单桥换流器运行分析技巧分享

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：4）交流电力系统电阻和换流隔离变压器励磁导纳忽略不计。一般情况下，单桥整流器的换相角γ=15°～25°。接下来，以图4-5所示换流器为基础，讨论阀臂VT1中电流换相至阀臂VT3的过程，并分析换相叠弧对直流输出电压的影响。

换流器一般工作在两种状态，一种是发电端到传输端的整流，而另一种为输电端到用户端的逆变。先来看一下单相换流器的整流工作。

1.整流运行

单相整流器在正常工作情况下通常分为两个阀臂和三个阀臂轮流导通两种工作模态。如图4-5所示，VT₁、VT₃、VT₅为3个共阴极阀臂（上半桥阀臂），VT₄、VT₆、VT₂为3个共阳极阀臂（下半桥阀臂），6个阀臂每隔60°依次触发导通，其导通顺序为VT₁—VT₂—VT₃—VT₄—VT₅—VT₆。

为了使分析过程简明清晰，分析之前，可假定换流器工作在以下理想条件：

1）三相交流系统对称且不含有谐波。

2）各阀臂间采用等间隔60°电角度进行触发。

3）晶闸管为理想器件，即阀臂的通态压降和断态漏电流为零。

4）交流电力系统电阻和换流隔离变压器励磁导纳忽略不计。

因而，若假设三相交流电源各相瞬时电压（U_m为相电压峰值）为

则相应的线电压为

由式（4-1）和式（4-2）所列电压方程式，就可绘出图4-7所示三相交流电源系统相电压与线电压波形。

图4-7 三相交流电源系统相电压与线电压波形

三相桥式整流器为满足正常运行，其阀臂晶闸管触发角α需满足0°＜α＜90°-γ/2，同时换相重叠角γ＜60°。一般情况下，单桥整流器的换相角γ=15°～25°。

（1）理想条件下的工况

若忽略交流系统到换流器之间的等值换相电感或交流系统与换流器之间的变压器漏感，则换流器在正常运行工况下只有两个不同相的阀臂同时工作，即同一时刻导通的两个阀臂中，必然一个是共阴极阀臂，另一个为共阳极阀臂。

假设考虑最简单的情况：在自然换相点处触发晶闸管，即触发角α=0°，则其相应的工作原理波形如图4-8所示。此时，换流器与由不可控二极管组成的整流桥工作原理类似：三相电压中，当a相正向电压最大时，则阀臂VT₁导通，而a相电压负向最大时，阀臂VT₄导通；b相正向电压最大时，阀臂VT₃导通，负向最大时，阀臂VT₆导通；c相正向电压最大时，阀臂VT₅导通，负向最大时，阀臂VT₂导通。阀臂相应的导通规律如表4-2所示。每个周期可分为6个区间，每个区间导通60°电角度，换流器阀臂每隔60°区间按VT₁—VT₂—VT₃—VT₄—VT₅—VT₆的顺序依次导通。

图4-8 理想条件下的工作波形

表4-2 理想条件下晶闸管工作情况

结合图4-5和图4-8可以看出，三相桥式整流器可看成共阴极组变流器和共阳极组变流器串联所构成。当共阴极阀臂晶闸管导通时，输出电压为相电压在正半周的包络线u_d1；而当共阳极组阀臂晶闸管导通时，输出电压为相电压在负半周的包络线u_d2。因而，三相桥式换流器的输出电压为两条包络线之间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线u_d，如图4-8所示。

根据图4-8所示输出电压波形，可求得瞬时直流输出电压的平均值（也称为理想空载电压）为

若令U_LN表示相电压有效值，U_LL表示线电压有效值，则U_d0可表示为

但在实际系统中，换流器中的阀大多情况下并不是在自然换相点时被触发导通的，而是像图4-9所示的要延迟一个角度α才能触发导通。从自然换相点到阀的控制极加以触发控制脉冲对应的电角度，称为触发延迟角α，它所对应的延迟时间为α/ω秒。

此时，换流器的整流输出电压平均值为

由式（4-5）可以看出，触发延迟角α使整流器的直流输出平均电压减少为空载电压的cosα，α的值增大，直流输出平均电压U_d就会减少。当传输线路电流不变时，调节触发延迟角α就能调节线路上的传输功率。

