Chap.2换流器工作原理forHVDC.ppt

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1、1,高压直流输电技术,刘晋华北电力大学 电气与电子工程学院 柔性电力技术研究所,2,Chap.2 换流器工作原理,3,HVDC原理示意图,双桥换流器,4,换流器,5,换流器桥臂,桥臂符号,6,换流器,7,静态均压,晶闸管,动态均压,平波电抗,组间均压,冲击陡波均压,阀组件：晶闸管与均压电路 受单只器件控制容量的限制，必须采取组合的形式以满足工作要求,8,换流器,9,换流器,桥臂组成方式-晶闸管串联和并联,串联方式需要均压，并联方式需要均流,10,11,12,13,第二章 主要内容,2.1 单桥整流器的工作原理2.2 单桥逆变器的工作原理2.3 双桥换流器的工作原理,HVDC系统 单桥,14,假

2、设条件,交流电源为对称的正弦波；交流输电系统及换流变压器阻抗对称；不计交流系统中各元件的电阻及换流变压器的激磁导纳；平波电抗器的电感为无穷大；晶闸管具有理想的开关特性；等间隔触发,HVDC系统,15,2.1 单桥整流器的工作原理,单桥等效电路原理图,HVDC系统,16,单桥整流器的主要内容,2.1.1 无触发延时、不计换相角时单桥的工作原理2.1.2 计及触发延时、不计换相角时单桥的工作原理2.1.3 计及触发延时、计及换相角时单桥的工作原理-正常工况,17,电源电动势,相电压:,（1）,线电压:,（2）,自然换相点：电源相电压的交点,18,2.1.1 无触发延时、不计换相角时单桥工作原理,上

3、半桥分析 V1、V2导通 V2、V3导通,V1、V2导通 电流：,HVDC系统,19,上半桥分析,V1、V2导通 电压：,t=c3 后 p3 给出，同时,V3导通,V1截止,20,上半桥分析,换相：电流从一个晶闸管转移到同一半桥中另一个晶闸管的过程。,V2、V3导通,电压、阀电流、相电流 直流电流波形,21,下半桥分析,V2、V3导通 V3、V4导通,t=c4 后 p4 给出，同时,V4导通,V2截止,22,下半桥分析,V3、V4导通,电压、阀电流、相电流 直流电流波形,23,整流电压平均值（不计触发角、不计换相角）,电源线电压有效值,（3）,（4）,理想空载直流电压,理想空载直流电压,24,

4、2.1.2计及触发延时、不计换相角时单桥工作原理,触发（延迟）角/滞后角/点燃角（）：用电气角度表示的从自然换相点到晶闸管的控制极上施以触发脉冲的时间。,上半桥分析 V1、V2导通 V2、V3导通,V1、V2导通 V2、V3导通,与不计触发延时、不计换相角时相同,25,2.1.2计及触发延时、不计换相角时单桥的工作原理,上半桥分析,t=c3 p3 时 p3 没有给出，所以尽管,V3不导通,26,上半桥分析(计及触发延时、不计换相角),t p3 时 p3 给出，同时,V3导通,V1截止,电压、阀电流、相电流 直流电流波形,27,下半桥分析(计及触发延时、不计换相角),t p4 时 p4 给出，同

5、时,V4导通,V2截止,电压、阀电流、相电流 直流电流波形,28,整流电压平均值（计及触发角、不计换相角）,（5）,特点：增加，则 减少,29,2.1.3计及触发延时、计及换相角时单桥的工作原理,问题的提出：ip能否突变？ip的变化规律？假设短路电流ik,30,推导换相电流公式,KVL：,-（6）,31,推导换相电流公式,计及：,和 线电压：,考虑初始条件：,32,换相电流计算公式,（8）,交流系统两相短路电流的幅值,（9）,等值换相电感,ik波形、阀电流、相电流、直流电流波形,33,换相角计算公式,换相结束时：,（10）,特点：,则,34,换相实质,换相实质：换相是交流系统短时间的两相短路。

