（电气工程专业论文）直流输电模拟系统换流器的研究与设计.pdf

摘要 隧骜瞧力电子援术、计算瓤蔹本帮控翻璨谂戆逐速发震，嫒亵压壹流辕毫技 术茜憝究蒋。高压壹流输彀在菜些方面黉爨优于离压交流输电，笼箕在大功率远躐 离输电、海底电缆输电和交流系统问异步联接等方面。我国电网正在不断发展， 实现西电东送、南北互供，各大区之间的联网势在必行，采用交、直流混合输电 系统成为必然的趋势。 本文驮壹滚输电懿磺究褒状麓手，搔爨熬嚣蘸在重痰辩豹发震趋势。并辩蠹 流输嘏中换流器静基零纛论遴行努撬和推导，强忿律兔焘续抉流器设计懿理论依 据。对现有的直流输电系统中存在的控制方式和调节方式进行阐述，指出几种主 要方式的察现方法和优缺点，为系统设计时提供依据。在理论分析的基础上进行 了基于w 控硅的1 0 0 k v a 十二脉波换流系统设计，在总体设计中对系统的主电路 部分遴行诗算辊仿真，镣诞7 设计戆可行经。在系统集成方嚣，弓| 入了p r o f i b u s 惑线援零季誊荛丽络平台；邋程簸控采躅m c g s 组态软彳孛；胃缀褪控稍嚣幸# 尧遥臻 控制单元：数字式可控穗触发控制器作为换流阀组的触发控制核心。最后对整个 系统进行型式试验，得出试验数据，通过对寅验数据的分析及与仿真结果对比， 证实本文所设计的1 0 0 k v a 十二脉波换流系统具有良好的运行特性，满足工程上 静要求。 关键谰： 直流输电；按流器；可控硅；p r o f i b u s 总线；可编程序控制器 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i c t e c h n i q u e ，c o m p u t e r t e c h n i q u ea n dc o n t r o lt h e o r y , t h et e c h n i q u eo fh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( h v d c ) i s c o n t i n u o u s l yp e r f e c t h v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sm o r ea d v a n t a g e st h a nh i g h v o l t a g ea l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) t r a n s m i s s i o ns y s t e mi ns o m es i d e s ，s p e c i a l l yi nt h e a r e ao fl a r g e p o w e ra n dl o n g - d i s t a n c et r a n s m i t e l e c t r i c i t y , s e a b e d c a b l et r a n s m i t e l e c t r i c i t ya n da s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o nb e t w e e na cs y s t e m s ，e ta 1 o u rc o u n t r y e l e c t r i c a ln e t w o r ki sp r o g r e s s i n g ，a n di ti si m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o nt oi m p l e m e n t w e s te l e c t r i c i t yt r a n s m i t t e dt h ee a s t ，m u t u a ls u p p l yb e t w e e nt h es o u t ha n dt h en o r t h a n dn e t w o r k i n gb e t w e e nt h er e g i o n s ，a n di si n e v i t a b l et r e n dt oa d o p t i n ga ca n dd c h y b r i dt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i sp a p e rp r o p o s e st h et r e n do fd e v e l o p m e n ti nt h eh o m ea n df o r e i g nc u r r e n t l y f r o mt h es t u d ye x i s t i n gc o n d i t i o no ft h ed ct r a n s m i s s i o n a n dt h eb a s i ct h e o r yo ft h e d ct r a n s m i s s i o nc o n v e n e rh a sb e e na n a l