电流源型变换器-2014
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18
3 三相全波晶闸管变流器： 换流失败
单次换流失败过程（b）。 两次换流失败过程（c）。 换流失败是可恢复、能管理 的，众多HVDC稳定运行经验。
19
3 三相全波晶闸管变流器：交流侧电流谐波
6脉冲Y－Y连 接，120°方 波。 6脉冲Δ－Y 连接，六阶 梯波。 12脉冲Y－Y、 Δ－Y连接， 十二阶梯波。
4 三相全波自关断变换器：电路结构
晶闸管无自 关断能力， 需要与电网 强迫换流。 可关断器件 必须能承受 反向电压 （对称器 件），不对 称器件需串 联二极管。 交流侧线间 电容的作用 32 是便于换流。
交流侧线间电容交替充放电。 交流侧功率因数可以是容性。
4 三相全波自关断变换器：工作波形
直流侧换流电阻的物理意义：对应直 流侧电压损失，对应交流侧电流波形 右移，对应滞后无功，对应非单位功 率因数，不对应实际功率损耗。
10
3 三相全波晶闸管变流器：α＝30°
理想条件情况，无重叠换流。 整流器运行，斜线阴影代表直流 电压为正。
11
3 三相全波晶闸管变流器：α＝60°、90°
3L
Id
Vd 1 cos cos V0 2
与三相全波二极管整流器工作 波形、计算公式完全类似。 能控制触发延迟角来控制直流 电压的大小和方向。 交流侧依然消耗无功。
9
4 三相全波晶闸管变流器：整流运行等效电路
Vd 3L 1 cos cos I d cos cos V0 2
Vຫໍສະໝຸດ Baidu
3
6 6
2 E cost d t
2 d
3 2
E 1.35 E
2 I I d t I d 0.816 I d 3 3
3
1
Vd I d 6 I1 I d 0.78 I d 3E
I h I I 0.24 I d
1 CSC基本概念：三种类型
二极管整流器：单向功率 流动，电网强迫换流，不 控，交流侧消耗无功。 晶闸管变流器：双向功率 流动，电网强迫换流，半 控，交流侧消耗无功。 自关断变换器：双向功率 流动，自换流，全控，交 流侧消耗或提供无功，可 以PWM方式运行。 如果都采用自关断器件， VSC优于CSC。 半控器件的功率处理能力是全控器件的2～3倍，如果不考虑无功管理 3 问题，晶闸管变流器优于自关断变换器，如HVDC。
30
3 三相全波晶闸管 变流器：18次谐波 电压
换流重叠角小时，谐 波电压随触发延迟角 的增加而增加。 触发延迟角一定时， 谐波电压随换流重叠 角的增加而减小， 10°时最小。 换流重叠角为9°、 11°时，谐波电压为 恒值，与触发延迟角 无关。
换流重叠角为20°时极大，为30° 31 时极小。
in 2 3 1 1 1 1 I d cos t cos11t cos13t cos 23t cos 25t 13 23 25 11
20
3 三相全波晶闸管变流器：交流侧电流谐波
考虑换相重叠角。 谐波含量会减小。
cos cos t ip Id , t iq I d , t 2 3 cos cos cos cost 2 3 21 , 2 3 t 2 3 ir I d I d cos cos
α＝60°，整流器运 行，斜线阴影代表正直 流电压，水平线阴影代 表负直流电压。 α＝90°，整流逆变临 界运行，斜线阴影代表 正直流电压，水平线阴 影代表负直流电压。
12
3 三相全波晶闸管变流器：α＝180°
α＝180°，全逆变运 行，水平线阴影代表负 直流电压。 存在换流重叠角、安全 关断角等实际因素，全 逆变运行不可能，否则 会导致换流失败。
2 2 1
5
2 三相全波二极管整流器：重叠换流现象
非理想情况，实际换流需要时间，不是瞬时完成， 持续约20～30°（1.11 ～ 1.67ms），存在重叠换 流现象（线间短路），与电网阻抗有关。 重叠换流导致电压损失，等效换流电阻，换流压降。 重叠换流消耗感性无功，非单位功率因数。
6
2 三相全波二极管整流器：重叠换流波形
E 1 cos 0 Id 2L
Vd V0 V 3 2
1 3L cos 1 V0 2 3 ,0 30 3,30 90
E
3L
Id
换流重叠角γ0、直流电 压Vd、换流压降ΔV、 功率因数cosΦ的计算公 式。
3 三相全波晶闸管变流 器：12次谐波电压
换流重叠角小时，谐波电 压随触发延迟角的增加而 增加。 触发延迟角一定时，谐波 电压随换流重叠角的增加 而减小，15°时最小。 换流重叠角为14°、16° 时，谐波电压为恒值，与 触发延迟角无关。 换流重叠角为30°时极 大，为45°时极小。
3 三相全波晶闸管变流 器：6次谐波电压
换流重叠角小时，谐波电压 随触发延迟角的增加而增加。 触发延迟角一定时，谐波电 压随换流重叠角的增加而减 小，30°时最小。 换流重叠角为26°、36° 时，谐波电压为恒值，与触 发延迟角无关。 换流重叠角为60°时极大， 为90°时极小。
29
7
3 三相全波晶闸管变流器：电路结构
