高压直流输电系统换流器技术分析

发表时间：2017-01-17T14:21:14.437Z 来源：《电力设备》2016年第22期 作者： 李晓谦 陈明强 于安伟[导读] 本文主要研究高压直流输电系统换流器技术，分析了高压直流输电技术现状。

（新疆维吾尔自治区送变电工程公司 830011）

摘要：本文主要研究高压直流输电系统换流器技术，分析了高压直流输电技术现状，并对晶闸管12脉动换流器和电容换相换流器技术进行了分析。

关键词：高压直流输电系统；换流器；技术

为了提高电能调配的经济性与合理性，国家电网开始积极建设特高压坚强智能电网，其中高压直流输电技术是远距离高压输电的技术核心，研究高压直流输电系统换流器等配套技术十分必要。 一、高压直流输电技术

高压直流输电在远距离、大容量输电、海底输电、非同步输电中的应用优势比较明显，世界范围内，已经投入运行的直流输电工程已经超过100多项，我国西电东送、全国联网的电网建设战略的实现，也依赖高压直流输电技术。

换流器是高压输电核心设备，对高压直流输电系统的性能、运行方式、投资成本、运行维护工作影响较大。换流器的核心功能是交直流电之间的相互转换，处于整流逆变状态时也称作整流器。根据功率变化核心元器件的不同，换流器可以细分为晶闸管换流器和全控器换流器，其中晶闸管换流器使用半控晶闸管，全控器件使用自关断全控器件。换流器有电网换相换流、器件换相换流两种换流方式，其中电网换相换流器使用晶闸管，电网提供换相电压进行换相，器件换相换流器基于全控器件，利用器件自关断特性换相。

换流器根据直流特性划分，还可以分为电流源、电压源两种，其中电流源换流器直流侧串联大电感，保持直流电流稳定，电压源换流器则在直流侧并联大电容，维持直流电压恒定。 二、晶闸管12脉动换流器

加拿大伊尔河背靠背直流工程是世界首个完全使用晶闸管器件的高压直流输电工程，始建于1972年，从投产开始一直使用晶闸管换流器作为主力换流器。半控晶闸管能够控制导通，但是无法关断，晶闸管换流阀关断换相电压由电网提供，因此可以视作电网换相换流器，而晶闸管换流器提供近乎恒定直流电，因此也属于电流源换向器。 （一）电路结构

双极两端中性点接地换线，两端换流站单极一组12脉冲动换流单元，该电路结构下换流站必须设备数量最少，基础投资少，运行维护成本低，运行可靠性高。12脉换流器由直流侧串联两组6脉动换流器、交流侧并联换流变压器组成。单只晶闸管无论电压、电流还是容量都不满足换流器需求，需要使用晶闸管串联、串并联接线方式连接12个换流阀或桥臂。

工艺成熟设备厂商已经能够提供125mm直径晶闸管，额定值7kv、3kA以上，直径150mm晶闸管额定值进一步提升到8.5kv、3.5kA。长距离、大容量直流输电额定电压一般为500kv，额定电流2-3kA左右，晶闸管串联就能够满足容量、电压和电流需求。 （二）工作方式

一个电源周期内，换流阀按顺序30°间隔轮流触发导通120°+μ电角度，转变电网三相正线电压为12脉动整流电压，同时转变直流极线上近恒定直流电流为换流器交流侧三相电流。对12脉动换流器整流电压进行傅里叶级数分解，获得12k=12、24???次特征谐波，相电流分解为12k+1=11、13、23、25???次特征谐波，直流滤波器、交流滤波器分别抑制，使其满足高压直流输电需求。高压直流输电一般要求直流极线等效干扰电流小于1000mA，环流母线谐波电压总畸变＜1.75%，奇数次谐波谐波电流含有率＜1.0%，偶次谐波电流含有率＜0.5%。

（三）控制

12脉动换流器控制方式比较多，有整流直流电流控制、最小触发角控制等，两端换流站还分别配置了低压限流控制，调整CC整定值就能够改变直流电流和直流输电功率。整流器额定触发角15°，逆变器额定关断角17°，调节换流变压器分接头，就能够控制其角度偏移量在限制±2.5°以内。

