电力电子课程设计--三相可控整流技术在轻型高压直流输电系统中的应用.doc

电力电子技术课程设计说明书 设计题目： 三相可控整流技术在轻型高压直流输电系统中的应用 专业班级： 2009级电气工程及其自动化 姓 名： 陈亚运 学 号： 0915140014 指导教师 ： 褚晓锐 2011年12月26日 一、课程设计题目三相可控整流技术在轻型高压直流(HVDC Light)输电系统中的应用二、课程设计日期: 2011年12月16日 至 2011年12月23日三、课程设计目的利用三相桥式整流电路实现对轻型高压直流输电过程中交流到直流的整流以及其相反过程直流到交流的逆变过程，期间整流侧通过架空或电缆传送到逆变侧。训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。在设计过程中巩固之前学习的知识，并且锻炼独立思考能力。四、课程设计正文1.轻型高压直流输电技术简介（1）概述轻型高压直流输电是一种以电压源换流器和绝缘栅双极晶体管为主要部件发展起来的新型直流输电技术，采用可关断电力电子器件构成电压源型换流站VSC ( Voltage Sourced Converters )进行直流传输，故采用自换相电压源换流器VSC的HVDC被称为轻型高压直流输电（HVDC-Light）。（2）与传统高压直流输电HVDC不同及优势轻型HVDC和传统的HVDC相比，最大的差别在于两边均采用IGBT构成的VSC。因此，在无需改变VSC极性的情况下，只要改变电流方向就能简易迅速地实现对功率流向的控制。由于IGBT较好的开关特性和频率响应，加上PWM调制，使整流输出的直流电压更加趋近于理想值，仅附着幅值极小的高频纹波，无晶闸管换流阀的6脉动或12脉动。因此，无需庞大的平波电抗器。采用PWM技术的逆变输出交流电压，更加趋近于标准的正弦波，无明显的换相齿和换相重叠角，谐波分量大大减小，使传统的滤波系统简化，换流站更加紧凑、小型化。站与阀厅的建筑规模也相应缩小，投资减少。2. HVDC-Light基本工作原理轻型直流输电是一种以电压源换流器（VSC）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）为主要部件发展起来的新型直流输电技术。工作时，送端和受端均采用电压源换流器(VSC)，两侧换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥的每个桥臂由几十个到几百个IGBT串联而成。换流电抗器是电压源换流器(VSC)与交流侧能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用。直流电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减少直流侧谐波。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。另外，轻型直流输电的传输线路一般采用地下电缆，对周围环境的影响较小。主电路如下。1-交流滤波器2-换流电抗器3-换流桥4-直流电容5-直流电缆3.电压源型换流站VSC（1）VSC组成由电压源换流器组成对交流电的蒸馏控制，其桥臂由大功率可控关断型器件（如IGBT、IGCT）和反并联的二极管组成。目前IGBT的耐压水平达6.5kV、通断电流达3kA；IGCT 的断态重复峰值电压达6kV，最大可关断电流达3-6kA。（2）工作原理在VSC-HVDC输电中，VSC通常采用的是正弦脉冲调制技术(SPWM)，SPWM是通过比较正弦波(期望输出的电压波形)和三角载波来决定每个桥臂的开通关断时刻。在直流侧电压恒定时，SPWM的调制比来决定VSC输出电压波形，而正弦给定信号的频率与相位决定VSC输出电压的频率与相位。由于VSC吸收的有功功率和无功功率取决于VSC输出电压的相位和幅值，所以通过控制SPWM给定正弦信号的相位和调制度就可以控制有功功率和无功功率的大小和传输方向，从而实现对有功功率和无功功率的相互独立的控制。4.SPWM控制（1）控制组成大功率高频IGBT的问世，使得采用脉宽调制技术成为可能。IGBT的控制极具高阻抗，要求的触发功率小；其由于通断频率高，切换时间短，从而降低了通断损耗；同时在上千赫兹的通断频率下，串联元件仍能得到良好的均压。因此，由IGBT组成的PWM电压源换流器在轻型直流输电工程中得到了广泛的应用。