晶闸管半控，能控制开通，不能控制关断。 通过控制晶闸管开通时间（触发延迟角 α），能延迟换流开始时刻，使直流电压 减小甚至反向。
8
3 三相全波晶闸管变流器：整流运行波形
E cos cos Id 2L
Vd V0 cos
2 三相全波二极管整流器：电路结构
简单、便宜、应用广泛，几十kW以上应用领域 占据统治地位。 是理解半控和全控变换器的基础。 假设直流侧电抗无穷大，直流电流恒定，标号 代表换流次序和直流电压。 假定电网阻抗为0，理想变压器和开关器件。
4
2 三相全波二极管整流器：工作波形
自然换相点1、2、3、4、5、6。 CSC换流在相同直流母线的管阀之间进行， 为120°导电模式，不含三倍频谐波。 VSC换流在桥臂上下管之间进行，为180° 导电模式，含三倍频谐波。 直流侧电压为六脉波，是两个三相半波电 路的叠加，E为线电压有效值。
13
3 三相全波晶闸管变流器：逆变运行电路
镜像对称，注意器件符号画法与电流方 向之间的配合关系。
14
3 三相全波晶闸管变流器：逆变运行波形
触发延迟角α，逆变角β， 换流重叠角γ，安全关断角 δ。 α＝π－β，β＝γ＋δ。 前述直流电压、换流压降、 功率因数等的计算公式依然 成立。
15
3 三相全波晶闸管变流器：运行相量图
阴影为变换器整流、逆变工作 范围，两象限运行。 整流逆变临界运行时，有功几 乎为0，无功最大，可用作静 止无功补偿器消耗可控无功。 触发延迟角小于30°、换 流重叠角大于60°的情况 不存在。 换流重叠角大于60°时，各种 计算公式不再成立，同时存在 两次换流，导致直流故障电流 大，不能稳定运行。
16
3 三相全波晶闸管变流器：管阀电压
整流运行时，管阀电压大 部为负。 逆变运行时，管阀电压大 部为正。 电压跳变时存在电压过 冲，晶闸管需要并联RC阻 尼缓冲电路。
17
3 三相全波晶闸管变流器：换流失败
需要最小安全角β使得能安全换流，使离 去的换流管阀在电压反向变正之前能完全 恢复，否则它将继续导电，导致换流失败 故障。
电流源型变换器（CSC）
1、 CSC基本概念 2、 三相全波二极管整流器 3、 三相全波晶闸管变流器 4、 三相全波自关断变换器 5、 CSC与VSC
1
1 CSC基本概念：电路结构
VSC：双向功率流动（直流侧电容器、电压单向、电流双 向，交流侧电抗器），可关断器件＋反并联二极管。 CSC：双向功率流动（直流侧电抗器、电流单向、电压双 向，交流侧电容器），二极管、晶闸管、自关断器件（不对 2 称器件需串联二极管形成对称器件以正反向阻断电压）等。
3 三相全波晶闸管变流器：5次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值 将减小，72°时最小，然后略 为上升。 换流重叠角通常在15°～30° 之间。 注入电网会导致5次谐波电压。
22
3 三相全波晶闸管变流器：7次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值 将减小，51°时最小，然后略 为上升。 换流重叠角通常在15°～30° 之间。 注入电网会导致7次谐波电压。
27
3 三相全波晶闸管变流器：直流侧电压谐波
直流电压谐波与脉冲数、 触发延迟角和换流重叠角 有关。 包含直流分量和kp次谐波。 空载，触发延迟角和换流 重叠角均为0时的情况。 一般情况。 电压谐波产生电流谐波。
Vn 2 2 V0 n 1
eu 2 E cos t , t es 2 E cos t ,0 t 6 3 6 2 28 et E cos t cos t , t 2 6 6
交流电流相角、频率 可控，可视为受控交 流电流源。 交流侧电压是交流侧 电流、电网阻抗、电 网电压共同作用的结 果。 交流侧电流含(6k±1) 次谐波。 同样，可构成12脉冲 变换器。 PWM可用于CSC以减小换流电容器的大小。
33
5 CSC与VSC
如果不要求控制变换器有功，二极管整流器造价最低。 如果不需要容性无功，晶闸管变流器能控制有功、造价低，可作为可 控感性无功负载，如TCR。 CSC直流电抗能限制短路电流，VSC直流电容快速放电会损坏器件。 6脉冲CSC不产生3次谐波电压，12脉冲CSC变压器原方不必串联，组成 24脉冲CSC相对简单。 自关断CSC由于存在交流电容，管阀dv/dt不高。 自关断CSC交流电容较贵，与电网的接口更复杂。 CSC直流电抗损耗比VSC直流电容损耗大得多。 自关断CSC会产生交流电容与电网阻抗谐振频率处的谐波电压，应避开 特征谐波频率。 谐波会导致管阀和变压器承受过压。 IGBT、GTO等不对称器件的广泛采用，而自关断CSC需要对称器件，使 VSC比CSC应用更为广泛。 34
23
3 三相全波晶闸管变流器：11次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值 将减小，33°时最小，然后略 为上升。 换流重叠角通常在15°～30° 之间。 注入电网会导致11次谐波电压。
