高压直流输电-概况

第1章 导 论

1.1高压直流输电概况

1.1.1 交流输电还是直流输电？

关于电能的输送方式，是采用直流输电还是交流输电，在历史上曾引起过很大的争论。美国发明家爱迪生、英国物理学家开尔文都极力主张采用直流输电，而美国发明家威斯汀豪斯和英国物理学家费朗蒂则主张采用交流输电。

在早期，工程师们主要致力于研究直流电，发电站的供电范围也很有限，而且主要用于照明，还未用作工业动力。例如，1882年爱迪生电气照明公司（创建于1878年）在伦敦建立了第一座发电站，安装了三台110伏“巨汉”号直流发电机，这是爱迪生于1880年研制的，这种发电机可以为1500个16瓦的白炽灯供电。这一阶段发电、输电和用电均为直流电。如1882年在德国建成的57km 向慕尼黑国际展览会送电的直流输电线路（2kV ，1.5kW ）；1889年在法国用直流发电机串联而得到高电压，从毛梯埃斯（Moutiers ）到里昂（Lyon ）的230km 直流输电线路（125kV ，20MW ）等，均为此种类型。

但是随着科学技术和工业生产发展的需要，电力技术在通信、运输、动力等方面逐渐得到广泛应用，社会对电力的需求也急剧增大。由于用户的电压不能太高，因此要输送一定的功率，就要加大电流（P ＝IU ）。而电流愈大，输电线路发热就愈厉害，损失的功率就愈多；而且电流大，损失在输电导线上的电压也大，使用户得到的电压降低，离发电站愈远的用户，得到的电压也就愈低。直流输电的弊端，限制了电力的应用，促使人们探讨用交流输电的问题。爱迪生虽然是一个伟大的发明家，但是他没有受过正规教育，缺乏理论知识，难以解决交流电涉及到的数学运算，阻碍了他对交流电的理解，所以在交、直流输电的争论中，成了保守势力的代表。爱迪生认为交流电危险，不如直流电安全。他还打比方说，沿街道敷设交流电缆，简直等于埋下地雷。并且邀请人们和新闻记者，观看用高压交流电击死野狗、野猫的实验。那时纽约州法院通过了一项法令，用电刑来执行死刑。行刑用的电椅就是通以高压交流电，这正好帮了爱迪生的大忙。在他的反对下，交流电遇到了很大的阻碍。

但是为了减少输电线路中电能的损失，只能提高电压。在发电站将电压升高，到用户地区再把电压降下来，这样就能在低损耗的情况下，达到远距离送电的目的。而要改变电压，只有采用交流输电才行。1888年，由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。他用钢皮铜心电缆将1万伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站，在这里降为2500伏，再分送到各街区的二级变压器，降为100伏供用户照明。以后，俄国的多利沃──多布罗沃斯基又于1889年最先制出了功率为100瓦的三相交流发电机，并被德国、美国推广应用。事实成功地证实了高压交流输电的优越性。并在全世界范围内迅速推广。随着三相交流发电机，感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代。同时变压器又可方便地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速的发展，并很快占据了统治地位。

随着科学的发展，为了解决交流输电存在的问题，寻求更合理的输电方式。由于直流输电具有远距离海底电缆或地下电缆输电，不同频率电网之间的联网或送电等优点，人们现在又开始采用直流超高压输电。但这并不是简单地恢复到爱迪生时代的那种直流输电。发电站发出的电和用户用的电仍然是交流电，只是在远距离输电中，采用换流设备，把交流高压变成直流高压。这样做可以把交流输电用的3条电线减为2条，大大地节约了输电导线。如莫桑比克的卡布拉巴萨水电站至阿扎尼亚的线路架空直流输电线路，长1414公里，输电电压

为50万伏，可输电220万千瓦。1954年HVDC 输电首次商业性成功地应用于瑞典大陆与哥特兰岛之间的输电线路，这套系统采用汞弧阀，通过90km 的水下电缆供给20MW 的功率。从此高压直流输电得到了稳步发展。

随着晶闸管阀的出现，高压直流输电更加具有吸引力。第一个采用晶闸管阀HVDC 系统是于1972年建立的依尔河系统，它是连接加拿大新不伦威克省和魁北克省的一个320MW 背靠背直流输电系统。晶闸管阀已成为直流换流站的标准设备。换流设备的新发展，使其体积减小、成本降低，而可靠性得到了提高。这些发展使高压直流输电得以更广泛地应用，电力电子技术和计算机技术的迅速发展使直流输电技术日趋完善，多端直流输电技术也已取得运行经验。

1.1.2 我国直流输电现状

（1）早在50年代初，中国就已关注直流输电，当时政府派人去学习苏联的高压汞弧阀设计制造。1978年上海投运一条31kV 、150A 、送电电缆长9km 的直流输电试验线，累计运行2 300h。

（2）舟山直流输电工程于20世纪70年代后期开始进行调查研究与可行性分析。1980年底由中国国家计委和国家科委正式批准建设。1981年国家科委与浙江省电力工业局、西安电力机械制造公司（简称西电公司）签订了科研总合同。1982年签订了新产品研制协议与供货合同，由西安电力机械制造公司、北京重型机械厂、红旗电缆厂和上海继电器厂承制。1984年开始土建，1986年底完成设备安装，1987年进行调试，于同年12月投入试运行，1989年9月1日通过了国家鉴定，并正式投入运行。该工程的输电距离为54.1km ，其中架空线分三段，总长42.1km ；海底电缆分二段，总长12km 。第一期工程的规模为：单极直流-100kV ，500A ，50MW ，采用6脉动换流器。留有扩建二期工程的位置。最终规模为：双极直流±100kV ，500A ，100MW 。