图4-9 触发角α=30°时的波形

（2）实际条件下的工况

在实际的直流电力传输系统中，由于交流电力系统和换流器之间存在隔离变压器，且实际变压器均存在漏感，因而换流器中各相电流间的换相不可能瞬时完成，都会有个逐步变化的过程。接下来，以图4-5所示换流器为基础，讨论阀臂VT₁中电流换相至阀臂VT₃的过程，并分析换相叠弧对直流输出电压的影响。

当交流电力系统中b相电压e_b大于a相电压e_a时，阀臂VT₃在正向电压的作用下开始导通。由于系统存在电感和换流变压器漏抗，所以回路中的电流不能突变，流过阀臂VT₁的a相电流开始减少，而流过阀臂VT₃的b相电流从零开始增长。此时，阀臂VT₁、VT₂和VT₃均导通，换流器的等效工作电路如图4-10所示。

图4-10 换相过程的等效电路

阀臂VT₁和阀臂VT₃同时导通，将会使a相电压和b相电压发生短路，该阻抗电压值为导通阀臂所在相的相间电压差e_b-e_a，该电压差作用于系统电感和变压器漏感，形成环流i_k。从阀臂电流换相开始到换相结束所经历的时间称为换相时间Δt，该时间所对应的电角度称为换相重叠角γ。

当换流器工作在上述工况（即环流器中有3个阀臂同时导通）时，由换流器等效工作电路并结合基尔霍夫定律可得如下电路方程：

式中，L_r为换流器变压器漏感；I_d为负载电流。

由于两个阀臂VT₁和VT₃同时导通，因而有u_a=u_b，则结合上述方程可得

将式（4-7）代入式（4-6）可得换相期间有

u_a=u_b=（e_a+e_b）/2 （4-8）

同时，由于换流期间，流过阀臂VT₂的电流总为负载电流I_d，因而有

u_c=e_c （4-9）

因此，换相期间，整流输出平均电压U_d为

换相期间，由于漏感的存在会使整流输出平均电压与理想工况相比，存在一个电压缺口，造成电压换相压降。对于单桥换流器而言，其换相压降平均值ΔU_d可表示为

因此，在一个电周期内，整流器输出平均电压U_d为

U_d=U_d0 cosα-ΔU_d （4-12）

考虑α和μ时电压波形如图4-11所示。

图4-11 考虑α和μ时电压波形

2.逆变运行

从电力电子变流技术可知，逆变器与整流器的换流装置相同，只是各自的运行条件不同。逆变器与整流器的工作原理有很多类似之处，主要的不同点是逆变器中的阀只有当加在阀上的交流电压处于负半周时才导通。要使换流器在逆变状态下正常运行，必须满足如下条件：

1）需要有一个提供换相电压的有源交流系统。

2）必须要有源，即存在直流电动势，且其极性需与晶闸管导通的方向一致。

3）直流电动势的值应大于整流电路直流侧的平均电压。

4）要求晶闸管的触发延迟角α＞π/2，使U_d出现负值。

5）为了保持电流的连续，直流回路中要有足够大的电感。

图4-12和图4-13所示分别为逆变器的等效电路图及其工作在逆变状态下的电压波形。图中，β=π-α，为超前触发角；γ=π-δ，为熄弧超前角；μ=δ-α=β-γ，为叠弧角。

图4-12 逆变等效电路

图4-13 触发延迟和换相重叠时逆变器的电压波形图

由于阀的单向导电性使得换流器中的电流不能反向。当换流器工作在逆变状态时，U_d的负值（反向）会引起功率的逆流，同时在逆变器的交流侧产生相应的交流电动势。对于背靠背结构的直流输电系统来说，整流器提供的直流电压将迫使逆变器中的阀电流克服交流电动势而流过逆变器。为了使换相成功，必须在换相电压差变为负值前完成转换。例如，从阀VT₁到阀VT₃的换相，只有e_a＞e_b时才能实现，且从阀VT₁到阀VT₃的电流转换必须在e_a＞e_b之前完成，而且需要足够的换相裕度使阀关闭。

与整流工况相类似，逆变器在实际工况下的输出直流平均电压可表示为

单桥换流器运行分析技巧分享

相关推荐