换流器（converter）

换流器（converter）
换流器（converter）
直流特高压输电网
Huanliuqi 条题编号：706008
换流器（converter）换流站中用以实现交、直流电能相互转换的设备。

实现交流电转换为直流电的叫整流器，而直流电转换为交流电的叫逆变器，它们统称为换流器。

整流器和逆变器的设备基本相同，只是控制系统不同。

当触发角<90。

时，换流器运行于整流工况，叫整流器；而>90。

时，换流器运行于逆变工况，就叫逆变器。

此外，整流器和逆变器的控制原理也不同（见直流输电系统控制）。

换流器通常均由换流阀接成一定的回路来进行换流。

直流输电的换流器是采用一个或多个三相桥式换流电路（也称6脉冲换流器）串联构成，因而可用6脉动换流器（也称换流桥）作为原理分析的基础。

换流桥由6个换流阀组成，其中阀V1、V3、V5共阴极，称为阴极换相组或阴极半桥；阀V2、V4、V6共阳极，称为阳极换相组或阳极半桥。

代表阀的符号V后面的编号是按换流阀运行时触发次序编排的，通常是将V1的阳极接到a相。

整流原理单桥整流器的原理接线如图1所示。

图2给出整流器主要各点的电压和电流波形。

图1 单桥整流器原理接线图
图2 整流器的电压和电流波形
图1中ea、eb、ec为等值交流系统的工频基波正弦相电动势，
L 为每相的等值换相电抗。

对照图1和图2，uac、ubc、uba、uca、ucb、uab为换流阀的换相电压，并且规定线电压uac由负变正
的过零点为C1，它是V1的触发角计时的零点，其余的线电压过零点C2－C6则分别为V2－V6的触发角的零点。

在理想条件下，交流系统是完全对称的，触发脉冲是等距的，换流阀的触发角也是相等的，通常用来表示。

无相控理想空载直流电压假定换相电抗L ＝0，换流阀均为不可控的二极管阀，换流阀的通态压降和断态漏电流均可忽略不计，直流电流是平直的。

在C1时刻以后，V1和V6处于导通状态时开始分析。

此时，换流桥的直流输出电压为线电压uab，直到C2时刻为止。

在C2之后，c点电位低于b点电位，V2进入导通状态，V6在反向电压作用下而关断，直流输出电压为uac，直到C3时刻。

在C3之后，b 点电位高于a点电位，V3导通，V1关断，直流输出电压为ubc。

按此方法分析，换流器在任何时刻总有两个阀导通，它们是V6V1，V1V2，V2V3，…，V5V6。

每个阀在一个工频周期内导通120。

（电角度），阻断240。

由于L ＝0，阀的开通和关断均是瞬时完成的。

在交流电动势的作用下，换流阀周而复始地按序开通和关断，从而在n 和m点之间可得到依次为1/6周期的uab、uac、ubc、uba、uca、ucb 6个正弦曲线段组成的直流电压波形。

如图2（b）所示。

这样，三相交流电动势ea、eb、ec经整流而变成带有6个脉动的直流电压ud，因此单桥换流器又称为6脉动换流器。

从直流电压瞬时值ud取平均值得Ud0，称为6脉动换流器的理想空载直流电压，即
Ud0= (1)
式中E为交流线电动势的有效值。

有相控理想空载直流电压如果换流桥由晶闸管换流阀组成，晶闸管的开通条件是：①在外电路作用下，晶闸管阳极对阴极的电位是正；
②晶闸管的控制极必须加一个具有一定宽度的、对阴极为正的触发脉冲。

因此，触发脉冲Pi（i表示1－6中的一个序数），只有在相应的电压过零点Ci到来之后才能使Vi开通。

Pi延迟与Ci的电角度i称为延迟触发角，简称触发角（也称控制角）。

因此，对于有相控的换流器，在触发脉冲Pi到来之前，原来导通的阀仍然继续导通，直到Pi来
到时，才能被刚触发的Vi所顶替，从而使6个换流阀的开通时间均后移电角度。

此时，整流器的理想空载直流电压的平均值为：Ud0′＝Ud0 cos (2)
很明显，Ud0′< Ud0。

ud的波形见图2（b）。

整流器在正常运行时，为了保证阀中串联晶闸管开通的同时性，并留有可调节的余地，常取＝5。

～20。

（直流输电降压运行或利用整流器调节无功功率时除外）。

实际上换流器的直流端难免存在杂散电导和电容，由于电容的储能作用，其平均空载直流电压的实际值最大时可到换相线电压的幅值（ E），最小时将不会低于其理想空载直流电压（Ud0 cos ）。

有载整流器直流侧外特性当换流器直流侧有载时，由于平波电抗器足够大，有时还装有直流滤波器，直流电流的波形近似平直，其平均值为Id。

实际上L >0，因此实际的换相过程与上述L ＝0的情况不同。

当触发脉冲Pi到来时，由于有电感L 的作用，刚被触发开通的阀Vi中的电流不可能立刻上升到Id，将要关断的阀Vi-2中的电流也不能立即从Id下降到零，都必须经历同样长的一段时间，这段时间所对应的电角度μ称为换相角，这一过程称为换相过程。

