chap.2 换流器工作原理for hvdc

1、高压直流输电技术1Chap.2 换流器工作原理2滤波正极12脉动A端滤波负极12脉动B端滤波及无功补偿直流输电线交流系统A交流系统BY YD YY YD YLdLdHVDC原理示意图双桥换流器3换流器4换流器桥臂桥臂符号组件5换流器6静态均压晶闸管动态均压平波电抗组间均压冲击陡波均压阀组件：晶闸管与均压电路 受单只器件控制容量的限制，必须采取组合的形式以满足工作要求7换流器8换流器桥臂组成方式-晶闸管串联和并联AM晶闸管AM电压：5.59kV电流：1.24.5kA串联方式需要均压，并联方式需要均流9101112第二章 主要内容2.1 单桥整流器的工作原理2.2 单桥逆变器的工作原理2.3 双桥

2、换流器的工作原理HVDC系统 单桥 13假设条件 交流电源为对称的正弦波； 交流输电系统及换流变压器阻抗对称； 不计交流系统中各元件的电阻及换流变压器的激磁导纳； 平波电抗器的电感为无穷大； 晶闸管具有理想的开关特性； 等间隔触发HVDC系统142.1 单桥整流器的工作原理单桥等效电路原理图135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebecoHVDC系统15单桥整流器的主要内容2.1.1 无触发延时、不计换相角时单桥的工作原理2.1.2 计及触发延时、不计换相角时单桥的工作原理2.1.3 计及触发延时、计及换相角时单桥的工作原理 -正常工况16电源电动势相电压:（1）

3、线电压:（2）自然换相点：电源相电压的交点172.1.1 无触发延时、不计换相角时单桥工作原理 上半桥分析 V1、V2导通 V2、V3导通 V1、V2导通 电流：135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebecoHVDC系统18上半桥分析 V1、V2导通 电压： t=c3 后 p3 给出，同时 V3导通, V1截止135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebeco19上半桥分析换相：电流从一个晶闸管转移到同一半桥中另一个晶闸管的过程。V2、V3导通电压、阀电流、相电流 直流电流波形135462ibMNeaLcABCLd+ud _Idici

4、aLcLcebeco20下半桥分析 V2、V3导通 V3、V4导通135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebeco t=c4 后 p4 给出，同时 V4导通, V2截止21下半桥分析135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebecoV3、V4导通电压、阀电流、相电流 直流电流波形22整流电压平均值（不计触发角、不计换相角）电源线电压有效值（3）（4）理想空载直流电压理想空载直流电压232.1.2计及触发延时、不计换相角时单桥工作原理 触发（延迟）角/滞后角/点燃角（ ）： 用电气角度表示的从自然换相点到晶闸管的控制极上施以触发脉冲的时间

5、。 上半桥分析 V1、V2导通 V2、V3导通 V1、V2导通 V2、V3导通与不计触发延时、不计换相角时相同242.1.2计及触发延时、不计换相角时单桥的工作原理 上半桥分析 t=c3 p3 时 p3 没有给出，所以尽管135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebeco V3不导通25上半桥分析(计及触发延时、不计换相角) t p3 时 p3 给出，同时135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebeco V3导通, V1截止电压、阀电流、相电流 直流电流波形26下半桥分析(计及触发延时、不计换相角) t p4 时 p4 给出，同时 V4

6、导通, V2截止电压、阀电流、相电流 直流电流波形135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebeco27整流电压平均值（计及触发角、不计换相角）（5） 特点： 增加，则 减少282.1.3计及触发延时、计及换相角时单桥的工作原理问题的提出： ip能否突变？ ip的变化规律？ 假设短路电流ik 135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebecoik29推导换相电流公式KVL：135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebecoik-（6）30推导换相电流公式计及：和 线电压：可得：（7）考虑初始条件：31换相电流计