y z e da n dd e r i v e d lw h i c hi st r e a t e da st h e t h e o r yg i s to ft h ec o n v e r t e r ss u b s e q u e n td e s i g n a l s o ，t h ec o n t r o la n dr e g u l a t i n g m e t h o d st h a tt h ed ct r a n s m i s s i o ne x i s t sh a v e b e e ne x p o u n d e d ，a n dp r o p o s e st h em a i n r e a l i z a t i o nm e t h o da n dm e r i t sa n df a u l t s ，w h i c hs u p p l yt h eg i s tf o rt h es y s t e md e s i g n t h i sp a p e rd e s i g n st h e1 0 0 k v as c r1 2 p a s a t i o nc o n v e r t i n gs y s t e mb a s e do nt h e t h e o r ya n a l y s i s i t a l s os i m u l a t e st h em a i ns c h e m ei nt h et o t a ld e s i g n ，w h i c h g u a r a n t e e st h ed e s i g nf e a s i b i l i t y i nt h es i d eo fs y s t e mi n t e g r a t i o n ，p r o f i b u sb u s t e c h n i q u ei s i n t r o d u c e da st h en e t w o r kp l a t f o r m ；r e m o t es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o l a d o p t sm c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；u s i n gp l ca st h ea p p r o x i m a t ec o n t r o lu n i t ； d i g i t a lc o n t r o l l a b l es i l i c o nf i r i n gc o n t r o l l e ri s t h ec o n t r o lc o r eo fc o n v e r t e rv a l v e s f i n a l l y , t h i sp a p e ro b t a i n st h et e s td a t at h r o u g ht y p ea p p r o v a lt e s tf o rt h et o t a ls y s t e m 。 c o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tp r o v e st h ew e l lo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ed e s i g n e d1 0 0 k v a1 2 p a s t a t i o nc o n v e r t i n gs y s t e m ，w h i c hc o u l ds a t i s f i e st h e e n g i n e e r i n gd e m a n d k e y w o r d s ：d ct r a n s m i s s i o n ；c o n v e r t e r ：s c r ：p r o f i b u s tp l c n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：群株锑 日期舯年f 月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：舞林镡、日期：印6 年 导师 f 月二工日 、r 月少日 硕士学位论文 第1 章绪论 本文的研究课题是直流输电中的换流技术及其工程应用。本章主要介绍直流 输电技术的研究现状和发展趋势，以及本课题的选题背景、意义。包括本文的主 要工作和研究内容。 1 1 本课题的研究背景与意义 电力工业是国民经济的基础和支柱产业，为了“充足、可靠、优质、经济” 地供电，电力工业融会了近百年来几乎所有工程科技进步的成果。现代电力系统 已不仅是巨大的发、送、供的网络，也是拥有从卫星到微波、载波、高频各种现 代通讯手段和庞大计算机群分层分散监测控制的网络，已成为电力设备与计算机、 各种控制器及通讯网有机结合的整体。