高压直流输电与柔性交流输电第二章

-1-2.1概述直流输电换流技术换流整流：将送端的交流电变换为直流电;逆变：将受端的直流电变换为交流电.换流阀三相换流器有两种基本结构：电流源换流器（CSC）和电压源换流器（VSC）。2直流输电的换流技术-2-2.1概述换流技术的发展：20世纪50~90年代，都采用电流源变换器。50~70年代中期，电流源换流器都采用汞弧阀，之后，晶闸管换流阀被作为高压直流系统的基本开关器件。20世纪90年代以后，电压源换流器得到应用。由于新的大功率自换相器件（如GTO和IGBT）的出现；由于数字信号处理（DSP）强大的计算处理能力使得在技术上能够满足控制要求，在经济上具备竞争力。现代高压直流系统既可采用电流源换流器也可采用电压源换流器作为换流单元。-3-2.1概述电流源换流器与电压源换流器特性比较电流源换流器（CSC）电压源换流器（VSC）交流系统侧的作用1.作为恒定电压源2.需要电容器作为储能元件3.需要大型滤波器以消除谐波4.需要无功补偿与提高功率因数1.作为恒定电流源2.需要电感元件作为储能元件3.需要小型滤波器以消除较高频率的谐波4.不需要无功补偿，因为该换流器可以四象限运行。直流系统侧的作用1.作为恒定电流源2.需要电感元件作为储能元件3.需要直流滤波器4.具有固有的故障电流限制特性1.作为恒定电压源2.需要电容元件作为储能元件3.储能电容器起到直流滤波器的作用4.直流侧故障时，已充电的电容器会向故障点放电开关方式1.电网换相或串联电容器强迫换相2.每周波只发一个脉冲3.开关功耗较低1.自换相2.高频开关，即每周波内发多个脉冲。3.开关功耗较高额定值范围1.单换流器的容量为0~550MW2.电压可达600kV1.单换流器的容量为0~200MW2.电压可达100kV-4-2.2电流源换流器（CSC）直流输电换流站包括：换流变压器、换流器、交流滤波器、直流滤波器以及控制保护装置等。换流器由基本换流单元组成，它在换流站内允许独立运行。电流源换流器的基本换流单元有：6脉动换流单元（三相桥式换流电路）；12脉动换流单元（由两个交流侧电压相位差30°的6脉动换流器所组成）。-5-6脉动换流单元换流变压器结构：可以采用三相or单相结构;阀侧绕组接线方式：可以采用星形or三角形接线。6脉动换流器在交流侧和直流侧分别产生6k±1次和6k次的特征谐波（k为正整数）。2.2电流源换流器（CSC）直流滤波器平波电抗器6脉动换流单元交流滤波器换流变压器控制保护装置-6-12脉动换流单元由两个交流侧电压相位相差30°的6脉动换流单元在直流侧串联，同时，交流侧经换流变并联所组成。12脉动换流单元可采用双绕组换流变压器或三绕组换流变压器，其阀侧绕组的接线方式必须为一个是星形接线，另一个是三角形接线。12脉动换流单元在交流侧和直流侧分别产生12k±1次和12k次的特征谐波。2.2电流源换流器（CSC）直流滤波器平波电抗器12脉动换流单元交流滤波器换流变压器控制保护装置换流变压器-7-2.2.16脉动整流器工作原理晶闸管换流阀的特点:单向导电性。导通条件(两个)：阳极对阴极为正电压；控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲。控制极无关断能力，只有当换流阀加反向电压或流经换流阀的电流为零时，它才能关断。dIdI1V3V5V4V6V2VdLNUVWrLrLrL1i3i5i2i4i6imnUeVeWe换相电抗平波电抗进行理论分析时做如下假设：直流电流Id恒定(即平波电抗器为无穷大)；阀为理想开关；交流系统为无穷大(即三相电动势平衡并且是完全正弦波)。-8-2.2.16脉动整流器工作原理一、不考虑漏电感的理想情况：换相电抗为0，即重叠角；换流桥上、下半桥各有一个阀导通；触发延迟角。