直流输电换流原理-逆变部分

HVDCPrinciple–

Inversion直流输电换流原理Content单桥换流器整流器无相控：电压、电流、功率有相控：电压、电流、功率逆变器双桥换流器谐波2区间分析

过程时间[

,

][

,

3][

,

]3 3[

3

,

2

3][

2

,

2

][3 3

2

3

,

换相情况阀5向阀1换相--阀6向阀2换相--阀1向阀3换相--导通情况5-6-16-16-1-21-21-2-32-3阀1阳极电压VmVaVaVaVmVa时间

[

,

]

[

,

4

][

4

,

4

][

4

,

5

][

5

,

5

][

3 3

5

,

2

3过程33 333换相情况阀2向阀4换相--阀3向阀5换相--阀4向阀6换相--导通情况2-3-43-43-4-54-54-5-65-6阀1阳极电压VnVaVaVaVnVa3导33 33通3

333[

,

542424

,

]

5

2424

42

]

5

[

,

,

,

,

,

,

]

2

]]

]

]换向角

<

60

变化4触发滞后角

P与开通滞后角

5理想情况下，

P1

~

P6

相等，记为

P触发滞后角

P

：触发脉冲时刻

P

与

C

间的电角度开通滞后角

：阀开通时刻

T

与

C

间的电角度正常运行情况下：开通滞后角

＝

触发滞后角换相角增大6过负荷交流电压过低直流线路短路阀-阀间触发周期为60电角度假设开始时刻3-4导通，接下来阀3向5换相，4向6换相。。前一换相过程的两相短路（4-5-6），导致接下来换相过程（5-1）强制30度触发（进入换相的阀电压平移30度）T:导通，D:关断，

C：计时点换向角60

<

<120

时运行工况分析

30

红色：导通阀；橙色：换相阀7开通滞后

vs

触发滞后3

-

4工况– 最小开通滞后角（强制开通滞后角）

P

30

30

P

30

P8运行工况分析（续）60<

<120时换相电流与直流电压波形3-4工作方式时间节点4D

60T

602D5

阀1开通时刻（T1），阀4关断时刻（D4），阀2开通时刻（T2），阀5关断时刻（D5）

9整流器的等值电路（60<

<120）10换相过程（T1→

D4）3r rcrdtdtL di5

L d(Id

is3)

e

L dis

3dt

2

E

sin(

t

150

)i1

is

3112r3 Xi

E cos(

t

150

)

A

I

s

3

cos(

t

30

)

A1s3i --换流器三相短路电流i1--c相短路电流11换相过程（T1→

D4）

t

, i1

0A1

I

s

3

cos(

30

)i1

I

s

3[cos(

30

)

cos(

t

30

)]12换相过程（D4→

T2）223

cos

t

i

I

cos(

30

)

1cos(

30

)

1 s

3

1 s313i

I [cos(

30)

cos(

90

)]

t

60

换相过程（T2→

D5）2i

I

1

cos(

30

)

1

cos(

30

)

cos(

t

30

)

1 s3

2

1[cos(2s3I

t

i

30)

cos(

30

)]

Id

14换相过程（续）32E

cos

d

2

60

3

E

sin

60

60

A

60

B参考轴OecbebaωC R eac Aeb

15直流平均电压（60

<

<120）d

3

2V

A

33

E[cos(

30

)

cos(

30

)]

3V cos

cos

30

d

0

2

2

3Vd

0

cos(

30

)

3dr

Idd

0V

3 2

E外特性发生变化_+_+_+16阀电流和交流侧电流（60

<

<120）17电压波形（60

<

<120）a相电压n端电压m端电压直流电压183方式（

=

60

）边界条件：假如

是由于Id增加引起的变化，Id增加导致

增大，

会减少，直到

=30，

稳定在60，这时候就是3方式；如果Id继续增加，将进入3-4方式

193方式下的直流电流范围dr2

X3 EI

2E

[cos

cos(

60

)]

2Esin(

30

)

12

Xr

2 2 Xr

p

30,

60

=

30

dPrE2

XI

sin(

30

)

=

PrrE1 3 EId

:2

X2

Xsin(

P

30

)