1-三相输电线2-晶闸管IGBT示意（2）工作原理电压正弦脉冲调制法的基本思路是与正弦波等效的一系列等副不等宽的矩形脉冲形来等效正弦波（如图a）。具体是把一个正弦半波分作n等分（图a中n=12），然后把每一等分正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与之面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合（如图b），这样，由n个等副不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周波等效，即SPWM波形。5.对主电路分析（1）单相整流电路分析控制电路元件主要采用绝缘栅双极晶体管（IGBT），并且反并联电力二极管，IGBT为全控型器件，当其集电极电位低于发射极电位时，IGBT反向阻断；当其集电极电位高于发射极电位时，分为两种情况：若门极电压低于开启电压，IGBT正向阻断；若门极电压高于开启电压，IGBT导通。与基于晶闸管的传统直流输电技术不同，VSC-HVDC采用可控关断器件和PWM技术，即IGBT由正弦交流信号控制。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC桥臂高频开通和关断，实现对交流电的整流。其单相控制电路如下。PWM技术是VSC工作的基础，以单相VSC正弦脉宽调制为例。原始的脉冲调制方法是利用正弦波作为基准的调制波（Modulation Wave），受它调制的信号称为载波（Carrier Wave），在SPWM中常用等腰三角形波当作载波。当调制波与载波相交时（如图），由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。具体做法是，当U相的调制波电压Uru高于载波电压Ut时，使相应的开关器件IGBT1导通，输出正的脉冲电压；当Uru低于载波电压Ut时使IGBT1关断，输出电压为零。在Uru的负半周中，可用类似方法控制桥臂IGBT4，输出负的波形电压序列。改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；降低调制波的幅值时，各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。即实现对整流器的控制。 （2）三相整流电路分析三相的情况与单相相同，此处不再累述。三相电路图如下。输出波形图如下。五、结语 HVDC Light 技术涉及电力系统、材料、控制等学科。由于目前国内还未有相关工程实践经验，因此在开展HVDC Light技术工程应用的研究中，要充分调研国外HVDC Light技术的研究成果和相关工程经验，对其关键技术进行重点研究。可以相信，随着电力电子器件、计算机控制等技术的不断发展，HVDC Light的输送容量、电压等级将不断提高，而系统损耗和成本将不断下降，加上国外现有实际工程的运行经验以及能源战略和能源结构的不断调整和完善，HVDC Light必将在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、交流电网互联等应用领域得到更快的发展。六、参考文献1.陈建业等编著.电力电子技术在电力系统中的应用.北京:机械工业出版社,2007.82.周国梁作.基于电压源换流器的高压直流输电系统控制策略研究.华北电力大学（保定）,博士学位论文,2009.53.杨秀,郭晨吉,金红核作.轻型高压直流输电综述.华东电力, 第37卷第4期2009年4月4.马振军作.轻型HVDC和SVC简介.高压电器,第38卷第6期2002年12月5.彭容,周雒维,杜雄作.一种新型的电压源换流器.重庆大学学报（自然科学版）,第28卷第3期2005年3月6.丁奇,严东超,曹启蒙作.三相电压型PWM整流器控制系统设计方法的研究. 电力系统保护与控制,第37卷第23期2009年12月7.从振作.轻型高压直流输电控制策略研究.西南交通大学,硕士学位论文.2010年6月8.胡兆庆,毛承雄,陆继明,李国栋作.一种新型的直流输电技术-HVDC Light.电工技术学报,第20卷第7期2005年7月9.刘波,丁明,吴红斌作.轻型高压直流输电系统的MATLAB仿真.合肥工业大学学报(自然科学版),第28卷第6期2005年6月10.徐政.陈海荣作.电压源换流器型直流输电技术综述.高电压技术,第33 卷第1期2007年1月七、致谢词在这短短的几天时间里收获颇丰，不仅仅是知识的加深