【正文】 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 10 頁(yè) 換換 流流 站站 是是 高高 壓壓 直直 流流 輸輸 電電 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 核核 心心 ， 換換 流流 站站 主主 要要 包包 括括 ：： 換換 流流 橋橋 、 換換 流流 變變 壓壓 器器 、 平平波波 電電 抗抗 器器 、 無(wú)無(wú) 功功 補(bǔ)補(bǔ) 償償 裝裝 置置 、 濾濾 波波 器器 等等 ；； 換換 流流 橋橋 主主 要要 用用 于于 實(shí)實(shí) 現(xiàn)現(xiàn) 交交 流流 與與 直直 流流 的的 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 ， 換換 流流變變 壓壓 器器 主主 要要 用用 于于 實(shí)實(shí) 現(xiàn)現(xiàn) 交交 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 與與 直直 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 之之 間間 的的 電電 壓壓 變變 換換 、 實(shí)實(shí) 現(xiàn)現(xiàn) 電電 絕絕 緣緣 與與 隔隔 離離 等等 功功 能能同同 時(shí)時(shí) 對(duì)對(duì) 交交 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 入入 侵侵 直直 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 過(guò)過(guò) 電電 壓壓 起起 到到 一一 定定 的的 抑抑 制制 作作 用用 ， 平平 波波 電電 抗抗 器器 主主 要要 用用 于于 抑抑制制 直直 流流 過(guò)過(guò) 電電 流流 的的 上上 升升 速速 度度 ， 實(shí)實(shí) 現(xiàn)現(xiàn) 濾濾 波波 、 緩緩 沖沖 過(guò)過(guò) 電電 壓壓 等等 功功 能能 ， 無(wú)無(wú) 功功 補(bǔ)補(bǔ) 償償 裝裝 置置 主主 要要 用用 于于 提提高高 無(wú)無(wú) 功功 功功 率率 、 起起 到到 電電 壓壓 調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 及及 提提 高高 電電 壓壓 穩(wěn)穩(wěn) 定定 性性 的的 作作 用用 。 換流變壓器的作用是聯(lián)系交流系統(tǒng)與質(zhì)量系統(tǒng)的紐帶，它利用兩側(cè)繞組的磁耦合來(lái)傳輸功率，實(shí)現(xiàn)了交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的隔離與電絕緣，避免了交流系統(tǒng)中性點(diǎn)接地故障和直流系統(tǒng)的接地故障造成的元件損壞。 平波電抗器可以在直流線路發(fā)生短路時(shí)有效抑制短路電流的上升速度，防止繼發(fā)性換相失敗的發(fā)生；平波電抗器在系統(tǒng)小電流時(shí)起 到保持電流連續(xù)的作用，在正常運(yùn)行時(shí)可有效減少直流電流諧波；平波電抗器的選取原則為：減少直流側(cè)交流脈動(dòng)分量、小電流時(shí)保持電流的連續(xù)性、直流短路時(shí)抑制電流的上升速度。 （ 2） HVDC 輸電系統(tǒng)不受穩(wěn)定極限的限制，如果以直流線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，由于直流線路沒(méi)有電抗，從而沒(méi)有穩(wěn)定極限問(wèn)題，使得直流輸電不受輸電距離的限制；高壓直流輸電系統(tǒng)本身具有調(diào)制功能，換流站采用的是快速可控的功率器件 晶閘管，可方便、快捷、靈活、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)有功潮流的增減和雙向傳送，向交流系統(tǒng)提供功率，頻率及電壓支持。此外，直流輸電系統(tǒng)與系統(tǒng)頻率、系統(tǒng)相位等無(wú)關(guān)，因此可以采用直流輸電線路連接兩個(gè)頻率不同的交流輸電系統(tǒng)，也可以用來(lái)提高與直流輸電線路并聯(lián)運(yùn)行的交流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高壓直流輸電系統(tǒng)的定電流控制。 （ 4） HVDC 輸電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送功率大小和方向的快速控制和調(diào)節(jié)，通過(guò)直流聯(lián)網(wǎng)的輸送功率可以按規(guī)定和需求進(jìn)行控制， HVDC 輸電系統(tǒng)通過(guò)控制晶閘管換流器可快速實(shí)現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)；通過(guò)高壓直流輸電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的兩個(gè)交流系統(tǒng)彼此隔離，因此一側(cè)交流系統(tǒng)故障對(duì)另一次交流系統(tǒng)的影響很小，從而可減少聯(lián)合大電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故的頻率，從而提大電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。 （ 6）線路故障時(shí)的自防護(hù)能力強(qiáng)，對(duì)于 占線路故障 80%~90%的單相（或單極）接地而言，直流輸電比之交流輸電具有響應(yīng)快、恢復(fù)時(shí)間短、不受穩(wěn)定制約、可通過(guò)多次自動(dòng)再啟動(dòng)和降壓運(yùn)行來(lái)消除故障并恢復(fù)正常運(yùn)行等多方面的優(yōu)點(diǎn)。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 12 頁(yè) （ 2）換流設(shè)備需要消耗大量無(wú)功功率，高壓直流輸電系統(tǒng)中整流器和逆變器需要消耗大量 的無(wú)功功率，整流器和逆變器消耗的無(wú)功功率分別約為有功功率的 30%~50%和 40%~60%。 （ 4）換流設(shè)備過(guò)載能力小，高壓直流輸電系統(tǒng)中換流起的設(shè)計(jì)運(yùn)行持續(xù)過(guò)負(fù)載能力和短時(shí)過(guò)負(fù)載能力都較小，高壓直流輸電系統(tǒng)如果需要具備更大的過(guò)負(fù)載能力就必須在設(shè)備選型時(shí)預(yù)先考慮，從而會(huì)增大投資； （ 5）目前，高壓直流斷路器發(fā)展技術(shù)不夠成熟，限制了多端直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展；由于高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流不像交流電流那樣有過(guò)零點(diǎn)，因此高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流中直流電流比較難以熄弧，通常是采用閉鎖換流器的觸發(fā)控制脈沖，從而使電流降為零，起到開(kāi)關(guān)的功能，在多端輸電系統(tǒng)中不如交流輸電方便。 （ 7）以大地或者海水作為回路時(shí)會(huì)對(duì)沿途的金屬構(gòu)件、金屬管道等產(chǎn)生腐蝕。高壓直流輸電系統(tǒng)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)、海底電纜輸電系統(tǒng)、不同頻率的兩個(gè)交流系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)等場(chǎng)合。常用于海底電纜輸電，非同步運(yùn)行的交流系統(tǒng)之間的連絡(luò)等方面。 具體如圖 21所示，工作原理：有交流電力系統(tǒng) I 送出交流功率給整流站的交流木锨，經(jīng)換流變壓器 1，送到整流器，把交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率，然后由直流線路把直流功率輸送給逆變站內(nèi)的逆變器，逆變器姜直流功率變換成交流功率，再經(jīng)換流變壓器 2送入受端的交流電力系統(tǒng)Ⅱ。 正常運(yùn)行時(shí)，電流經(jīng)大地或海水構(gòu)成回路。 通常采用正極接地的方式較多。 單極兩線單點(diǎn)接地是將導(dǎo)線任一根在一側(cè)換流站進(jìn)行單點(diǎn)接地。 缺點(diǎn)：當(dāng)負(fù)荷電流在流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，要產(chǎn)生不小的電壓降。 這種方式大多用于無(wú)法采用大地或海水作為回路，以及雙極方式的過(guò)度方案 。正常運(yùn)行時(shí)， 接地點(diǎn)之間沒(méi)有電流通過(guò)。當(dāng)某一方的換流器和線路有故障時(shí)，可以利用健全極和大地作為回路維持單極運(yùn) 行方式。 B、 雙極兩線中性點(diǎn)單端接地方式； 這種運(yùn)行方式在整流側(cè)或逆變側(cè)中性點(diǎn)單端接地。 C、 雙極中性點(diǎn)線方式； 將兩端中 性點(diǎn)用導(dǎo)線連接起來(lái)，在任一側(cè)接地。 D、 “ 背靠背 ” （ back to back）換流方式 。 