換流閥在高壓直流輸電系統中的應用及技術展望

孫文寶， 付嬌嬌， 成舉， 楊宗， 羅園

（甘肅電器科學研究院，甘肅天水 741018）

整流器和逆變器統稱為換流器，是直流輸電系統的核心設備。換流器以換流閥為基本組成單元，通過有序觸發內部半導體器件的導通與關斷，進行整流或逆變，從而完成直流輸電系統交、直流變換的功能。

1 換流閥基本介紹

1.1 組成結構

換流閥主要包括主電路、機械絕緣結構、觸發和監控系統、冷卻系統等。主電路包括半導體器件和輔助元件等，以實現換流閥作為高壓開關的功能。機械絕緣結構形成機械支撐，并構成設備的內外絕緣。觸發監控系統主要完成對半導體器件的觸發控制和狀態監測。冷卻系統將閥體上各發熱元件（半導體器件、阻尼電阻和電抗器）的功耗發熱量排放到閥廳外，保證其在正常允許溫度范圍內工作。

1.2 工作原理

換流站內每六組換流閥組成一個三相橋式電路進行工作，完成交、直流變換的功能。每組換流閥即為一個橋臂，具有可控的導通、關斷特性。多個三相橋串聯工作，可達到符合要求的電壓等級，減少諧波，提高交、直流變換特性。其工作原理可用一個三相換流橋來分析，圖1 為三相橋式換流器工作原理圖。

圖1 三相橋式換流器工作原理圖

由于換流閥具有單向可控的導通、關斷特性，相繼觸發單閥V1～V6，就能阻斷三相交流的反向流動，在橋式電路直流輸出端形成單相直流電流，完成由交流向直流的變換，即整流過程，平波電抗器Ld將進一步濾除諧波成分。反之，可實現直流到交流的變換，即逆變過程?？刂茡Q流閥的觸發導通時刻，可實現交、直流電壓、電流幅值的調節。

換流閥的單向導通、關斷功能由內部半導體器件實現。由于單個半導體器件耐壓低（一般為幾千伏），而直流輸電電壓等級高（一般達幾百千伏），因此換流閥一般由幾十甚至上百個半導體器件串聯而成。

根據半導體器件開關特性及串聯機制工作特點，換流閥電路中還裝有輔助元器件（包括阻尼電阻電容、飽和電抗器、閥避雷器等），以抑制開關暫態過程中的電壓、電流振蕩，補償鏈式電路電壓分配不均，進行過電壓保護。

觸發監控系統進行光電轉換，從而在高電位實現對半導體器件的觸發控制和狀態監測。

冷卻系統通過恒定壓力和流速的冷卻介質流經被冷卻器件帶走熱量，溫升水經室外換熱設備進行熱交換，換熱后回流至循環泵的進口。其控制系統由預設的溫控系統通過變頻器控制冷卻風扇的轉速控制冷卻風量，實現對冷卻系統循環冷卻水溫度的精密控制。

1.3 設備類型

按照所采用的核心元器件不同，目前換流閥主要有普通晶閘管閥和高頻絕緣柵雙極晶體管閥（簡稱IGBT 閥）。

由于晶閘管和IGBT 的開關特性存在差異，前者只能控制導通（也即半控），而后者能對導通和關斷進行控制（也稱全控），它們的工作原理、控制方式、交直流換流特性等都有所區別。通常把基于晶閘管閥的直流輸電稱為常規直流，而采用IGBT閥的直流輸電稱為柔性直流（或輕型直流）。目前絕大部分直流工程采用的是晶閘管閥，通流容量高，特別適用于大容量、遠距離的電力輸送和交流系統的非同步互聯。IGBT 閥及柔性直流輸電技術采用脈寬調制技術，其交、直流變換的電氣特性好，諧波少，不需要或只需要少量的交、直流濾波裝置，但其開關損耗相對較大，適用于更為靈活的電力輸送和新能源接入等場合。

2 高壓直流輸電換流技術分析

目前，高壓直流輸電使用的換流器，通常是由以晶閘管器件為基礎構成的換流閥和提供換相電壓的換流變壓器組成。晶閘管是具有承受電壓高、通流能力強且技術成熟的電力電子器件［1］。以下結合晶閘管的導通和關斷性能分析高壓直流輸電換流技術。

