超高壓直流輸電系統(tǒng)中的電流變換技術(shù)

胡艷允　景曉東

摘 要：本文對(duì)超高壓直流輸電系統(tǒng)中的電流變換技術(shù)進(jìn)行了分析，主要介紹了電流變換器件三種換流器的工作原理，通過比較解決了選擇換流器的難題，同時(shí)還討論了超高壓直流輸電系統(tǒng)中與運(yùn)行和控制有關(guān)的、換流站直流側(cè)特征諧波和諧波抑制裝置的選擇以及功率因數(shù)的補(bǔ)償?shù)戎匾矫鎲栴}，最后給出了超高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)展需要解決的主要問題，使超高壓直流輸電技術(shù)更為完善。

關(guān)鍵詞：超高壓直流輸電；換流器；諧波抑制；功率因數(shù)補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：[TM723] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2013）-12-0202-02

引言：

高壓直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過升壓變壓器升壓后再經(jīng)整流閥變成直流電，然后通過長距離直流輸電線路送至受電端，再經(jīng)逆變閥變成交流電，注入受電端交流電網(wǎng)。其中直流輸電最核心的技術(shù)集中于換流站設(shè)備，換流站實(shí)現(xiàn)了高壓直流輸電工程中直流和交流相互能量轉(zhuǎn)換，除在交流場具有交流變電站相同的設(shè)備外，還有以下特有設(shè)備：換流閥、控制保護(hù)系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器和無功補(bǔ)償設(shè)備、直流濾過器、平波電抗器以及直流場設(shè)備，而換流閥是換流站中的核心設(shè)備，其主要功能是進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，從最初的汞弧閥發(fā)展到現(xiàn)在的大功率相控、光控晶閘管以及絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT），換流閥單位容量在不斷的增大，因此對(duì)超高壓直流輸電系統(tǒng)中的電流變換技術(shù)的研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1、電流變換器件換流器的工作原理：

整流器電流是從聯(lián)系最高電位的閥流出，通過直流線路從聯(lián)系最低電位的閥流入，通過按照一定次序的閥的“通”與“斷”，整流器將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，其中換相的實(shí)質(zhì)是交流系統(tǒng)短時(shí)間的兩相短路，換相是依靠交流電源提供的短路電流進(jìn)行的。

在直流輸電系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)換流所需的三相橋式換流器的橋臂，即換流閥，它是換流器的基本單元設(shè)備，換流閥除了具有整流和逆變功能外，還具有開關(guān)功能，可利用其快速可控性對(duì)直流輸電的啟動(dòng)和停運(yùn)進(jìn)行快速操作。目前常采用晶閘管閥，晶閘管是組成晶閘管閥的關(guān)鍵元件，閥的電氣特性通過晶閘管元件的特性來體現(xiàn)。

2、單橋整流器工作原理圖如下：

三相橋式全控整流電路應(yīng)用最為廣泛，如圖由兩組三相半波整流電路串聯(lián)而成，其中陰極連接在一起的三個(gè)晶閘管（V1、V3、V5）稱為共陰極，陽極連接在一起的三個(gè)晶閘管（V2、V4、V6）稱為共陽極組。對(duì)于共陰極組，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)先觸發(fā)導(dǎo)通；對(duì)于共陽極組，陰極所接交流電壓最低的一個(gè)先觸發(fā)導(dǎo)通。正常情況下，在每一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)，六個(gè)晶體管閥輪流導(dǎo)通，它們的觸發(fā)順序?yàn)閂1-V2-V3-V4-V5-V6，為了使電流通過負(fù)載與電源形成回路，整流器在運(yùn)行中必須保證在其共陰極組和共陽極組中只能各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。

這種整流電路的特點(diǎn)是：

（1）任何時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動(dòng)或電路阻斷后能正常導(dǎo)通，必須對(duì)不同組別應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于π/3，或用間隔π/3的雙窄脈沖代替一個(gè)大于π/3的寬脈沖，寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖。

（2）每隔π/3換相一次，換相過程在共陰極組輪流進(jìn)行，但只在同一組別中換相，接線圖中晶閘管的編號(hào)方法使每個(gè)周期內(nèi)的6個(gè)管子的組合導(dǎo)通順序是：V1-V2-V3-V4-V5-V6，共陰極組V1、V3、V5的脈沖依次相差2π/3，共陽極組V4、V6、V2也依次相差2π/3，同一相的上下兩個(gè)橋臂，即V1和V4、V3和V6、V5和V2的脈沖相差π度。

3、雙橋整流器工作原理圖如下：

l）正常運(yùn)行時(shí)閥臂開通的順序?yàn)椋篤11-V12-V21-V22-V31-V32-V41-V42-V51-V52-V61-V62，各個(gè)臂開通的時(shí)間間隔為交流側(cè)周期的十二分之一（即在相位上間隔30°）由于整流輸出電壓在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)12次，所以也成為12脈動(dòng)換流器。