7、算公式（8）交流系统两相短路电流的幅值（9）等值换相电感ik波形、阀电流、相电流、直流电流波形32换相角计算公式换相结束时：（10）特点：则33换相实质 换相实质： 换相是交流系统短时间的两相短路。换相是依靠交流电源提供的短路电流进行的。 换相电流：换相期间的短路电流 换相电压：提供换相电流的交流电源电压 换相阻抗：每相电源中性点到桥臂间的等值阻抗HVDC系统34电压分析-上半桥(正常工况)电压 V1、V2导通 V1、V2、V3导通 V2、V3导通 V1、V2导通 V2、V3导通与计及触发延时、不计换相角时相同 t= 时，35整流电压平均值（正常工况）空载时整流电压的平均值（11）换相引起的电

8、压损耗：（12）电压36外特性方程（14）（13）整流电压平均值-表达式1 -定角外特性方程等值换相电阻/比换相压降：定角外特性曲线37整流电压平均值（正常工况）整流电压平均值-表达式2（15）整流电压平均值-表达式3（16）38直流电压的特点整流电压平均值的特点：其中：(1) ， ， ， 增加，则 减少； (2) 增加，则 增加的影响， 的影响， 的影响， 的影响， 的影响 39 等效电路（单桥整流器）（13）+_+_+_（a）等效电路-1（b）等效电路-2+_+_+_40功率因数 （单桥整流器） （18）（17）（19）功率因数角：通常41单桥整流器的运行方式工况2-3 -正常运行方式工况

9、3 -非正常运行方式工况3-4 -故障运行方式工况2-3： 在600的重复周期中，2个阀和3个阀轮流导通的运行方式。 成立的条件： 同时42工况3工况3： 在600的重复周期中，始终只有3个阀轮流导通的运行方式。135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebeco 成立的条件： 同时 特点： 出现强制延迟现象 出现的原因：过大43工况3-4工况3-4： 在600的重复周期中， 3个阀和4个阀轮流导通的运行方式。135462ibMNeaLcABCLd+ud _IdiciaLcLcebeco 特点：直流短路、交流三相短路 出现的原因：故障性增大 成立的条件： 同时442.

10、2 单桥逆变器的工作原理逆变器接入HVDC系统的方式ebMNIdIdLceaeceaebeciaicLc135462ABCibicibiaLdLd+ Udr + Udi A4MN12563BC45Ud 的关系单桥整流器的整流电压平均值( 和 )： 0 600 600 900900 12001200 1800全部为+ + - + - 全部为 - 全部为+ + 0 0 - 全部为 - 换流器状态 整流器逆变器 （5）对 的影响、动画46单桥逆变器的运行方式工况2-3 -正常运行方式工况3-4 -故障运行方式工况2-3： 在600的重复周期中，2个阀和3个阀轮流导通的运行方式。 成立的条件： 同时4

11、7工况2-3 t(C3,) /V1、V2导通下半桥分析 V1、V2导通 V1、V2 、V3导通 V2、V3导通 eaebecicLcibia+ udi A4MN12563BCoLcLcIdLd电压波形48下半桥分析 t= /V1、V2、V3导通eaebecicLcibia+ udi A4MN12563BCoLcLcIdLdikKVL：49推导换相电流公式计及：和 线电压：可得：考虑初始条件：50换相电流计算公式交流系统两相短路电流的幅值等值换相电感ik波形、阀电流、相电流、直流电流波形51逆变运行的充要条件与交流系统相连-有源逆变；与足够大的直流电源相连；具有使在 90 180 范围内调节的控

12、制能力。eaebecicLcibia+ udi A4MN12563BCoLcLcIdLdik52名词解释 超前角/越前角/触发越前角（ ）： 用电气角度表示的落后于自然换相点180处到控制脉冲发出时刻之间的时间。 熄弧角/关断越前角（ ）： 用电气角度表示的熄弧阀上正向电压为负的时间。（21） 同时适合条件：（20）53正常运行值 熄弧裕度角（ ）： 考虑足够裕度的熄弧角。稳态运行数值：54换相失败逆变器侧的熄弧阀在换相结束后重新导通的过程。 原因：过小，熄弧阀在换相结束后没有足够的时间恢复其正向阻断能力。 分类：一次换相失败连续两次换相失败对策：控制系统闭锁， HVDC系统短时停运。 一般，

