直流输电系统的工作原理解析

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：直流输电用来进行换流的有6脉动换流器和12脉动换流器，本节对12脉动换流器工作原理进行分析。图2.1所示为12脉动换流器原理接线图。因此，大部分直流输电工程均选择12脉动换流器作为基本换流单元，从而可简化滤波装置，降低换流站造价。12脉动换流器的工作原理与6脉动换流器相同，它也是利用交流系统的两相短路电流来进行换相。图2.2中E为交流系统的等值电动势，XS为交流系统的等值电抗。

直流输电用来进行换流的有6脉动换流器和12脉动换流器，本节对12脉动换流器工作原理进行分析。

12脉动换流器由两个6脉动换流器在直流侧串联而成，换流变压器的阀侧绕组一个为星形接线，另一个为三角形接线，从而使两个6脉动换流器的换相电压相位相差30°。图2.1所示为12脉动换流器原理接线图。

12脉动换流器由V1～V2共12个换流阀组成，图2.1中所给出的换流阀序号为其导通的顺序号。在每一个工频周期内有12个换流阀轮流导通，需要12个与交流系统同步的按序触发脉冲，脉冲之间的间距为30°。

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图2.1　12脉动换流器原理接线图

12脉动换流器的优点之一是其直流电压质量好，所含的谐波成分少。其直流电压为两个换相电压相差30°的6脉动换流器的直流电压之和，在每个工频周期内有12个脉动数，因此称为12脉动换流器。直流电压中仅含有12k次的谐波，而每个6脉动换流器直流电压中的6（2k+1）次谐波因彼此的相位相反而互相抵消，在直流电压中则不再出现，因此有效地改善了直流侧的谐波性能。12脉动换流器的另一个优点是其交流电流质量好，谐波成分少。交流电流中仅含12k±1次的谐波，每个6脉动换流器交流电流中的6（2k-1）±1次的谐波在两个换流变压器之间成环流，而不进入交流电网，12脉动换流器的交流电流中将不含这些谐波，因此也有效地改善了交流侧的谐波性能。对于采用一组三绕组换流变压器的12脉动换流器，其变压器网侧绕组中也不含6（2k-1）±1次的谐波，因为每个这种次数的谐波在它的两个阀侧绕组中的相位相反，因此在变压器的主磁通中互相抵消，在网侧绕组中则不再出现。因此，大部分直流输电工程均选择12脉动换流器作为基本换流单元，从而可简化滤波装置，降低换流站造价。

12脉动换流器的工作原理与6脉动换流器相同，它也是利用交流系统的两相短路电流来进行换相。当换相角μ＜30°时，在非换相期两个桥中只有4个阀同时导通（每个桥中2个），而当有一个桥进行换相时，则同时有5个阀导通（换相的桥中有3个，非换相的桥中有2个），从而形成在正常运行时4个阀和5个阀轮流交替同时导通的“4-5”工况，相当于6脉动换流器的“2-3”工况。当换相角μ=30°时，两个桥中总有5个阀同时导通，在一个桥中一对阀换相刚完在另一个桥中的另一对阀紧接着开始换相，从而形成“5”工况。在“5”工况时，μ=30°为常数。当30°＜μ＜60°时，将出现在一个桥中一对阀换相尚未结束之前，在另一个桥中就有另一对阀开始换相。即出现在两个桥中同时有两对阀进行换相的时段，在此时段内两个桥共有6个阀同时导通，当在一个桥中换相结束时，则又转为5个阀同时导通的状态，从而形成“5-6”工况。随着换流器负荷的增大，换相角μ也增流大，其结果使6个阀同时导通的时间延长，相应的5个阀同时导通的时间缩短。当μ=60°时，“5-6”工况即结束。在正常运行时，μ＜30°，因而不会出现“5-6”工况。只有在换流器过负荷或交流电压过低时，才可能出现μ＞30°的情况。

12脉动换流器与6脉动换流器的另一个主要区别是当两桥之间有耦合电抗存在时，则会产生两桥在换相时的相互影响。图2.2所示为12脉动换流器的等值电路简化图。

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图2.2　12脉动换流器的等值电路简化图

假定桥1和桥2的两组换流变压器的容量ST、漏抗XT和阀侧线电压UT均相等，其阀侧绕组接线形式分别为星形和三角形。图2.2中E为交流系统的等值电动势，XS为交流系统的等值电抗。在运行中两个桥的电流均流经XS，因此XS为两桥之间的耦合电抗。此时两桥的换相电抗均为Xr=XS+XT。取A为两桥间相互影响的系数，它代表两桥相互影响的程度，则A可表示为

