直流输电换流原理讲义

-
2Xg Id 2E
其它参数不变的情况下：
Id、E、 Xg 、 a
g
2020年3月27日
42
第二章 换流器的工作原理
换相重叠角g（a 变化时）
直流输电换流原理
2020年3月27日
43
第二章 换流器的工作原理
换相角g 与工况
直流输电换流原理
2020年3月27日
44
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
直流输电换流原理
2020年3月27日
19
补充材料：晶闸管阀
阳极电抗
均压电路
稳态均压电阻
直流输电换流原理
晶闸管 关断暂态均压
冲击陡波均压
组间均压
2020年3月27日
20
补充材料：晶闸管阀
换流器桥臂
组件
2020年3月27日
直流输电换流原理
桥臂
21
第二章 换流器的工作原理
换流器的功能
直流输电换流原理
• 交流－直流变换 • 直流－交流变换 • 直流－直流变换 • 交流－交流变换
整流器 逆变器 斩波器 变频器
2020年3月27日
22
第二章 换流器的工作原理
三相交－直换流器桥接线
共阴极组
直流输电换流原理
桥臂
2020年3月27日
共阳极组
23
第二章 换流器的工作原理
三相桥式换流器的优点
直流输电换流原理
i1
换相中
ig
ti=L1=g-=iIa1dds22iL2=ig:t1gL;2=ii-gL1gdEdg=id2L=tdgcigX2tiigog-5IEdgssd===2Lit5(g0eIct=c;ddoaA(s-e=IAaad=idg-=-t-22e-icX2gcEo2E)g=ssX2=icenEgocetascc)aaotis5
理想伏安特性
2020年3月27日
vD
7
补充材料：二极管与晶闸管
晶闸管（可控硅）
直流输电换流原理
• 四层三端半导体器件
• 半可控电力电子器件（控通不控断）
• 非线性器件
电力系统谐波问题 计算机仿真的困难
2020年3月27日
8
补充材料：二极管与晶闸管
晶闸管
A
iA +
vAK
iG
-
反向击穿
K
直流输电换流原理
直流输电换流原理
• 通过的电流小于某一值（维持电流） • 然后，偏置电压为零或为负值，并保持一段时间
晶闸管可靠关断后即使再加正向偏置电压也不 会导通，除非再加触发脉冲
2020年3月27日
13
补充材料：二极管与晶闸管
螺栓型晶闸管外观
直流输电换流原理
2020年3月27日
14
补充材料：二极管与晶闸管
螺栓型晶闸管外观
iA
反向 阻断区
0 反向击 穿电压
导通态
脉冲电流作用 下导通过程
关断态
vAK 正向转 折电压
符号
实际伏安特性
iA 导通态
理想伏安特性
2020年3月27日
导通过程
0 反向阻断
vAK 正向阻断
9
补充材料：二极管与晶闸管
晶闸管：正向转折电压
直流输电换流原理
——发生正向转折现象时对应的正向偏置电压
• 门极悬空时，与反向击穿电压大致相同 • 门极注入正电流时，正向转折电压降低 • 门极注入电流足够大时，正向特性类似于二极管
正常运行情况下：
开通滞后角 ＝ 触发滞后角
2020年3月27日
33
第二章 换流器的工作原理
整流器换相过程
直流输电换流原理
• Lg 存在（换流变压器漏感、交流系统等值电感等） • Lg 的存在使得阀电流不能突变 • 存在同一半桥中两阀同时导通的区间 • 直流负载电流 Id 从一阀向另一阀转移 • 换相过程为两相短路过程
• 阀电压： v1 ~ v6
V1 ~ V6阳极－阴极之间电压
• vd = vm - vn：直流侧电压 “m”、“n”点之间的电位差
• Vd ：换流器直流输出电压
vd 的平均值
• 阀电流： i1 ~ i6
• 交流侧电流： ia、 ib、 ic
2020年3月27日
Байду номын сангаас27
第二章 换流器的工作原理
交流侧电源电动势（相电势）
2020年3月27日
55
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的直流电压（a 变化，g 0）
2020年3月27日
2020年3月27日
29
第二章 换流器的工作原理
交流侧电源线电势过零点
eca 过零点
计时起点
eab 过零点
直流输电换流原理
ebc 过零点
ebc 过零点
2020年3月27日
eca 过零点
eab 过零点
30
第二章 换流器的工作原理
单桥整流器
直流输电换流原理
触发V1前导通
va vc v1 0
v1 = va - vc