建设该工程的目的：除了实行大陆向舟山地区供电以外，同时通过工程建设还可促进中国高压直流输电技术的发展。

（3）为了把葛洲坝水电站丰水期多余电力送至上海，1984年10月国家批准建设葛洲坝至上海直流输电工程，于1989年投入运行。规模为：±500kV 、1.2kA 、双极额定输送容量1 200MW，线路全长1 045.7km。设备及技术主要从瑞士BBC 公司引进，由中国安装调试。

（4）随着天生桥一、二级水电站的建设，天生桥送广东500kV 交流输电线已有二条。增加一条直流线路，可以利用附加控制功能进行直流调制，以抑制两个电力系统间的功率振荡，同时可以增加原有交流联网线路的输送容量。天广500kV 直流输电工程西起贵州安龙马窝，东至广州北郊，该线1998年4月16日开工，由西门子公司总承包，总投资39.8亿元。规模:±500kV 、1.8kA 、双极额定容量1 800MW，线路全长980km 。该线已于2000年12月底单极投产，2001年6月26日双极投产。工程有所创新，采用了有源直流滤波器、直流光纤电流互感器、合成材料穿墙套管等，同时，在工程质量、造价控制、建设速度以及调试方面都是国内最好水平。

（5）三峡至常州±500kV 直流输电工程西起宜昌龙泉，东至常州政平，全长890km ，额定输电容量3 000MW， 2002年单极投运，2003年双极投运。直流线路采用ASCR-720/50四分裂导线，是我国采用截面最大的导线。随线架设OPGW 复合地线光缆一条，不但提供快速、可靠的远动信号，完善了调度通信功能，还可望在东西部之间架起信息高速公路。

（6）随着三峡电站将于2003年开始投运，国家电力公司部署了“西电东送、南北互联、全国联网”的方针。全国互联电网的基本格局是：以三峡输电系统为主体，向东西南北方向辐射，形成以北、中、南送电通道为主体，南北电网间多点互联，纵向通道联系较为紧密的全国互联电网格局。北、中、南三大片电网之间原则上采用直流背靠背或常规直流隔开，以

控制交流同步电网的规模。另一方面，随着西部开发号角的吹响，龙滩、公伯峡、洪家渡、索风营、乌江渡扩机、百色水利枢纽、紫坪铺水利枢纽等水电工程的开工，以及后继工程小湾、三板溪、溪洛渡、景洪、瀑布沟、拉西瓦、彭水等正在编制可行性研究，预计今后十几年内直流输电项目不少。

“十五”期间安排了7项直流输电工程。除三峡至常州外，荆州至惠州博罗响水镇±500kV 、3000MW 、940km 工程已由ABB 公司中标，将于2005年投运；安顺至肇庆±500kV 、3 000MW、980km 工程已由西门子公司中标，也将于2005年投运；稍后开工的还有三峡至上海练塘±500kV 、3 000MW工程；作为大区互联的直流背靠背工程，将有陕西至河南灵宝、邯郸至新乡、东北至华北项目，其中灵宝直流换流站，额定容量为360MW ，已被列为直流输电国产化的依托工程，后两项目的规模及落点也将在近期内明确。

1.1.3 已采用的直流输电类型

以下是已采用的高压直流输电的类型：

(1)超过30km 左右的水下电缆。由于电缆的大电容需要中间补偿站，对这么长的距离来说，交流输电是不切实际的。瑞典FENNO －芬兰SKAN ，横跨海峡，采用220km 长的电缆。

(2)两个交流系统之间的异步联接。由于直流系统稳定性问题或两系统的额定频率不同，在这钟情况下也不适宜采用交流联接。另外，两大系统逐渐发展需要互联，它们虽有相同的频率，有时却不同期，采用直流互联也是常用手段。这两种情况在美国最多见，其它(印度、日本、欧洲等) 地方也采用。

(3)大容量远距离架空线输电。超过700km 距离时，用高压直流输电替代交流输电，极具竞争力．美国BPA 系统、加拿大纳尔逊河输电系统、我国的葛上直流工程和天广直流工程均属此类型。

高压直流输电系统具有快速控制传输功率的能力。因此，对于与交流电力系统有关的稳定性问题，HVDC 系统有明显的影响。理解HVDC 系统的特性，对于电力系统的运行和稳定控制都是极其重要的。尤为关键的是，HVDC 控制的正确设计是使整个交、直流系统具有满意运行性能的重要保证。

1.2 高压直流输电运行特性及其与交流输电的比较

电力系统规划人员在对直流输电和交流输电两种方式进行比较时，应当考虑以下因素：

(1)技术性能；

(2)可靠性；

(3)经济性．

随着负荷增长而不断扩展是电力系统的主要特点之一。这就要求在建立一条特定的输电线路时，应当将其作为整个系统长期规划的一部分来考虑。

1.2.1 技术性能

高压直流输电系统具有下列运行特性：

（1）功率传输特性。众所周知，随着输送容量不断增长，稳定问题越来越成为交流输电的制约因素。为了满足稳定问题，常需采用串补、静补、调相机、开关站等措施，有时甚至不得不提高输电电压。但是，这将增加很多电气设备，代价是昂贵的。

直流输电没有相位和功角，当然也就不存在稳定问题，只要电压降、网损等技术指标符合要求，就可达到传输的目的，无需考虑稳定问题，这是直流输电的重要特点，也是它的一大优势。

（2）线路故障时的自防护能力。交流线路单相接地后，其消除过程一般约0.4～0.8s ，加上重合闸时间，约0.6～1s 恢复。

直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，电压降到0，迫使直流电流降到0，故障电弧熄灭不存在电流无法过0的困难，直流线路单极故障的恢复时间一般在0.2~0.35s内。