6、换相是依靠交流电源提供的短路电流进行的。,换相电流：换相期间的短路电流 换相电压：提供换相电流的交流电源电压 换相阻抗：每相电源中性点到桥臂间的等值阻抗,HVDC系统,35,电压分析-上半桥(正常工况),电压,t=时，,36,整流电压平均值（正常工况）,空载时整流电压的平均值,（11）,换相引起的电压损耗：,（12）,电压,37,外特性方程,（14）,（13）,整流电压平均值-表达式1-定角外特性方程,等值换相电阻/比换相压降：,定角外特性曲线,38,整流电压平均值（正常工况）,整流电压平均值-表达式2,（15）,整流电压平均值-表达式3,（16）,39,直流电压的特点,整流电压平均值的特点：

7、,其中：(1)，增加，则 减少；,(2)增加，则 增加,的影响，的影响，的影响，的影响，的影响,40,等效电路（单桥整流器）,（13）,41,功率因数（单桥整流器）,（18）,（17）,（19）,功率因数角：,通常,42,单桥整流器的运行方式,工况2-3-正常运行方式工况3-非正常运行方式工况3-4-故障运行方式,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。,43,工况3,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。,特点：出现强制延迟现象 出现的原因：,过大,44,工况3-4,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。,特

8、点：直流短路、交流三相短路 出现的原因：,故障性增大,45,2.2 单桥逆变器的工作原理,逆变器接入HVDC系统的方式,46,Ud 的关系,单桥整流器的整流电压平均值(和)：,（5）,对 的影响、动画,47,单桥逆变器的运行方式,工况2-3-正常运行方式工况3-4-故障运行方式,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。,48,工况2-3,t(C3,)/V1、V2导通,下半桥分析 V1、V2导通 V1、V2、V3导通 V2、V3导通,电压波形,49,下半桥分析,t=/V1、V2、V3导通,KVL：,50,推导换相电流公式,计及：,和 线电压：,可得：,考虑初始条件：,

9、51,换相电流计算公式,交流系统两相短路电流的幅值,等值换相电感,ik波形、阀电流、相电流、直流电流波形,52,逆变运行的充要条件,与交流系统相连-有源逆变；与足够大的直流电源相连；具有使在 90 180 范围内调节的控制能力。,53,名词解释,超前角/越前角/触发越前角（）：用电气角度表示的落后于自然换相点180处到控制脉冲发出时刻之间的时间。,熄弧角/关断越前角（）：用电气角度表示的熄弧阀上正向电压为负的时间。,（21）,（20）,54,正常运行值,熄弧裕度角（）：考虑足够裕度的熄弧角。,稳态运行数值：,55,换相失败,逆变器侧的熄弧阀在换相结束后重新导通的过程。,原因：过小，熄弧阀在换相

10、结束后没有足够的时间恢复其正向阻断能力。分类：,一次换相失败连续两次换相失败,对策：控制系统闭锁，HVDC系统短时停运。,一般，80%的一次换相失败不会发展为连续两次换相失败。,电压、阀电流波形,电压、阀电流波形,56,单桥逆变器的特性方程,单桥逆变器的特性方程可由单桥整流器的特性方程导出。,导出原则一：,电压波形比较、动画比较,57,整流电压平均值-（单桥逆变器）,已知 单桥整流器的整流电压平均值,整流电压平均值（单桥逆变器，工况2-3）,（22）,（23）,故,58,外特性方程-（单桥逆变器）,已知 单桥整流器的外特性方程,故,（24）,外特性方程（单桥逆变器，工况2-3）定 角的外特性方

