电气工程及其自动化专业英语 课件 Chapter 5 High Voltage Direct Current Transmission (HVDC)

目录Introduction5.1ConvertersinHVDC5.2ApplicationofHVDC5.3HVDCinChina5.4Chapter5HighVoltageDirect

CurrentTransmission(HVDC)HVDCn.高压直流输电solid-statePowerDevicen.固态功率设备converter[kən'və:tə]n.变流器anode['ænəud]n.阳极cathode['kæθəud]n.阴极forwardcurrent正向导通电流diode['daiəud]n.二极管P-Njunctionn.PN结silicon-controlledrectifiern.晶闸管leakagecurrent漏电流emitter

[i'mitə]n.发射极A/An

()

is

a

devicewhich

only

allows

current

to

flow

in

onedirection.MOSFETdiodebilateralswitchdiodecapacitanceABCD提交单选题1分collector[kə'lektə]n.集电极rectifier'rektifaiə]n.整流器full-waven.全波harmonic[hɑ:'mɔnik]n.谐波vacuumtubediode真空二极管seleniumrectifiersi'li:niəm]

n.硒整流器Half-waven.半波transformer[træns'fɔ:mə,trænz-,trɑ:n-]

n.变压器center-tappedadj.中间抽头的solarpanel太阳能板sinewave正弦波Themainfunctionof()circuitsistoconvertACtoDC.rectifierinverterchoppercircuitelectricgeneratorABCD提交单选题1分gridtieinverter并网逆变器electricgrid电网uninterruptiblepowersupply(UPS)不间断电源inverter[in'və:tə]n.逆变器electromechanical[i,lektrəumi'kænikəl]

adj.机电的totalharmonicdistortion(THD)n.总谐波畸变率squarewaven.方波H-bridgeinvertern.H桥逆变器resonant['rezənənt]

adj.谐振的antiparalleldiode[,ænti'pærəlel]

n.反并联二极管freewheelingdiode['fri:'wi:liŋ]n.续流二极管LinearintegralcomparemethodwasproposedtorealizePWM(),whichcanincreasethewavefrequency.triangularwavesawtoothwavesinewavesquarewaveABCD提交单选题1分pulse-widthmodulation(PWM)脉宽调制semiconductor[,semikən'dɔktə,,semai-]n.半导体alternator['ɔ:ltəneitə]

n.交流发电机root-mean-square均方根ripple['ripl]

n.纹波impedance[im'pi:dəns]

n.阻抗fluorescentlighting[fluə'resnt]

n.荧光灯照明Maximumpowerpointtracking最大功率点跟踪Micro-invertern.微型逆变器staticinverterplant静态逆变站variable-frequencydrive变频驱动Thesolarcell:That’scompletelynotintricate.It’ssimplyafewlayersof（）.semiconductornonconductorsuperconductorresistorABCD提交单选题1分vibrator[vai'breitə]n.振荡器buzzer['bʌzə]

n.蜂鸣器sinusoidal[,sinə'sɔidl]

adj.正弦的directcurrent直流alternatingcurrent交流underwaterpowercable海底电力电缆mercuryarc['mə:kjuri]