从自身恢复的能力看，交流线路采用单相重合闸，需要满足单相瞬时稳定，才能恢复供电，直流则不存在此限制条件。

若线路上发生的故障在重合（直流为再启动）中重燃，交流线路就三相跳闸了。直流线路则可用延长留待去游离时间及降压方式来进行第2、第3次再启动，创造线路消除故障、恢复正常运行的条件。对于单片绝缘子损坏，交流必然三相切除，直流则可降压运行，且大都能取得成功。

因此，对于占线路故障80％～90％的单相（或单极）瞬时接地而言，直流比之交流具有响应块、恢复时间短、不受稳定制约、可多次再启动和降压运行来创造消除故障恢复正常运行条件等多方面优点。

（3）过负荷能力。通常，交流输电线路具有较高的持续运行能力，受发热条件限制的允许最大连续电流比正常输送功率大得多，其最大输送容量往往受稳定极限控制。

直流线路也有一定的过负荷能力，受制约的往往是换流站。通常分2h 过负荷能力、10s 过负荷能力和固有过负荷能力等。前两者葛上直流工程分别为10％和25％，后者视环境温度而异。

总的来说，就过负荷能力而言，交流有更大的灵活性，直流如果需要具有更大的过负荷能力，则必须在设备选型时要预先考虑，此时需要增加投资。

(4)利用直流输电调节作用能提高交流系统的稳定性。如前所述，直流输电具有快速响应的特点，当交流系统发生故障时，利用直流输电的调节作用，能有效地提高交流系统的稳定性。著名的美国BPA 500kv交直流并列运行线路，2回长152lkm 交流线路共送2860Mw ，平均l 回送电1430MW ，直流的调节作用是重要措施之一。

(5)潮流和功率控制。交流输电取决于网络参数、发电机与负荷的运行方式，值班人员需要进行调度，但又难于控制，直流输电则可全部自动控制。

(6)短路容量。两个系统以交流互联时，将增加两侧系统的短路容量，有时会造成部分原有断路器不能满足遮断容量要求而需要更换设备。直流互联时，不论在哪里发生故障，在直流线路上增加的电流都是不大的，因此不增加交流系统的断路容量。

(7)调度管理。由于通过直流线路互联的两端交流系统可以有各自的频率，输送功率也可保持恒定(恒功率、恒电流等) 。对送端而言，整流站相当于交流系统的一个负荷；对受端而言，逆变站则相当于交流系统的一个电源。互相之间的干扰和影响小，运行管理简单方便，深受电力管理、运行部门的欢迎．对我国当前发展的跨大区互联、合同售电、合资办电等形成的联合电力系统，尤为适宜。

(8)线路走廊。按同电压500kV 考虑，1条500kV 直流输电线路的走廊约40m ，1条500kV 交流线路走廊约为50m ，但是1条同电压的直流线路输送容量约为交流线路的2倍，直流输电的线路走廊，其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点。

然而下列因素限制了直流输电的应用范围：

(1)直流断路器的费用高；

(2)不能用变压器来改变电压等级；

(3)换流设备的费用高；

(4)由于产生谐波，需要交流和直流滤波器，从而增加了换流站的费用；

(5)控制复杂。

近年来，直流技术已有了明显的进步，除了上述的第（2）条之外，其余缺点都可予以克服．这些技术如下：

(1)直流断路器的进展；

(2)晶闸管的模块化结构和额定值增加；

(3)换流器采用12或24脉波运行；

(4)采用氧化金属变阻器；

(5)换流器控制采用数字和光纤技术。

上述技术已经改善了直流系统的可展性和降低了换流站的费用。控制的复杂性已不成为一个问题，实际上已用来对正常和非正常运行提供可靠和快速的控制。此外，还可以采用控制来将两端直流联络线中的直流电流降到零，而不需要直流断路器。甚至在多端直流系统中，还将直流断路器作为有效的控制手段。

1.2.2可靠性

整个系统的可靠性可以从强迫停运率和电能不可用率两个方面进行衡量。

(1)强迫停运率。根据我国500kV 交流输电工程统计资料和国外ABB 、北美和CIGBE 等对交、直流工程的统计资料，交、直流工程的综合强迫停运率如表1.1所示。

表1.1 交、直流工程的综合强迫停运率

总的来说，从可靠性和可用率两个指标来看，交、直流两种输电方式是相当的，都是可行的．

1.2.3 经济性

交、直流两种输电方式，就其造价而言，各具如下特色：

(1)输送容量确定后，直流换流站的规模随之确定，其投资也即固定下来，距离的增加，只与线路造价有关。交流输电则不同，随着输电距离的增加，由于稳定、过电压等要求，需要设置中间开关站。因此，对于交流输电方式，输电距离不单影响线路投资，同时也影响变电部分投资；

(2)就变电和线路两部分看，直流输电换流站投资占比重很大，而交流输电的输电线路投资占主要成分；

(3)直流输电功率损失比交流输电小得多；

(4)当输送功率增大时，直流输电可以采取提高电压、加大导线截面的办法，交流输电则往往只好增加回路数。

综上所述，直流换流站的造价远高于交流输电的，而直流输电线路的造价则明显低于交流输电线路的。同时，直流输电的网损又比交流的小得多。因此，随着输电距离的改变，交、直流两种输电方式的造价和总费用将相应作增减变化。在某一输电距离下，两者总费用相等，这一距离称为等价距离。这是一个重要的工程初估数据。概括地说，超过这一距离时，采用直流有利；小于这一距离时，采用交流有利。根据国外经验，等价距离大约为700～800km 。