2203-4方式的危害21换流器在运行中可能出现阀开通时刻滞后触发时刻的情况阀在负电压下触发，要等到正电压时刻才开通阀在反向电压下触发，将使元件反向漏电流及元件间电压分布不均，而引起过电压整流器2-3工况---正常运行方式---非正常运行方式---故障运行方式工况2-3工况3工况3-4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

0

900

20

600成立的条件：同时

22

22d

0dVV

cos

cos(

)

V cos

cos

d

0

2

整流器3工况工况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1 3546 2ibMNeaLcABCLd+ud_IdiciaLcLceb

eco230成立的条件：0

30同时0

60特点：

出现强制延迟现象出现的原因：

Id过大整流器3-4工况工况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。13546 2MNeaLcABCLd+ud_IdiciaLcLc

ibeb

eco特点：直流短路、交流三相短路出现的原因：

Id

故障性增大同时60

0

120

0224

成立的条件：30

90

单桥逆变器原理25换流器逆变运行的条件26整流器空载直流电压大于逆变器空载直流电压逆变器由交流系统提供换相电流（两相短路电流）有足够大的关断越前角只有具备正向阻断能力的器件可构成逆变器换流器直流侧电压（60°<

<120°）直流电压正负交替27换流器直流侧电压（120°<

<

180°）直流电压恒为负28HVDC定义的相关角度29

：滞后角(ignition

delay

angle)，触发滞后角

：重叠角(overlap

angle)

，换向角，换相重叠角

：关断滞后角(extinction

delay

angle)–

=

+

：超前角(ignition

advance

angle)

，触发超前角，触发越前角逆变器：阀的触发时刻越前于相应的线电压过零点的电角度，

＝

180

：熄弧角(extinctionadvanceangle)

，关断越前角，熄弧超前角逆变器：阀关断时刻到相应的线电压过零点的电角度，又称为关断角各角度之间的关系

180

触发滞后角触发超前角关断越前角

换相重叠角

180

关断滞后角30关断越前角物理解释换相中的退出阀必须保证足够的时间恢复阻断能力，这个时间域度即为最小关断角；如果无法保证最小关断角，退出阀会重新导通，导致换相失败；换相失败：上述“退出-进入”阀同时导通会导致直流侧短路，交流测三相短路，进一步加大换相重叠角，导致下一个换相失败；31逆变器的直流电压32vmvnvd=

vm

vn触发脉冲eca

过零点

逆变电压A33Cc4V5P1V5V1V1单桥逆变器阀电流波形12.57ecebaeaebecp4p1p2 p3p5 p6 p1. p2 p3P4 p5 p6456345561123234345565616121232345661123445561223C6C461C4612C3

C245C5C6236.28C1C24C3C5

eC1

0u-u

iV1iV2iV3iV4iV5iV634单桥逆变器换流变阀侧电流波形12.57ecebaeaebecp4p1 p2 p3p5 p6 p1. p2 p3P4 p5 p6456345561123234345565616121232345661123445561223C6C461C3

C245C5C6236.28C1C24C3C5

eC1

0u-u

iv1C4612iv1-iv4-iv4v

4v

1ai

i

iv

3 v

6bi

i

iiv3iv3-iv6-iv6ic

iv5

iv

2i

v5-iv2-iv2i

v535逆变桥波形逆变运行36直流电压相电流桥臂电压逆变器直流侧电压（1）37逆变器直流侧电压（2）38换流器直流侧电压（整流→逆变）39逆变器换相过程（V5

→V1

）

t

:i1

ir

0i5

Id

ir

Id换相开始换相电流40逆变器换相过程（V5

→V1

）s

2i2E2

Xi1

ir

Is2(cos

cos

t)

Is

2

cos(

)

cos

t

Is

2

cos

cos

t

Is

2

cos(

)

cos

t

I

直流分量工频分量41逆变器换相过程（V5

→V1

）

t

:i1

ir

Is

2

cos

cos

42

Is

2

cos

cos(

)

