6脉动换流器原理及应用

15.1.1.1　整流器

如图15-1所示三相桥式电路，ea、eb、ec为三相电压源，Lr为交流电源到换流器间的等值电抗，称为换相电抗；V1～V6为6个桥臂上的晶闸管组，ia、ib、ic为交流侧三相电流，i1～i6为流过6组换流阀的电流，Ld为直流回路上的平波电抗，Id为直流电流，Ud为直流电压。

1）理想不可控整流器

整流器在任一时刻都同时有两个阀导通，这两个阀分别属于阳极半桥与阴极半桥，图15-1中的V1、V3和V5属于阴极半桥，V2、V4和V6属于阳极半桥，在交流电压的作用下，6个阀不断按顺序开通关断，在一个周期内整流器两端输出的电压波形是由六个线电压段构成的，该线电压段波形已接近直流电压，即该整流器将三相电压整流成了一个周期由六个脉动组成的直流电压，故该整流器被称为6脉动整流器。

假定在直流平波电抗器足够大的条件下，直流电流是平直的，在一个工频周期内，每个阀流过电流的时间是1/3周期，对于交流三相来说，每相连接上下两个换流阀，这两个阀对应于相电流的方向分别是流入与流出，即一个周期内，交流系统每相流入电流与流出电流的时间各持续1/3周期，故每相每周期内有2/3的时间流过电流，流入或流出的电流等于直流电流Id。

整流器输出电压在经过一个足够大的平波电抗后，将成为平滑的直流电压，可由图15-2中的输出电压曲线求出该直流电压的平均值Ud。由于Ud在一个交流工频周期内有6个脉动周期，可以只用其中任一个脉动周期求出该直流电压平均值，如式（15-1）所示。

式中，E为阀侧三相电源线电压有效值。

图15-2　理想不可控整流器电压波形

2）理想可控整流器

在换流阀两端电压变为正后，控制系统会给该阀发送一个触发脉冲使其导通。考虑到实际系统交流电压波形有一定的变化，为了保证能稳定触发换流阀，控制系统都是在换流阀两端电压变为正后延迟一小段时间才触发换流阀，如图15-3所示，阀V1在c1时刻点后的一段时间触发导通，这个延迟时间用角度α表示，称为阀的触发角。在触发脉冲到来之前，原先导通的阀由于其通过的电流不过零故仍保持导通状态，直至触发脉冲触通下一个阀，使原导通阀两端承受的电压反向，进而使通过该阀的电流过零，该阀关断。相对于不受控整流器，受控整流器的所有阀触发导通都滞后α角度。由图15-3可知，理想可控整流器输出电压波形在一个工频周期内也是由六段相同的线电压构成，因此可以计算出理想可控整流器输出的直流电压平均值，如式（15-2）所示。

式中，Ud为理想不可控整流器输出直流电压平均值。

图15-3　理想可控整流器电压波形

由式（15-2）可以看出，当α=0时，该整流器就成为一个理想不可控整流器，其输出直流电压也达到最大值；当α＜90°时，该整流器输出平均电压为正值；当α=90°时，输出平均电压为零；当90°＜α＜180°时，该整流器输出电压为负值，但由于流过阀的电流只能是一个方向，此时整流器是无法作为提供能量的电源使用的。综上，为向直流侧提供能量，理想情况下整流器的触发角范围是0～90°。整流器输出的直流电压与触发角直接相关，对实际直流工程而言，直流电压可调节范围很小或者不可调节，因此整流器的触发角可调节范围也很小。考虑到交流系统电压波形的波动变化，为保证整流器中各阀能被触发导通，α角的最小值一般定为5°；另一方面，α角度较大时，换流器输出电压波动会很大，即使经过平波电抗，输出的直流电压质量也很低，因此α角不宜过大；同时α角要有一定的调节余地以便系统受到扰动或发生变化时可以进行调节。综合以上要求，触发角的变化范围一般选在5°～20°之间，正常运行时触发角一般在15°±2.5°之间。

3）考虑换相电抗的可控整流器

在直流输电系统中，换流器交流侧直接与换流变压器三相绕组相连，换流变压器与普通交流变压器原理相同，将交流侧电压转换为直流输出所需的电压等级。换流变阀侧线圈是换流器换相回路的一部分，因此换相回路中必然存在电感，即Lr＞0，这与上述的理想可控整流器不同。仍假设直流电流保持Id不变，当一个阀的触发脉冲到来时，该阀导通，由于换相回路中存在电感，该阀中电流不可能立即上升为Id，同样，上一个导通阀中的电流也不可能立即降为零，两个阀间的电流交接转换要经过一段时间，这个时间对应角度μ称为换相角，整个过程称为换相过程。

6脉动整流器在正常运行时的直流电压平均值为

式中，Xr1为等值换相电抗；dr1称为换相比压降，它表示当换流器输出直流电流值为一个单位时，在正常运行中由于换相引起的直流电压下降的平均值。该计算式只适用于在下一次换相开始时，上一次换相已完成的情况，即μ＜60°。