1.3 高压直流输电系统的结构和元件

1.3.1 高压直流联络线的分类

高压直流联络线大致可分以下几类：

(1)单极联络线；

(2)双极联络线；

(3)同极联络线。

单极联络线的基本结构如图1.1所示，通常采用一根负极性的导线，而由大地或水提供回路。出于对造价的考虑，常采用这类系统，对电缆传输来说尤其如此。这类结构也是建立双极系统的第一步。当大地电阻率过高，或不允许对地下（水下）金属结构产生干扰时，可用金属回路代替大地作回路，形成金属性回路的导体处于低电压。

图1.1 单极HVDC 联络线

双极联络线结构如图1.2所示，有两根导线，一正一负，每端有两个为额定电压的换流器串联在直流侧，两个换流器间的连接点接地。正常时，两级电流相等，无接地电流，两级可独立运行。若因一条线路故障而导致一级隔离，另一级可通过大地运行，能承担一半的额定负荷，或利用换流器及线路的过载能力，承担更多的负荷。

图1.2 双极HVDC 联络线

从雷电性能方面看．一条双极HVDC 线路能有效地等同于两回交流传输线路。正常情况下，它对邻近设备的谐波干扰远小于单极联络线。通过控制(不需要机械开关) 改变两极的极性来实现潮流反向。

当接地电流不可接受时，或接地电阻高而接地电极不可行时，用第三根导线作为金属性中性点。在一极退出运行或双极运行失去平衡时，此导线充当回路。第三条导线的绝缘要求低，还可作为架空线的屏蔽线。如果它完全绝缘，可作为一条备用线路。

同极联络线结构如图1.3所示，导线数不少于两根，所有导线同极性。通常最好为负极性，因为它由电晕引起的无线电干扰较小。这样的系统采用大地作为回路，当一条线路发生故障时，换流器可为余下的线路供电，这些导线有一定的过载能力，能承受比正常情况更大的功率。相反，对于双极系统来说，重新将整个换流器连接到线路的一极上要复杂得多，通常是不可行的。在考虑连续的地电流是可接受的情况下，同极联络线具有突出的优点。

图1.3 同极HVDC 联络线

接地电流对位于系统电极几千米范围内的油、气管道有附带的影响。这些管道充当地电流的导体会引起金属腐蚀。因此，使用大地作回路的结构并非总是可取的。

以上各种高压直流系统结构通常均有串联的换流器组，每个换流器有一组变压器和一组阀．换流器在交流侧(变压器侧) 是并联的，在直流侧(阀侧) 是串联的，在极对地之间给出期望的电压等级。

背靠背的高压直流系统(用于非同步联接) 是无直流线路的直流系统。它可以设计成单极或双极运行，每极带有不同数目的阀组，其数目取决于互联的目的和要达到的可靠性。

大多数包括线路在内的点对点(两端)HVDC 联络线是双极的，仅在偶然事故时才采用单极运行。它们通常被设计成能提供极间最大独立性的系统，以避免双极闭锁。

将直流系统联接到交流电网上的节点多于两个时，就构成了多端高压直流系统。多端系统的结构将在9.1中讨论。

如果两个直流系统接到一个共同的交流系统上，并且两个直流系统之间的交流阻抗较小，就构成了多馈入直流系统，其结构在10.1中讨论。

1.3.2 高压直流输电系统的元件

HVDC 系统的主要元件加图1.4所示。以双极系统为例，其它结构的元件与该图所示基本类同。下面简述各元件。

图1.4 双极HVDC 系统的主要元件

(1)换流器。它们完成交-直流和直-交流转换，由阀桥和有抽头切换器的变压器构成。阀桥包含6脉波或12脉波安排的高压阀，如2.2的介绍。换流变压器向阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。由于变压器阀侧不接地，直流系统能建立自己的对地参考点，通常将阀换流器的正端或负端接地。

(2)平波电抗器。这些大电抗器具有高达1.0H 的电感，在每个换流站与每极串联时，它们有以下作用：

1、降低直流线路中的谐波电压和电流；

2、防止逆变器换相失败；

3、防止轻负荷电流不连续；

4．限制直流线路短路期间整流器中的峰值电流。

(3)谐波滤波器。换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。这些谐波可能导致电容器和附近的电机过热，并且干扰远动通信系统。因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。

(4)无功功率支持。正如我们将在2.2中看到的，直流换流器内部要吸收无功功率。稳态条件下，所消耗的无功功率是传输功率的50％左右。在暂态情况下，无功功率的消耗更大。因此．必须在换流器附近提供无功电源，对于强交流系统，通常用并联电容补偿的形式。根据直流联络线和交流系统的要求，部分无功电源可采用同步调相机或静止无功补偿器(SVC)。用作交流滤波的电容也可以提供部分无功功率。

(5)电极。大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线，至少在较短的一段时间内是这样。与大地相连接的导体需要有较大的表面积，以便使电流密度和表面电压梯度最小。这个导体被称为电极。如前所述，如果必须限制流经大地的电流，可以用金属性回路的导体作为直流线路的一部分。

(6)直流输电线。它们可以是架空线，也可以是电缆。除了导体数和间距的要求有差异外，直流线路与交流线路十分相似。

(7)交流断路器。为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器。它们不是用来排除直流故障的，因为直流放障可以通过换流器的控制更快地清除。

第2章 换流器理论及特性方程

换流器完成交—直流转换，并通过HVDC 联络线来控制潮流。换流器的主要元件是阀桥和换流变压器。阀桥是一组高压开关或阀，它们依次地将三相交流电压连接到直流端，以便得到期望的变换和对功率的控制。换流变压器提供交流系统和直流系统之间的适当接口。