24
3 三相全波晶闸管变流器：13次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波 值将减小，28°时最小，然 后略为上升。 换流重叠角通常在15°～ 30°之间。 注入电网会导致13次谐波电 压。
25
3 三相全波晶闸管变流器：17次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值将 减小，21°时最小，然后略为上 升。 换流重叠角通常在15°～30°之 间。 注入电网会导致17次谐波电压。
26
3 三相全波晶闸管变流 器：19次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波 值将减小，19°时最小，然 后略为上升。 换流重叠角通常在15°～ 30°之间。 注入电网会导致19次谐波电 压。
3 三相全波晶闸管变流器： 换流失败
单次换流失败过程（b）。 两次换流失败过程（c）。 换流失败是可恢复、能管理 的，众多HVDC稳定运行经验。
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3 三相全波晶闸管变流器：交流侧电流谐波
6脉冲Y－Y连 接，120°方 波。 6脉冲Δ－Y 连接，六阶 梯波。 12脉冲Y－Y、 Δ－Y连接， 十二阶梯波。
4 三相全波自关断变换器：电路结构
晶闸管无自 关断能力， 需要与电网 强迫换流。 可关断器件 必须能承受 反向电压 （对称器 件），不对 称器件需串 联二极管。 交流侧线间 电容的作用 32 是便于换流。
交流侧线间电容交替充放电。 交流侧功率因数可以是容性。
4 三相全波自关断变换器：工作波形
直流侧换流电阻的物理意义：对应直 流侧电压损失，对应交流侧电流波形 右移，对应滞后无功，对应非单位功 率因数，不对应实际功率损耗。
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3 三相全波晶闸管变流器：α＝30°
理想条件情况，无重叠换流。 整流器运行，斜线阴影代表直流 电压为正。
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3 三相全波晶闸管变流器：α＝60°、90°
3L
Id
Vd 1 cos cos V0 2
与三相全波二极管整流器工作 波形、计算公式完全类似。 能控制触发延迟角来控制直流 电压的大小和方向。 交流侧依然消耗无功。
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4 三相全波晶闸管变流器：整流运行等效电路
Vd 3L 1 cos cos I d cos cos V0 2
Vຫໍສະໝຸດ Baidu
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2 E cost d t
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Vd I d 6 I1 I d 0.78 I d 3E
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1 CSC基本概念：三种类型
二极管整流器：单向功率 流动，电网强迫换流，不 控，交流侧消耗无功。 晶闸管变流器：双向功率 流动，电网强迫换流，半 控，交流侧消耗无功。 自关断变换器：双向功率 流动，自换流，全控，交 流侧消耗或提供无功，可 以PWM方式运行。 如果都采用自关断器件， VSC优于CSC。 半控器件的功率处理能力是全控器件的2～3倍，如果不考虑无功管理 3 问题，晶闸管变流器优于自关断变换器，如HVDC。
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3 三相全波晶闸管 变流器：18次谐波 电压
换流重叠角小时，谐 波电压随触发延迟角 的增加而增加。 触发延迟角一定时， 谐波电压随换流重叠 角的增加而减小， 10°时最小。 换流重叠角为9°、 11°时，谐波电压为 恒值，与触发延迟角 无关。
换流重叠角为20°时极大，为30° 31 时极小。
in 2 3 1 1 1 1 I d cos t cos11t cos13t cos 23t cos 25t 13 23 25 11
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3 三相全波晶闸管变流器：交流侧电流谐波
考虑换相重叠角。 谐波含量会减小。
cos cos t ip Id , t iq I d , t 2 3 cos cos cos cost 2 3 21 , 2 3 t 2 3 ir I d I d cos cos
