直流输电换流器比较及分析HVDC..docx

直流工程换流器比较及分析高压直流(HVDC) 输电以其在长距离大容量输电、海底电缆输电和非同步联网等领域的独特优势而得到了广泛应用。换流器是高压直流输电的核心设备，它是影响HVDC系统性能、运行方式、设备成本以及运行损耗等的关键因素。换流器概述换流器是实现交直流电相互转换的设备，当其工作在整流(或逆变)状态时，又称为整流器(或逆变器) 。换流器容量巨大、可控性强，对可靠性的要求很高。传统晶闸管换流器容量很大，但投资大、谐波严重。电压源换流器能弥补传统晶闸管换流器的部分缺点，其发展十分迅速。较典型换流器有传统晶闸管换流器、每极2组12脉动换流器、电容换相换流器以及电压源换流器等。长距离大容量高压直流输电仍然适合采用传统晶闸管换流器; 电压源换流器在HVDC中有广泛的应用前景，是未来高压直流输电技术的重要发展方向。换流器的分类换流器以实现功率变换的关键器件划分，可分为晶闸管换流器和全控器件换流器。前者指由半控器件晶闸管组成的换流器，后者指由全控器件(又称自关断器件，如IGBT、IGCT)组成的换流器；以换流方式划分，换流器分为电网换相换流器（LCC）和器件换相换流器(DCC)。前者采用晶闸管器件，由电网提供换相电压而完成换相，后者由全控器件组成，通过器件的自关断特性完成换相；根据换流器直流侧特性划分，换流器又分为电流源换流器(CSC)和电压源换流器(VSC)。电流源换流器的直流侧通过串联大电感而近似维持直流电流恒定，电压源换流器的直流侧通过并联大电容而保持直流电压近似不变。电压源换流器依据其拓扑结构进一步分为两电平和模块化多电平换流器（MMC）等结构。针对晶闸管换流器，还可根据换流器基本单元结构的不同而分为三种: 每极 1组12脉动换流器(简称12脉动换流器)，每极2组12脉动换流器串联式换流器和每极2组12脉动换流器并联式换流器。其中，12脉动换流器是常规高压直流输电的典型换流器，每极2组12脉动换流器则适用于特高压直流(HVDC) 输电。电容换相换流器属于电网换相换流器的改进型。阀塔结构设计阀塔主要由阀模块、屏蔽罩、悬吊支撑结构、阀避雷器等元部件组装而成，通过冷却水管、管母、光纤等实现与冷却系统、直流输电系统其他一次设备及二次控制系统的连接。阀塔的整体布局在力求美观和满足电气设计要求的基础上，综合考虑了各种相关的复杂因素，如爬电距离、绝缘间隙、内部干扰、杂散电感和电容分布、水压要求、重量分布、安装简便性、维护和试验简易性等。同时，为了确保高可靠性和长期安全稳定运行，对结构材料选择和零部件设计进行了优化，以降低换流阀故障后发生火灾的风险。阀塔顶部和底部都安装了屏蔽罩，以屏蔽外界对阀内的电磁干扰，使阀塔内部电场分布均匀，并且隔离阀塔之间的相互影响。悬吊部分采用标准的复合绝缘子和花篮螺栓将阀塔和避雷器悬挂于阀厅顶部的钢梁上，为便于安装，阀塔的悬吊高低位置可以通过调节花篮螺栓来调整。阀层间距设计综合考虑了交流、直流、冲击电压下的空气间隙要求，以及交流、直流电压下的局部放电要求，从而设计了合理的空气间隙和爬电距离。阀塔主体结构采用对称设计，有效减少了连接管母或母排的类型和数量，结构更加简单。层内及层间利用铝制管母连接阀模块。每个晶闸管压装结构是由多个晶闸管元件及其散热器通过专用的安装工具压装在一起的，并通过GRP 绷带固定，既可以保证良好的电气性能和导热性能，还能有效降低运行时产生的噪声。典型换流器结构及工作原理采用晶闸管的12脉动换流器电路结构及换流阀结构常规高压直流输电采用双极两端中性点接地的接线方式，在两端换流站内，每极一组12脉动换流单元。这种接线方式使换流站的设备数量最少，投资最省，运行可靠性也最高。12脉动换流单元主要包含12脉动换流器、换流变压器、无功补偿装置、交直流滤波器、直流平波电抗器、控制保护系统以及交直流开关装置等设备，如图1所示。由于单只晶闸管的参数不能满足换流器高电压、大电流和大容量的需要，因此12个换流阀(也称为阀或桥臂，即V1、V2、V3…V12） 采取晶闸管串联或串并联的接线方式。换流阀一般由60～120只晶闸管串联组成。工作原理在每个电源周期，12个换流阀以V1、V2、V3…V12的顺序间隔30o轮流触发导通，持续导通120o+μ电角度(μ为换相角) ，从而将电网的三相正弦电压转变为12脉动的整流电压ud 。与此同时，将直流极线上近似恒定的直流电流Id转变为换流器交流侧的三相电流。性能特点基于晶闸管的12脉动换流器的主要优点是：耐压水平高、输送容量大、控制技术成熟、运行经验丰富、制造水平高、运行可靠性强。其主要缺点是：只能实现有源逆变，且要求受端系统有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败; 换流器产生的谐波次数低、容量大，因此需要大量的滤波设备; 换流器吸收大量的无功功率，故需要配置大量无功补偿装置，