汞弧integratedgate-commutatedthyristor集成门极换流晶闸管MOScontrolledthyristorsMOS可控晶闸管gateturn-offthyristor门极可关断晶闸管insulated-gatebipolartransistor绝缘栅双极型晶体管Theprocessofreconstructingafunctionoftimeorspacefromits()componentsdeterminedinFourieranalysis.tangentialcotangentsinusoidalsecantABCD提交单选题1分目录Introduction5.1ConvertersinHVDC5.2ApplicationofHVDC5.3HVDCinChina5.45.1IntroductionThetransmissionsystemisbecomingevenmorecomplex.Highvoltage(ineitherACorDCelectricalpowertransmissionapplications)isusedforelectricpowertransmissiontoreducetheenergylostintheresistanceofthewires.Foragivenquantityofpowertransmittedandsizeofconductor,doublingthevoltagewilldeliverthesamepoweratonlyhalfthecurrent.传输系统正在变得更加复杂。高压(无论在交流还是直流电力传输应用中)用于电力传输，以减少电线电阻中的能量损失。对于给定的传输功率和导体尺寸，将电压增加一倍将以一半的电流提供相同的功率。5.1IntroductionSincethepowerlostasheatinthewiresisproportionaltothesquareofthecurrent,butdoesnotdependinanymajorwayonthevoltagedeliveredbythepowerline,doublingthevoltageinapowersystemreducestheline-loss,lossperunitofelectricalpowerdeliveredbyafactorof4.Powerlossintransmissionlinescanalsobereducedbyreducingresistance,forexample,byincreasingthediameteroftheconductor,butlargerconductorsareheavierandmoreexpensive.由于在电线中以热的形式损失的功率与电流的平方成正比，而与导线沿线的电压没有任何关系。因此如果将电力系统中的电压变为原来的两倍可以相应的使线路中的损耗减少为原来的1/4。输电线路中的功率损耗也可以通过减小电阻来降低，例如，增加导体的直径，但是尺寸大的导体会更重，更昂贵。5.1IntroductionHighvoltagescannoteasilybeusedforlightingandmotors,andsotransmission-levelvoltagesmustbereducedtovaluescompatiblewithend-useequipment.Transformersareusedtochangethevoltagelevelinalternatingcurrent(AC)transmissioncircuits.Thecompetitionbetweenthedirectcurrent(DC)ofThomasEdisonandtheACofNikolaTeslaandGeorgeWestinghousewasknownastheWarofCurrents.高电压不容易用于照明和电机，因此传输等级的电压必须降低到终端设备能接受的电压值。变压器是用来改变交流输电电路中的电压等级的。托马斯·爱迪生的直流电与尼古拉·特斯拉和乔治·威斯汀豪斯的交流电之间的竞争被称为“电流之战”。5.1IntroductionTheadvantageofHVDCistheabilitytotransmitlargeamountsofpoweroverlongdistanceswithlowercapitalcostsandwithlowerlossesthanAC.Dependingonvoltagelevelandconstructiondetails,lossesarequotedasabout3%per1,000km.High-voltagedirectcurrenttransmissionallowsefficientuseofenergysources,remotefromloadcenters.高压直流输电的优势在于能够以较低的投资成本和比交流更低的损耗远距离传输大量电力。根据电压水平和施工细节，损耗约为每1000公里3%。高压直流输电可以有效地利用能源，远离负荷中心。5.1IntroductionInanumberofapplicationsHVDCismoreeffectivethanACtransmission.Examplesinclude:Underseacables,wherehighcapacitancecausesadditionalAClosses.(e.g.,250kmBalticCablebetweenSwedenandGermany,the600kmNorNedcablebetweenNorwayandtheNetherlands,and290kmBasslinkbetweentheAustralianmainlandandTasmania)在许多应用中，高压直流输电比交流输电更有效。例如:海底电缆，其中高压电容引起额外的交流损耗。