这一章我们将描述实际换流电路的结构和运行情况。另外，我们还将建立联系直流量和基频交流量的方程。

2.1阀特性

高压直流换流器中的阀是一个可控电子开关。它通常仅单向导通，正方向是从阳极到阴极，导通时阀上仅有一个小的压降。在相反方向，即施加在阀上的电压使阴极相对于阳极为正时，阀阻止电流通过。

早期的HVDC 系统采用汞弧阀，额定电流等级在1000A 至2000A 之间，额定反向峰值电压为50kV 到150kV 。汞弧阀的缺点是体积大，有逆向导通的可能。

从70年代中期开始，所有的HVDC 系统均采用晶闸管阀。晶闸管阀的额定值已发展到2500A 至3000A 和3kV 至5kV 。晶闸管串联起来以得到希望的系统电压，而用并联来满足正常和事故过流的要求。它可以有以下不同的设计：空气冷却，空气绝缘；油冷，油绝缘；水冷，空气绝缘；以及氟利昂(二氯二氟甲烷) 冷却，六氯化硫(SF6) 绝缘。可以分别按户内和户外安装来设计阀。

为了使阀导通，必要条件是阳极电压相对于阴极为正。在汞弧阀中，当控制栅极对阴极有足够的负电压时，虽然阳极电压可能是正的，也可避免阀导通，触发瞬间能通过栅极来控制。

晶闸管的电路符号及其伏安特性分别如图2.1(a，b) 所示。主电流从阳极(A)流到阴极(K)。在断开状态，晶闸管能阻断正向电流而不导通，如图2.1(b)的伏安特性的断开状态段。

当晶闸管处于正向闭锁状态时，通过向门极(G)施加瞬时的或持续的电流脉冲，能触发晶闸管导通，产生如图2.1(b)的伏安特性的导通段。导通时的正向电压降只有几伏(典型值为1～3v ，取决于晶闸管闭锁电压的额定值) 。

一旦晶闸管开始导通，它就被钳住在导通状态，而此时门极电流可以取消。晶闸管不能被门极关断，像一个二极管一样导通，直到电流降至零和有反向偏置电压作用在晶闸管上时，它才会截止。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻将晶闸管再次触发导通。

在反向偏置电压低于反向击穿电压时，流过晶闸管的漏电流很小，几乎可以忽略[图

2.1(b)]。通常，晶闸管的正向和反向阻断额定电压相同，用晶闸管允许通过的最大电流有效值相平均值来规定电流额定值。

在分析换流器时，可以用图2.1(c)所示的理想特性来表示晶闸管。

图2.1 晶闸管 （a ）符号；（b ）伏安特性；（c ）理想特性．

在选用组成换流器的晶闸管元件时，一般要求各元件具有下列的性能，即耐压强度高，过流能力强，开通、关闭时间短，并尽量一致，正向压降小，剩余载流子电荷差值小，有承受较大的导通电流变化率（di /dt ) 和关断电压变化率(du /dt ) 的能力等。但是，由于制造工艺上原因，使这些要求不能同时满足。因此，要根据使用情况，制造能力等条件，有重点地进行选择。

多个晶闸管元件串联连接时，由于各元件的特性不一致，造成晶闸管间电压分布不匀，因此需要加装均压装置来限制其不均匀程度。另外，晶闸管换相时，电压发生突变；由于阀的杂散电容等和回路电感的存在而产生振荡。为了抑制这个振荡过电压需要设置阻尼装置。这些均压、阻尼装置，大都是由统一的RLC 网络构成。应当指出的是，如果使用统一的RLC 网络时，则在选择网络参数时，需要同时满足均压参数与振荡阻尼两方面的要求，做到统筹兼顾，合理配置。

2.2 换流电路分析

高压直流换流器的基本模块是三相全波桥式电路，如图2.2所示。该电路又称为格雷兹(Graetz)桥。尽管换流器电路存在几种可供选择的结构，但是由于格雷兹电路能够更好地利用换流变压器，并且当其截止时阀上反向峰值电压较低，所以该电路得到了广泛运用。

换流变压器的交流侧配有有载调压分接头。变压器的交流侧绕组通常采用星形接地(Y0) 联接，阀侧绕组通常采用三角形(△) 或星形(Y)联接。

为便于分析，我们先做以下假设：

(a)含有换流变压器的交流系统可表示为一个电压和频率恒定的理想电压源与一个无损电感（主要代表变压器的漏电感）串联；

(b)直流电流(Id ) 保持恒定且无纹波，这是因为在直流侧采用了一个较大的平波电抗器(Ld ) ；

(c)阀具有理想的开关特性，导通时呈零电阻，截止时呈无穷大电阻。

基于上述假设，图2.2所示的桥式换流电路可表示为图2.3所示的等效电路。

图2.2 三相全波桥式电路

图2.3 三相全波桥式换流器等效电路（注：图中各阀触发顺序编号）

令电源瞬时电压为

e a =E m cos(ωt +600)

e b =E m cos(ωt -600)

e c =E m cos(ωt -1800)

则线电压为

e ac =e a -e c =m cos(ωt +300)

e ba =e b -e a =m cos(ωt -900)

e cb =e c -e b =m cos(ωt +1500)

图2.4(a)所示的波形为对应于式(2.1)和式(2.2)的电压波形图。

为简化分析和便于理解桥式整流器的工作原理，我们首先考虑忽略电源电感（即L=0）且无触发滞后的情况。对换流器的性能有了基本理解之后，再考虑由阀的门极所控制的触发延迟的影响，继而加入电源电感的影响进行分析。