2.1 6 脈動換流器的工作原理分析

2.1.1 整流器

6 脈動整流器原理接線圖如圖2 所示。6 脈動整流器是通過換流閥三相橋式連接的6 個橋臂（閥）V1～V6按序通斷，將交流電變為直流電，數字1～6 為閥的導通序號。通常每個閥由多個晶閘管元件串聯構成，容易實現直流電壓的設計要求。ea、eb、ec為交流系統等值工頻基波正弦相電動勢（通常由換流變壓器提供），Lr為每相等值換相電抗（主要為換流變壓器的漏抗）的電感，Ld為平波電抗器的電感。交流系統的等值線電壓eac、ebc、eba、eca、ecb、eab為閥的換相電壓。規定換相電壓由負變正的過零點為閥觸發角α 的計時起點。在理想條件下，三相交流系統對稱，6 個閥的觸發角相等且等距，觸發脈沖間距為60°。

圖2 6 脈動整流器原理接線圖

換相電壓為正半波（α＝0°～180°）的區間是閥具備正向導通條件的區域，所加觸發脈沖的時刻（α 角）即為閥的導通時刻。對于整流器而言，α 的范圍為0°～90°（不含90°）時，換流器輸出的直流電壓為正。在一個工頻周期內，共陽極組（V2、V4、V6）和共陰極組（V1、V3、V5）中各有一個非同相的閥導通，將流入整流器的交流電送入直流回路形成直流電流。

以V1向V3換相為例說明換相的過程：一旦V3導通，換流變壓器的A 相和B 相通過V1和V3形成兩相短路，此時V3中的電流為兩相短路電流，從零開始升高；在V1中由于兩相短路電流的方向與原V1中的電流方向相反，流經它的電流為兩相短路電流與原電流之差值，當兩相短路電流等于原電流時，流經它的電流為零，則V1關斷，全部直流電流流過V3，換相過程結束。由于閥電流的回路中存在電感，因此導通和關斷的兩閥電流不能突變，換相所需要的時間用換相角μ 表示。6 脈動整流器在正常運行時，其兩端的直流電壓平均值Ud1可用式（1）表示：

式中Udi01—整流器理想空載直流電壓，kV；U1—整流側換流變壓器閥側線電壓有效值，kV；α—整流器觸發角，（°）；Id—直流電流，kA；Xr1—整流器等值換相電抗，Ω；dr1—比換相壓降，即1 個單位直流電流在換相過程中引起的直流電壓降。

式（1）表示整流器的直流電壓和直流電流的關系，也稱為整流器的伏安特性［2］。換相角μ 是換流器的一個重要參數，它直接影響換流器的無功和諧波性能。換流器的換相角為：

從式（2）可知：對于整流運行工況，μ1隨α 的增加而減?。é粒?0°）；μ1隨Xr1的增大而增大；當Xr1和α 不變時，μ1隨Id的增加或U1的下降而增大。

2.1.2 逆變器

這里所分析的逆變器為有源逆變器，即逆變器需要所連接的交流系統提供換相電壓和電流［3］。圖3 為6 脈動逆變器的原理接線圖。

由式（1）可知，在0°＜α＜180°的范圍內，當忽略換流器的內部壓降且α＜90°時，直流輸出電壓為正，換流器為整流工況；α＝90°時，直流輸出電壓為零；α＞90°時，直流輸出電壓為負，換流器工作在逆變工況。在逆變工況下，換流器不可能沿著其單向導電的方向向外接負荷送出直流電流，但它與整流器組合，作為整流器的負荷，借助整流器輸出的正向直流電壓，即可實現逆變器運行。

與整流器相同，6 脈動逆變器也是由三相橋式接線的6 個閥及提供換相電壓的換流變壓器所組成。每個閥由多個晶閘管元件串聯構成，具有晶閘管器件的特點。逆變器的6 個閥V1～V6也是按整流器一樣的順序，借助于換流變壓器閥側繞組的兩相短路電流進行換相［4］。在一個工頻周期內，分別有共陽極組合陰極組中各一個非同相的閥導通，將直流電流分別送入換流器的三相繞組，使直流電流轉變為交流電流［5］。