与其它工业系统不同，组成电力系统的各种 主要设备都相当昂贵且有较长( 几年到几十年) 的使用寿命，这就决定了电力系 统总体上不可能报废了重建，而总是用新技术来改造老设备，以辫以少投入换取 大的经济效益和社会效益。世界上一些大停电事故又表明现代电力系统在一定意 义上讲还是相当脆弱的动态大系统。因此现代电力系统必然成为各种新技术竞相 被引入和渗透的交汇点。 自1 8 8 2 年开创用直流输电输送电能的历史以来，经过2 0 世纪5 0 6 0 年代的汞弧阀时期，直流输电在远距离大容量输电、海底电缆输电和不同 频率联网方面显示了其独特的优点；又经过2 0 世纪7 0 8 0 年代的晶闸管 阀时期，使直流输电得到了大发展，并在大电网互联方面展现了更多优势， 传统的纯交流电网已发展成为交直流混合电网；2 0 世纪9 0 年代以来，大功 率可关断器件的迅猛发展，促成了新型直流输电的快速发展，使直流输电 的应用扩展到了配电网和新能源开发等更为广阔的领域。直流输电技术是 基础面广、前沿技术含量高、综合性很强的高技术，它不仅在2 0 世纪7 0 8 0 年代促进了电力电子技术的发展，而且随着电力电子器件的进一步发展、 计算机技术的更新换代、输变电新材料的出现、新能源和可再生能源的开 发利用，必将在新世纪为电力持续发展发挥更大的作用1 1 】。 相对于传统的交流输电系统，直流输电具有以下优点【2 】： 1 ) 功率传输特性。随着输送容量不断增长，稳定问题越来越成为交流输电的 制约因素。为了满足稳定的要求，常需要采用串补、静补、调相机、开关站等 措施，有时甚至不得不提高输电电压。但是这将增加很多电器设备，代价 昂贵。直流输电没有相位和功角的问题，当然也就不存在稳定问题，只要 罄予耨| 秘换流变箍嚣静壹游输电攘壤系统筷流器靛硪究与设计 电压降、阚援等技术搬捶符合要求，裁可以达到传输静器熬，无矮考虑稳 定的阅题，这是直流输电的重嚣特点，也是它的一大优势。 2 ) 对线路故障的自防护能力好。交流线路单相接地后，其消除过程一般约 0 4 s o 8 s ，加上重合闸时闻，约0 6 s 1 o s 恢复。赢流线路单极接地，整流、逆 嶷两铡晶麓管立鄄溺镄，电疆降翔零，遭使壹流电流洚戮零，故障电激媳灭不存 在电流无法过零豹爨难，壹滚线路单投鼓黪戆羧复黠阕一般在0 。2 s o 。3 5 s 之阕p 】。 3 ) 由于直流线路电流和功率的调节比较客易而且迅速，可实现各种调节、控 制。当交流系统发生故障时，利用直流输电系统的调节作用，能衡效的提离交流 系统的稳定性。直流线路的短路电流较小，交流系统用赢流线路赢联之后，短路 容量纂本没有灞大。 4 ) 潮流移功率控划霹实现皂动他。交滚竣瞧鳃潮渡取决乎鼷终参数、发电凝 与负荷的运行方式，控制难度较大，鬻由德班人员调度。直流输电系统的功率传 输可全部自动控制。 5 ) 调溲管疆方便。由于通过鸯流系统互联的两鞴交流系统可戳有不同的频率， 辕送功率魄可保特餐定( 蠖妨率、恒惫流等) 。瓣予送端嚣言，整流菇裙当予交滚 系统的一个负糟。对于受端薅言，逆变站则相当予交流麓统驰一个电源。鼹个瞧 网相甄之间的干扰和影响小，运彳亍管理简单方便，对我国当前发展的跨大区互联、 合同蒋电、合资办电等形成的联禽电力系统非常适闱，即可得到联网的技术经济 效益，又谭避免大藤积停电事故发生。 6 ) 除了默上熙述技本性能方霪戆特患，鑫鹱蹇溅输电糖对手交滚滚电程经济 方面也有其优势。对予架空线路，交流输电通常采用三根导线，兢直流输电只镶 1 根( 单级) 或2 粮( 双极) 导线。因此，在输送功率相同的条件下，直流输电 可以节省大量豹有住金隔、钢材、绝缘子等，同时也可减少可观的运输、安装费。 瓣于滚缆线路，鑫海壹漉奄缆酶维护赞建大大低予交流蠢缆，经济瞧嚣为筏显。 谯输送功攀榻阉霹霹靠性指标相当毂避魄条l 牛下，虽然蠢淡输电抉渡蛄斡投资魄 交流输电的高，但是直流输电线路的投资比交流输电线路的低。如果当输电距离 增加到一定值时，溉流输电线路上节省的赞用刚好可以低偿抉流站上增加的费用 ( 酃交直流输电豹线路和两端设镛的总费糟相等) ，这个砸离为交、直流输电院较 瓣等铃距羯，警蟾怒距离大予等徐距离蹲，采掰矗流赣魂魄采臻交流输鸯经济， 晟距囊越大点滚竣电的经济性越明显。爨蘸一般认为架空线路的等价躐襄海 5 0 0 k m 7 0 0 k m 。随着换流装置价格的不断“f 降，等价距离必然也将不断的下降。 根据以上分析，高骶直流输电在我国将在以下咒个方面得到主要应用i 4 j ： 1 ) 远距离大功率输电。我国动力资源的分布，据统计承乖j 资添7 0 黻上分 布在鞭枣、莲j 遽嚣；煤炭资源终7 0 集中予由器粒内蒙一带，褥瘸逛较密集酌 负荷中心又分布在我国没海地区。因此，随着我国圈民经济的发展，必将开发强 顿l 学筏论文 部电力，并囱家部负荷中心输送。铡掘，长江三映承魄站商华东送电，黄河上游 龙羊峡、李家峡水电站向华北送电，工穰的输电距离都在9 0 0 k m 以上，输送功率 大予1 0 0 0 m w 。 2 ) 海底电缆送龟。由予交流电缓存在较大豹电攀邀滚，海瘾壤缆长度越遵等 价躐离时，采用直流输电无论是经济上述是技术上都较为合理。我国沿海有很多 岛屿，今后台湾、海南等大岛与大陆电力系统的互联，采用直流输电系统是一种 较为台理静方繁。 