HVDC控制策略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，因此，了解和掌握换流器的基本控制原理对于电力系统的运行和稳定控制都是极其重要的。......
2023-06-23
电流换流与电压换流的原理及应用
【摘要】：图3.3直接耦合式强迫换流原理图图3.4电感耦合式强迫换流原理图像图3.3 那样给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流称为电压换流，而图3.4 那样先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压的换流称为电流换流。上述四种换流方式中，器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管的。采用自换流方式的逆变电路称为自换流逆变电路，采用外部换流方式的逆变电路称为外部换流逆变电路。
电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，换流也常被称为换相。在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同。全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件晶闸管来说，就不能通过门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取其他措施才能使其关断。一般来说，要在晶闸管电流过零后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。因为使器件关断，主要是使晶闸管关断，要比使其开通复杂得多，因此，研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
一般来说，换流方式可分为以下几种：
（1）器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流，称为器件换流（Device Commutation）。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR 等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
（2）电网换流
由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。第2章讲述的相控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助于电网电压实现换流的，都属于电网换流。后面第5章要讲到的三相交流调压电路和采用相控方式的交-交变频电路中的换流方式也都是电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加在想要关断的晶闸管上即可使其关断。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适合用于没有交流电网的无源逆变电路。
（3）负载换流
由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。当负载为电容性负载时，就可实现负载换流。负载换流适用于负载及频率变化不大的逆变电路，如冶炼用的中频电源。另外，当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。
（4）强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。强迫换流通常利用附加电容上所存储的能量来实现，因此也称为电容换流。
在强迫换流的方式中，由换流电路内电容直接提供换流电压的方式称为直接耦合式强迫换流，如图3.3 所示。图3.3 中，在晶闸管VT 处于通态时，预先给电容C 按图中所示极性充电。如果合上开关S，就可以使晶闸管被施加反向电压而关断。
如果通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流，则称为电感耦合式强迫换流。图3.4（a）和（b）是两种不同的电感耦合式强迫换流原理图。图3.4（a）中晶闸管在LC 振荡第一个半周期内关断，图3.4（b）中晶闸管在LC 振荡第二个半周期内关断。因为在晶闸管导通期间，两图中电容所充的电压极性不同。在图3.4（a）中，接通开关S 后，LC振荡电流将反向流过晶闸管VT，与VT 的负载电流相减，直到VT 合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。在图3.4（b）中，接通S 后，LC 振荡电流先正向流过VT 并和VT 中原有负载电流叠加，经半个振荡周期
后，振荡电流反向流过VT，直到VT 的合成正向电流减至零后再流过二极管VD。这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断。二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。
图3.3 直接耦合式强迫换流原理图
图3.4 电感耦合式强迫换流原理图
像图3.3 那样给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流称为电压换流，而图3.4 那样先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压的换流称为电流换流。
上述四种换流方式中，器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管的。器件换流和强迫换流都是因为器件或变流器自身的原因而实现换流的，两者都属于自换流；电网换流和负载换流不是依靠变流器内部的原因，而是借助于外部手段（电网电压或负载电压）来实现换流的，它们属于外部换流。采用自换流方式的逆变电路称为自换流逆变电路，采用外部换流方式的逆变电路称为外部换流逆变电路。
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