第3章 电压型电流型变换器

1、第第3 3章章 电压型电压型/ /电流型变换器电流型变换器 电力电子变换器电力电子变换器：采用电力电子器件实现电能变换的系采用电力电子器件实现电能变换的系 统和装置。它以电力电子器件为基础，采用一定的电路结构统和装置。它以电力电子器件为基础，采用一定的电路结构 形式对电能进行转换以实现特定的目的。形式对电能进行转换以实现特定的目的。 n采用整流器采用整流器/ /变换器实现电能在交流和直流之间转换；变换器实现电能在交流和直流之间转换； n采用交一直一交变换器实现变频、调压和电机调速目的；采用交一直一交变换器实现变频、调压和电机调速目的； n采用斩波器实现直流调压或稳压等。采用斩波器实现直流调压或

2、稳压等。 FACTSFACTS控制器是一种特殊的电力电子设备，控制器是一种特殊的电力电子设备，其核心是电力其核心是电力 电子变换器。电子变换器。 1 1、电力电子变换器的分类、电力电子变换器的分类 按照能量在直流（按照能量在直流（DCDC）与交流（）与交流（ACAC）之间的转换）之间的转换 可分为可分为 ACACDCDC、ACACACAC、DCDCACAC、DCDCDCDC四种变换器。四种变换器。 ACACDCDC：功率流向可是双向的。功率由交流电源传向直流负：功率流向可是双向的。功率由交流电源传向直流负 载的变换称为整流，功率由负载传输回电源的变换称为有源载的变换称为整流，功率由负载传输回电

3、源的变换称为有源 逆变。逆变。 AC-ACAC-AC有两种实现方案：有两种实现方案： 间接变频（间接变频（ACACDC-ACDC-AC） 直接变频（直接变频（ACACACAC） DCDCDCDC：称直流斩波；：称直流斩波； DCDCACAC：称无源逆变；：称无源逆变； 按照电流在开关器件间换相的方式，变换器可分为按照电流在开关器件间换相的方式，变换器可分为 自换相和外部换相两大类。自换相和外部换相两大类。 外部换相外部换相是指依靠器件之外的电路条件实现换相，主要用于是指依靠器件之外的电路条件实现换相，主要用于 采用不可控器件或半控器件的变换电路中。采用不可控器件或半控器件的变换电路中。 又分为

4、又分为电网换相电网换相：依赖交流电源电压来完成换相；：依赖交流电源电压来完成换相； 负载换相：负载换相：依赖负载产生的交流电压来完成换相依赖负载产生的交流电压来完成换相 自换相自换相 又分为又分为器件换相，器件换相，例如功率晶体管等依靠本身自关断性能来例如功率晶体管等依靠本身自关断性能来 换相，全控器件都采用器件换相。换相，全控器件都采用器件换相。 脉冲换相脉冲换相，例如普通晶闸管自己不能关断，而需设置，例如普通晶闸管自己不能关断，而需设置 换相电路强迫关断。脉冲换相包括脉冲电压换相和脉冲电流换相电路强迫关断。脉冲换相包括脉冲电压换相和脉冲电流 换相两种。换相两种。 在在FACTSFACTS设

5、备中用到的主要变换方式是设备中用到的主要变换方式是AC-DCAC-DC和和 DCDCACAC，根据直流侧的电压或电流极性是否会改变，根据直流侧的电压或电流极性是否会改变， 可分为可分为电压型变换器电压型变换器（voltage sourced convertervoltage sourced converter， VSCVSC）和）和电流型变换器电流型变换器（current sourcedconvertercurrent sourcedconverter， CSCCSC）。）。 VSCVSC：直流侧电压极性不变，功率方向随着直流：直流侧电压极性不变，功率方向随着直流 电流方向的改变而改变；电流方

6、向的改变而改变； CSCCSC：直流侧电流极性不变，功率方向随着直流：直流侧电流极性不变，功率方向随着直流 电压方向的改变而改变。电压方向的改变而改变。 3 3 电压型变换器的基本原理电压型变换器的基本原理 电路结构：电路结构：直流侧并联一个单极性的直流电源或支撑电直流侧并联一个单极性的直流电源或支撑电 容，直流电源或电容的容量足够大，直流电容电压恒定，容，直流电源或电容的容量足够大，直流电容电压恒定， 并且直流电流是双向流动的，从而能实现电能的双向交换。并且直流电流是双向流动的，从而能实现电能的双向交换。 交流侧通过一定的接口电感与交流系统（电网或负载）相交流侧通过一定的接口电感与交流系统（

7、电网或负载）相 连，串联电感的作用是在交流电压源内阻抗较小的情况下，连，串联电感的作用是在交流电压源内阻抗较小的情况下， 防止直流电容发生短路而快速向容性负载放电损坏器件防止直流电容发生短路而快速向容性负载放电损坏器件 和装置。和装置。 连接交流侧接口电抗器和直流侧电容的即为电压型变换连接交流侧接口电抗器和直流侧电容的即为电压型变换 器的主电力电子电路。器的主电力电子电路。 电压型变换器特点电压型变换器特点：直流电压极性不变，直流电流双向，开直流电压极性不变，直流电流双向，开 关阀只需阻断正向电压，具有不对称可控关断能力，同时应具关阀只需阻断正向电压，具有不对称可控关断能力，同时应具 备双向电