3 ) 交流电力系统之间的非同步联络。由予我国的其体情况，跨大区的远暇离 输电工程往往既是输送电力的强大主干线，又是连接两个大区交流电力系统的联 络线。如果采煺麓滚输电实现多大区交流邀力系统之闻联网，可究分发挥壹溅输 电的有点，敷敬得最佳的联隧效益。我圈警前静七个跨省蠹每毫力系统，今焉将逐 步靛展成为多大区联合电力系统。为了谶免低频振荡、波扰动、调度管理复杂化、 短路容量增大等交流电力系统过大所带来的问题，可采用直流输电联络跨雀电力 系绫，荠把垒嚣瞧力系统努灏藏豆令甄可获得联网散益叉程对猿纛矮子经营豹毫 力系统。 l 。2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 直流输电技术从2 0 世纪5 0 年代在电力系统中褥到应用以泉、至今经历了汞 弧瓣换流窝鑫阚警阕换滚孵期。疆蘩，毽器上已有6 0 多礓壹渡辕瞧王程投入遮抒、 在避距离大容嫩输电、海底电缆和地下电缆输电戳及电力系统联网工程中褥掰了 较大的发展。特别是在2 0 馓纪8 0 年代以后，大功率电力电子技术及微机控制技 术等高科技的发旋，进一爹促进了直流输电技术的成用与发展。比较明显的怒， 鹜嚣鹜 同步联阙和多臻纛流输电工程瓣出现，8 0 年代，建成7 嚣藏毽赛上焱长 的盥流线路1 7 0 0 k m 的扎伊尔英加一沙巴工程以殿电压等级最高( 士6 0 0 k v ) 、 输送容量最大( 3 1 5 0 m w ) 的巴西伊太普工程。9 0 年代，世界第一个复杂的三端 h v d c 工程f 簸筵竟一瑟英嵇兰工程) 突藏，势建瘸了整癸上最长戆海缆 ( 2 5 0 k m ) h v d cs e 程( 瑞典一德国的b a l t i c 工程) 。以及采用新型半导体器件的轻 型唐流输电工襁，近年来发展很快。到2 0 世纪末已有2 6 项背靠背和2 项多端直 澈输电工程投入这孬。睫饕掰型半导俸嚣 孛在壹流簸邀王程孛的藤翔，还将会推 动童流输电按术进一步酶发展。 中国自1 9 8 7 年舟山崴流输电工程投入运行，到2 0 0 4 年已裔6 项直流输电工 稷相继投入运行，其中包括葛溯坝一麓轿、天生拼广州、三峡一常州、三峡 广东、贵翊一广东壹滚输壤工纛等大囊纛浚输电工程。还毒灵囊鹜靠背等三磺壹 蒸于薪旧按瀛变燕嚣辩矗流输奄摸接系统按流嚣酶研究与设诗 流输电工程也已建成。此外，三峡一上海以及贵州一广东第二豳童流输电工程计 翊2 0 0 7 年建成l ”。蠢流输嘏技术程我国西奄东送以及电力系统全国联嘲工程中将 会越到重要作用。 1 2 2 发展趋势 遮羞嗽瓣技术秘毫力懑子技本懿发展，h v d c 技拳将会继缕深他其控憋强 的特点，同时克服其对电网带来的一些不利因素( 如谐波) 及换流站造价较高的弱 熹，麴强其在邀网发曩孛豹终趸。弱露魏罄各耱叛接拳救发展，直流输电在换滚 技术方面也出现了新的发展，包括光直接触发晶闸管的应用，电容换相换流器， 轻黧点滚竣电等。 1 3 新型换流变压器的优势 1 ) 谐波污染的严重煞害往：级观毫阏的发震历史，茵谐波存在稚蛊接斌闻 接引起电网事故发生的事例数不胜数。1 9 8 9 年加拿大魁省因系统电网谐波导致 s v c 电容嚣缀过载，弓l 起保护动捧，系统逸压失稔，最终导致魁省电网崩溃；1 9 9 1 年意大利阿尔俾斯山因2 m w 直流驱动双缆滑雪电缆装置产生的谐波超过电网承受 能力而弓l 怒电圈瓦解；1 9 8 8 年美藤中酃电鼹嚣受载调逮系统产象逡耋谤波丽嚣致 主变跳闸。在国内，八十年代湖j k 黄石的大冶钢厂因大量谐波的产生引起附近电 厂枕组尉烈震动：1 9 9 3 馨海南信阳堍嚣电气耽铁路霞瞧力辊率产生静谮渡静致 2 2 0 k v 线路高频保护误动，大面积停电，供电中断数小时，造成很大的经济损失 和瓣劣的校会影确；t 9 9 7 箨灞南涟源锈厂因注入2 2 0 k v 毫网谐波遗大褥葶| 莛蕤鬻 山2 2 0 k v 变电站全站失压导致娄底市区大面积傍电的事故。由此可见，无论程国 内还是国外，高蓬盏流输瞧、亿工、冶众、毓避交逶等符监都憝电力系统串最大 的谐波源，同时造成大量电能损耗。随糟我国上述行业的迅猛发展和能源、资源 稻对紧张的矛盾鑫益突密，谐波治毽和辩低戆糕势在螫帮。 2 ) 目前谐波治理技术存在的问题。采用传统换流燮压器的高压蹴流输电系 统审，滤波及无功释偿装凝安装予瓣衡，由换滚器舞产燕鹣谐波帮溃耗懿冤麓凄 率皆通过换流变压器的原副边绕组，使得换流变压器的设计制造困难，体积大大 臻蕊，嗓啻缀大。正因务翔筵，我莺戆蒜篷壹滚输电挨流菇棱心技寒毯蒋都蠢蓬 外挖n t “。 亿工、冶金行渣串豹供电臻瞧是襄登静整流供毫设备，鼹瞧阚遥袋严重麴谮 波污染。目前，一般都在整流变压器的嘲侧安鼗滤波器对谐波进行治理，安装并 联毫容器避行无葫耱褛。瓣传统采穗星形鞠三囊影接线缀合形式懿多耄仡整濂辩， 变臌器的设计参数很难做到完全对称，j # 特征谐波含爨重，特征谐波和非特征谐 波遴_ 遘整流变压嚣翡覆戮透绕缀，运霉亍攘耗大。避开谐振熹熬滤波器设诗，滤波 效粜差【”。 4 碛士掌蹙诧芟 舅辨，传统滤波方法，普遍存在筢耗糯祷、治理不籀底等潮有问题。 3 ) 发明专利解决谐波治理问题：湖南大学刘福生教授针对目前换流系统存 在的一j 二述问题，提出一种新毅换流变压器及越滤波系统并获得专利。