图2.4桥式电路（图2.3）中的电压及电流波形

（a ）电源相电压及线电压；（b ）阀电流及导通时段；（c ）相电流i a

2.2.1 忽略电源电感的分析

（一）无触发延迟

(1)波形分析。在图2.3中，上面一排阀1，3，5的阴极连接在一起。因此，当a 相的相电压高于其余两相的相电压时，阀1导通。于是这三个阀的阴极的共同电位就等于阀l 的阳极电位，阀3和阀5的阴极电位高于其阳极电位，故不能导通。

下面一排阀2，4，6的阳极连接在一起。因此，当c 相电压低于其余两相电压时，阀2导通。

从图2.4（a ）所示的波形中可看出，当-120°

现在．我们来考察0°

当ωt ＝120°时，e c >eb ，阀5导通，阀3截止；与此类似，当ωt ＝180°时，下面一排(共阳极组) 从阀4到阀6依次触发导通。当ωt ＝240°时，上排（共阴极组）从阀5到阀l 依次导通。至此完成一个周期，此后将重复上述过程。

阀的触发顺序如图2.5所示，该图仅表示出一个周期的六个不同时段中处于导通状态的阀。

每个阀的导通角均为120°。当其导通时，阀电流的幅值I d ，上排阀中流通的电流为正，而下排阀中电流为负（或称为返回电流）。

图2.5 无触发延迟、无叠弧时阀的开关顺序

交流电源各相电流由与该相相连的两个阀中的电流合成。例如，a 相电流为i 1-i 4，如图

2.4（c ）所示，该电流表示图2.2中换流变压器的副边绕组电流。

电流从一个阀转移到同一组中另一个阀，称为“换相”。在上述分析中，我们假定忽略了电源电感L c ，因此换相是瞬时完成的，也就是说没有叠弧现象。所以在任一时刻，最多只有两个阀导通(一个共阴极阀和一个共阳极阀) 。

从图2.4（a ）中可看出，交流电压的每个周期中V d 有6个脉波，因此图2.2所示的桥式电路又叫“六脉波桥式电路”。

（2）平均直流电压。桥两端(共阴极阀的阴极和共阳极阀的阳极之间) 的瞬时直流电压由线电压的60°时段组成。因此，平均直流电压可由任一60°时段的瞬时电压积分求得。 将ωt 表示为θ，考虑时段-60°

V d 0=

将式（2.2）中的e ac 带入，得： π⎰30-600e ac d θ

V d 0=π⎰30

-6003E m cos(θ+300) d θ=33

πE m sin(θ+300) 0=-6003πE m

其中，E m 为相电压峰值。

用相电压的有效值（E LN ）和线电压有效值（E LL ）来表示，则V d0为

V d 0=πE LN =πE LL

V d0称为“理想空载直流电压”。

（二）、有触发延迟

（1）波形分析。控制栅极或门极可延迟阀的触发，用α表示“触发延迟角”，它对应于延迟时间α/ω秒。

有触发延迟时，阀3在ωt ＝α（而不是ωt ＝0）时触发，阀4在ωt ＝α＋60°时触发，阀4在ωt ＝α＋120°时触发，其余依次类推。如图2.6所示。

图2.6 有触发延迟时电压的波形和阀电流

触发延迟角限制在180°以内。如果α超过180°，阀将触发失败。例如，考虑阀3的触发，当α＝0时，阀3在ωt ＝0时触发。该触发可延迟到ωt ＝180°，超过180°时，e b 不再大于e a ，因而阀3将无法触发导通。

（2）平均直流电压。参见图2.6，当延迟角为α时．平均直流电压V d 为

V d =

=V d 03απ-(600-α) ⎰e ac d θ=03απ-(600-α) ⎰3E m cos(θ+300) d θα

α-600⎰cos(θ+30) d θ=V d 0sin(θ+300) α α-600

=V d 0[sin(α+300) -sin(α-300)]=V d 0cos α

可见触发延迟的影响是使平均直流电压减小cos α倍。

由于α的范围在0°到180°之间，cos α的范围在＋1到－1之间。因此V d 可在＋V d0到－V d0之间变化。如本章后面所述，负的V d 表示与整流相反的逆变状态。

（3）电流与相角的关系。当触发延迟角α增大时，供电相中交流电压和交流电流之间的相位移也会改变。a 相的变化情况如图2.7所示。如图2.4(c)表明的那样，a 相电流波形由阀1和阀4中的方波电流合成。

根据假设可知，直流电流是恒定的(图2.3中的L d 阻止了I d 的变化) 。由于每个阀导通120°，交流线电流变化幅值I d 、宽度为120°或2π/3弧度的方波。假定无叠弧，则交流线电流的波形与α无关，只有相位栘随α而变化。

对图2.8所示的电流波形进行傅里叶级数分析，可以确定交流线电流的基频分量。 交流线电流的基频分量峰值为：

I LM =2600

π-600⎰I d cos xdx =

I LM

22πI d sin x |60=-60002π3I d 交流线电流基频分量的有效值为 I L 1==6

πI d

忽略换流器的损耗，交流功率一定等于直流功率，因此

3E LN I L 1cos ϕ=V d I d =(V d 0cos α) I d

其中，E LN 为相电压有效值；φ为基频线电流滞后于电源相电压的角度（如图2.7所示）。

将式（2.3b ）中的V d0以及式（2.5b ）中的I L1带入上式，得

(3E LN

因此，基波的功率因数为 6πI d ) cos ϕ=(36πE LN I d ) cos α

cos ϕ=cos α

这样，换流器就可以作为将交流转换为直流(或将直流转换为交流) 的设备运行，使得电流的比值是固定的，而电压的比值随触发角的改变而变化，触发延迟可由栅极或门极控制。

触发延迟角α使电流波形及其基频分量移动一个角度φ＝α，如图2.7所示。当α＝0º时，电流的基频分量(i a1) 与相电压e a 同相位；有功功率(P a =E a I a 1cos ϕ) 为正，无功功率(P a =E a I a 1sin ϕ) 为零。当α从0º增大到90º时，P a 减小，Q a 增大。当α＝90º时，P a 为零，Q a 达到最大。当α从90º增加到l80º时，P a 变为负值，其绝对值增大；Q a 仍为正，且幅值减小。当α＝180º时，P a 达到负的最大值，Q a 为零。由此可知，无论是作为整流装置还是逆变装置，换流器都将从交流系统中吸收无功功率。

