无功功率补偿技术在12.3变流器中的应用

可以根据式（12.17）和变流器以及逆变器状态下的实际角度值，进行变流器所吸收的无功功率近似评估，这些角度实际值如下：

整流器——α=5°～10°，γ=20°～25°

逆变器——δ=15°～18°；γ=20°～25°

将这些值代入式（12.17）中，得到整流器和逆变器所需要的无功功率值

Q₁в=（0.3～0.4）Р

Q₁и=（0.45～0.6）Р

换句话说，变流器所需要的无功功率较大，且与有功分量差不多。整流器和逆变器基波电流和电压的相量图如图12.16所示。在图12.17上列出了不同角度α和δ下，变流器所需要的无功功率与有功功率的关系。

图12.16 整流器和逆变器基波电流和电压的相量图

图12.17 变流器无功功率与有功功率的关系

当变流器功率较大时，可能导致送端和受端系统的无功匮乏。为了避免这个问题，在变流变电站上必须采取无功补偿措施。这些变电站上的无源高次谐波过滤器也是无功电源之一，可以补偿高达40%的变电站总无功需求，剩下部分利用所安装的外部无功电源进行补偿。这自然反映到了直流输电线路的经济性指标中，增加了其成本。

可以建立一系列形式的变流器，其具有改善的电气性能，并且尽力降低其无功需求。

下面简要分析其工作特性。

在通常的变流器桥中，阀是顺序导通的，总是发生在相应相电动势交点的右侧区域，例如阀1和2——е₁和е₂（见图10.17）。在此区域内，当前阀的当前相电压大于提前（结束）工作的相电压：

е_оч-е_пред＞0

这自然需要满足换向条件（投入工作的阀电压和换向电流的方向）以及阀的工作顺序。这些回路（包括通常的变流器回路）被称为自然换向回路。其中，相电流总是滞后于其电压，决定了这些回路是吸收无功功率的。

为了变流器能够作为无功电源使用，必须将当前阀在相电动势交点的左侧区域投入工作。但是，此时当前相的电压小于前一相的电压，换向条件不满足：

е_оч-е_пред＜0(www.xing528.com)

为了当前阀能够在此区域内投入工作。必须满足两个条件：

1）强制关闭前一个工作阀（例如阀1）；

2）将辅助的整流电动势е_к引入变流器回路，将当前阀的电压提高到能够满足其投入工作以及成功换向的值。这个数值可以通过如下条件得到

е_оч-е_пред+е_к＞0

变流器回路中包含两个电感——电抗器电感L_d和变压器以及交流网络的相电感。强制中断电流将产生自感电动势，一方面建立辅助的整流电动势е_к，另一方面导致强迫关闭阀上的过电压。因此，在常规的桥电路中不允许只是限制阀的关闭，必须使有可能进行强迫关闭阀所在相的电感放电，即中断阀中的电流（而不是相电流）。早先所论述的电压变流器回路具有这种可能性（第10章，见图10.4）。

电压变流器主要的特性需要单独进行分析，并且篇幅较长，在此只是给出其主要的概念。

电压变流器的作用原理以上述为基础，其恒定电压是通过电容器保证的。借助于相应的阀控制策略，在变压器阀绕组上形成了非正弦的交流电压。每相电压由两个不同极性、长度分别为180°、幅值等于U_d/2的矩形波分段构成，此电压是极与变压器阀绕组零点之间的电压。此电压的极性由工作在当前时刻的阳极和阴极组阀决定。相间电压是由相应相电压的瞬时值差决定的，每个分段长度为120°、幅值为U_d。

此电压的主要谐波相量，随着网络电压相量的变化而改变其幅值和相角。如果变流器电压相量滞后于网络电压相量，那么变流器需要从网络中吸收电能，即实现整流器状态；如果变流器电压相量超前于网络电压相量，则变流器产生电能输出到网络，即实现逆变器状态。如果变流器的电压值高于网络电压，变流器产生无功功率输入电网；如果变流器的电压值低于网络电压，则变流器需要从网络中吸收无功功率。

换句话说，电压变流器在任何一个阶段，都与异步电动机相类似。

这样的变流器可以在P-Q平面的所有4个象限工作，按照有功功率即可以工作在整流器状态或者逆变器状态，同时产生或者吸收无功功率，从而稳定其所连接的交流网络节点电压。这种类型变流器的一种P-Q曲线图如图12.18所示。

图12.18 电压变流器的P-Q曲线图

此时任何一个晶闸管的强迫关闭都不会使变压器相电流中断。例如，A相阀1关闭使得二极管4′打开，承受此相电流并且持续流通，直到此电流减小到0为止，此时二极管4′关闭。因此，回路中的过电压被消除，并且相电流的半个周期是180°。同时，电流是非正弦的，因为其是由网络正弦电压和变流器非正弦电压的瞬时值差所决定的。

为了使网络电流和电压接近于正弦的波形，可以使用脉冲宽度调制方法。因此，不同长度和极性的高频脉冲系列使得变流器输出电压的波形被整定。这些脉冲的长度是变化的，其平均值与一个周期内给定曲线波形（正弦三角形等）相对应。

带有脉冲宽度调制的变流器电压和相电流的时间曲线如图12.19所示。从中可以看出，它们同样是非正弦的，因此必须使用高次谐波过滤器。但是，与常规的变流器相比，在此高次谐波电流转移到更高频率谐波区域，因此该滤波器是更加轻巧的。具有相对较小电感的电抗器促使相电流曲线上的脉动更加平滑，此电抗器在每相上连接于变压器阀绕组和变流器之间（在图10.4上没有显示）。电抗器是一定要装设的，它能够保护两极间的电容器，防止当阀换向时经过网络负载放电。

图12.19 变流器相电压 a）和电流 b）的时间曲线