逆變器的直流平均電壓Ud2可表示為：

式中Udi02—逆變器空載直流電壓，kV；U2—逆變側換流變壓器閥側線電壓有效值，kV；dr2—逆變器比換相壓降，Ω；Xr2—逆變器等值換相電抗，Ω；β—逆變器超前觸發角，（°）；γ—關斷角，（°），即逆變器閥關斷、電流為零后承受負電壓的時間。

逆變器換相角為：

逆變器運行中的換相角μ2也隨Id、U2、γ 和Xr2的變化而變化。對于逆變器，γ＝β-μ2，當β 角不變時或來不及變化時，μ2增大，意味著γ 角的減小。閥關斷時，當γ 角小到一定程度時，由于施加在剛關斷閥上的負電壓時間（γ 角）小于閥恢復阻斷能力所需要的時間，從而使其在加上正電壓后又重新導通，稱為換相失敗。換相失敗將造成逆變器兩端周期性的短時短路，使直流電壓瞬時降低，直流電流瞬時升高。為了防止換相失敗，運行中規定γ≥γ0，γ0包含滿足閥恢復阻斷能力的時間，同時還包含考慮交流系統三相電壓和參數不對稱性，以及離散控制的反應時間等因素而留有的裕度，通常取17°～18°。整流閥關斷后很長時間處于反向阻斷狀態，所以整流器不存在閥恢復阻斷能力時間不足引起換相失敗的問題。

2.2 換流器吸收的無功功率及容量

換流器所連每相中的交流電壓與交流電流存在相位差，它可以近似為換流器的功率因數角φ，無論整流還是逆變換流器，工作時需要向交流系統吸收無功，因此換流站需要配置無功補償裝置。

整流站的功率因數為：

逆變站的功率因數為：

整流器吸收的無功為：

逆變器吸收的無功為：

式中Pd1—整流側有功功率，MW，Pd1＝Ud1Id；Pd2—逆變側有功功率，MW，Pd2＝Ud2Id。

由式（7）和式（8）可知，晶閘管閥運行中需要吸收大量的無功功率；換流器吸收的無功功率與直流輸電的輸送容量成正比。

由于換流器流入交流側的電流帶有諧波，6 脈動換流器在交流側和直流側將分別產生（6k±1）次的諧波（k 為整數），稱之為特征諧波。因此，在交流側需要配備（6k±1）次的交流濾波器；在直流側，對于架空線路通常還需要配備6k 次的直流濾波器。晶閘管換流器的諧波及無功特性直接影響到換流變壓器的性能和容量要求。

對于6 脈動換流器，其交流側電流及換流變壓器的參量如下：

（1）交流側線電流有效值可近似表示為：

整流器或逆變器交流側線電流基波分量有效值可近似表示為：

（2）換流變壓器（三相）的額定容量可表示為：

式中Udi0N—額定空載直流電壓，kV；IdN—額定直流電流，kA。

2.3 12 脈動換流器簡介

12 脈動換流器是由兩個6 脈動換流器在直流側串聯而成，其交流側通過換流變壓器的網側繞組并聯。換流變壓器的閥側繞組一個為星形接線，另一個為三角形接線，從而使兩個6 脈動換流器的換相電壓相位差30°［6］。圖4 為采用兩組雙繞組變壓器時的12 脈動換流器的原理接線圖，其工作原理與6 脈動換流器相同，12 脈動換流器直流電壓為6 脈動換流器的2 倍。由于12 脈動換流器可有效改善諧波性能，可簡化濾波裝置、降低成本，現階段，大多數直流輸電系統選擇12 脈動換流器作為基本換流單元［7］。

圖4 12 脈動換流器原理接線圖

3 結論

由于遠距離電力輸送的需要，直流輸電換流閥向著更高電壓等級、更大輸送容量的方向發展。目前，輸送容量將達11000MW±1100kV 特高壓直流輸電工程已經實現雙極送電，換流閥的研制工作已經取得了關鍵技術的突破。隨著新能源接入及資源優化配置的需求，基于IGBT 閥的柔性直流輸電技術有望在未來得到迅速發展，其電壓等級將會越來越高，輸送容量也將越來越大。