00三相桥式整流电路工作特点：每个时刻2个晶闸管同时导通，一个是共阴极的，一个是共阳极组的，且不在同一相。6个晶闸管触发脉冲按V1V2V3V4V5V6的顺序，相位依次相差60°；共阴极组V1、V3、V5触发脉冲依次相差120°。整流输出电压Ud一周脉动6次，每次脉动波形一样，估该电路为6脉动整流电路。整流电路合闸启动过程或电流断续时，须保证同时导通2个晶闸管均有触发脉冲。-9-dIdI1V3V5V4V6V2VdLNUVWrLrLrL1i3i5i2i4i6imnUeVeWeUeVeWet2.2.16脉动整流器工作原理自然换相点-10-2.2.16脉动整流器工作原理UeVeWetdIdI1V3V5V4V6V2VdLNUVWrLrLrL1i3i5i2i4i6imnUeVeWeV1为什么能关断，V3为什么能导通？-11-2.2.16脉动整流器工作原理dIdI1V3V5V4V6V2VdLNUVWrLrLrL1i3i5i2i4i6imnUeVeWeUeVeWet-12-2.2.16脉动整流器工作原理UeVeWetdIdI1V3V5V4V6V2VdLNUVWrLrLrL1i3i5i2i4i6imnUeVeWe-13-2.2.16脉动整流器工作原理dIdI1V3V5V4V6V2VdLNUVWrLrLrL1i3i5i2i4i6imnUeVeWeUeVeWet-14-2.2.16脉动整流器工作原理UeVeWetdIdI1V3V5V4V6V2VdLNUVWrLrLrL1i3i5i2i4i6imnUeVeWe-15-2.2.16脉动整流器工作原理UeVeWettUVe12VV61VVUWeVWeVUeWUeWVe23VV34VV45VV56VV1c3c2c4c5c6c直流输出电压的波形直流端M、N对中性点的波形晶闸管按照一定次序的“通”与“断”，将交流电压变换成脉动的直流电压。-16-2.2.16脉动整流器工作原理结论：直流电压瞬时值在一个周期内由六段相同的曲线所组成，取其中一段就可求出直流平均电压Udo。6脉动整流器的理想空载直流电压：66662cos()()2sin()|2LLLAEtdtEtE0321.353LdLEAUE交流线电压有效值Udo为时直流电压平均值，称为理想空载直流电压0,0-17-2.2.16脉动整流器工作原理二、考虑延迟角的情况：o(0)aebecet12VV61VV23VV34VV45VV56VV1c3c2c4c5c6c直流输出电压的波形直流端M、N对中性点的波形t6()6直流电压下降-18-2.2.16脉动整流器工作原理结论：调节触发延迟角，可改变直流输出电压，从而改变直流输出功率。6()66()62cos()()2sin()|2cosLLLAEtdtEtE01.35coscosdLdUEU注意：；在正常运行时，通常取最小触发角为5°；如果需要利用整流器进行无功功率调节，或直流输电需要降压运行时，则触发角需要相应增大。090-19-2.2.16脉动整流器工作原理三、既考虑延迟角，又考虑换相电抗的情况：dIdI1V3V5V4V6V2VdL0abccLcLcL1i3i5i2i4i6imnaebece存在V1和V3同时导通的时间，称为换相时间，电气角度为换相角或重叠角。在这段时间内，相当于交流a、b两相通过阀V1和V3短路。312sin22sinbaccbaLkcLdidieeLLdtdteeEtdiLEtdt2(coscos)2LkcEitLdIdI1V3V2VdL0abccLcLcL1i2imnaebece3iaubucuki-20-2.2.16脉动整流器工作原理2(coscos())2LkdcEiIL3kdiii在换相结束时，,t6脉动整流器交流侧电流波形不是正弦波，近似为正、负矩形波。不计换相影响时，6脉动整流器交流侧电流中所含谐波次数为6k+1,相电流波形如图2-6所示。