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换流器运行于整流状态时，在“4-5”工况范围内，μ＜30°，在非换相期（4个阀同时导通），由于直流电流在耦合电抗上无电压降，对母线电压波形则无影响。在一个桥中有一对阀进行换相时（5个阀同时导通），造成该桥交流侧的两相短路，此时的两相短路电流（即换相电流）在耦合电抗上产生电压降，使母线电压畸变，从而使另一个桥上的阀电压波形产生附加换相齿，但此时的直流电压波形不会受到影响。因此，可以认为在这种情况下，耦合电抗对整流器的工作没有影响。6脉动换流器的稳态计算公式也都可以应用于12脉动换流器。12脉动换流器的直流电压、直流功率、交流电流、换流器消耗的无功功率等均为两个6脉动换流器之和。当换流器工作在μ≥30°的“5”工况和“5-6”工况时，耦合电抗将对整流器的工作产生影响。它将降低直流电压，使换流器外特性曲线的斜率加大，并且桥间相互影响系数A越大，则影响越严重。如果整流器的额定负荷点选在“5-6”工况，在确定额定直流电压时，则需要选取更高的换流变压器阀侧空载电压，从而使阀和相应的设备承受更高的工作电压，同时整流器的功率因数将降低。如果额定负荷点选在“4-5”工况，则上述特点仅在过负荷时出现，此时外特性曲线更陡地下降，对限制过负荷将会产生一些好的影响。因此，整流器的额定负荷点必须选在“4-5”工况。此时，整流站极对地电压为

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式中　U1——整流站换流变压器阀侧空载线电压有效值；

N1——整流站每极中的6脉动换流器数；

Xr1——整流站每相的换相电抗；

α——整流器的触发角；

Id——直流电流平均值。

换流器运行于逆变状态时，在“4-5”工况，当β＜30°时，桥间的相互影响实际上可以不考虑。在这种情况下，虽然阀电压波形上产生附加换相齿，但对逆变器的直流电压波形和关断角γ均无影响。此时γ=β-μ，6脉动换流器的计算公式全都可以应用于12脉动换流器。而当β≥30°时，耦合电抗将对逆变器的工作产生影响。图2.3所示为12脉动换流器运行于逆变状态时，在桥2中V2上的电压波形。逆变站极对地电压为

式中　U2——逆变站换流变压器阀侧空载线电压有效值；

N2——逆变站每极中的6脉动换流器数；

Xr2——逆变站每相的换相电抗；

β——逆变器的触发角；

γ——逆变器的关断角；

Id——直流电流平均值。

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图2.3　12脉动逆变器在桥2中V2上的电压波形图

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图2.4　附加换相齿D′对逆变器关断角的影响

（a）β＜30°；（b）β＞30°

图2.3中，D为本桥（桥2）换相过程产生的换相齿，D′和D″为另一桥（桥1）换相过程产生的附加换相齿。当β≥30°时，附加换相齿的前沿和横轴相交，使阀电压由负变正的过零点提前，从而使实际的γ角减小，此时γ=30°-μ2。图2.4所示为附加换相齿D′对逆变器关断角γ影响的示意图。因此，逆变器产生换相失败的可能性将增大，对逆变器的稳定运行很不利。为保证逆变器的安全运行，需要加大β角，这将使逆变器消耗的无功功率增大，降低逆变器的有效容量，并加大逆变器产生的谐波。如果β角仍保持在30°以下，又要保证γ角至少为15°，则换相角μ2的最大值只能是15°（因μ2=30°-γ），这将不得不降低逆变器的负载电流。另一方面，当β≥30°时，桥间耦合电抗将使逆变器的定γ角外特性曲线下降得更快，即在同样的电流下，逆变器的直流电压更低，这对限制故障时的过电流不利。因此，桥间耦合电抗对12脉动逆变器的影响比对整流器的影响要严重。如果不采取措施解决这一问题，逆变器的运行性能将受到较大的影响。

在直流输电工程中，通常采用的解决措施是在换流站的交流母线上装设完善的交流滤波装置，使母线电压基本上为正弦电压。此时，可用换流变压器的漏抗XT作为换相电抗，而换算到阀侧的交流电压为换相电压。在这种情况下，两桥通过耦合电抗XS的交流电流主要是基波电流，谐波电流大部分均为交流滤波装置所吸收。此时在耦合电抗上产生的压降主要是基波压降，其影响只会使三相交流电压对称地下降，而不会在阀电压波形上产生附加换相齿，从而消除了对换流器正常运行的影响。

当12脉动换流器采用一组三绕组换流变压器时，两桥间的耦合电抗则为系统的等值电抗与换流变压器网侧绕组漏抗之和。而滤波装置只能装设在交流母线上。为了消除桥间的相互影响，通常选择换流变压器网侧绕组的漏抗为零，而两个阀侧绕组的漏抗相等。

从理论上讲，两桥之间的解耦还可以采用平衡电抗器的方法，使得电抗器的互感抗XM和系统的等值电抗相等，从而使在XS中的电压降与在XM上的电压升相抵消，也就消除了桥间耦合电抗的影响。但这种方法需要在高压换相回路中外加电抗器；另外，系统的等值电抗在运行中也会经常变化，很难做到完全补偿，因此在实际工程中也很少采用。

直流输电系统的工作原理解析

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