(例如，瑞典和德国之间250公里的波罗的海电缆，挪威和荷兰之间600公里的NorNed电缆，以及澳大利亚大陆和塔斯马尼亚之间290公里的Basslink电缆)5.1IntroductionEndpoint-to-endpointlong-haulbulkpowertransmissionwithoutintermediate'taps',forexample,inremoteareasIncreasingthecapacityofanexistingpowergridinsituationswhereadditionalwiresaredifficultorexpensivetoinstallPowertransmissionandstabilizationbetweenunsynchronisedACdistributionsystems比如在偏远地区，不需要中间节点的“点对点”长距离大容量电力传输；增加现有电网的容量但是在很难再安装额外线路或安装费用太贵的情况；（解决）两非同步交流配电系统间的电力传输与稳定的问题5.1IntroductionConnectingaremotegeneratingplanttothedistributiongrid,forexampleNelsonRiverBipoleStabilizingapredominantlyACpower-grid,withoutincreasingprospectiveshortcircuitcurrent将发电厂与遥远的配电网连接，例如纳尔逊河的双极输电线路不增加预期的短路电流，以保证主干交流电网的稳定性。5.1IntroductionReducinglinecost.HVDCneedsfewerconductorsasthereisnoneedtosupportmultiplephases.Also,thinnerconductorscanbeusedsinceHVDCdoesnotsufferfromtheskineffectFacilitatepowertransmissionbetweendifferentcountriesthatuseACatdifferingvoltagesand/orfrequenciesSynchronizeACproducedbyrenewableenergysources降低线路成本。因为不需要支持多个相，高压直流输电需要导线数量少。此外，由于HVDC不受集肤效应的影响，可以使用更细的导线有利于不同交流的电压和/或频率的地区之间的电力传输可再生能源发电同步并网5.1IntroductionLongundersea/undergroundhighvoltagecableshaveahighelectricalcapacitance,sincetheconductorsaresurroundedbyarelativelythinlayerofinsulationandametalsheathwhiletheextensivelengthofthecablemultipliestheareabetweentheconductors.深海/地下高压电缆具有高电容，因为导体被相对较薄的绝缘层和金属护套包围，而电缆的长长度使导体之间的面积成倍增加。5.1IntroductionThegeometryisthatofalongco-axialcapacitor.Wherealternatingcurrentisusedforcabletransmission,thiscapacitanceappearsinparallelwithload.Additionalcurrentmustflowinthecabletochargethecablecapacitance,whichgeneratesadditionallossesintheconductorsofthecable.Additionally,thereisadielectriclosscomponentinthematerialofthecableinsulation,whichconsumespower.几何形状是一个长同轴电容器。当交流电用于电缆传输时，该电容与负载并行出现。额外的电流必须在电缆中流动以给电缆电容充电，这会在电缆的导体中产生额外的损耗。此外，在电缆绝缘材料中存在介质损耗成分，它会消耗功率。5.1IntroductionHowever,whendirectcurrentisused,thecablecapacitanceischargedonlywhenthecableisfirstenergizedorwhenthevoltageischanged;thereisnosteady-stateadditionalcurrentrequired.ForalongACunderseacable,theentirecurrent-carryingcapacityoftheconductorcouldbeusedtosupplythechargingcurrentalone.然而，当使用直流时，电缆电容只有在电缆首次通电或电压改变时才会充电;不需要额外的稳态电流。对于长交流海底电缆，导体的全部载流容量有可能全被用于提供充电电流（而损耗殆尽）。5.1IntroductionThecablecapacitanceissuelimitsthelengthandpowercarryingcapacityofACcables.DCcableshavenosuchlimitation,andareessentiallyboundbyonlyOhm'sLaw.AlthoughsomeDCleakagecurrentcontinuestoflowthroughthedielectricinsulators,thisisverysmallcomparedtothecableratingandmuchlessthanACtransmissioncables.电缆电容问题会影响交流电缆的长度和承载能力。直流电缆没有这样的限制，本质上只受欧姆定律的约束。虽然一些直流泄漏电流继续流过介质绝缘体，但与电缆额定功率相比，这是非常小的，比交流传输电缆要小得多。5.1IntroductionHVDCcancarrymorepowerperconductorbecause,foragivenpowerrating,theconstantvoltageinaDClineisthesameasthepeakvoltageinanACline.ThepowerdeliveredinanACsystemisdefinedbytherootmeansquare(RMS)ofanACvoltage,butRMSisonlyabout71%ofthepeakvoltage.ThepeakvoltageofACdeterminestheactualinsulationthicknessandconductorspacing.高压直流输电每根导体可以承载更多的功率，因为在给定的额定功率下，直流线路的恒定电压与交流线路的峰值电压相同。交流系统中输出的功率由交流电压的均方根(RMS)定义，但RMS仅为峰值电压的71%左右。交流电的峰值电压决定了实际的绝缘厚度和导体间距。