4、單橋逆變工作原理圖如下：

上圖為單橋逆變器接入HVDC系統(tǒng)方式，此種方式工作于整流工況時(shí)，若因觸發(fā)脈沖丟失、突發(fā)電源缺相或斷相，其后果只影響輸出的電壓數(shù)值，對(duì)變流器無嚴(yán)重威脅，但當(dāng)變流器工作于逆變工況時(shí)，一旦由于上述原因換相失敗，將使輸出電壓進(jìn)入正半周，與Em順向連接，由于回路電阻很小，造成很大的短路電流，這種情況就會(huì)引起逆變失敗或逆變顛覆，造成電源短路等嚴(yán)重事故，所以應(yīng)在控制技術(shù)上絕對(duì)保證杜絕和避免此類情況出現(xiàn)。

5、高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波抑制及無功補(bǔ)償

任何形式的換流器在換流的同時(shí)都會(huì)產(chǎn)生諧波，高壓直流輸電系統(tǒng)也不例外，諧波不僅影響著電能質(zhì)量，而且對(duì)電網(wǎng)本身、電網(wǎng)中的電力設(shè)備、計(jì)量裝置、保護(hù)裝置、通信系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，因此對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確分析計(jì)算并合理的配置濾波裝置，對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)是十分重要的。目前較多的采用晶閘管相控技術(shù)，換流器在運(yùn)行中要從交流系統(tǒng)吸收無功功率，在額定工況時(shí)，溪水的無功功率一般為所交換的有功功率的40%-60%，如果換流站與交流系統(tǒng)有大量無功交換時(shí)，將會(huì)使損耗增加，同時(shí)換流站的交流電壓將會(huì)大幅變化，波形畸變，所以在換流站中根據(jù)無功功率特性裝設(shè)合適的無功補(bǔ)償裝置，是保證高壓直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。方案有：

（1）交流側(cè)濾波裝置：調(diào)諧濾波器、阻尼濾波器

（2）直流側(cè)濾波裝置：直流側(cè)濾波器裝置的涉及方法原則上與交流濾波器的設(shè)計(jì)方法相同，直流側(cè)濾波器裝置一般除平波電抗器外，還包括一個(gè)或數(shù)個(gè)特征諧波頻率的濾波器和一個(gè)高通濾波器，這些調(diào)諧支路或高通濾波器都接在直流線路的每一個(gè)極與大地之間或接在每個(gè)極與接地電極引線之間。

功率因數(shù)補(bǔ)償：第一類采用機(jī)械操作開關(guān)投切的電容器和電抗器；第二類為靜止補(bǔ)償器；第三類調(diào)相機(jī)；近年來隨著現(xiàn)代直流輸電工程設(shè)計(jì)和控制保護(hù)水平的提高，一般在電網(wǎng)短路容量與直流輸電輸送容量之比大于3時(shí)不需采用動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償設(shè)備。

6、高壓直流輸電技術(shù)存在的問題

高壓直流輸電換流站比高壓交流輸電變電站的設(shè)備和結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，通常高壓交流變電站的主要設(shè)備是變壓器和斷路器，而直流換流站除換流變壓器和相應(yīng)的斷路器外，還有換流器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器、無功補(bǔ)償設(shè)備以及各種類型的交流和直流避雷器等。因此換流站的造價(jià)比同樣規(guī)模的交流變電站的造價(jià)要高出數(shù)倍。由于設(shè)備多，換流站的損耗和運(yùn)行費(fèi)用也相應(yīng)增加，同時(shí)換流站的運(yùn)行和維護(hù)也較復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行人員專業(yè)和的要

求也較高。因此，減少換流站的設(shè)備、簡化其結(jié)構(gòu)、降低設(shè)備造價(jià)、改善設(shè)備的運(yùn)行性能，采用新型的換流設(shè)備和控制技術(shù)是今后高壓直流輸電發(fā)展中應(yīng)繼續(xù)、重點(diǎn)解決的主要問題。

7、結(jié)束語

本文著重介紹和闡述了高壓直流輸電系統(tǒng)的基本理論和特性；高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件；分析了單橋整流器工作方式、雙橋整流器工作方式以及單橋逆變工作方式等三種不同換流器的工作原理，不同的工作原理對(duì)超高壓直流輸電都有不同的影響，其中單橋逆變工作方式由于存在有逆變失敗的情況；而且還深入討論與運(yùn)行和控制有關(guān)的、換流站直流側(cè)特征諧波和諧波抑制裝置的選擇以及功率因數(shù)的補(bǔ)償?shù)确矫娴闹匾獑栴}，最后給出了超高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)展需要解決的主要問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]石新春.楊京燕.王毅.電力電子技術(shù).中國電力出版社，2005.

[2]韓民曉.文俊.徐永海.高壓直流輸電換流器工作原理.機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[3]毛曉明.管霖.張堯.彭顯剛.超高壓大功率直流輸電系統(tǒng)的先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展.電力自動(dòng)化設(shè)備2004，24（9）