13、80%的一次换相失败不会发展为连续两次换相失败。电压、阀电流波形电压、阀电流波形55单桥逆变器的特性方程 单桥逆变器的特性方程可由单桥整流器的特性方程导出。 导出原则一： 整流器 Udr dxrr Id逆变器 1800- -Udi dxi i Id电压波形比较、动画比较56整流电压平均值-（单桥逆变器）已知 单桥整流器的整流电压平均值整流电压平均值（单桥逆变器，工况2-3）（22）（23）故57外特性方程-（单桥逆变器）已知 单桥整流器的外特性方程故（24）外特性方程（单桥逆变器，工况2-3） 定 角的外特性方程（25）其中，外特性曲线58计算公式-（单桥逆变器）已知 单桥整流器的计算公式：故

14、计算公式（单桥逆变器，工况2-3）（26）（27）其中，59单桥逆变器的特性方程 导出原则二： 整流器 Udr dxrr Id逆变器 Udi dxi i Id电压波形比较60整流电压平均值-（单桥逆变器）已知 单桥整流器的整流电压平均值整流电压平均值（单桥逆变器，工况2-3）（28）（29）故61外特性方程-（单桥逆变器）已知 单桥整流器的外特性方程故（30）外特性方程（单桥逆变器，工况2-3） 定 角的外特性方程其中，外特性曲线62计算公式-（单桥逆变器）已知 单桥整流器的计算公式：故计算公式（单桥逆变器，工况2-3）（31）其中，63 计算公式-（单桥逆变器）工况2-3时，不同 下 的计算

15、公式 和 时 和 时 和 时 （34）（32）（33）I电压波形64 计算公式-（单桥逆变器）已知 单桥整流器的 计算公式：故 计算公式（单桥逆变器，工况2-3）（35）（36）65 等效电路（单桥逆变器）+_+_+_（a）等效电路-1+_+_+_（b）等效电路-266单桥逆变器的运行方式工况3-4： 在600的重复周期中，3个阀和4个阀轮流导通的运行方式。 成立的条件： 同时 特点：直流短路、交流三相短路 出现的原因： 故障性增大eaebecicLcibia+ udi A4MN12563BCoLcLcIdLd67 2.3 双桥换流器的工作原理多桥换流器： 由直流端串联、交流端并联的一个以上的

16、单桥构成的换流器。多桥换流器的接线方式： 典型方式: 每极1组12脉动换流单元-双极双桥 其他方式: 每极2组12脉动换流单元串联 每极2组12脉动换流单元并联 特点：单桥数目为偶数68双桥换流器的运行方式工况4-5 -正常运行方式工况5 -非正常运行方式工况5-6 -非正常运行方式等等双桥换流器等效电路导通顺序:11 12 21 22 31 32 41 42 51 52 61 62 11 12 69工况4-5整流器电压波形： 1. 不计和 2. 正常运行电流波形：不计和 时， 1. 换流变阀侧电流， 2. 换流变网侧电流， 3. 电源侧电流 成立的条件： 同时工况4-5： 在300的重复周期

17、中，4个阀和5个阀轮流导通的运行方式。双桥换流器等效电路70工况4-5逆变器电压波形： 1. 不计和 2. 正常运行 成立的条件： 同时双桥换流器等效电路电流波形：不计和 时， 1. 换流变阀侧电流， 2. 换流变网侧电流， 3. 电源侧电流71工况4-5 的特点1. 双桥换流器的正常运行方式2. 每个单桥的ud、iv和ip 波形与工作在工况2-3时的对应波形一致。 即：（1） 工况4-5时，邻桥的换相与否，不影响本桥的电压。 （2） 工况4-5时，邻桥的换相与否，不影响本桥的电流。双桥换流器等效电路72工况4-5 的特点3. 桥间相互影响： 邻桥的换相使本桥所有未导通阀的电压产生畸变。 从而

18、影响整流器侧接班阀的正常开通，以及逆变器侧熄弧阀的可靠关断。双桥换流器等效电路73桥间相互影响设V11、V12、 V21、 V22、V31导通 整流器侧接班阀电压：（37） 逆变器侧熄弧阀电压：（38）交流系统各相等值电感换流变压器各相等值电感双桥换流器等效电路74桥间相互影响系数：（39）结论： 1. 2. 越大，桥间相互影响越严重，未开通阀的波形畸变也越厉害。桥间相互影响的实质：两桥间共有一个耦合电感双桥换流器等效电路75双桥换流器的计算公式-整流器 一、 整流器（工况4-5）：1. 整流电压平均值：（40）或（41）单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形76双桥换流器的外特性-整流器2. 双桥整