5.1IntroductionBecauseDCoperatesataconstantmaximumvoltage,thisallowsexistingtransmissionlinecorridorswithequallysizedconductorsandinsulationtocarrymorepowerintoanareaofhighpowerconsumptionthanAC,whichcanlowercosts.由于直流电在恒定的最大电压下运行，这使得具有相同尺寸导体和绝缘的现有输电线路走廊能够比交流输电线路在高功耗区域输送更多的电力，从而降低成本。5.1IntroductionBecauseHVDCallowspowertransmissionbetweenunsynchronizedACdistributionsystems,itcanhelpincreasesystemstability,bypreventingcascadingfailuresfrompropagatingfromonepartofawiderpowertransmissiongridtoanother.ChangesinloadthatwouldcauseportionsofanACnetworktobecomeunsynchronizedandseparatewouldnotsimilarlyaffectaDClink,andthepowerflowthroughtheDClinkwouldtendtostabilizetheACnetwork.由于HVDC允许电力在不同步的交流配电系统之间传输，它可以通过防止级联故障从更广泛的输电网络的一部分传播到另一部分来帮助提高系统的稳定性。负载的变化导致交流电网的某些部分变得不同步和解列这样的问题不会同样影响直流网，并且通过直流网的功率流更有利于交流电网的稳定。5.1IntroductionThemagnitudeanddirectionofpowerflowthroughaDClinkcanbedirectlycommanded,andchangedasneededtosupporttheACnetworksateitherendoftheDClink.ThishascausedmanypowersystemoperatorstocontemplatewideruseofHVDCtechnologyforitsstabilitybenefitsalone.通过直流链路的功率流的大小和方向可以直接命令，并根据需要改变，以支持直流链路两端的交流网络。这使得许多电力系统运营商考虑更广泛地使用高压直流技术，因为它具有稳定的好处。5.1IntroductionHVDCislessreliableandhasloweravailabilitythanACsystems,mainlyduetotheextraconversionequipment.Singlepolesystemshaveavailabilityofabout98.5%,withaboutathirdofthedowntimeunscheduledduetofaults.Faultredundantbipolesystemsprovidehighavailabilityfor50%ofthelinkcapacity,butavailabilityofthefullcapacityisabout97%to98%.与交流系统相比，HVDC的可靠性和可用性较低，主要是由于额外的转换设备。单极系统的可用性约为98.5%，其中约三分之一的停机时间是由于故障造成的。故障冗余双极系统提供50%链路容量的高可用性，但全容量的可用性约为97%~98%。5.1IntroductionTherequiredstaticinvertersareexpensiveandhavelimitedoverloadcapacity.AtsmallertransmissiondistancesthelossesinthestaticinvertersmaybebiggerthaninanACtransmissionline.Thecostoftheinvertersmaynotbeoffsetbyreductionsinlineconstructioncostandlowerlineloss.所需的静态逆变器价格昂贵，过载能力有限。在较小的传输距离下，静态逆变器中的损耗可能比交流传输线中的损耗大。逆变器的成本可能不会被线路建设成本的降低和线路损耗的降低所抵消。5.1IntroductionWithtwoexceptions,allformermercuryrectifiersworldwidehavebeendismantledorreplacedbythyristorunits.Pole1oftheHVDCschemebetweentheNorthandSouthIslandsofNewZealandstillusesmercuryarcrectifiers,asdoesPole1oftheVancouverIslandlinkinCanada.Botharecurrentlybeingreplaced–inNewZealandbyanewthyristorpoleandinCanadabyathree-phaseAClink.除了两个例外，世界上所有以前的汞整流器都已被拆除或被晶闸管装置所取代。新西兰南北岛之间的高压直流输电方案的第1极仍然使用汞弧整流器，加拿大温哥华岛连接的第1极也是如此。目前，这两种线路都在被替换——在新西兰用一个新的晶闸管极，在加拿大用一个三相交流线路。5.1IntroductionEfficientdesignsuseSilicon-ControlledRectifiers(SCR)s(themorecommonnameforthyristors)firedinsequenceat60HztoproduceamodifiedsinewaveofACcurrent,similartotheinvertercircuitryinmodernbattery-operatedUPSsforcomputerandtelecomuse.高效的设计使用硅控整流器(SCR)s(晶闸管更常见的名称)在60赫兹的顺序发射，以产生交流电流的修改正弦波，类似于用于计算机和电信使用的现代电池供电的ups中的逆变电路。