超高压直流输电系统中的电流变换技术
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摘 要：本文对超高压直流输电系统中的电流变换技术进行了分析，主要介绍了电流变换器件三种换流器的工作原理，通过比较解决了选择换流器的难题，同时还讨论了超高压直流输电系统中与运行和控制有关的、换流站直流侧特征谐波和谐波抑制装置的选择以及功率因数的补偿等重要方面问题，最后给出了超高压直流输电系统发展需要解决的主要问题，使超高压直流输电技术更为完善。
关键词：超高压直流输电；换流器；谐波抑制；功率因数补偿
中图分类号：[TM723] 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2013）-12-0202-02
引言：
高压直流输电是将发电厂发出的交流电通过升压变压器升压后再经整流阀变成直流电，然后通过长距离直流输电线路送至受电端，再经逆变阀变成交流电，注入受电端交流电网。其中直流输电最核心的技术集中于换流站设备，换流站实现了高压直流输电工程中直流和交流相互能量转换，除在交流场具有交流变电站相同的设备外，还有以下特有设备：换流阀、控制保护系统、换流变压器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤过器、平波电抗器以及直流场设备，而换流阀是换流站中的核心设备，其主要功能是进行交直流转换，从最初的汞弧阀发展到现在的大功率相控、光控晶闸管以及绝缘栅极双极型晶体管（IGBT），换流阀单位容量在不断的增大，因此对超高压直流输电系统中的电流变换技术的研究具有极其重要的现实意义。
1、电流变换器件换流器的工作原理：
整流器电流是从联系最高电位的阀流出，通过直流线路从联系最低电位的阀流入，通过按照一定次序的阀的“通”与“断”，整流器将交流电压变换成脉动的直流电压，其中换相的实质是交流系统短时间的两相短路，换相是依靠交流电源提供的短路电流进行的。
在直流输电系统中，为实现换流所需的三相桥式换流器的桥臂，即换流阀，它是换流器的基本单元设备，换流阀除了具有整流和逆变功能外，还具有开关功能，可利用其快速可控性对直流输电的启动和停运进行快速操作。目前常采用晶闸管阀，晶闸管是组成晶闸管阀的关键元件，阀的电气特性通过晶闸管元件的特性来体现。
2、单桥整流器工作原理图如下：
三相桥式全控整流电路应用最为广泛，如图由两组三相半波整流电路串联而成，其中阴极连接在一起的三个晶闸管（V1、V3、V5）称为共阴极，阳极连接在一起的三个晶闸管（V2、V4、V6）称为共阳极组。对于共阴极组，阳极所接交流电压值最高的一个先触发导通；对于共阳极组，阴极所接交流电压最低的一个先触发导通。正常情况下，在每一个重复周期内，六个晶体管阀轮流导通，它们的触发顺序为V1-V2-V3-V4-V5-V6，为了使电流通过负载与电源形成回路，整流器在运行中必须保证在其共阴极组和共阳极组中只能各有一个晶闸管导通。
这种整流电路的特点是：
（1）任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电路阻断后能正常导通，必须对不同组别应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π/3，或用间隔π/3的双窄脉冲代替一个大于π/3的宽脉冲，宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲。
（2）每隔π/3换相一次，换相过程在共阴极组轮流进行，但只在同一组别中换相，接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内的6个管子的组合导通顺序是：V1-V2-V3-V4-V5-V6，共阴极组V1、V3、V5的脉冲依次相差2π/3，共阳极组V4、V6、V2也依次相差2π/3，同一相的上下两个桥臂，即V1和V4、V3和V6、V5和V2的脉冲相差π度。
3、双桥整流器工作原理图如下：
l）正常运行时阀臂开通的顺序为：V11-V12-V21-V22-V31-V32-V41-V42-V51-V52-V61-V62，各个臂开通的时间间隔为交流侧周期的十二分之一（即在相位上间隔30°）由于整流输出电压在每个交流电源周期中脉动12次，所以也成为12脉动换流器。
4、单桥逆变工作原理图如下：
上图为单桥逆变器接入HVDC系统方式，此种方式工作于整流工况时，若因触发脉冲丢失、突发电源缺相或断相，其后果只影响输出的电压数值，对变流器无严重威胁，但当变流器工作于逆变工况时，一旦由于上述原因换相失败，将使输出电压进入正半周，与Em顺向连接，由于回路电阻很小，造成很大的短路电流，这种情况就会引起逆变失败或逆变颠覆，造成电源短路等严重事故，所以应在控制技术上绝对保证杜绝和避免此类情况出现。
5、高压直流输电系统的谐波抑制及无功补偿
任何形式的换流器在换流的同时都会产生谐波，高压直流输电系统也不例外，谐波不仅影响着电能质量，而且对电网本身、电网中的电力设备、计量装置、保护装置、通信系统都会产生严重的干扰，因此对谐波进行准确分析计算并合理的配置滤波装置，对于高压直流输电系统是十分重要的。目前较多的采用晶闸管相控技术，换流器在运行中要从交流系统吸收无功功率，在额定工况时，溪水的无功功率一般为所交换的有功功率的40%-60%，如果换流站与交流系统有大量无功交换时，将会使损耗增加，同时换流站的交流电压将会大幅变化，波形畸变，所以在换流站中根据无功功率特性装设合适的无功补偿装置，是保证高压直流输电系统安全稳定运行的重要条件。方案有：
（1）交流侧滤波装置：调谐滤波器、阻尼滤波器
（2）直流侧滤波装置：直流侧滤波器装置的涉及方法原则上与交流滤波器的设计方法相同，直流侧滤波器装置一般除平波电抗器外，还包括一个或数个特征谐波频率的滤波器和一个高通滤波器，这些调谐支路或高通滤波器都接在直流线路的每一个极与大地之间或接在每个极与接地电极引线之间。
功率因数补偿：第一类采用机械操作开关投切的电容器和电抗器；第二类为静止补偿器；第三类调相机；近年来随着现代直流输电工程设计和控制保护水平的提高，一般在电网短路容量与直流输电输送容量之比大于3时不需采用动态的无功补偿设备。
6、高压直流输电技术存在的问题
高压直流输电换流站比高压交流输电变电站的设备和结构复杂得多，通常高压交流变电站的主要设备是变压器和断路器，而直流换流站除换流变压器和相应的断路器外，还有换流器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备以及各种类型的交流和直流避雷器等。因此换流站的造价比同样规模的交流变电站的造价要高出数倍。由于设备多，换流站的损耗和运行费用也相应增加，同时换流站的运行和维护也较复杂，对运行人员专业和的要
求也较高。因此，减少换流站的设备、简化其结构、降低设备造价、改善设备的运行性能，采用新型的换流设备和控制技术是今后高压直流输电发展中应继续、重点解决的主要问题。
7、结束语
本文着重介绍和阐述了高压直流输电系统的基本理论和特性；高压直流输电系统的结构和元件；分析了单桥整流器工作方式、双桥整流器工作方式以及单桥逆变工作方式等三种不同换流器的工作原理，不同的工作原理对超高压直流输电都有不同的影响，其中单桥逆变工作方式由于存在有逆变失败的情况；而且还深入讨论与运行和控制有关的、换流站直流侧特征谐波和谐波抑制装置的选择以及功率因数的补偿等方面的重要问题，最后给出了超高压直流输电系统发展需要解决的主要问题。
参考文献：
[1]石新春.杨京燕..电力电子技术.中国电力出版社，2005.
[2]韩民晓.文俊.徐永海.高压直流输电换流器工作原理.机械工业出版社，2011
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