Idi5

Id

ir

0换相结束逆变器的关断越前角与换相失败43

不够大有可能导致换相失败为保证逆变器正常运行，应使得

>

0稳态运行数值

0

150~

180~ 250~ 400

120

300电压波形（含一次换相失败）614563455611454565611256611214561223p4p1 p2 p3P4 p5 p61 11

122 22

233 33

4C62C4

6C4612C245C3C5C6C1C245C3C5C1ecp5 p6 p1. p2 p3ea ebeaebec

tuNoMoueaceab ebc

eba4eca ecb

eabeacebc

eba12 33 4eca

ecbC60C1uNM

t44电压波形（含连续两次换相失败）Mou6145634556145656112566112561223p4p1 p2 p3P4 p5 p6C62C4

6C4612C245C3C5C6C245C3C5C16.28C112.57ecp5 p6 p1. p2 p3ea ebeaebec

tC60C1uNM

teaceab ebc

eba1 1

1

1 1 112222

212 243333

444 454 5eca ecb

eabeac12 33 4ebc

eba

eca

ecbuNo45逆变器的直流电压将逆变器电压波形镜像翻转

，

得到Vd

的负值46逆变器的直流电压22dd

0d

0d d

0

i

d

V

Vd0

cos

cos(

)

Vcos

cos

2

V cos

3X

r

I

V cos

d

I

Vd

0

cos

di

I

d22d d

0d

0

V

Vd0

cos

cos(

)

V cos

cos

2

V cos

3

X

rId

Vd0cos

drId47逆变器的换相齿问题48逆变器阀电压一个周期内，阀V1从导通到关断，在很大相位范围内承受正向电压49逆变器特点50如果正向阀电压过高，而且电压上升速度很快，可能造成阻断阀未经触发而误开通；反向阀电压时间很短，电压低，发生反向导通故障的机率小；逆变器的阀电压（

60

）与阀电流导通关断（承受反压）关断（承受正压）

T：对“进入阀”施加触发信号时刻（通）；C：理想出现导通或关断条件时刻；D：“退出阀”换相结束时刻（断）；

51逆变器的阀电压（

60

）52逆变器的阀电压：实际关断越前角

60

60

<

90

：后继换相齿前沿与横轴交于C

6

实际关断越前角γ’物理意义：

“退出阀”(V1)

承受反向电压的电角度

53逆变器的阀电压：实际关断越前角

实际关断越前角γ’物理意义：

“退出阀”

承受反向电压的电角度

30

>

90

：后继换相齿前沿全部处于横轴下面

54逆变器安全运行条件（1）

45

时：情况

（

60

）：

情况2（

60

<

90

）：

60

情况3（

>90

）：

30

30

45

15

?

15

55逆变器安全运行条件（2）

>

45

时：情况

（

<60

）：

情况2（

60

<

<90

）：

60

情况3（

>90

）：

30

30

45

15

15

?56总结：逆变器安全运行条件（1）57工况2-3 ---正常运行方式– 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：900

180020

600同时总结：逆变器安全运行条件（2）工况3-4：工况3-4

---故障运行方式– 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：002

90

1800 060

120同时特点：直流短路、交流三相短路出现的原因：Id

故障性增大eaebecia

Lc+udi－AMN14 6 23BC5o

ib

Lcic

LcIdLd58逆变器的功率因数（直观分析）22

180

180

2

180

2

59可控逆变器的等值电路等

等值电路Vd

Vd

0

cos

dr

Id60可控逆变器的等值电路（续）等

等值电路Vd

Vd

0

cos

dr

Id

61可控逆变器的等值电路（续）ζIdoζUdi62d

0i 2U cos

Ud

0i

cos

1Ud

0icos

1Ud

0i

cos

22

1

1

2

1

2

12

tan

dxiUdi

Ud

0i

cos

dxi

IdUdi

Ud

0i

cos

dxi

Id换流器的工况图63Vd、

Id、

、

、

、

、

P、

Q、

W、

cos

等量之间的关系Id

Vd

工况图P

Q

工况图Id

-

Vd

直角坐标系的工况图标幺值d

*d

0Is

2EVV3 2E2

Lr

IdIId

*

d

Vd

Vdd*64x

Id*

y

VId

-

Vd

直角坐标系的工况图基本方程x

Id*

cos

cos(

)直流电流方程2d*y

V

1

cos

cos(

)

2y

cos

cos(

)直流电压方程?

等

方程?

等

方程?