5.1IntroductionIncontrasttoACsystems,realizingmultiterminalsystemsiscomplex,asisexpandingexistingschemestomultiterminalsystems.ControllingpowerflowinamultiterminalDCsystemrequiresgoodcommunicationbetweenalltheterminals;powerflowmustbeactivelyregulatedbytheinvertercontrolsysteminsteadoftheinherentimpedanceandphaseanglepropertiesofthetransmissionline.与交流系统相比，实现多终端系统是复杂的，将现有方案扩展到多终端系统也是复杂的。在多端子直流系统中，控制潮流需要各端子之间良好的通信;功率流必须由逆变器控制系统主动调节，而不是由传输线固有的阻抗和相角特性来调节。5.1IntroductionMulti-terminallinesarerare.OneisinoperationattheHydroQuébec–NewEnglandtransmissionfromRadissontoSandyPond.AnotherexampleistheSardinia-mainlandItalylinkwhichwasmodifiedin1989alsoprovidepowertotheislandofCorsica.多终端线路很少见。其中一个正在从雷迪森(Radisson)到桑迪塘(SandyPond)的魁北克水电公司-新英格兰输电系统中运行。另一个例子是1989年修改的撒丁岛-意大利大陆连接，也为科西嘉岛提供电力。5.1IntroductionHighvoltageDCcircuitbreakersaredifficulttobuildbecausesomemechanismmustbeincludedinthecircuitbreakertoforcecurrenttozero,otherwisearcingandcontactwearwouldbetoogreattoallowreliableswitching.高压直流断路器很难制造，因为必须在断路器中包含一些机制来强制电流为零，否则电弧和接触磨损会太大，无法实现可靠的开关。5.1IntroductionOperatingaHVDCschemerequiresmanysparepartstobekept,oftenexclusivelyforonesystemasHVDCsystemsarelessstandardizedthanACsystemsandtechnologychangesfaster.NormallymanufacturerssuchasAlstom,SiemensandABBdonotstatespecificcostinformationofaparticularprojectsincethisisacommercialmatterbetweenthemanufacturerandtheclient.运行高压直流方案需要保留许多备件，通常只用于一个系统，因为高压直流系统比交流系统标准化程度低，而且技术变化更快。通常制造商，如阿尔斯通，西门子和ABB不说明特定项目的具体成本信息，因为这是制造商和客户之间的商业问题。5.1IntroductionCostsvarywidelydependingonthespecificsoftheprojectsuchaspowerrating,circuitlength,overheadvs.underwaterroute,landcosts,andACnetworkimprovementsrequiredateitherterminal.AdetailedevaluationofDCvs.ACcostmayberequiredwherethereisnocleartechnicaladvantagetoDCaloneandonlyeconomicsdrivestheselection.成本取决于项目的具体情况，如额定功率、电路长度、架空线路与水下线路、土地成本以及两端所需的交流网络改进。如果单独使用直流没有明显的技术优势，只有经济因素驱动选择，则可能需要对直流与交流成本进行详细评估。5.1IntroductionHoweversomepractitionershavegivenoutsomeinformationthatcanbereasonablywellreliedupon:Foran8GW40kmlinklaidundertheEnglishChannel,thefollowingareapproximateprimaryequipmentcostsfora2000MW500kVbipolarconventionalHVDClink(excludeway-leaving,on-shorereinforcementworks,consenting,engineering,insurance,etc.)然而，一些从业人员提供了一些相当可靠的信息:对于铺设在英吉利海峡下的一条8吉瓦40公里的线路，以下是一条2000兆瓦500千伏双极性传统高压直流线路的大致主要设备成本(不包括开路、岸上加固工程、许可、工程、保险等)。5.1IntroductionConverterstations~£110MSubseacable+installation~£1M/kmSoforan8GWcapacitybetweenEnglandandFranceinfourlinks,littleisleftoverfrom£750Mfortheinstalledworks.Addanother£200–300Mfortheotherworksdependingonadditionalonshoreworksrequired.换流站~1.1亿英镑海底电缆+安装成本~100万英镑/公里因此，对于英法之间4条线路的8GW容量，7.5亿英镑的安装工程几乎没有剩余。还根据需要的额外陆上工程，另外增加2-3亿英镑用于其他工程。5.1IntroductionAnApril,2010announcementfora2,000MWline,64km,betweenSpainandFrance,is700millioneuros,thisincludesthecostofatunnelthroughthePyrenees.2010年4月，在西班牙和法国之间修建一条总长64公里、容量为2000兆瓦的输电线路，耗资7亿欧元，其中包括一条穿越比利牛斯山脉的隧道。目录Introduction5.1ConvertersinHVDC5.2ApplicationofHVDC5.3HVDCinChina5.45.2ConvertersinHVDC

