超高壓直流輸電系統中的電流變換技術

胡艷允　景曉東

摘 要：本文對超高壓直流輸電系統中的電流變換技術進行了分析，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，同時還討論了超高壓直流輸電系統中與運行和控制有關的、換流站直流側特征諧波和諧波抑制裝置的選擇以及功率因數的補償等重要方面問題，最后給出了超高壓直流輸電系統發展需要解決的主要問題，使超高壓直流輸電技術更為完善。

關鍵詞：超高壓直流輸電；換流器；諧波抑制；功率因數補償

中圖分類號：[TM723] 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2013）-12-0202-02

引言：

高壓直流輸電是將發電廠發出的交流電通過升壓變壓器升壓后再經整流閥變成直流電，然后通過長距離直流輸電線路送至受電端，再經逆變閥變成交流電，注入受電端交流電網。其中直流輸電最核心的技術集中于換流站設備，換流站實現了高壓直流輸電工程中直流和交流相互能量轉換，除在交流場具有交流變電站相同的設備外，還有以下特有設備：換流閥、控制保護系統、換流變壓器、交流濾波器和無功補償設備、直流濾過器、平波電抗器以及直流場設備，而換流閥是換流站中的核心設備，其主要功能是進行交直流轉換，從最初的汞弧閥發展到現在的大功率相控、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，因此對超高壓直流輸電系統中的電流變換技術的研究具有極其重要的現實意義。

1、電流變換器件換流器的工作原理：

整流器電流是從聯系最高電位的閥流出，通過直流線路從聯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的直流電壓，其中換相的實質是交流系統短時間的兩相短路，換相是依靠交流電源提供的短路電流進行的。

在直流輸電系統中，為實現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備，換流閥除了具有整流和逆變功能外，還具有開關功能，可利用其快速可控性對直流輸電的啟動和停運進行快速操作。目前常采用晶閘管閥，晶閘管是組成晶閘管閥的關鍵元件，閥的電氣特性通過晶閘管元件的特性來體現。

2、單橋整流器工作原理圖如下：

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

這種整流電路的特點是：

（1）任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構成電流通路，因此為保證電路啟動或電路阻斷后能正常導通，必須對不同組別應導通的一對晶閘管同時加觸發脈沖，所以觸發脈沖的寬度應大于π/3，或用間隔π/3的雙窄脈沖代替一個大于π/3的寬脈沖，寬脈沖觸發要求觸發功率大，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行，但只在同一組別中換相，接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內的6個管子的組合導通順序是：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）正常運行時閥臂開通的順序為：V11-V12-V21-V22-V31-V32-V41-V42-V51-V52-V61-V62，各個臂開通的時間間隔為交流側周期的十二分之一（即在相位上間隔30°）由于整流輸出電壓在每個交流電源周期中脈動12次，所以也成為12脈動換流器。

4、單橋逆變工作原理圖如下：

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

5、高壓直流輸電系統的諧波抑制及無功補償

任何形式的換流器在換流的同時都會產生諧波，高壓直流輸電系統也不例外，諧波不僅影響著電能質量，而且對電網本身、電網中的電力設備、計量裝置、保護裝置、通信系統都會產生嚴重的干擾，因此對諧波進行準確分析計算并合理的配置濾波裝置，對于高壓直流輸電系統是十分重要的。目前較多的采用晶閘管相控技術，換流器在運行中要從交流系統吸收無功功率，在額定工況時，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有大量無功交換時，將會使損耗增加，同時換流站的交流電壓將會大幅變化，波形畸變，所以在換流站中根據無功功率特性裝設合適的無功補償裝置，是保證高壓直流輸電系統安全穩定運行的重要條件。方案有：

（1）交流側濾波裝置：調諧濾波器、阻尼濾波器

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

功率因數補償：第一類采用機械操作開關投切的電容器和電抗器；第二類為靜止補償器；第三類調相機；近年來隨著現代直流輸電工程設計和控制保護水平的提高，一般在電網短路容量與直流輸電輸送容量之比大于3時不需采用動態的無功補償設備。

6、高壓直流輸電技術存在的問題

高壓直流輸電換流站比高壓交流輸電變電站的設備和結構復雜得多，通常高壓交流變電站的主要設備是變壓器和斷路器，而直流換流站除換流變壓器和相應的斷路器外，還有換流器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器、無功補償設備以及各種類型的交流和直流避雷器等。因此換流站的造價比同樣規模的交流變電站的造價要高出數倍。由于設備多，換流站的損耗和運行費用也相應增加，同時換流站的運行和維護也較復雜，對運行人員專業和的要

求也較高。因此，減少換流站的設備、簡化其結構、降低設備造價、改善設備的運行性能，采用新型的換流設備和控制技術是今后高壓直流輸電發展中應繼續、重點解決的主要問題。

7、結束語

本文著重介紹和闡述了高壓直流輸電系統的基本理論和特性；高壓直流輸電系統的結構和元件；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行和控制有關的、換流站直流側特征諧波和諧波抑制裝置的選擇以及功率因數的補償等方面的重要問題，最后給出了超高壓直流輸電系統發展需要解決的主要問題。

參考文獻：

[1]石新春.楊京燕.王毅.電力電子技術.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.機械工業出版社，2011

[3]毛曉明.管霖.張堯.彭顯剛.超高壓大功率直流輸電系統的先進控制技術應用及發展.電力自動化設備2004，24（9）