α＝60°，整流器运 行，斜线阴影代表正直 流电压，水平线阴影代 表负直流电压。 α＝90°，整流逆变临 界运行，斜线阴影代表 正直流电压，水平线阴 影代表负直流电压。
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3 三相全波晶闸管变流器：α＝180°
α＝180°，全逆变运 行，水平线阴影代表负 直流电压。 存在换流重叠角、安全 关断角等实际因素，全 逆变运行不可能，否则 会导致换流失败。
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2 三相全波二极管整流器：重叠换流现象
非理想情况，实际换流需要时间，不是瞬时完成， 持续约20～30°（1.11 ～ 1.67ms），存在重叠换 流现象（线间短路），与电网阻抗有关。 重叠换流导致电压损失，等效换流电阻，换流压降。 重叠换流消耗感性无功，非单位功率因数。
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2 三相全波二极管整流器：重叠换流波形
E 1 cos 0 Id 2L
Vd V0 V 3 2
1 3L cos 1 V0 2 3 ,0 30 3,30 90
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换流重叠角γ0、直流电 压Vd、换流压降ΔV、 功率因数cosΦ的计算公 式。
3 三相全波晶闸管变流 器：12次谐波电压
换流重叠角小时，谐波电 压随触发延迟角的增加而 增加。 触发延迟角一定时，谐波 电压随换流重叠角的增加 而减小，15°时最小。 换流重叠角为14°、16° 时，谐波电压为恒值，与 触发延迟角无关。 换流重叠角为30°时极 大，为45°时极小。
3 三相全波晶闸管变流 器：6次谐波电压
换流重叠角小时，谐波电压 随触发延迟角的增加而增加。 触发延迟角一定时，谐波电 压随换流重叠角的增加而减 小，30°时最小。 换流重叠角为26°、36° 时，谐波电压为恒值，与触 发延迟角无关。 换流重叠角为60°时极大， 为90°时极小。
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3 三相全波晶闸管变流器：电路结构
晶闸管半控，能控制开通，不能控制关断。 通过控制晶闸管开通时间（触发延迟角 α），能延迟换流开始时刻，使直流电压 减小甚至反向。
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3 三相全波晶闸管变流器：整流运行波形
E cos cos Id 2L
Vd V0 cos
2 三相全波二极管整流器：电路结构
简单、便宜、应用广泛，几十kW以上应用领域 占据统治地位。 是理解半控和全控变换器的基础。 假设直流侧电抗无穷大，直流电流恒定，标号 代表换流次序和直流电压。 假定电网阻抗为0，理想变压器和开关器件。
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2 三相全波二极管整流器：工作波形
自然换相点1、2、3、4、5、6。 CSC换流在相同直流母线的管阀之间进行， 为120°导电模式，不含三倍频谐波。 VSC换流在桥臂上下管之间进行，为180° 导电模式，含三倍频谐波。 直流侧电压为六脉波，是两个三相半波电 路的叠加，E为线电压有效值。
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3 三相全波晶闸管变流器：逆变运行电路
镜像对称，注意器件符号画法与电流方 向之间的配合关系。
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3 三相全波晶闸管变流器：逆变运行波形
触发延迟角α，逆变角β， 换流重叠角γ，安全关断角 δ。 α＝π－β，β＝γ＋δ。 前述直流电压、换流压降、 功率因数等的计算公式依然 成立。
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3 三相全波晶闸管变流器：运行相量图
阴影为变换器整流、逆变工作 范围，两象限运行。 整流逆变临界运行时，有功几 乎为0，无功最大，可用作静 止无功补偿器消耗可控无功。 触发延迟角小于30°、换 流重叠角大于60°的情况 不存在。 换流重叠角大于60°时，各种 计算公式不再成立，同时存在 两次换流，导致直流故障电流 大，不能稳定运行。
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3 三相全波晶闸管变流器：管阀电压
整流运行时，管阀电压大 部为负。 逆变运行时，管阀电压大 部为正。 电压跳变时存在电压过 冲，晶闸管需要并联RC阻 尼缓冲电路。
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3 三相全波晶闸管变流器：换流失败