图2.7 a相电压和电流的相位移随延迟角的变化

e a 为a 相电压；E a 为电压向量；

i a 为a 相线电流；I a1为基频电流向量

图2.8 线电流波形

2.2.2包括换相叠弧的分析

(一) 换相过程 由于交流电源电感L c (见图2.3) 的影响，相电流不可能瞬时改变。因此，电流从一相转移到另—相需要一定的时间，称为换相时间或叠弧时间。相应的“换相角”或“叠弧角”表示为μ。

正常运行状况下，换相角小于60º；典型的满负荷值在15º至25º范围内．当0＜μ＜60º时，在换相过程中有三个阀同时导通。但是在两次换相之间则只有两个阀导通。每隔60º开始一次新的换相，并持续角度为μ的一个时段。因此，当无触发延迟(即α＝0) 时，两个阀同时导通的时段角度为60º－μ，如图2.9所示。在每次换相过程中，加入阀中的电流从0增大到I d ，退出阀中的电流从I d 减小到0。为简便起见，图2.9中仅示出阀的导通时段，而没有表示出阀电流。

如果60≤μ

μ

图2.9 换向角对阀的导通时段的影响

图2.10 有触发延迟时阀的导通时段

图2.11 换相过程的等效电路

（处于截至状态的阀未标示在图中）

现在，我们讨论从阀1到阀3的换相过程来分析叠弧现象的影响。图2.l0表明了考虑触发延迟的阀的导通时段，换相过程从ωt ＝α(触发延迟角) 时开始，到ωt=α＋μ=δ时结束，其中δ为“熄弧角”(等于触发延迟角α和换相角μ之和) 。

在换相开始时(ωt=α）：i 1=Id 且I 3=0；

在换相结束时(ωt=α＋μ=δ) ：i 1=0，且I 3=Id 。

在换相过程中，阀1、2和3均导通，有效的换流器电路如图2.11所示。从图中可知， 对于阀l 和阀3的回路，有

e b -e a =L di 3di -L 1 dt dt

电压(e b -e a ) 叫做“换相电压”。由式(2.2)

m sin ωt 。因此

m sin ωt =L

由于i 1=I d -i 3有 di 3di -L 1 dt dt

di di 1=0-3 dt dt

因此

e b -e a =m sin ωt =2L

或

di 3 dt

di 3m =sin ωt dt 2L

对上式两端作关于t 的定积分，下限为换流初始时刻(ωt=α或t=α/ω) ，上限为变量t ，于是

i 3=

其中 m 2L ⎰αω/t sin ωtdt =m (cosα-cos ωt ) =I s 2(cosα-cos ωt ) 2ωL

I s 2=m 2ωL

在换相过程中，加入阀中的电流i 3包含一个恒定分量(I s2cosα) 和一个滞后于换流电压90º的正弦分量(一I s2cos ωt ) 。这是因为此刻我们分析的是通过电感2L 的线间短路情况，i 3的恒定分量取决于α；该分量使换相开始时i 3=0。

如图2.12

所示，换相过程中电流是峰值为I s2=的正弦电流的一部分。这部分波形是触发角α的函数。因此，换相角取决于I d 、L 及α。

换相过程中，i 1的波形满足i 1=I d -i 3，当α接近00(或1800) 时，换相时间或叠弧时间最长；当α＝900时，由于i 3与正弦波的近似线性部分相对应，所以换相时间最短。同时，如果减小电源电压E m 或增大I d ，换相时间也会增加。

图2.12 换相过程中与换相电压相关的阀电流

(二) 换相叠弧引起的电压下降 在换流过程中

e b -e a di =L 3 2dt

V a =V b =e a +e b 2

由于叠弧的影响，在ωt=α后的瞬间，P 端(见图2．11) 电压将恢复至(ea ＋e b )/2，而不是恢复到e b ，因此，如图2.13所示，叠弧的影响可用每隔600(π/3弧度) 从面积A 0中减去面积A μ来度量。

e +e e -e A μ=⎰(e b -a b ) d θ=⎰b a θ22αα

=sin θd θ=α-cos δ) ⎰αA μE m (cosα-cos δ) δδδ 相应地，由叠弧引起的相应平均电压降为

∆V d =

=π/3=V d 0(cosα-cos δ) 2

其中，V d0为空载理想电压。

图2.13 从阀1到阀3的换相过程中表示叠弧影响的电压波形

由于换相结束时ωt =δ，且i 3=Id ，则

I d =

因此 ∆V d =

为 α-cos δ) 3πI d ωL 有换相叠弧及触发延迟的情况下，直流电压的下降可用面积A 0和A μ来表示。直流电压

V d =V d 0cos α-∆V d =V d 0cos α-R c I d

其中

R c =3

πωL =3

πX c

R c 叫做“等效换相电阻”，可用来解释换相叠弧所引起的电压下降。然而它并不代表一个实际的电阻，且不消耗功率。

§2．3 整流器和逆变器工作方式

（一) 整流器工作方式 基于上一节的分析，桥式整流器等效电路如图2.14所示。等效电路中的直流电压及电流均为平均值。内电势为触发延迟角α的函数，换相角μ没有专门表示于图中，而是用R cr 代表了换相叠弧的影响。在包含换相叠弧影响的整流工作状态下，电压波形和阀的导通时段如图2.15（a ）所示。