i5 = Id - ig = 0
2020年3月27日
38
第二章 换流器的工作原理
整流器换相过程（V5 V1 ）
直流输电换流原理
两相短路电压
短路电流强制分量 短路电流直流分量
换相开始
换相结束
2020年3月27日
39
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
换相过程：六个电子开关轮流工作
• ig ：换相电流（两相短路电流） • vac ：换相电压（两相短路电压） • Xg ：换相电抗 • 换相期间三阀导通；非换相期间两阀导通
2E sin cosa =
6
2E cosa
Vd
=
A
=
32
E cosa
= 1.35E cosa
= Vd 0 cosa
3
2020年3月27日
48
第二章 换流器的工作原理
整流器的实际空载直流电压
直流输电换流原理
a 30°
2020年3月27日
a > 30°
49
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
t
A
2020年3月27日
37
第二章 换流器的工作原理
整流器换相过程（V5 V1 ）
直流输电换流原理
t = a : 换相开始时
t
i1
==aii51aiiig5==1 ===iIggdiIItg=ds-:2=-Iiagsc0i2go(sc=gaoIs:d-ac-osc(oas换相t过g换)程)相中结=束I时d
直流输电基础
直流输电换流原理
补充材料：二极管与晶闸管
各种换流电路拓扑本质
—— 电力电子开关阵列
直流输电换流原理
2020年3月27日
2
补充材料：二极管与晶闸管
直流输电换流原理
电力电子开关阵列构成的三相整流器
2020年3月27日
3
补充材料：二极管与晶闸管
理想电力电子开关器件
直流输电换流原理
• 双向导通能力 • 双向阻断能力 • 理想的开关特性
整流器的实际空载直流电压（a 30°）
a 30°
理想无相控空载直流电压
输出电压峰值
Vd 0 =
2E :
3 2E
2020年3月27日
50
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的实际空载直流电压（a > 30°）
a > 30°
理想有相控空载直流电压
输出电压峰值
Vd 0 =
2E cos(a - 30) :
46
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的直流电压（a 0 ，g = 0）
触发脉冲
vm
vn
eca 过零点
vd = vm - vn
360，脉动六次
2020年3月27日
47
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的直流电压（a 0，g = 0）
a 6
A= - a 6
2E cos d =
2020年3月27日
34
第二章 换流器的工作原理
整流器换相过程
直流输电换流原理
换相前 换相中
换相后
2020年3月27日
35
第二章 换流器的工作原理
整流器换相过程（局部电路）
直流输电换流原理
换相中
换相后
换相前
2020年3月27日
36
第二章 换流器的工作原理
整流器换相过程（V5 V1 ）
直流输电换流原理
3 2 E cosa
2020年3月27日
51
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的直流电压（a 变化，g = 0）
2020年3月27日
52
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的直流电触发压脉（冲 a 0 ，g 0）vm
vn
eca 过零点
vd = vm - vn
2020年3月27日
2020年3月27日
25
第二章 换流器的工作原理
单桥整流器
交流电源
交流侧电流
直流平波电感 阀电流
直流输电换流原理
直流侧电流
换相电感
2020年3月27日
直流侧电压（滤波前）
直流侧电压（滤波后）
26
第二章 换流器的工作原理
三相桥式换流器中重要的量
直流输电换流原理
• 交流侧相电压： va、 vb、 vc 桥交流端对 “O”点电位
整流器的直流电压（a = 0，g =vm0）
vn
vd = vm - vn
脉动六次
2020年3月27日
45