需要最小安全角β使得能安全换流，使离 去的换流管阀在电压反向变正之前能完全 恢复，否则它将继续导电，导致换流失败 故障。
电流源型变换器（CSC）
1、 CSC基本概念 2、 三相全波二极管整流器 3、 三相全波晶闸管变流器 4、 三相全波自关断变换器 5、 CSC与VSC
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1 CSC基本概念：电路结构
VSC：双向功率流动（直流侧电容器、电压单向、电流双 向，交流侧电抗器），可关断器件＋反并联二极管。 CSC：双向功率流动（直流侧电抗器、电流单向、电压双 向，交流侧电容器），二极管、晶闸管、自关断器件（不对 2 称器件需串联二极管形成对称器件以正反向阻断电压）等。
3 三相全波晶闸管变流器：5次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值 将减小，72°时最小，然后略 为上升。 换流重叠角通常在15°～30° 之间。 注入电网会导致5次谐波电压。
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3 三相全波晶闸管变流器：7次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值 将减小，51°时最小，然后略 为上升。 换流重叠角通常在15°～30° 之间。 注入电网会导致7次谐波电压。
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3 三相全波晶闸管变流器：直流侧电压谐波
直流电压谐波与脉冲数、 触发延迟角和换流重叠角 有关。 包含直流分量和kp次谐波。 空载，触发延迟角和换流 重叠角均为0时的情况。 一般情况。 电压谐波产生电流谐波。
Vn 2 2 V0 n 1
eu 2 E cos t , t es 2 E cos t ,0 t 6 3 6 2 28 et E cos t cos t , t 2 6 6
交流电流相角、频率 可控，可视为受控交 流电流源。 交流侧电压是交流侧 电流、电网阻抗、电 网电压共同作用的结 果。 交流侧电流含(6k±1) 次谐波。 同样，可构成12脉冲 变换器。 PWM可用于CSC以减小换流电容器的大小。
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5 CSC与VSC
如果不要求控制变换器有功，二极管整流器造价最低。 如果不需要容性无功，晶闸管变流器能控制有功、造价低，可作为可 控感性无功负载，如TCR。 CSC直流电抗能限制短路电流，VSC直流电容快速放电会损坏器件。 6脉冲CSC不产生3次谐波电压，12脉冲CSC变压器原方不必串联，组成 24脉冲CSC相对简单。 自关断CSC由于存在交流电容，管阀dv/dt不高。 自关断CSC交流电容较贵，与电网的接口更复杂。 CSC直流电抗损耗比VSC直流电容损耗大得多。 自关断CSC会产生交流电容与电网阻抗谐振频率处的谐波电压，应避开 特征谐波频率。 谐波会导致管阀和变压器承受过压。 IGBT、GTO等不对称器件的广泛采用，而自关断CSC需要对称器件，使 VSC比CSC应用更为广泛。 34
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3 三相全波晶闸管变流器：11次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值 将减小，33°时最小，然后略 为上升。 换流重叠角通常在15°～30° 之间。 注入电网会导致11次谐波电压。
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3 三相全波晶闸管变流器：13次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波 值将减小，28°时最小，然 后略为上升。 换流重叠角通常在15°～ 30°之间。 注入电网会导致13次谐波电 压。
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3 三相全波晶闸管变流器：17次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波值将 减小，21°时最小，然后略为上 升。 换流重叠角通常在15°～30°之 间。 注入电网会导致17次谐波电压。
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3 三相全波晶闸管变流 器：19次谐波电流
当换流重叠角增加时，谐波 值将减小，19°时最小，然 后略为上升。 换流重叠角通常在15°～ 30°之间。 注入电网会导致19次谐波电 压。