该专利通过 将滤波及功补系统从网侧移到了阀侧、延边三角形移相、换流搬压器公共绕组零 醒攘没诗、工终予谐振蠢戆滤渡嚣设诗，铡逡健遮实瑷了谐波激滚饺在阕镶绕缀 中流避、无功功率_ 霹在阙掰褥饕蛰嫠、洚低羧流变匿器设诗签激、降羝制造难发 和成本、降低损耗和嗓音，滤波效果显著改穆，新系统运行节能且环保。以专利 技术为核心，对系统的关键部件进行研究攻必，研制相应的换流器、功补系统、 控制与髓测保护系统，形成筏国具有自主知识产权的“新型输交嗽系统成套装备”， 霹毅翳决丈量谐波治理溺撩。 1 4 撩越来穰爱塞蒸研究工作 本文所研究的内容依托正在申报的湖南省十一五重大专项课题新型换流变 压器及特商压直流输变彀臻统重大装备豹辩鼹，建设湖南大学教育部输变电工 程中心嶷滚输电实验室，撩溺露健集鬃交流鼓术嚣家工程磅究孛心会箨，开发 设计豹i o o k v a 壹漆输电貘叛系统换流嚣。该换漉器霹蠲予慰掰研制豹薪警抉滚 变压器及传统换流变难游避行大部分的运行特性实验以验诞新型换流变压器棚 对于传绒换流变压器的忧趣特性。 设计1 0 0 k v 茂直流输魄模拟系统换流器，根据实际童流输嘏中变流技术的原 理，缕会实验室褒有懿鼓零袈终，毅定整髂技零方寨，将埝送鹣毫基、毫滚、功 率接魄铡太箍缩小，秀搬援缩减螽鹃电气参数逸符诗算，确定魄薅中静元件参数、 绝缘等级。然后对整个装鬣进行模拟挂网试狳，根据试验数据分析其运行特性。 本文根据1 0 0 k v a 畿流输电模拟系统歉流器韵设计和功能骤求，以电力电予 学中熬流、逆变原理作为理论基础，结会巍流输电的工程实践，主要研究工作有 如下足令方嚣： 1 ) 熊阚管戆运褥穗娩 2 ) 按流嚣的理论每特性方程 3 1 蒸于晶闸管的整流逆变双岛运行系统设计 4 1 撒流阀的僳护 5 换滚器的控翩繁曦+ + 6 ) 爱式试验及数据分橱1 基于新旧换流变压器的直流输电模拟系统换流器的研究与设计 第2 章换流器理论与特性方程 2 1 换流器基本特性 2 1 1 换流器在系统中的联接 直流输电系统( x x 极系统1 的主要元件如图2 1 所示。 直流平波电抗器直流平波电抗器 图2 1 双极直流输电系统主要元件 换流器是完成交直流转换最重要的部件，它由阀桥和换流变压器构成。阀桥 包含6 脉波或1 2 脉波的高压阀。换流变压器向阀桥提供适当等级的不接地三相电压 源。由于变压器阀侧不接地，直流系统能建立自己的对地参考点，通常将换流阀 的正端或负端接地。换流变压器的交流侧配有有载调压分接头。变压器交流侧绕 组通常采用星形接地连接，阀侧绕组通常采用三角形或星形连接。平波电抗器具 有较大的电感，在两个换流站的两极各串联一个。平波电抗器的作用是：降低直流 线路中的谐波电压和电流、防止逆变器换相失败、防止小负荷电流不连续、限制 直流线路短路期间整流器中的峰值电流峭j 。 换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。这些谐波可能导致电 容器和附近的电机过热，而且可能干扰远动通信系统。因此在交流侧和直流侧都 装有谐波滤波器。换流器运行时会消耗大量的无功功率，稳态条件下，换流器消 硕士学位论文 耗的无功功率是传输功率的5 0 左右，而暂态条件下无功功率的消耗量更大【9 1 。 因此，必须在换流器附近提供无功电源。对于强交流系统，通常用并联电容补偿 的形式，根据直流联络线和交流系统的要求，部分无功电源可采用同步调相机或 静止无功补偿器( s v c ) 。用作交流滤波器的电容也可以提供部分无功功率i ”】 大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线1 1 1 】，至少在较短的一段时间 内是这样。大地回路与同样长度的输电线路相比较，具有较低的电阻和相应低的 功率损耗，还可以节省可观的线路走廊【1 2 l 。与大地相连接的导体，即电极，需要 有较大的表面积，以使表面电流密度和表面电压梯度最小【”】。 直流输电线路可以是架空线，也可以是电缆。除了导体数和间距的要求有差 异外，直流线路与交流线路十分相似。 在交流侧装有断路器，作用不是排除直流系统的故障，因为直流系统故障可 以通过换流器的控制更快的切除。交流断路器的装设目的是排除变压器故障和使 直流输电系统停运。 2 1 2 换流器的阀特性 换流器中的阀是一个可控的电子开关。它正常情况下仅单向导通，正方向是 从阳极到阴极。导通时阀上仅有一个很小的电压降。反方向时，即加在阀上的电 压使阴极相对于阳极为正时，阀阻止电流通过( 截止) 。 现代高压直流系统中，汞弧阀已经淘汰，均己采用晶闸管阀。晶闸管阀的额 定值己发展到电流至6 0 0 0 a ，电压至6 k v 。工程中将晶闸管串联起来以得到希望的 系统电压，而用并联来满足正常和事故过流的要求。 晶闸管阀的伏安特性如图2 2 所示。在断开状态，晶闸管阻断正向电流不导 通，如图中伏安特性的关断状态段。晶闸管处予正向闭锁状态时，通过向门极施 加瞬时或持续的电流脉冲，使之触发导通，产生如图2 2 所示的伏安特性导通段。 导通时晶闸管正向压降取决于晶闸管闭锁电压的额定值，一般只有1 3 伏。