由于沒(méi)有直流輸電線路，直流系統(tǒng)可用較低的額定電壓， 這樣整個(gè)直流系統(tǒng)的絕緣費(fèi)用可降低，有色金屬的消耗量和電能損耗的增加就減少。 HVDC 換相過(guò)程 本節(jié)以 6 脈動(dòng)換流器為例來(lái)說(shuō)明整流器和逆變器的換相過(guò)程， 6 脈動(dòng)換流器接線如圖 31 所示。 整流器不可控時(shí)的換相過(guò)程 假設(shè)換相電抗 0?rL ，換流閥均不可控，換流閥通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流均忽略不計(jì) , ae ， be ， ce 為工頻正弦電壓。到 c 2 時(shí)刻， c 相電壓最低，此時(shí)閥 V2 導(dǎo)通而 V6 截止，輸出電壓為 caac ee ??e 。如此往復(fù)，換流器時(shí)刻都只有兩個(gè)閥導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為工頻周期的 1/3，阻斷 2/3 工頻周期。 lUU ? (31) 式 (31)中， lU 為閥側(cè)繞組空載線電壓有效值。計(jì)及觸發(fā)角后 ,整流器的空載直流電壓將變?yōu)槭剑?32 ）。0d dUU ? （ 32 ） 當(dāng) ? = ?0 時(shí)，時(shí)，而當(dāng)時(shí)，時(shí)， ????????????? 1 8 0。0 U900。 039。00d ??? ddd UUU 換流閥不具備導(dǎo)通條件。這一角度 ? 稱為換相角，是換流器運(yùn)行中的一個(gè)重要參數(shù)。 dd IRUU ?? ?? co s0d (33) 式 (33)中，??? ?? XLwR 33 ??。 ? = ?? ? ??????? ?ldUIX22c osa rc os （ 34） 逆變器狀 態(tài)運(yùn)行 如果不計(jì)換相角 ? ,co s00d39。計(jì)及換相角 ? 后，輸出的直流電壓如式 (35)所示。 當(dāng)存在一個(gè)觸發(fā)角 u? 使得 ?? coscos ? =0。 由于閥的單向?qū)щ娦?,換流器中的電流不可能反向。逆變器的直 流電壓和它的電流方向相反，叫做反壓或背壓，就像直流電機(jī)那樣。還規(guī)定從閥關(guān)斷到閥上 電壓由負(fù)變正的過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間用 ? 表示，它稱為逆變器的關(guān)斷角。圖 34 中，i1和 i3分別為閥 1和閥 3中的電流， )co s(co s2 tI s ?? ? 是換相電流曲線， abba UUU ?? 。因?yàn)?bU 高于 aU ，所以通過(guò)閥 1 的電流減少，通 過(guò)閥 3 的電流增加。當(dāng) baU 過(guò)零點(diǎn)之后，閥 1 的電流將會(huì)增加，此時(shí)閥 3 向閥 1 倒換相，閥 3 電流將會(huì)減小，最終為零，因而閥 3 關(guān)斷。 然而閥 4 開(kāi)始導(dǎo)通，因?yàn)殚y 1 依然導(dǎo)通，故形成 a 相的上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，致使逆變器的直流側(cè)發(fā)生短路。只有當(dāng)閥 4 向閥 6 換相后，直流電路才消失，逆變器直流電壓開(kāi)始恢復(fù)正常。在閥 1 和閥 4 同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間里 (即 ?120 )，逆變器直流電壓持續(xù)為零，所以直流系統(tǒng)無(wú)功率送出。直流輸電系統(tǒng)中大部分換相失敗都發(fā)生在逆變器，換相失敗是逆變器最常見(jiàn)的故障。到 A 時(shí)刻，倒 換相結(jié)束，閥 3 關(guān)斷。如果沒(méi)有故障控制，仍按原來(lái)次序觸發(fā)的話，則在 P4 時(shí)刻閥 2 和閥 4 開(kāi)始換相，這時(shí)由于閥 1 和閥 4 同時(shí)導(dǎo)通，造成了直流側(cè)短路。當(dāng)閥 4 換相到閥 6 以后，直流短路消失，逆變器直流電壓開(kāi)始逐漸恢復(fù)正常。故障過(guò)程中逆變器反電壓下降歷時(shí)大約 ?240 ，上 述過(guò)程為一次換相失敗。實(shí)際上，由于直流電抗器的電感為有限值，線路上存在電容，整流器定電流調(diào)節(jié)裝置有延時(shí)等原因，直流電流有個(gè)增大的過(guò)程。下面將對(duì)連續(xù)換相失敗的過(guò)程進(jìn)行分析。在前半個(gè)周期中，變壓器線 電壓。在 BC4 時(shí)間間隔內(nèi)，逆變器的直流電壓反向約 ?180 ，在這過(guò)程中，即使分別對(duì)閥 5，閥 6 發(fā)出觸發(fā)脈沖，但由于這兩個(gè)閥都處在反向電壓作用下，所以都不能開(kāi)通，而閥 1 和閥 2 則靠直流電抗器的作用一直開(kāi)通著。