8、流导通能力。通常采用一个不对称可关断器件（如备双向电流导通能力。通常采用一个不对称可关断器件（如 GTOGTO）和一个同等容量的二极管反并联构成电压型变换器的开关）和一个同等容量的二极管反并联构成电压型变换器的开关 阀，如图阀，如图 3 34 4所示。在高压变换器中，为增大装置容量，也可所示。在高压变换器中，为增大装置容量，也可 以将多个不对称可关断器件并联后再与一个大容量的分立二极以将多个不对称可关断器件并联后再与一个大容量的分立二极 管反并联，形成一个开关阀，为变换器提供合适的电压和电流。管反并联，形成一个开关阀，为变换器提供合适的电压和电流。 电压型变换器能量传递是双向的，输出电压的幅值

9、、相角和频电压型变换器能量传递是双向的，输出电压的幅值、相角和频 率都是可控的。率都是可控的。 电压型变换器的基本工作原理电压型变换器的基本工作原理：设直流电压设直流电压U Ud d恒定，恒定， 电容正极和可关断器件的正极相连。电压型变换器中能量电容正极和可关断器件的正极相连。电压型变换器中能量 的传递是双向的，其中可关断器件工作时为逆变状态，二的传递是双向的，其中可关断器件工作时为逆变状态，二 极管工作时为整流状态，或者说开关阀随着电流方向的改极管工作时为整流状态，或者说开关阀随着电流方向的改 变而分别工作于逆变和整流状态。变而分别工作于逆变和整流状态。 增大变换器容量的必要性增大变换器容量

10、的必要性 欲使欲使FACTSFACTS设备能有效调控电网的性能，其容量要求较设备能有效调控电网的性能，其容量要求较 高，一般可达到数十高，一般可达到数十MVAMVA、上百、上百MVAMVA，甚至更高水平。目，甚至更高水平。目 前的器件水平（单管耐压数前的器件水平（单管耐压数kVkV、电流数、电流数kAkA），考虑一定设计），考虑一定设计 裕量，一个普通的裕量，一个普通的6 6脉波变换器，其正常可用的变换容量只脉波变换器，其正常可用的变换容量只 有有5MVA5MVA左右。因此，如何增加变换器容量成为电力电子技左右。因此，如何增加变换器容量成为电力电子技 术应用于电力系统，包括术应用于电力系统，包

11、括FACTSFACTS技术的重要课题。技术的重要课题。 增大变换器容量的措施增大变换器容量的措施 n 器件串联器件串联 关键是要保证各器件之间的均压和同步触发，因而需要有关键是要保证各器件之间的均压和同步触发，因而需要有 电压分配缓冲电路和保证同步触发的控制电路，同时器件电压分配缓冲电路和保证同步触发的控制电路，同时器件 的电压额定值需要有一定的裕度。的电压额定值需要有一定的裕度。 n 桥臂并联桥臂并联 n 增加脉波数增加脉波数 可减少谐波含量，同时成倍增加容量。是目前大容量可减少谐波含量，同时成倍增加容量。是目前大容量 FACTSFACTS设备实现大容量的主要方式之一设备实现大容量的主要方式

12、之一 n 采用多电平变换器采用多电平变换器 如采用三电平变换器可以将变换器的电压提高如采用三电平变换器可以将变换器的电压提高1 1倍，从倍，从 而使每阀单管变换器的容量在而使每阀单管变换器的容量在6 6脉波下可达到脉波下可达到10MVA10MVA，而且，而且 交流电压在一定范围内可灵活控制。交流电压在一定范围内可灵活控制。 如如链式变换器，通过将多个基本变换单元串接起来，可链式变换器，通过将多个基本变换单元串接起来，可 避免使用升压变压器而直接获得非常高的交流输出电压，而避免使用升压变压器而直接获得非常高的交流输出电压，而 且易于实现模块化设计和冗余控制。且易于实现模块化设计和冗余控制。 n

13、桥臂变换器组并联桥臂变换器组并联 实际应用中，往往将上述方法之中的两种或更多综合起实际应用中，往往将上述方法之中的两种或更多综合起 来，增大变换器的容量并改善其整体性能。来，增大变换器的容量并改善其整体性能。 4 4、电流型变换器、电流型变换器 电流型变换器的基本特点电流型变换器的基本特点：其直流电流总保持一个方向，功其直流电流总保持一个方向，功 率流向随着直流电压方向的反转而改变。率流向随着直流电压方向的反转而改变。 CSCCSC基于可关断器件、不可关断器件（普通晶闸管）基于可关断器件、不可关断器件（普通晶闸管） 二极管来实现，可分为三种基本类型。二极管来实现，可分为三种基本类型。 1 1）

14、二极管变换器）二极管变换器 仅实现最简单的交直流转换即整流，利用交流仅实现最简单的交直流转换即整流，利用交流 系统电压来完成二极管间的电流换相。这种基于二系统电压来完成二极管间的电流换相。这种基于二 极管、依靠电源换相的极管、依靠电源换相的CSCCSC只是不可控地将交流功率只是不可控地将交流功率 转换为直流功率，且在交流侧还要消耗一定的无功转换为直流功率，且在交流侧还要消耗一定的无功 功率。功率。 2 2）电源换相变换器）电源换相变换器 它基于普通晶闸管（开通可控、关断不可控）它基于普通晶闸管（开通可控、关断不可控） 构成，利用交流系统电压完成电流换相能实现有构成，利用交流系统电压完成电流换相能实现有 功功率的双向交换和控制，但要在交流侧消耗无功功功率的双向交换和控制，但要在交流