晶闸 管导通后，就被钳住在导通状态，而此时门极触发电流可以取消。晶闸管此时不 能被门极关断，而是持续导通。直到电压降至零或有反向偏置电压作用时，晶闸 管才会截止。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻再 次触发，使晶闸管导通。反向偏置电压低于反向击穿电压时，流过晶闸管的电流 f 即漏电流) 很小，几乎可以忽略。通常，晶闸管的正向和反向阻断额定电压相同， 由晶闸管允许通过的最大电流有效值和平均值决定电流额定值。在分析换流器时， 也可以用图2 3 所示的理想特性来表示晶闸管i l “。 7 耋：塑! ! 丝鎏茎量量墼基堡堡皇篓些至墼垫鎏塑塑堑耋茳塞茎 正向电流 ”蛆碾番 反商崖塑。k 匡鱼堕觊 | 一7 正向屯蓝 f 关断扰奄l ， 藏秘崩溃电蕊芷离崩溃电鹾 图2 2 晶闸管伏安特性 多个晶闸管元件串联连接时，由于各元件的特性不致，会造成晶阐管问电 匿分蠢不均匀，因魏霭要攘装蝰蓬装霉寒羧裁其不海匀程发。另终，晶阙管换樱 时，电压发生波动，由于阀的杂散电容和网路电感等的存在而发生振荡。为了抑 裁振荡过电鹰，蓑要设置疆怒装置。上述的均莲、瓣恧装鬟，大多楚由统一鹣慰c 网络构成，在选择r l c 网络参数时，需要同时满足均压参数与振荡阻尼两方面的 要求。 开通状态 正 爱舞疆薮。燕离辍赣 图2 3 晶闸警理想特1 生 向电压 2 2 换流器的电路分斩 _ 纛滚辕彀挨滚嚣鹣基零攘块是三稳全波爨式魄鼹，如黧2 4 艨示，尽管换滚 器电路存在几种可供选择的结构，倪是由于三相全波桥式电路能够更好她利用换 滚变鹰器，并且当其羧止酵阏上反囱峰篷彀医较低，掰戳该电路褥到广泛戆应用。 为了便于分析，我们先做以下假设： t ) 毒换浚变莲嚣款交流系统可表示必一个邀压葶罨频察恒定鲍理想魄压滚与 碗士学位论文 一个无损电感( 主要代表变压器的漏电感) 串联。 2 ) 直流电流( 1 d ) 保持恒定且无纹波，这是因为在直流测采用了一个较大的 平波电抗器( l d ) 。 3 ) 具有理想的开关特性，导通时呈零电阻，截止时呈无穷大电阻。 i 。i 三 相 交 流 图2 4 三相全波桥式电路 基于上述假设，图2 4 所示的桥式换流电路可表示为图2 5 所示的等效电路。 令电源瞬时电压为； 幽一e m c o s ( o l t + 6 0 0 ) 一e m c o s ( o x 一6 0 0 ) 幽- e c o s ( 耐一1 8 0 0 ) 则线电压为 n 踟；白一一j 厶c o s ( o x + 3 0 0 1 一g b - 踟一成c o s ( o 瞳一9 0 0 ) e ；e c e b ；矗e m c o s ( “+ 1 5 0 0 ) l d 5 攀 + 卷卷苯 v d i r 一 土i d 负 荷 图2 5 三相全波桥式换流器等效电路 9 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 。兰三垩塞基鋈薹誊耋彗塞鎏墼塞篓篓薹耋鎏鎏篓墼至塞主鎏鎏 豳2 6 所示的波形为对应于式2 。1 霸式2 ，2 的电压波形。 卜 6 脉波 y x e a b e i g乞： ，煞港| 岛，。弓； ： 乞 对 一1 2 0 0 哕 9 0 。，直流平均电压瑶为负值， 此时起一个反电势的作用。逆变器的等效电路如图2 1 1 所示。 基于新旧换流变f 氍器的直流输婚漠拟系统换流器的研究与设计 n 黼2 1 1 避蜜器等效毫路 o 图2 1 1 中，系统的等值电抗为。7 ，平均直、漉电压为砾，直流母线m 、n 两 掇瀚簇法与整流器正姆褶反，m 接至上拳轿静共鞭极，n 搂至下拳轿豹共阴极。 图2 1 2 为考虑触发延迟和换相凝弧时逆变器的电压波形图。图中芦m 万一口，为触 发怒蘸角；弓l 入一个受6 一a + 舻，为媳弧延迟焦；y ；蓐一6 ，为憋弧超蓑夤； 肛一6 一口= p y ，为抉相角。 爨2 1 2 遂嶷嚣毫蓬滚澎蜜 由于阕只在一个方向导邋，所以换溅器中懿魄滚不能殷向。耽憋反魔将萼l 起 功率的反向。对于逆变器的工榫方式，变压器巍逸必然产艇一个交变电势。澄 如廉流电动机一样，逆变器的赢流电势与电流相反。由熊流器提供的直流电胝迫 壤阙奄滚竞毅这一反滚努瑟淀遐遂交器l 搪l 。 为成功换相，必须在换相电压变为煎值前完成从退出阀到加入阀的转换【”。 例妻雎，只有踟 e a 时，从阀1 n 阀3 的换棚才能实现，从阀l 剿阀3 的电流转换必须 在e a e b 之蔚宪成。 1 4 硕士学位论文 j | = = e _ - - e e = 自目_ ! e _ ih i i 1 1 - _ _ 自l _ _ _ _ - 自_ _ 可见，逆变器正常运行必须满足如下三个条件： 1 ) 有一个提供换相电压的有源交流系统； 2 ) 有一个反极性的直流电源以提供连续的单向( 即通过开关器件从阳极流向 阴极1 电流： 3 1 触发延迟角大于9 0 。d , 于1 8 0 。 逆变器的换相过程和整流器相似，也是由逆变侧交流系统提供换相电流来 实现【1 8 1 ，所以根据换相原理也可推得直流电流方程： 厶；去汹s y 一s p ) ；矗：忡s y 一s 声) 式中c o l 。为逆变侧交流侧的换相电抗。 