换流器以直流电流为控制对象，高压直流输电系统短路电流持续时间更短，峰值小于额定值的2.0倍。整流或者逆变状态下，12脉动换流器需吸收电网无功功率，功率因数角≈α+μ/2或γ-μ/2。额定状态μ≈20°，忽略无功补偿，换流器功率因数≈0.9，换流器要吸收48.4%直流功率的无功功率，部分运行控制模式下，换流器吸收的无功功率更多，不能完全依赖电网，换流站需要就地补偿，配备额定直流功率50%-60%的无功补偿容量。

三、晶闸管UHVDC换流器/电容换相换流器 （一）晶闸管UHVDC换流器 1、结构与原理

直流800kv以上，交流1000kv以上为特高压。不同的电压等级，经济输送总量、经济输送距离也有所不同。特高压换流器接线方式主要有两种，分别为2组12脉换流器串联/脉动换流器并联，国家电网统一采用串联接线，考虑到换流器制造技术难度不高，换流变压器制造和运输更加方便，同时充分借鉴常规换流器设计制造与运行经验。

以12脉动换流器为基本单元的特高压换流器工作原理和常规直流高压输电显露换流器基本相同，有五类不同的运行方式，超过80种。运行控制也和常规直流输电工程换流器相似，基于12脉动换流单元配置控制策略，但是整体结构更加复杂，分层冗余、控制分配等功能更加完善。

2、性能特点

单极2组12脉动换流器串联接线方案输电容量更大，最高可达3600MW，超出500kv常规换流器70%以上，而且运行方式更加灵活，可以选择单组或双组运行，获得额定容量的25%、50%、75%和100%等多个等级输出。双组运行方式同样也提高了换流器运行的可靠性，在

单组换流器故障时仍然能够保持至少25%额定功率的输出，而且特高压输电线损比和500kv常规直流高压线路相比减少接近40%，输电线损低，传输效率高。

但是仍然使用晶闸管，晶闸管换流器的不足仍未得以解决。 （二）电容换相换流器

电网换相换流器无功功率需求较高，可能出现换相失败，针对此，1954年Buseman等人提出电容换向器的概念。之后经过几十年的不懈努力，从90年代开始，计算机技术、自调谐滤波器技术的发展和电容制造工艺技术水平的不断进步，电容换相换流器重新回到人们的视野。

1、结构、原理、控制

电容换相换流器简单说就是常规晶闸管换流器、换流变压器之间串联电容。换相电容电压类似梯形波，叠加在换流变换器阀侧，后移换相电压相位，增大换向阀关断角，直流电流越大，换向阀关断角越大。降低换流母线电压，换向电容电压也将随之减小，换相角基本不变，关断角增大，即便换相母线瞬间失压，仍然可能成功换相，因为换相电容端电压可以提供全部换相电压，从而降低了直流电流升高、换相母线电压下降时换相失败的几率。 2、性能特点

和晶闸管换相换流器相比，电容换向器稳定性更高，换相失败几率更低，消耗无功功率更小，故障紧急停运，换相站过电压倍数更低，短路电流峰值更小，不足晶闸管换向器的1/2。

但是电容换相换流器在母线三相不对称时产生的瞬时变化会改变换向器电容电压与相位，从而改变换流阀换相电压和关断角，可能导致换相失败，而直流接地端6脉动换流器在接地故障时，换向电容可能经换向阀放电，导致换向阀烧损。 结语：

随着电压源换流器容量、电压等级的不断提高，电压源换流器将获得更加广泛的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术有着较大的发展潜力。参考文献：

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[3]管敏渊,徐政,潘武略,张静,郑翔.电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制[J].高电压技术,2013（05）. [4]汤广福,贺之渊,庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化,2014（15）.

[5]蔡新红,赵成勇.模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制保护体系框架[J].电力自动化设备,2014（09）.

[6]王卫安,桂卫华,马雅青,张杰,管敏渊,徐政.向无源网络供电的模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制器设计[J].高电压技术,2014（03）. 作者简介：

李晓谦(1986),助理工程师,从事变电站高压试验和继电保护调试工作； 陈明强(1984),助理工程师,从事变电站高压试验和继电保护调试工作； 于安伟(1989),助理工程师,从事变电站高压试验和继电保护工作。