5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDC

Powerelectronicscanbedefinedastheconversionandconditioningofelectricpowerusingelectronicswitches.Thefivemajortypesofpowersemiconductorsusedinsolid-stateACmotorcontrolare:(1)Diodes(2)Thyristors[e.g.,silicon-controlledrectifier(SCR)](3)Transistors(4)Gate-turn-offthyristors电力电子学可以定义为利用电子开关对电力进行转换和调节。固态交流电机控制中使用的五种主要功率半导体是:(1)二极管(2)晶闸管[如可控硅整流器]

(3)晶体管(4)闸管关断晶闸管5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDCThecommonalityofthesedevicesistheuseofcrystalsofsiliconintheformofwafersthatarelayeredsoastoformvariouscombinationsofP-Njunction.ThePjunctionisusuallycalledtheanodeandNjunctionisusuallycalledthecathodefordiodes,SCRs,andGTOs;thecorrespondingtermsfortransistomarecollectorandemitter.Thedifferencesamongthesedevicesrelatetohowtheygointoandoutofconductionandintheiravailableampereandvoltagecapabilities.这些器件的共同点是使用硅晶体的晶圆形式，这些晶圆是分层的，从而形成各种组合的pn结。对于二极管、可控硅和gto,P结通常称为阳极，N结通常称为阴极;晶体管对应的术语是集电极和发射极。这些器件之间的差异与它们如何进入和退出传导以及它们可用的安培和电压能力有关。5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDCMostoftheHVDCsystemsinoperationtodayarebasedonLine-CommutatedConverters.Earlystaticsystemsusedmercuryarcrectifiers,whichwereunreliable.TwoHVDCsystemsusingmercuryarcrectifiersarestillinservice.目前运行的大多数高压直流系统都是基于线路换向转换器。早期的静态系统使用的是不可靠的汞弧整流器。两个使用汞弧整流器的高压直流输电系统仍在使用中。5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDCMostoftheHVDCsystemsinoperationtodayarebasedonLine-CommutatedConverters.Earlystaticsystemsusedmercuryarcrectifiers,whichwereunreliable.TwoHVDCsystemsusingmercuryarcrectifiersarestillinservice.目前运行的大多数高压直流系统都是基于线路换向转换器。早期的静态系统使用的是不可靠的汞弧整流器。两个使用汞弧整流器的高压直流输电系统仍在使用中。5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDCTheinsulated-gatebipolartransistor(IGBT)isnowalsoused,formingaVoltageSourcedConverter,andofferssimplercontrol,reducedharmonicsandreducedvalvecost.BecausethevoltagesinHVDCsystems,upto800kVinsomecases,exceedthebreakdownvoltagesofthesemiconductordevices,HVDCconvertersarebuiltusinglargenumbersofsemiconductorsinseries.现在也使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)，形成电压源转换器，并提供更简单的控制，减少谐波和降低阀成本。由于高压直流系统中的电压在某些情况下高达800千伏，超过了半导体器件的击穿电压，因此高压直流变流器采用大量串联的半导体。5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDCThelow-voltagecontrolcircuitsusedtoswitchthethyristorsonandoffneedtobeisolatedfromthehighvoltagespresentonthetransmissionlines.Thisisusuallydoneoptically.Inahybridcontrolsystem,thelow-voltagecontrolelectronicssendslightpulsesalongopticalfibrestothehigh-sidecontrolelectronics.用于开关晶闸管的低压控制电路需要与传输线上的高压隔离。这通常是光学的。在混合控制系统中，低压控制电子器件沿着光纤向高压控制电子器件发送光脉冲。5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDCThelow-voltagecontrolcircuitsusedtoswitchthethyristorsonandoffneedtobeisolatedfromthehighvoltagespresentonthetransmissionlines.Thisisusuallydoneoptically.Inahybridcontrolsystem,thelow-voltagecontrolelectronicssendslightpulsesalongopticalfibrestothehigh-sidecontrolelectronics.用于开关晶闸管的低压控制电路需要与传输线上的高压隔离。这通常是光学的。在混合控制系统中，低压控制电子器件沿着光纤向高压控制电子器件发送光脉冲。5.2.1Solid-statePowerDeviceinHVDCAnothersystem,calleddirectlighttriggering,dispenseswiththehigh-sideelectronics,insteadusinglightpulsesfromthecontrolelectronicstoswitchlight-triggeredthyristors(LTTs).Acompleteswitchingelementiscommonlyreferredtoasavalve,irrespectiveofitsconstruction.另一种系统，称为直接光触发，省去了高端的电子设备，而是使用来自控制电子设备的光脉冲来开关光触发晶闸管(ltt)。不管其结构如何，一个完整的开关元件通常被称为阀门。