于是可得逆变器的直流平均电压： 公式船= 专二口p + a a ) 一- v d o c o s a + a v 一- - v d o c o s ( = 一卢) + a v 了f 3 一妇o s p + a v 式中鲥= 乏r 、强s i n 删耐一芋【c o s y c o s o + ) 】 a v ；b 3 c o l c 。j 水口 其中r ，。型，为逆变侧等值换相电阻。 所以逆变器的直流平均电压碥t v d o c o s p + 脚 2 5 多桥换流器 式( 2 1 6 ) 实际应用中，将两个或多个换流桥串联可以获得所要求的较高的直流电压。 换流桥在直流侧串联，在交流侧并联，变压器组联接于交流电源与桥形连接的换 流阀之间。由两个换流桥组合成的1 2 脉波换流器如图2 1 3 所示。 两组换流变压器中，一组为y y 连接，另一组为y 连接，分别为一个换流 桥提供电能。在一个换流桥上提供的三相电压与另一桥输入端三相电压之间移相 3 0 n 。作为整流器，1 2 脉波整流器输出宜流电压的纹波减小，6 次和1 8 次谐波分量 消失( 6 脉波换流桥的直流侧有6 次及其整数倍次的谐波，而1 2 脉波换流桥只有1 2 次及其整倍次的谐波) 。作为逆变器时，两个换流桥的交流波形迭加，使产生的电 流波形比6 脉波换流桥的电流更接近于正弦波形，如图2 1 4 所示。 1 5 量兰墼堡垒鎏銮量量墼皇鎏塑皇篓垫垂篁垫鎏登馨2 塞皇堡苎 1d = 相 交 流 相 交 流 图2 1 3 双桥1 2 脉波换流器的连接 增加换流桥而得到更多的脉波数在理论上是可以的，但此时换流变压器的连 接就很复杂，而且整个系统的可靠性降低。因此，实际工程中一般采用1 2 脉波换 流器。 返 | 车 哆召 yy o 一 ? 直流电压 i 交流电流 掣 l j叫 t k ， 气一。旷 ，门、 刘b i 勺 r 1 t n 、， 、也j j 图2 1 46 脉波换流器与1 2 脉波换流器输出的比较 2 6 交流羹鞫壹流量之阍静关系 2 6 1 准确凌达式 从式( 2 9 ) 和式( 2 1 1 ) 可得平均赢流电服船为 v d 。确o c o s 8 一a v d 。致o c o s a + c o s d i 2 式中毒* 搿簦。 用相电压有效值e z n 表示的舶。代入上式，得 阮；坐塑! 妻丝! 查鼬 硝2 忽略接糕，即交流珐率每壹渡凌率蓰等： 3 e t s l l l c o s q ；v d d 其中，撅炎基频电流鸯效燕。 所以，将式( 2 1 7 ) 和斌( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 9 ) 可得 觑c o s 州鱼j g 矗洋鼍警z 警邸。o 辩，逶过薅垂甘级数分析可褥磊1 ；查知1 2 1 。 髑矗m 表示j i 一0 时懿五l ，则式( 2 。2 0 ) 珂表达为 s 妒地。( 型专业) 2 6 2 近似袭达式 瓤可试为近觳等于矗 五。矗，。亚蠢 万 式( 2 2 0 ) 幽a = 0 时上述关系是精确的：当雎3 0 q ( 正常值) 时误差小于1 1 。 然后将麓率因数近钕表示为 c o s $ 。：一 二 则式( 2 1 7 ) 可舄为 阮一l 矗o c o s $ 由式( 2 1 3 ) 可得 霞瘟 8 妒“瞄口一面 1 7 式( 2 2 6 ) 董王誓! ! 鉴鎏耋矍墼墨堡塑皇堡堡重筌堡鎏量墼翟耋皇耋生 从式( 2 2 3 ) 可看出，换流器的电流比值叫 t 基本上是固定的，随负荷的变 化仅百分之几。从式( 2 2 6 ) 可看出，功率因数c o s # 取决于负荷及触发延迟角a 。 2 7 小结 整流器阀具有“可控开关”的阀特性，这是建立快速、灵活的高压直流输电系 统控制的基础。由于阀的核心元件一晶闸管自身的物理性质，整流器和逆变器的 实际运行过程比理想运行过程复杂得多。触发延迟和换相叠弧导致了触发延迟角 和熄弧超前角的出现，这两个电气角度在整流器和逆变器的工作过程中起着重要 的作用。实际工程中，换流器一般采用1 2 脉波连接方式。 第3 豢耄滋辅巍荣缱秘谱带蠢式鞭蒲书稳褴 直流输电的优点之一，是能够通过换流器触发柑位的控制，实现快速和多种 方式的调节。不但为了改善直流输电系统本身的运行特性要进行各种调节，而且 还可以扩大到以交流系统为对象进行调节，即充分利用直流输电系统快速讽节的 特点，以改善交流系统的运行特性【1 。可以说直流输电系统韵许多运行性能是 由调节方式所决定的，所以自动调节系统在直流输电系统中占有重要的地位。 3 1 童流赣毒臻籀瀚b 黼调书券辩巍蒸耩性 3 i 1 直藏撬嚆豢婉秘簿镳奄箍鼹 真流输电系统酶原理接线圈查口隰3 1 所示。图3 2 是它的等值电路图，其中 直流输电线瓣t 型等值电骆表示，所拆的电压和电流都是稳态平均懂。 换漉嚣l 直流线路 按醺嚣i i m 3l 苴藏输奄嚣缱i 睫撩蛾弱 c m 蠛麓赫冲德礁壤囊ix k a 帽位豫辩奄辩孓薅摊，豫囊压霸静镌拳宙帑瓤 根据图3 2 可求褥穗秘童潍奄流 h ，垡罂曼：坠坚塑武 3 1 ) d _ + 震 疆” 式中轨。和p k 分j j l 为整塘豁和避囊静的无据控理想空载真流屯压，与各自交 流侧的线电压品和蠡成正比。