆变器外特性曲线图脉动逆变器外特性曲线图(定定)*1cos3ddUI*3cos(30)3ddUI定定的外特性的外特性3-4工况工况:2-3工况工况:基准量：基准量：UdB=Ud0、312/(3)dBSCrIIULchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 6脉动逆变器外特性曲线图脉动逆变器外特性曲线图(定定)

32、基准量：基准量：UdB=Ud0、312/(3)dBSCrIIUL定定的外特性的外特性3-4工况：工况：2-3工况：工况：1cos3ddUI2220201cos(30)3sin(30)22ddUI01cos(30)3ddUI3cos3ddUIchap.3 换流器工作原理换流器工作原理 多桥换流器接线方式多桥换流器接线方式（a a）每极）每极2 2组组1212脉动换流单元串联脉动换流单元串联（b b）每极）每极2 2组组1212脉动换流单元并联脉动换流单元并联（c c）(每极每极1 1组组)12)12脉动换流单元脉动换流单元（c c）chap.3 换流器工作原理换流器工作原理 桥间相互影响的阀电压波形桥间相互影响的阀电压波形12脉动逆变器关断阀电压波形脉动逆变器关断阀电压波形正常换相齿正常换相齿D附加换相齿附加换相齿D、D