如果在下一個(gè)周期中閥 3 和閥 4 不再發(fā)生換相失敗，則將自行恢復(fù)正常運(yùn)行。在兩次連續(xù)換相失敗中， 除了有較大的故障電流外，由于閥 1 和閥 2 連續(xù)導(dǎo)通長(zhǎng)達(dá)基波的一個(gè)周期左右，直流電流流經(jīng)換流變壓器，將造成換流變壓器的直流偏磁。 在閥 3 換相失敗以后，雖然閥 4 與閥 2 換相成功，但是由于故障期中，直流電流增大有一個(gè)過(guò)程，閥 6 與閥 4 的換相有可能會(huì)失敗。 換相失敗定義及原因 換相失敗的定義 高壓直流輸電系統(tǒng)包括換流器、直流輸電線路和換流站的交流部分，其中任何一部分發(fā)生故障 ，都會(huì)影響整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行，換相失敗是逆變器最常見(jiàn)的故障，在每一個(gè)單橋中，當(dāng)處于同一半橋中的兩個(gè)橋臂之間的換相結(jié)束后，剛退出運(yùn)行的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，如果未能恢復(fù)正向阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過(guò)程一直未能進(jìn)行完畢，在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)，該閥將會(huì)不觸發(fā)而再次導(dǎo)通，與剛觸發(fā)導(dǎo)通的閥發(fā)生反換相，這個(gè)過(guò)程就是換相失敗。 換相失敗是發(fā)生在 HVDC 逆變側(cè)最常見(jiàn)的一種故障，在換流器中兩個(gè)換流閥換相結(jié)束后，剛退出運(yùn)行的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，未能恢復(fù)阻斷能力，在閥電壓變?yōu)檎龝r(shí)，該閥在沒(méi)有觸發(fā)脈沖的情況下，也會(huì)重新導(dǎo)通，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。 其中換相角 ? 決定于多個(gè)因素，可表示為： ?????? ?? ????c os2a rc os U XI cd （ 39） 式 (29)中， dI 為直流電流； cX 為換相電抗； ?U 為逆變站閥側(cè)的交流線電壓的有效 值； ? 為觸發(fā)超前角。 當(dāng)用交流母線線電壓的有效值 LU 來(lái)表示式 (210)時(shí)，設(shè)換流變壓器的變比為 k ，則式 (310)變?yōu)椋? ?????? ?? ?? c os2a rc osLcdU XkI （ 311） 當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障，此時(shí)換相電壓不再對(duì)稱，設(shè)換相線電壓過(guò)零點(diǎn)前移角度為 ? 時(shí)，關(guān)斷角的計(jì)算公式變?yōu)椋? ????c os2a rc os ?????? ?? U XI cd （ 312） 式 (312)中其它參數(shù)意義與式 (39)中的相同。 (1)關(guān)斷角 ? 過(guò)??； (2)受端交流電壓下降較多； (3)直流電流增 大； (4)觸發(fā)超前角 ? 過(guò)?。? (5)交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障引起的線電壓過(guò)零點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)； (6) 交流系統(tǒng)的頻譜特性。使直流諧波加劇，同時(shí)使直流 短路電流上升更多。換流母線電壓的下降、超前觸發(fā)角的減小以及直流電流和換相電抗的增大都會(huì)使關(guān)斷角減小，容易導(dǎo)致?lián)Q相失?。煌ㄟ^(guò)調(diào)整換流變壓器分接頭可以避免靜態(tài)時(shí)關(guān)斷角過(guò)小，使逆變器的關(guān)斷角保持在一定的范圍內(nèi)，從而減少換相失敗的發(fā)生機(jī)會(huì)；當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)， 交流線電壓的過(guò)零點(diǎn)將會(huì)移動(dòng)，當(dāng)過(guò)零點(diǎn)前移時(shí)，關(guān)斷角會(huì)變小，容易發(fā)生換相失敗；等間隔觸發(fā)脈沖控制方式不直接依賴于同步電壓，能獨(dú)立地產(chǎn)生等相位間隔觸發(fā)信號(hào)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與分相觸發(fā)脈沖控制方式相比，它能減少換相失敗的發(fā)生；交流系統(tǒng)的頻譜影響故障后換相電壓的波形，從而影響逆變器的