19、流器的外特性方程 定角的外特性方程：（42）等值换相电阻/比换相压降：77双桥换流器的计算公式-整流器3.双桥整流器的角计算公式（43）（45）4.双桥整流器的 角计算公式交流系统两相短路电流的幅值（44）78双桥换流器的计算公式-逆变器 二、 逆变器（工况4-5）：1. 整流电压平均值：（46）或（47）79双桥换流器的计算公式-逆变器 整流电压平均值：或（49）（48）80双桥换流器的外特性-逆变器2. 双桥逆变器的外特性方程（50）定 角的外特性方程：定 角的外特性方程：（51）81双桥换流器的计算公式-逆变器3.双桥逆变器的角计算公式（52）交流系统两相短路电流的幅值（53）或82双桥

20、换流器的 计算公式-逆变器4. 双桥逆变器的 角计算公式（54）（55）83工况5工况5： 在300的重复周期中，始终只有五个阀阀轮流导通的运行方式。双桥换流器等效电路 成立的条件： 同时 特点： 1.出现强制延迟现象； 2.只有整流器才能出现。 出现的原因：过大 同时84HVDC系统原理图-双极双桥 葛洲坝南 桥209kVIdId500kV500kV500kV198kV220kV85电压波形（ 、 ）-单桥整流器eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2p2p1p4p3p5p1p6p3p2v2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2v2v3v3v4eacea

21、bebaebcecbeca86阀电流波形（ 、 ）eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2p2p1p4p3p5p1p6p3p2v2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2v2v3v3v4iV1iV2iV3iV5iV4iV687相电流波形（ 、 ）eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2p2p1p4p3p5p1p6p3p2v2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2v2v3v3v4iaibic88直流电流波形（ 、 ）p2p1p4p3p5p1p6p3p2v2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2

22、v2v3v3v4eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2Id+13513Id-24624689电压波形（ 、 ）-单桥整流器eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2eaebeceav2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2v2v3v3v4p2p1p4p3p5p1p6p3p2p5p4eaceabebaebcecbecaeaceabebc90电压波形动画（ 、 ）-单桥整流器= 5 57,粉红色-uMO，蓝色-uNO，红色-uduMN91阀电流波形（ 、 ）eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2eaebeceav2v3v6v1v3v4v5v6

23、v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2v2v3v3v4p2p1p4p3p5p1p6p3p2p5p4iV1iV2iV3iV5iV4iV692相电流波形（ 、 ）eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2eaebeceav2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2v2v3v3v4p2p1p4p3p5p1p6p3p2p5p4iaibic93直流电流波形（ 、 ）eaebecC1C3C5C1C3C2C6C4C2eaebeceav2v3v6v1v3v4v5v6v1v2v6v1v5v6v4v5v1v2v2v3v3v4p2p1p4p3p5p1p6p3p2p5p4Id+13

24、513Id-24624694ik与iv波形p3C3 ISC2cosISC2Idiv1iv395阀电流波形（ 、 ）eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C65 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p696相电流波形（ 、 ）eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C65 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4

25、 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p697直流电流波形（ 、 ）eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C65 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6iV1iV3iV5iV1iV3iV5iV2iV4iV6iV2iV4iV698电压波形（

26、、 ）-单桥整流器eaebeceaebecC1C2C3C4C5C6C1C1C2C3C4C5C65 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 55 6 15 66 1 26 11 2 31 22 3 42 33 4 53 44 5 64 5p1p2p3p4p5p6p1p2p3p4p5p6eaceabebaebcecbecaeaceabebaebcecbeca99电压波形动画（ 、 ）-单桥整流器= 5 57粉红-uMO 蓝色-uNO 红色-uduMN ,绿色-uv3100外特性曲线（单桥整流器） （13）o101换流器ud图(= 0 180 )p0