图2.14 桥式整流器的等效电路

0（二）逆变器工作方式 如果不存在换相叠弧现象，则V d =V d 0cos α。因此，当α=90

时．V d 将反号。

出现叠弧时

V d =V d 0cos α-∆V d

即 V d =V d 0cos α-V d 0V (cosα-cos δ) =d 0(cosα+cos δ) 22

从整流转向逆变的转折点所对应的触发角αt 由下式确定：

cos αt +cos δt =0

或

αt =π-δt =π-αt -μ=

00π-μ2 可见叠弧的影响使αt 从90降至90一μ／2。

初看起来，直到实际的阳极电压变为负时才发出触发脉冲似乎令人难以理解。但是，我们应当认识到，只要换相电压（e ba =eb -e a ）为正，并且只要退出阀在其截止后承受一个反向电压，换相总是可以实现的。

由于阀只在一个方向导通，所以换流器中的电流不能反向。V d 的反向将引起功率的反向。对于逆变器工作方式，变压器原边必然产生一个交变电势，如直流电动机内一样，使逆变器的直流电势与电流相反，该电势称为逆电势或反电势。由整流器提供的直流电压迫使阀电流克服这一反电势而流过逆变器。

图2.15（b ）示出了逆变器工作方式下的电压波形及阀的导通时段。为使换相成功，必须在换相电压变为负值以前完成从退出阀到加入阀的转换。例如，只有当e b >ea 时，从阀1到阀3的换相才能实现；从阀l 到阀3的电流转换必须在e a >eb 之前完成，而且需要足够的裕度使阀完成去游离。

(a) 整流方式

图2.15 电压波形及阀导通时段

由此可见，逆变运行要求存在如下三个条件：

（1）一个提供相电压的有源交流系统；

（2）一个反极性的直流电源以提供连续的单向(即通过开关器件从阳极流向阴极) 电流；

（3）一个提供触发延迟超过900的全控整流。

当这三个条件满足时，幅值为负的电压施加到换流桥上，功率（-V d I d ）产生逆变。 为描述整流器工作方式，我们用了以下几个角度：α＝触发延迟角，μ＝叠弧角，δ＝熄弧延迟角＝α＋μ。

图2.16 描述整流器及逆变器运行所用的角

如图2.16所示，α就是从换相电压（对阀3而言，即为e ba ）为零和继而增大的时刻算起的延迟角。

与整流器类似，逆变器的工作方式也可用同样定义的α和δ来描述。但是与整流器不同的是，逆变器的α和δ值在900至1800之间。在实际应用中，通常用触发超前角β和熄弧超前角γ来描述逆变器的性能，这两个角定义为相对于换相电压为零并继而减小的时刻（对阀3的触发和阀1的熄弧而言，即ωt＝1800）所超前的角度，如图2.16所示。从该图可见：

β＝π－α＝触发超前角；

γ＝π－δ＝熄弧超前角；

μ＝δ－α＝β－γ＝叠弧角。

由于cos α＝-cos β和cos δ＝-cos γ，因此有：

I d =I s 2(cosγ-cos β)

V d =V d 0cos γ+cos β 2

或 V d =V d 0cos β+R c I d

V d =V d 0cos γ-R c I d

在通常的换流器方程中认为逆变电压为负值，而专门针对逆变器列写方程时，常常将其视为正值。基于以上方程，逆变器可表示为以下两个等效电路。

图2.17 逆变器的等效电路（V d 为正）

§2．4 交流量与直流量之间的关系

平均直流电压V d 为：

V d =V d 0cos α-∆V d =V d 0

用相电压有效值E LN 表示，有：

cos α+cos δ 2

V d =LN 忽略损耗，则交流功率与直流功率相等，有：

3E LN I L 1cos ϕ=V d I d

其中，E LN 为相电压有效值；I L1为基频电流有效值。

因此

I L 1cos ϕ=

当μ=0时，有：

cos α+cos δI d π2

I L 1=I d

§2．5 多桥换流器

将两个或多个换流桥串联可以获得所要求的高直流电压。换流桥在直流侧串联和在 交流侧并联，变压器组联接于交流电源与桥形连接的换流阀之间，变压器的变比可以在负载的情况下进行调节。

实际应用中，多桥换流器的数目为偶数，而且成对组合以获得一个12脉波换流桥。如图2．18的两组变压器中，一组为Y —Y 连接，另一组为Y —△连接，用来分别为一对换流桥提供电能。在一个换流桥上提供的三相电压与另一桥提供的三相电压之间移相300，如图

2．19所示，两个换流桥的交流波形相加，使产生的电流波形比6脉波换流桥的电流更接近于正弦波形。在谐波分析中我们将会看到，在12脉波换流桥中，其交流侧的5次和7次谐波分量被有效地消除了，这显著地减少了滤波器的投资。

图2.18 12脉波换流桥

此外，采用12脉波换流桥时，直流电压的纹波减小，5次和18次谐波分量消失（6脉

波换流桥的直流侧有6次及其整倍数的谐波，然而12脉冲换流桥只有12次及其整倍数的谐波) 。

对于下止两个换流桥组成的换流器，更多的脉波数是可能的。3个桥形成的换流器为18脉波；4个桥形成的换流器为24个脉波。这时变压器的联接就比12个脉被换流桥的换流器更为复杂。因此，采用l 2脉冲换流器及其必需的滤波器是更切合实际的。