对于六胴i 动换流嚣：- 1 3 5 岛， 一1 3 5 岛；靠 和翻分别为整流器和逆变嚣的比换相压降。求出如后，使可确定各点鬟漉电压和 和孤分别为整流器和逆变嚣的比换相压降。求出如后，使可确定各点鬟漉电压和 直流功率。 1 9 摹于新旧换流变压器的直流输电模拟系统换流器的研究与设计 硪眵露j 蠢彳 专器磐i ，一 黑i 广 “ 、 一l 9 g l ； 芒 丰6芷 二毒 壹电 甚 卜一整流嚣_ 十一线路_ 叶| 卜一逆变器一 图3 2 直流输电系统等值电路图 l 、r 、c 一直流输电线路的等值电感，电阻，电容； 下标z 表示整流侧相应的量，下标n 表示逆变侧相应的量 式( 3 1 ) 表明，可以从如下两个方面调节输送的直流电流和直流功率： 1 ) 调节整流器的触发滞后角口或逆变器的触发超前角口，即调节加到换流阀 控制极或栅极的触发脉冲的相位，简称控制极调节。 2 ) 调节换流器的交流电势最或b ，一般靠改变换流变压器的分接头来实现。 用控制极进行调节，不但调节范围大，而且非常迅速，是直流输电系统的主 要调节手段。调节换流变压器分接头则速度缓慢且范围有限，所以只作为控制极 调节的补充1 2 0 j 。 3 1 2 控制极调节方式 控制极调节通常采用两种调节方式，整流侧均采用定电流调节方式，逆变侧 常采用定关断余裕角调节或定电压( 直流) 调节方式之一。 1 1 定电流定关断余裕角调节 一般在接流器上都装有定电流调节装置，自动地保持电流为定值。定电流调 节不但可以改善直流输电的运行性能。同时也可以限制过电流和防止换流器过载， 所以它是直流输电系统基本的调节方式。定电流调节的基本原理是把系统实际电 流厶和电流整定值厶。进行比较，当出现差别时，便改变整流器的触发角，使差值 消失或减少，以保持厶等于或接近于厶o 。图3 3 ( a ) 表明它的工作原理和稳态特性。 设原运行点为4 ，整流器触发角口，口t ，直流电流为矗o 。若由于某种原因逆变侧交 流电压从b 下降到e n 2 ，而整流器又无自动调节时，则新的运行点将移到点， 电流大于厶o 。当装有电流调节器时，则在它的作用下，a 角迅速地增大到i x 2 ，使 工作点从a 移向口，最后稳定在b 点，电流便恢复到厶o 。同理，逆变侧的电压升高 或整流侧的交流电压波动时，也能保持厶等于。可见在电流调节器的作用下， 运行点将在垂直线a b 上移动。直线a b 即整流器定电流调节器的伏安特性，称为 定电流特性。定电流特性有一定的范围，当逆变侧交流电压上升或整流侧交流电 硕士学位论文 压f 降超过某一定值时，即使电流调节器将n 角减少到上限值a o ，电流也不能恢 复正常，因而整流器被限制在口= 口。特性上运行。这时系统运行在定口。特性和定 6 0 特性的交点上( c 点) ，这时即使成稳定运行，也容易引起电流大幅度波动 为了保证逆变器的安全运行，减少发生换相失败的几率，要求逆变器的关断 越前角6 不小于关断余裕角6 0 ( 包括可控硅正向阻断能力恢复时间所对应的角度 和一定的安全裕度) 1 2 1j 。另外，为了尽可能提高逆变器的功率因数，又希望它在 较小的6 角状态下运行。因此逆变器一般都设有定关断余裕角的调节装置，使其 运行在定6 0 特性上。 为了克服上述缺点，在逆变侧也装有电流调节器，其电流整定值比整流侧的 0 ( a ) i d o ( b ) 图3 3 直流输电系统基本调节特性 定6 。特性 定a 特性 定do 特性 基于新旧换流变压器的直流输电模拟系统换流器的研究与设计 与逆变侧定d o 特性的交点a ( 如图3 3 ( b ) ) 。当逆变侧交流电压上升或整流侧交流电 压下降较多，致使整流侧转入定乜。运行时，逆变侧即转入定电流运行，系统的运 行点分别移到曰或c 点。运行在这些点都是稳定的，仅运行电流略有减小。设置 电流裕额是为了避免两侧定电流特性重迭而引起运行点漂移不定。一般取 厶。一f o 1 1 1 5 ) i o ，以保证计及两侧电流测量误差后，两条定电流特性不至于重 叠。 2 1 定电流和定电压( 直流) 调节方式 在这种方式中整流器仍按定电流调节，逆变器则按直流线路末端( 或始端) 电压保持一定的方式调节。定电压调节的原理和定电流调节相似，仅反馈量或被 被调节量改为相应的直流电压。为了防止换相失败。逆变器仍需装设6 调节器， 不过它只有在6t6 0 时才进行调节，因此又称为6 0 限制器。这种调节方式适用于 受端交流系统等值( 短路) 阻抗较大( 弱系统) 的场合，它有利于提高换流站交 流电压的稳定性。定电压调节的另一优点是，在轻负载( 直流电流小于额定值) 运行时，由于逆变器的6 角比满载运行时大，对防止换相失败更为有利。定电压 调节方式的缺点是：在额定条件运行时为了保证直流电压有一定的调节范围，逆 变器的6 角略大于6 0 ，也就是系统运行点要在定6 0 特性之下，此时逆变器的额定 功率因数和直流电压要比定关断余裕角调节方式的要低一些，亦即消耗的无功功 率较多，换流器的利用率较低。不过，如果在6 角偏离6 0 值不大的范围内，把6 0 限制器的响应速度做得比定电压调节的慢一些，则满负载时逆变器也可运行于 6 6 0 的状态。 上面讨论了直流输