27、p 300p 600p 900p 1200p 1500p 1800102换流器ud动画(= 0 180 )103电压波形（ 、 ）-单桥逆变器6126145634556112323434545656161212323445566112233445561223 p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p5C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1ecebeaeaebecC60C1eabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecb104电压波形（ 、 ）-单桥逆变器-带ecebeaeaebec p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2

28、 P4 p3 p6 p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1eabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecbAeabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecb单桥I电路，单桥R熄弧阀压波形105阀电流波形（ 、 ）-单桥逆变器ecebeaeaebec p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p561261456345561123234345456561612123234455661122334

29、45561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1iV1iV2iV3iV4iV5iV6106相电流波形（ 、 ）-单桥逆变器ecebeaeaebec p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1iv1iv1-iv4-iv4iv3iv3-iv6-iv6iv5-iv2-iv2iv5107直流电流波形（ 、 ）-单桥逆变器ecebeaeaebec p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2

30、P4 p3 p6 p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C1iv5iv1iv3iv5iv1iv3iv6iv2iv4iv6iv2iv4108ik与iv波形C3p3p3a b ISC2cosISC2Idiv1iv3109电压波形（含一次换相失败）6126145634556112312414545656161212323445566112231445561223 p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p51231234C6C4C4C2C3C5C6

31、C1C2C3C5C1ecebeaeaebeceabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecbC60C1单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形110阀电流波形（含一次换相失败）C4C4C2C3C5C2C3C5C1 p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p561261456345561123124145456561612123234455661122314455612231231234C6eabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecbC60C1iV3iV5iV2iV4iV1iV6单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形111电压波形（含

32、连续两次换相失败）6126145634556112312414545656161212323445566112231445561223 p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p51231234C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C112412456.2812.57ecebeaeaebecC60C1eabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecb单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形112阀电流波形（含连续两次换相失败） p4 p3 p6 p1 p2 p5 p1. p2 P4 p3 p6 p56126145634556112312414545

33、65616121232344556611223144556122312312341241245C6C4C4C2C3C5C2C3C5C1C60C1eabeacebcebaecaecbeabeacebcebaecaecbiV1iV2iV3iV4iV6iV5单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形113电压波形比较（单桥R和I）345678910111210.50.51eabeacebcebaecaecbeabeacebcC2C3C4C5C6C1C2C3C1p1.p2p4p3p5p6p1p2p3345678910111210.50.51C2C3C4C5C6C1C2C3C1p5p6p2p1p3p4p5p6p1e

34、abeacebcebaecaecbeabeacebc114电压波形比较动画（单桥R和I）= 5 57 ，180= 123 175 115外特性曲线（单桥逆变器）Ido116换流器的其他接线方式典型方式: 每极1组12脉动换流单元其他方式: 每极2组12脉动换流单元串联 每极2组12脉动换流单元并联图1. 每极1组12脉动 换流单元图2. 每极2组12脉动换流单元串联图3. 每极2组12脉动 换流单元并联117双桥换流器等效电路R oOia1ib1ic1ia2ib2ic2ABCLT113151416121M1N1c1b1a1M2N2123252426222c2b2a2+ud_T1：Y，yk =

35、1 : 1T2：Y，dk =eAeBeCiAiBiCIdud2+_ud1+_ia2ib2ic2iA2iB2iC2iA1iB1iC1LTO1O2LdLS118双桥换流器简化等效电路EXsxT1xT2桥2桥11：-30桥I漏电抗桥II漏电抗桥间耦合电抗119双桥换流器电压波形（理想情况）oea1c1ea2c212脉动120iv12iv42p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeab

36、p22p12p32p62p52p42p62p12p62iv11iv41iv31iv61iv61iv21iv51iv21iv51iv32iv62iv62iv52iv52iv22双桥换流变阀侧电流波形（理想情况）双桥换流器等效电路121p21p11p31p61p51p41p61p11p61ecbeabeacebcebaecaecbeabC21C31C41C51C61C11C21C11C61C22C32C42C52C62C12C22C12C62ecaecbeabeacebcebaecaecbeabp22p12p32p62p52p42p62p12p62iv11iv41iv31iv61iv61iv21iv51iv21iv51双桥换流变网侧电流波形（理想情况）双桥换流器等效电路122p21p11p31p61p51p41p61p11p61e