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsRectificationandinversionuseessentiallythesamemachinery.Manysubstations(ConverterStations)aresetupinsuchawaythattheycanactasbothrectifiersandinverters.AttheACend,asetoftransformers,oftenthreephysicallyseparatedsingle-phasetransformers,isolatethestationfromtheACsupply,toprovidealocalearth,andtoensurethecorrecteventualDCvoltage.整流和反转基本上使用相同的机械。许多变电站(换流站)都是以这样一种方式设置的，即它们既可以充当整流器又可以充当逆变器。在交流端，一组变压器，通常是三个物理隔离的单相变压器，将该站与交流电源隔离开来，提供局部接地，并确保正确的最终直流电压。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsTheoutputofthesetransformersisthenconnectedtoabridgerectifierformedbyanumberofvalves.Thebasicconfigurationusessixvalves,connectingeachofthethreephasestoeachofthetwoDCrails.However,withaphasechangeonlyeverysixtydegrees,considerableharmonicsremainontheDCrails.然后将这些变压器的输出连接到由若干阀组成的桥式整流器上。基本配置使用六个阀，将三相中的每一个连接到两个直流轨道。然而，只有一个相位变化每60度，相当大的谐波留在直流轨道上。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsAnenhancementofthisconfigurationuses12valves(oftenknownasatwelve-pulsesystem).TheACissplitintotwoseparatethreephasesuppliesbeforetransformation.Oneofthesetsofsuppliesisthenconfiguredtohaveastar(wye)secondary,theotheradeltasecondary,establishingathirtydegreephasedifferencebetweenthetwosetsofthreephases.这种配置的改进使用了12个阀(通常称为12脉冲系统)。在改造前，交流电被分成两个独立的三相电源。其中一组电源配置为星形次级电源，另一组配置为三角形次级电源，在两组三相之间建立30度的相位差。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsWithtwelvevalvesconnectingeachofthetwosetsofthreephasestothetwoDCrails,thereisaphasechangeevery30degrees,andharmonicsareconsiderablyreduced.通过12个阀将两组三相中的每一组连接到两个直流轨道，每30度发生一次相位变化，谐波大大减少。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsInadditiontotheconversiontransformersandvalve-sets,variouspassiveresistiveandreactivecomponentshelpfilterharmonicsoutoftheDCrails.RectifiercircuitsareoftenclassifiedbythenumberofcurrentpulsesthatflowtotheDCsideoftherectifierpercycleofACinputvoltage.除了转换变压器和阀组外，各种无源电阻和无功元件有助于过滤直流轨道中的谐波。整流电路通常根据每个交流输入电压周期流入整流器直流侧的电流脉冲数来分类。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsAsingle-phasehalf-waverectifierisaone-pulsecircuitandasingle-phasefull-waverectifierisatwo-pulsecircuit.Athree-phasehalf-waverectifierisathree-pulsecircuitandathree-phasefull-waverectifierisasix-pulsecircuit.单相半波整流器是一个单脉冲电路，单相全波整流器是一个双脉冲电路。三相半波整流器是一个三脉冲电路，三相全波整流器是一个六脉冲电路。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsWiththree-phaserectifiers,twoormorerectifiersaresometimesconnectedinseriesorparalleltoobtainhighervoltageorcurrentratings.Therectifierinputsaresuppliedfromspecialtransformersthatprovidephaseshiftedoutputs.Thishastheeffectofphasemultiplication.Sixphasesareobtainedfromtwotransformers,twelvephasesfromthreetransformersandsoon.Theassociatedrectifiercircuitsare12-pulserectifiers,18-pulserectifiersandsoon.对于三相整流器，两个或多个整流器有时串联或并联，以获得更高的电压或电流额定值。整流器输入由提供相移输出的特殊变压器提供。这就产生了相位倍增的效果。从两个变压器得到6相，从三个变压器得到12相，以此类推。配套的整流电路有12脉冲整流、18脉冲整流等。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsWhencontrolledrectifiercircuitsareoperatedintheinversionmode,theywouldbeclassifiedbypulsenumberalso.RectifiercircuitsthathaveahigherpulsenumberhavereducedharmoniccontentintheACinputcurrentandreducedrippleintheDCoutputvoltage.Intheinversionmode,circuitsthathaveahigherpulsenumberhavelowerharmoniccontentintheACoutputvoltagewaveform.当受控的整流器电路工作在逆变状态时，也可按脉冲数进行分类。具有较高脉冲数的整流电路减少了交流输入电流中的谐波含量，降低了直流输出电压中的纹波。在逆变方式中，脉冲数较高的电路在交流输出电压波形中的谐波含量较低。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsA.RectifierdevicesBeforethedevelopmentofsiliconsemiconductorrectifiers,vacuumtubediodesandcopperoxideorseleniumrectifierstackswereused.Highpowerrectifiers,suchasareusedinhigh-voltagedirectcurrentpowertransmission,nowuniformlyemploysiliconsemiconductordevicesofvarioustypes.A.