基波电流有效值为16/0.78ddIII作业3d,ktiiI且1/nIIn-21-2.2.16脉动整流器工作原理结论：换相过程实质上是交流系统短时间的两相短路过程，换相是依靠电源提供的短路电流进行的。名词：换相过程中的短路电流称为换相电流。提供换相电流的交流电压称为换相电压。每相从电源中性点到阀之间的短路阻抗称为换相电抗。换相过程中两个阀共同导通的时间用电气角度表示，称为重叠角。-22-2.2.16脉动整流器工作原理aebece1c3c2c4c5c6c直流端M、N对中性点的波形ttA整流电压下降-23-2.2.16脉动整流器工作原理2cosLAE01()cos3ddUAAUU122sin[coscos()]22LLAEtdtE0[coscos()]32dUAU3cddaLUIIR0cosdddaUUIR整流侧的等值换相电阻结论：直流输出电压比没有考虑换向重叠角时降低了△U；由于交流电压和电流没有发生变化，直流功率的降低可以看作是由于变压器原边输出的有功功率由降为。IEL3cos3IEL-24-2.2.212脉动整流器工作原理Y/Y接线换流变压器相位超前于Y/Δ接线换流变压器；桥1对应阀臂的开通时间超前于桥2对应阀臂30o；每个单桥内部的6个阀臂按照60o的间隔顺序轮流导通。1T2T交流系统桥1桥2dI-25-2.2.212脉动整流器工作原理12脉动整流电路工作特点：每个时刻均需4个晶闸管同时导通形成向负载供电的回路，每个单桥中各有两个阀臂导通，直流电流通过四个阀臂。对触发脉冲的要求：12个晶闸管的相位依次相差30o；同一组的上下两个桥臂，即V11与V41等脉冲相差180o。1M1NaibicidIsLavbvcvo11V12V21V31V51V41V61V22V32V52V42V62V2N2MsLsLABCa1ib1ic1ia2ib2ic2iA1iB1iC1iA2iB2iC2i1T2T1du2dudu整流输出电压一周脉动12次，每次脉动的波形都一样，故该电路为12脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程或电流断续时，为确保电路正常工作，须保证同时导通的4个晶闸管均有触发脉冲。-26-2.2.212脉动整流器工作原理0abeacecbebcecaebaecbec3eb3ea3ec3ea3eb3ed2ud1u2123dd1d2uuut-27-2.2.212脉动整流器工作原理12脉动整流器的整流电压平均值为：cddod32(cos)LUUI交流系统a相电流的傅里叶展开式为：a23112(coscos11cos13111311cos23cos25)2325diIttttt交流系统电流中含有12k±1次谐波。12脉动整流电压中只含有12k次谐波-28-2.2.3逆变器的工作原理直流输电工程所用的逆变器，大部分为有源逆变器，它要求逆变器所接的交流系统提供换相电压和电流，即受端交流系统必须有交流电源。dIdI1V3V5V4V6V2VdLoABCrLrLrL1i3i5i2i4i6imnaebece-29-2.2.3逆变器的工作原理从整流器的原理开始讨论：假设整流器接阻感负荷。UeVeWett6090直流电压曲线所决定的正负电压相等，直流电压的平均值为0；9090直流电压曲线所决定的负面积大于正面积，直流电压变为负值而反向；120180直流电压曲线所决定的面积都是负的。09090整流逆变分析逆变状态：180＝－触发超前角-30-2.2.3逆变器的工作原理90180要使逆变器导通，必须满足下列条件：(1)在直流母线上加一个足够大的直流电压，以克服反电势的作用，才能使电流流通。(2)在直流电压小于交流反电势时，为了保持电流的连续，直流回路中要有充分大的电感，利用储藏在磁场中的能量帮助电流连续导