11、程,外特性曲线,59,计算公式-（单桥逆变器）,已知 单桥整流器的计算公式：,故,计算公式（单桥逆变器，工况2-3）,（26）,60,单桥逆变器的特性方程,导出原则二：,电压波形比较,61,整流电压平均值-（单桥逆变器）,已知 单桥整流器的整流电压平均值,整流电压平均值（单桥逆变器，工况2-3）,（28）,（29）,故,62,外特性方程-（单桥逆变器）,已知 单桥整流器的外特性方程,故,（30）,外特性方程（单桥逆变器，工况2-3）定 角的外特性方程,其中，,外特性曲线,63,计算公式-（单桥逆变器）,已知 单桥整流器的计算公式：,故,计算公式（单桥逆变器，工况2-3）,（31）,其中，,64

12、,计算公式-（单桥逆变器）,工况2-3时，不同 下 的计算公式,和 时,和 时,和 时,（34）,（32）,（33）,I电压波形,65,计算公式-（单桥逆变器）,已知 单桥整流器的 计算公式：,故,计算公式（单桥逆变器，工况2-3）,（35）,（36）,66,等效电路（单桥逆变器）,67,单桥逆变器的运行方式,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。,成立的条件：,同时,特点：直流短路、交流三相短路 出现的原因：故障性增大,68,2.3 双桥换流器的工作原理,多桥换流器：由直流端串联、交流端并联的一个以上的单桥构成的换流器。多桥换流器的接线方式：典型方式:每极1组1

13、2脉动换流单元-双极双桥 其他方式:每极2组12脉动换流单元串联 每极2组12脉动换流单元并联 特点：单桥数目为偶数,69,双桥换流器的运行方式,工况4-5-正常运行方式工况5-非正常运行方式工况5-6-非正常运行方式等等,双桥换流器等效电路,导通顺序:,70,工况4-5整流器,电压波形：1.不计和 2.正常运行,电流波形：不计和 时，1.换流变阀侧电流，2.换流变网侧电流，3.电源侧电流,工况4-5：在300的重复周期中，4个阀和5个阀轮流导通的运行方式。,双桥换流器等效电路,71,工况4-5逆变器,电压波形：1.不计和 2.正常运行,双桥换流器等效电路,电流波形：不计和 时，1.换流变阀侧

14、电流，2.换流变网侧电流，3.电源侧电流,72,工况4-5 的特点,1.双桥换流器的正常运行方式,2.每个单桥的ud、iv和ip 波形与工作在工况2-3时的对应波形一致。,即：（1）工况4-5时，邻桥的换相与否，不影响本桥的电压。,（2）工况4-5时，邻桥的换相与否，不影响本桥的电流。,双桥换流器等效电路,73,工况4-5 的特点,3.桥间相互影响：邻桥的换相使本桥所有未导通阀的电压产生畸变。从而影响整流器侧接班阀的正常开通，以及逆变器侧熄弧阀的可靠关断。,双桥换流器等效电路,74,桥间相互影响,设V11、V12、V21、V22、V31导通,整流器侧接班阀电压：,逆变器侧熄弧阀电压：,（38）

15、,交流系统各相等值电感,换流变压器各相等值电感,双桥换流器等效电路,75,桥间相互影响系数：,（39）,结论：1.,2.越大，桥间相互影响越严重，未开通阀的波形畸变也越厉害。,桥间相互影响的实质：,两桥间共有一个耦合电感,双桥换流器等效电路,76,双桥换流器的计算公式-整流器,一、整流器（工况4-5）：,1.整流电压平均值：,（40）,单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形,77,双桥换流器的外特性-整流器,2.双桥整流器的外特性方程 定角的外特性方程：,（42）,等值换相电阻/比换相压降：,78,双桥换流器的计算公式-整流器,3.双桥整流器的角计算公式,（43）,（45）,4.双桥整流器的 角计算公

16、式,79,双桥换流器的计算公式-逆变器,二、逆变器（工况4-5）：,1.整流电压平均值：,（46）,80,双桥换流器的计算公式-逆变器,整流电压平均值：,（48）,81,双桥换流器的外特性-逆变器,2.双桥逆变器的外特性方程,（50）,定 角的外特性方程：,定 角的外特性方程：,（51）,82,双桥换流器的计算公式-逆变器,3.双桥逆变器的角计算公式,（52）,交流系统两相短路电流的幅值,83,双桥换流器的 计算公式-逆变器,4.双桥逆变器的 角计算公式,（54）,（55）,84,工况5,工况5：在300的重复周期中，始终只有五个阀阀轮流导通的运行方式。,双桥换流器等效电路,成立的条件：,同时