整流设备在硅半导体整流器发展之前，使用的是真空管二极管和过氧化物铜或硒整流器堆。大功率整流器，如用于高压直流电力传输，现在统一采用各种类型的硅半导体器件。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsThesearethyristorsorothercontrolledswitchingsolid-stateswitcheswhicheffectivelyfunctionasdiodestopasscurrentinonlyonedirection.B.Half-waverectificationInhalfwaverectification,eitherthepositiveornegativehalfoftheACwaveispassed,whiletheotherhalfisblocked.这些是晶闸管或其他受控开关固态开关，它们有效地起二极管的作用，只在一个方向上通过电流。B.半波整流在半波整流中，交流波的正或负一半通过，而另一半被阻挡。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsBecauseonlyonehalfoftheinputwaveformreachestheoutput,itisveryinefficientifusingpowertransfer.Half-waverectificationcanbeachievedwithasinglediodeinaone-phasesupply,orwiththreediodesinathree-phasesupply.由于只有一半的输入波形到达输出，如果使用功率传输，效率非常低。半波整流可以在单相电源中用一个二极管实现，也可以在三相电源中用三个二极管实现。图5.1使用2个二极管的半波整流器5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsTheoutputDCvoltageofahalfwaverectifiercanbecalculatedwiththefollowingtwoidealequations:半波整流器的输出直流电压可以用以下两个理想方程来计算:5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsC.Full-waverectificationAfull-waverectifierconvertsthewholeoftheinputwaveformtooneofconstantpolarity(positiveornegative)atitsoutput.Full-waverectificationconvertsbothpolaritiesoftheinputwaveformtoDC(directcurrent),andismoreefficient.C.全波整流全波整流器在其输出端将整个输入波形转换为具有恒定极性(正或负)的波形。全波整流将输入波形的两个极性转换为直流(直流电)，效率更高。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsHowever,inacircuitwithanon-centertappedtransformer,fourdiodesarerequiredinsteadoftheoneneededforhalf-waverectification.(Seesemiconductors,diode).Fourdiodesarrangedthiswayarecalledadiodebridgeorbridgerectifier.然而，在非中心抽头变压器的电路中，需要四个二极管而不是半波整流所需的一个二极管。(参见半导体，二极管)。这样排列的四个二极管称为二极管桥或桥式整流器。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsForsingle-phaseAC,ifthetransformeriscenter-tapped,thentwodiodesback-to-back(i.e.anodes-to-anodeorcathode-to-cathode)canformafull-waverectifier.Twiceasmanywindingsarerequiredonthetransformersecondarytoobtainthesameoutputvoltagecomparedtothebridgerectifierabove.图5.2格莱茨桥式整流器:采用4个二极管的全波整流器对于单相交流如果变压器是中心抽头，那么两个背靠背二极管(即阳极对阳极或阴极对阴极)可以形成一个全波整流器。与桥式整流器相比，二级变压器需要两倍的绕组才能获得相同的输出电压。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystems图5.3采用中心抽头变压器和2个二极管的全波整流器Averycommonvacuumtuberectifierconfigurationcontainedonecathodeandtwinanodesinsideasingleenvelope;inthisway,thetwodiodesrequiredonlyonevacuumtube.一个非常常见的真空管整流器配置包含一个阴极和双阳极，这样，两个二极管只需要一个真空管。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsForthree-phaseAC,sixdiodesareused.Typicallytherearethreepairsofdiodes,eachpair,though,isnotthesamekindofdoublediodethatwouldbeusedforafullwavesingle-phaserectifier.Insteadthepairsareinseries(anodetocathode).Typically,commerciallyavailabledoublediodeshavefourterminalssotheusercanconfigurethemassingle-phasesplitsupplyuse,forhalfabridge,orforthree-phaseuse.对于三相交流，使用六个二极管。通常有三对二极管，但每对都不是用于全波单相整流器的双二极管。相反，这些对是串联的(阳极到阴极)。通常，市售双二极管有四个端子，因此用户可以将其配置为单相分路供电使用，半桥或三相使用。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsMostdevicesthatgeneratealternatingcurrent(suchdevicesarecalledalternators)generatethree-phaseAC.Forexample,anautomobilealternatorhassixdiodesinsideittofunctionasafull-waverectifierforbatterychargingapplications.大多数产生交流电的设备(这种设备称为交流发电机)产生三相交流电。例如，汽车交流发电机内部有六个二极管，作为电池充电应用的全波整流器。5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystems图5.4三相交流输入，半波整流和全波整流直流输出波形5.2.2RectifyingsystemsinHVDCSystemsFig.5.4showedtheinput3-phasesignalsand6-pulseoutputwaveformofhalf&fullwaverectifier.Theaverageandroot-mean-squareoutputvoltagesofanidealsingle