换相角μ的计算式如下：

对于整流器，触发角越大，换相角越小；反之，换相角越大。

在阀导通时，阀两端电压为零，当阀关断时，其两端将承受交流线电压，以阀V1为例，在V1关断期间，由于V2-V4，V3-V5，V4-V6的换相过程对三相电压的影响，使得V1两端电压波形上出现换相锯齿。另外，由于系统内部杂散电容以及换相电抗的存在，V1换流阀在关断时会产生暂态电压振荡，称为反向过冲，反向过冲使阀两端电压变大，有导致阀被反向击穿的危险，因此实际工程中阀两端并联有电容电阻支路，起到均匀阀组电位分布以及限制反向过冲幅值的作用。

整流器输出的直流电压平均值与直流电流的函数关系，称为整流器的外特性[1]。根据前述分析可知，整流器的外特性函数可表示为(www.xing528.com)

在换相角μ＜60°时，以直流电流为横坐标，直流电压为纵坐标，整流器的外特性可以画出一族等触发角α斜率为-d u的直线，这族直线在纵坐标轴上的截距等于理想可控空载直流电压Ud0cosα。当触发角增大时，Ud0cosα减小，外特性曲线向下平移，如图15-4所示。

图15-4　整流器输出外特性

15.1.1.2　逆变器

将直流电转换成交流电的过程称为逆变，目前的直流输电工程中大部分都采用有源逆变方式，受电端须提供交流电源。

逆变器与整流器硬件结构相同，在前述介绍整流器时提到当触发角α大于90°时候，整流器将变为逆变器。与整流器类似，逆变器的直流平均电压为

式中，Ud02为逆变器的理想直流空载电压，Ud02=1.35E2，E2为逆变器换流变阀侧绕组空载线电压有效值；β为超前触发角，满足β=180°-α；dr2为逆变器的换相比压降，dr2=3Xr2/π；Xr2为逆变器的等值换相电抗。

与整流器相似之处在于，V1的阀电压波形同样受V2-V4，V3-V5，V4-V6换相过程的影响，有换相齿出现，如图15-5所示。

图15-5　逆变器电压波形

逆变器的换相如果在c4时刻之前换相过程没有完成，则c4时刻后由于ua电压小于uc，换相过程将被逆转，V1开始被关断，V5将持续导通，这就造成了换相失败。如果阀V5到V1换相成功，在换相完成后不久阀V5两端的电压将变为正向，还要考虑晶闸管正向阻断恢复时间裕度。因此这里引入关断角的定义，即从阀关断后到其两端电压恢复为正电压的时间用电角度表示称为关断角γ。关断角γ，超前触发角β以及换相角μ2关系如下：

逆变器的换相角μ2的计算如下：

逆变器的换相角与换相电抗Xr2、直流电流Id和换流变阀侧电压E2相关，当直流电流升高或者换流变阀侧电压降低时，都会使换相角μ2增大。如果逆变侧的超前触发角定得过小，则在换相角增大时，会导致关断角变小进而引起换相失败。在实际直流工程中考虑到交流侧三相电压不对称的影响，关断角应有足够的裕度，一般将限定其不小于15°～18°，称为γ0。如果关断角设定过大，则逆变器直流电压波动会加大，运行特性变差，因此实际直流输电工程中一般取关断角不小于某一定值γ0，然后通过计算得到相应的换相角μ2，并调整超前触发角β。

逆变器中存在的换相失败问题在整流器中通常不会发生，这是因为首先整流器在换相后导通阀两端电压保持为正的时间足够长，关断的阀两端电压为负值的时间也足够长，而逆变器的触发时间相对滞后，从而留给导通阀与关断阀的时间都不多；其次，整流器即使因交流电压波形畸变导致阀在两端电压未达正向时触发，触发脉冲保持的时间仍可在绝大多数情况下保证被触发阀在两端电压为正时仍有触发脉冲加在其上，而逆变器一旦在换相时被触发阀电压变为负就会导致换相失败。所以，逆变器容易发生换相失败，逆变器换相失败故障会导致逆变侧电压翻转，直流电流急剧增大从而使换流阀发生过流，对设备及逆变侧交流系统造成冲击，影响系统安全稳定运行。

上述对于逆变器关断角γ、超前触发角β以及换相角μ2的讨论，都是基于超前触发角β＜60°情况。当β＞60°时，该次触发的换相齿将对上次触发阀的正向电压波形产生影响，使上次触发的实际关断角比β＜60°时的计算值减小，如果换相角较大，则有可能导致换相失败。

逆变器的外特性线如图15-6所示[1]，也是一族等斜率直线。等β外特性曲线在纵坐标轴上的截距等于理想可控直流空载电压Ud0cosβ，斜率为dr2，当超前触发角β增大时，外特性曲线向下平移；等γ外特性曲线在纵坐标轴上的截距等于理想可控直流空载电压Ud0cosγ，斜率为-dr2，当关断角γ增大时，外特性曲线向下平移。

图15-6　逆变器输出外特性

对于定超前触发角β的情况，其外特性函数为

对于定关断角γ的情况，其外特性函数为