17、,特点：1.出现强制延迟现象；2.只有整流器才能出现。出现的原因：,过大,同时,85,HVDC系统原理图-双极双桥,86,电压波形（、）-单桥整流器,87,阀电流波形（、）,88,相电流波形（、）,89,直流电流波形（、）,90,电压波形（、）-单桥整流器,91,电压波形动画（、）-单桥整流器,=5 57,粉红色-uMO，蓝色-uNO，红色-uduMN,92,阀电流波形（、）,93,相电流波形（、）,94,直流电流波形（、）,95,ik与iv波形,96,阀电流波形（、）,97,相电流波形（、）,98,直流电流波形（、）,99,电压波形（、）-单桥整流器,100,电压波形动画（、）-单桥整流器,

18、=5 57粉红-uMO 蓝色-uNO 红色-uduMN,绿色-uv3,101,外特性曲线（单桥整流器）,（13）,102,换流器ud图(=0 180),103,换流器ud动画(=0 180),104,电压波形（、）-单桥逆变器,105,电压波形（、）-单桥逆变器-带,单桥I电路，单桥R熄弧阀压波形,106,阀电流波形（、）-单桥逆变器,107,相电流波形（、）-单桥逆变器,108,直流电流波形（、）-单桥逆变器,109,ik与iv波形,110,电压波形（含一次换相失败）,单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形,111,阀电流波形（含一次换相失败）,单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形,112,电压波形（含连

19、续两次换相失败）,单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形,113,阀电流波形（含连续两次换相失败）,单桥I电路，单桥I熄弧阀压波形,114,电压波形比较（单桥R和I）,115,电压波形比较动画（单桥R和I）,=5 57，180=123 175,116,外特性曲线（单桥逆变器）,117,换流器的其他接线方式,典型方式:每极1组12脉动换流单元其他方式:每极2组12脉动换流单元串联 每极2组12脉动换流单元并联,118,双桥换流器等效电路,R,119,双桥换流器简化等效电路,桥I漏电抗,桥II漏电抗,桥间耦合电抗,120,双桥换流器电压波形（理想情况）,121,双桥换流变阀侧电流波形（理想情况）,双桥换流

20、器等效电路,122,双桥换流变网侧电流波形（理想情况）,双桥换流器等效电路,123,双桥电源侧电流波形（理想情况）,双桥换流器等效电路,124,双桥换流器电压波形（正常方式）,双桥换流器等效电路,125,作业,如何用两个6脉动换流器构成一个12脉动换流器？什么是6脉动换流器的“2-3”工况？什么是触发（滞后）角？什么是换相（重叠）角？什么是关断角（熄弧角）？有源逆变的条件是什么？什么是换相失败？换相失败的原因有哪些？,126,A 2000A 250 kV high voltage direct current(HVDC)thyristor valve at Manitoba Hydros He

21、nday converter station.Photo taken April 2001.Valve rating 2000 A,250 kV dc.,127,Six thyristors in a module,with cooling piping and protective capacitors.,A module containing thyristors for the Nelson River Bipole.The rating of the module is 2000 A.The thyristors are the white disks at the back of t

22、he module.Transparent plastic tubes carry cooling water through the heat sinks.Capacitors in the module assist with commutation and protect against transient voltages,128,Mercury Arc Valve,Radisson Converter Station,Gillam MB,One of the English Electric mercury arc valves(a kind of rectifier)used to convert electricity from alternating current to direct current at the Manitoba Hydro Radisson Converter Station in Gillam,Manitoba.As of 2004,all of the mercury arc valves have been replaced with thyristors.,