等

方程

65Id

Vd

直角坐标系的工况图（1）662y

cos

1

x等

、等

及等

轨迹等

方程y

cos

1x

cos

1

x2 2等

等

方程x2

y2

1

2

2

2sin2

cos2

等

方程Id

-

Vd

直角坐标系的工况图（1）2y

cos

1

x等

、等

及等

轨迹等

方程等

等

方程y

cos

1

x

cos

1

x2 2x2

y2

1

2

2

2

sin2

cos2

等

方程等

线等

线等

线67

>60工况d

3

2V

A

33

E[cos(

30

)

cos(

30

)]

3V cos

cos

30

d

0

2

2

3Vd

0

cos(

30

)

3dr

Idd

0V

3 2

E_+_+_+68

>60工况2dd

03

V

2V

3 3

E[cos(

30

)

cos(

30

)]

[cos(

30

)

cos(

30

)]3 2E

Vd0

1[cos(2s3dIi

30

)

cos(

I

30)]

s3r2 E3

XI

s

2r2E2

XI

3x

cos(

30

)

cos(

30

)2 y

cos(

30

)

cos(

30

)369

>60工况702y

3cos(

30

)

3

x等

方程22y

3

cos(

30

)

3

3

cos(

30

)

3

x等

等

方程223x

y

2

2

1

2

sin

3

cos

60

60

等

方程

Id

-

Vd

直角坐标系的工况图（2）功率曲线等cos

方程（近似）y

cos

*x

W等视在功率方程（近似）xy

P*等有功功率方程*71x2(1

y2)

Q等无功功率方程Id

Vd

直角坐标系的工况图（2）等cos

方程（近似）y

cos

等无功功率方程x2(1

y2)

Q*等cos

线等无功功率线等视在功率方程（近似）x

W*

等视在功率线等有功功率方程xy

P*

等有功功率线72P

-

Q直角坐标系的工况图**rbb3E2WWWb

Vd0Is2

XP

PQ

Q*73x

Py

Q*P-

Q

直角坐标系的工况图（1）*x2

y2

W等视在功率方程xy

tg

等

cos

方程Id*

W*等

Id*

方程d*74V

cos

等

Vd*

方程P-

Q

直角坐标系的工况图（1）*x2

y2

W等视在功率方程等

Id*

方程Id*

W*xy

tg

等

cos

方程d*等

V

方程Vd*

cos

等视在功率线等

Id*线等

Vd*线等cos

线P-Q重叠极坐标*75bWr

W

WP-

Q

直角坐标系的工况图（2）基波有功无功P

jQ

763E(I(1)y

jI(1)w)整流器的功率分析（前文内容）PAC

PDC有功功率平衡：d3EI(1)

y2

VdId

32 E[cos

cos(

)]I基波有功分量:277dI(1)

y

I(1)

cos

(1)6cos

cos(

)

I

整流器的功率分析（前文内容）d786

sin

2

sin

2(

)

2

I

4

cos

cos(

)

基波无功分量:I(1)w

I(1)

sin

(1)P-

Q

直角坐标系的工况图（2）27922d3EI(1)

y

6 E

2

X

r3E

22

X

r3E

24

X

rP

6

I cos

cos(

)

3E

3E[cos

cos(

)]

cos

cos(

)

[cos2

cos2(

)]3E

2 cos

2

1

cos

2(

)

12

X

r

[cos2

cos2(

)]P-

Q

直角坐标系的工况图（2）d803EI(1)

w3E

24

X

rQ

6

I sin2

sin2(

)

2

3E

4[cos

cos(

)]

3E6 E [cos

cos(

)]

sin

2

sin

2(

)

2

2

X

r4[cos

cos(

)]

[sin

2

sin

2(

)

2

]P-

Q

直角坐标系的工况图（2）3E

24

X

r81P

jQ

{cos2

cos2(

)

j[sin2

sin2(

)

2

]}P-

Q

直角坐标系的工况图（2）* *2

jP

jQ

1

{cos

2

cos

2(

)

4j[sin

2

sin

2(

)

2

]}

1

[

j2

e

j

2

e

j

2(

)]

1

[

j2

e

j

2

(1

e

j

2

)]j

(2

)

e

j

e

j

4 4

1

4

j2

2

je

1