见图2（d）。

在换相过程中参与换相的在同一半桥中的两个阀都处于导通状态，从而形成换流变压器阀侧线圈的两相短路。

在刚开通的阀中，其电流与两相短路电流的方向相同，而在即将关断的阀中，其电流方向与两相短路电流的方向相反，从而促成两个阀完成换相过程。

其电压、电流波形见图2。

此时换流器的直流电压平均值为：
Ud＝Ud0′－ωL Id＝Ud0′－ x Id
＝Ud0′－d Id (3)
式中ω是工频角频率，x 是换相电抗。

ωL 用d 表示，是一个单位的直流电流在换相过程中引起的直流电压降，故也称为比换相压降。

式（3）所表达的是整流器直流电压平均值和直流电流平均值的关系，所以也称为整流器的伏安特性或外特性（见换相、换流器的运行特性）。

逆变原理逆变器是将直流电转变为交流电，然后送入受端的交
流系统。

图3为单桥逆变器原理接线图。

图3 单桥逆变器原理接线图
对比图3和图1可知，逆变器和整流器的原理接线图相同，因此换流器既可作为整流器又可作为逆变器，它们只是运行状态的不同。

由于换流阀的单向导电性，逆变器阀的可导通方向必须和整流器一致，才能保证直流电流的流通。

换流器作为逆变器运行时，其共阴极点（m′）的电位为负，共阳极点（n′）则为正，与其作为整流器运行时的极性正好相反。

由式（2）可知，当＝90。

时，则Ud0′＝Ud0 cos ＝0，如果继续增大（ >90。

），则Ud0′即为负值，此时换流器就有可能由整流器变为逆变器运行。

根据换流阀的导通条件，换流阀只能在0。

< <180。

区间内有可能导通，而在此区间内当<90。

为整流器运行，>90。

则为逆变器运行。

对于逆变器公式（3）可写成：
Udi＝Ud0icos －d ′Id＝－Ud0icos（180。

－）－d ′Id ＝－（Ud0icosβ＋d ′Id） (4)
式中Udi为逆变器无相控理想控制直流电压，d ′为逆变器的比换相压降，β＝180。

－，为逆变器的超前触发角。

由于受端系统等值电感L ′的存在，逆变器的换相也不是瞬时的，它也有一个换相过程，要求从换流阀Vi关断到电压由负变正的过零点Ci-1之间的时间足够大，使得Vi关断后处于反向电压的时间，能够充分满足恢复换流阀阻断能力的要求，以保证换相的成功。

否则当Ci-1点电压变正时，Vi在无触发的情况下可能又重新开通，造成换相失败（见换流器故障）。

规定从Vi关断（阀中电流到零）到Ci-1之间的时间为关断角，＝β－μ′。

为防止换相失败，角一般必须大于 0， 0取15。

－20。

（见换相）。

引入角后，逆变器的外特性还可表示为：
Udi＝Ud0icos －d ′Id (5)
综上所述，逆变器正常运行的条件是：①逆变器与整流器的导通方向要相一致；②逆变器的直流侧必须加有大于其反电动势的直流电
压，才能满足向逆变器注入电流的要求；③逆变器交流侧受端系统必须提供换相电压和电流以实现换相（用可关断器件组成的逆变器则不需此条件）；④逆变器的触发角>90。

，其直流侧电压为负值；⑤逆变器的关断角必须大于 0，以保证正常换相。

逆变器的阀电压、阀电流、直流电压等波形相当于整流器的波形翻转180。

因此，逆变器的阀在一个工频周期内大部分时间处于正向阻断状态，而整流器则大部分时间处于反向阻断状态。

多桥换流器单桥换流器的工作原理是双桥和多桥换流器工作原理的基础。

将两个换流桥串级连接，即直流端串联，交流端通过换流变压器网侧绕组并联。

同时换流变压器阀侧绕组一个为星形接线，而另一个为三角形接线，使串级的两个换流桥得到相位相差30。

的换相电压，从而构成12脉动双桥换流器。

它的每一个换流桥的工作原理与单桥换流桥的基本相同。

双桥换流桥的直流电压是两个单桥换流桥直流电压之和，它在一个工频周期中有12个脉动数，所以又称为十二脉动换流器。

它的交流电流谐波和直流电压谐波比6脉动的小（见直流输电系统谐波）。

实际工程中，串接的换流桥数不超过四个，四桥换流器一般是由两个十二脉动换流器串接而成。

参考书目
浙江大学发电教研室，直流输电，新一版，北京：水利电力出版社，1985。

[苏] 波谢，直流输电结线及运行方式，华北电力学院直流输电研究室译，北京：水利电力出版社，1979。