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的直流电压（a = 0，g = 0）
6
A0 =
2E cos d =
2
E
sin
6 -
=
2E
-
6
6
Vd 0
=
A0
=
32
E
= 1.35E
3
2020年3月27日
5
补充材料：二极管与晶闸管
功率二极管
直流输电换流原理
• P-N结型半导体器件 • 单向导电器件 • 非线性器件
电力系统谐波问题 计算机仿真的困难
2020年3月27日
6
补充材料：二极管与晶闸管
功率二极管
直流输电换流原理
iD
iD
A
iD
K
I VB
+ vD -
0 VF (I)
vD
0
反向 阻断区
符号
实际伏安特性
Id
=3
Xg Id
= 6 fLg Id
=
Rg Id
2020年3月27日
54
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的直流电压（a 0，g 0）
Vd
=
Vd 0 2
cosa
cos(a
g
) = Vd0
cos a
g
2
cos
g
2
=
Vd
0
cos
a
-
3X
g
Id
= Vd0 cosa - Rg Id
等值换相电阻
180
2020年3月27日
31
第二章 换流器的工作原理
触发滞后角aP
P1
P3
a P1
aP3
2020年3月27日
直流输电换流原理
32
第二章 换流器的工作原理
触发滞后角aP与开通滞后角a
直流输电换流原理
• 理想情况下，aP1 ~ aP6 相等，记为aP • 触发滞后角aP ：触发脉冲时刻 P 与 C 间的电角度 • 开通滞后角a：阀开通时刻 T 与 C 间的电角度
53
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
整流器的换相压降（a 0，g 0）
a g
A=
1
2E sin d =
2 E cosa - cos(a g )
a2
2
V
=
A
=
32
2
E cosa
- cos(a
g
)
3
等值换相电阻
=
Vd 0 2
cosa
-
cos(a
g
)
=
Vd
0
sin
a
g
2
sin
g
2
V
=
3 Lg
2020年3月27日
10
补充材料：二极管与晶闸管
晶闸管：正向转折电压
直流输电换流原理
2020年3月27日
11
补充材料：二极管与晶闸管
晶闸管：导通条件
• 正向偏置 • 合适的触发信号
直流输电换流原理
某一时刻两条件必须同时满足，与顺序无关
2020年3月27日
12
补充材料：二极管与晶闸管
晶闸管：关断条件
直流输电换流原理
ea = eoa =
2 E sin(t 30)
3
eb = eob =
2 E sin(t - 90)
3
ec = eoc =
2 E sin(t 150)
3
2020年3月27日
28
第二章 换流器的工作原理
交流侧电源电动势（线电势）
直流输电换流原理
eca = ea - ec = 2E sin t eab = eb - ea = 2E sin(t -120) ebc = ec - eb = 2E sin(t 120)
• 无滞后的开关控制特性 • 瞬时完成的开关过程 • 无损耗
2020年3月27日
4
补充材料：二极管与晶闸管
实际电力电子开关器件
直流输电换流原理
• 正向导通、反向阻断器件：二极管 • 正向导通、双向阻断器件：GTO（THY） • 正向导通、正向阻断器件：BJT • 双向导通、正向阻断器件：FET
2020年3月27日
2020年3月27日
40
第二章 换流器的工作原理
换相重叠角g
• 换相过程所经历的电角度 • 2 - 3工况下小于 60
直流输电换流原理
g
= -a
arccos
cos a
-
2Xg Id 2E
2020年3月27日
41
第二章 换流器的工作原理
直流输电换流原理
换相重叠角g
g
= -a
arccos
cos a
直流输电换流原理
2020年3月27日
15
补充材料：二极管与晶闸管
平板型晶闸管外观
直流输电换流原理
2020年3月27日
16
补充材料：二极管与晶闸管
平板型晶闸管外观
直流输电换流原理
2020年3月27日
17
补充材料：HVDC换流器
直流输电换流原理
2020年3月27日
18
补充材料：HVDC换流器
•阀 • 阀组件 • 阀厅
• 桥阀承受的电压峰值较低 阀的利用率高 • 换流变压器容量较小 变压器的利用率高
• 换流变压器接线较简单 • 阀的伏安容量较小 • 直流电压纹波较小