换流阀在高压直流输电系统中的应用及技术展望

孙文宝， 付娇娇， 成举， 杨宗， 罗园

（甘肃电器科学研究院，甘肃天水 741018）

整流器和逆变器统称为换流器，是直流输电系统的核心设备。换流器以换流阀为基本组成单元，通过有序触发内部半导体器件的导通与关断，进行整流或逆变，从而完成直流输电系统交、直流变换的功能。

1 换流阀基本介绍

1.1 组成结构

换流阀主要包括主电路、机械绝缘结构、触发和监控系统、冷却系统等。主电路包括半导体器件和辅助元件等，以实现换流阀作为高压开关的功能。机械绝缘结构形成机械支撑，并构成设备的内外绝缘。触发监控系统主要完成对半导体器件的触发控制和状态监测。冷却系统将阀体上各发热元件（半导体器件、阻尼电阻和电抗器）的功耗发热量排放到阀厅外，保证其在正常允许温度范围内工作。

1.2 工作原理

换流站内每六组换流阀组成一个三相桥式电路进行工作，完成交、直流变换的功能。每组换流阀即为一个桥臂，具有可控的导通、关断特性。多个三相桥串联工作，可达到符合要求的电压等级，减少谐波，提高交、直流变换特性。其工作原理可用一个三相换流桥来分析，图1 为三相桥式换流器工作原理图。

图1 三相桥式换流器工作原理图

由于换流阀具有单向可控的导通、关断特性，相继触发单阀V1～V6，就能阻断三相交流的反向流动，在桥式电路直流输出端形成单相直流电流，完成由交流向直流的变换，即整流过程，平波电抗器Ld将进一步滤除谐波成分。反之，可实现直流到交流的变换，即逆变过程。控制换流阀的触发导通时刻，可实现交、直流电压、电流幅值的调节。

换流阀的单向导通、关断功能由内部半导体器件实现。由于单个半导体器件耐压低（一般为几千伏），而直流输电电压等级高（一般达几百千伏），因此换流阀一般由几十甚至上百个半导体器件串联而成。

根据半导体器件开关特性及串联机制工作特点，换流阀电路中还装有辅助元器件（包括阻尼电阻电容、饱和电抗器、阀避雷器等），以抑制开关暂态过程中的电压、电流振荡，补偿链式电路电压分配不均，进行过电压保护。

触发监控系统进行光电转换，从而在高电位实现对半导体器件的触发控制和状态监测。

冷却系统通过恒定压力和流速的冷却介质流经被冷却器件带走热量，温升水经室外换热设备进行热交换，换热后回流至循环泵的进口。其控制系统由预设的温控系统通过变频器控制冷却风扇的转速控制冷却风量，实现对冷却系统循环冷却水温度的精密控制。

1.3 设备类型

按照所采用的核心元器件不同，目前换流阀主要有普通晶闸管阀和高频绝缘栅双极晶体管阀（简称IGBT 阀）。

由于晶闸管和IGBT 的开关特性存在差异，前者只能控制导通（也即半控），而后者能对导通和关断进行控制（也称全控），它们的工作原理、控制方式、交直流换流特性等都有所区别。通常把基于晶闸管阀的直流输电称为常规直流，而采用IGBT阀的直流输电称为柔性直流（或轻型直流）。目前绝大部分直流工程采用的是晶闸管阀，通流容量高，特别适用于大容量、远距离的电力输送和交流系统的非同步互联。IGBT 阀及柔性直流输电技术采用脉宽调制技术，其交、直流变换的电气特性好，谐波少，不需要或只需要少量的交、直流滤波装置，但其开关损耗相对较大，适用于更为灵活的电力输送和新能源接入等场合。

2 高压直流输电换流技术分析

目前，高压直流输电使用的换流器，通常是由以晶闸管器件为基础构成的换流阀和提供换相电压的换流变压器组成。晶闸管是具有承受电压高、通流能力强且技术成熟的电力电子器件［1］。以下结合晶闸管的导通和关断性能分析高压直流输电换流技术。

2.1 6 脉动换流器的工作原理分析

2.1.1 整流器

6 脉动整流器原理接线图如图2 所示。6 脉动整流器是通过换流阀三相桥式连接的6 个桥臂（阀）V1～V6按序通断，将交流电变为直流电，数字1～6 为阀的导通序号。通常每个阀由多个晶闸管元件串联构成，容易实现直流电压的设计要求。ea、eb、ec为交流系统等值工频基波正弦相电动势（通常由换流变压器提供），Lr为每相等值换相电抗（主要为换流变压器的漏抗）的电感，Ld为平波电抗器的电感。交流系统的等值线电压eac、ebc、eba、eca、ecb、eab为阀的换相电压。规定换相电压由负变正的过零点为阀触发角α 的计时起点。在理想条件下，三相交流系统对称，6 个阀的触发角相等且等距，触发脉冲间距为60°。

图2 6 脉动整流器原理接线图

换相电压为正半波（α＝0°～180°）的区间是阀具备正向导通条件的区域，所加触发脉冲的时刻（α 角）即为阀的导通时刻。对于整流器而言，α 的范围为0°～90°（不含90°）时，换流器输出的直流电压为正。在一个工频周期内，共阳极组（V2、V4、V6）和共阴极组（V1、V3、V5）中各有一个非同相的阀导通，将流入整流器的交流电送入直流回路形成直流电流。

以V1向V3换相为例说明换相的过程：一旦V3导通，换流变压器的A 相和B 相通过V1和V3形成两相短路，此时V3中的电流为两相短路电流，从零开始升高；在V1中由于两相短路电流的方向与原V1中的电流方向相反，流经它的电流为两相短路电流与原电流之差值，当两相短路电流等于原电流时，流经它的电流为零，则V1关断，全部直流电流流过V3，换相过程结束。由于阀电流的回路中存在电感，因此导通和关断的两阀电流不能突变，换相所需要的时间用换相角μ 表示。6 脉动整流器在正常运行时，其两端的直流电压平均值Ud1可用式（1）表示：

式中Udi01—整流器理想空载直流电压，kV；U1—整流侧换流变压器阀侧线电压有效值，kV；α—整流器触发角，（°）；Id—直流电流，kA；Xr1—整流器等值换相电抗，Ω；dr1—比换相压降，即1 个单位直流电流在换相过程中引起的直流电压降。

式（1）表示整流器的直流电压和直流电流的关系，也称为整流器的伏安特性［2］。换相角μ 是换流器的一个重要参数，它直接影响换流器的无功和谐波性能。换流器的换相角为：

从式（2）可知：对于整流运行工况，μ1随α 的增加而减小（α＜90°）；μ1随Xr1的增大而增大；当Xr1和α 不变时，μ1随Id的增加或U1的下降而增大。

2.1.2 逆变器

这里所分析的逆变器为有源逆变器，即逆变器需要所连接的交流系统提供换相电压和电流［3］。图3 为6 脉动逆变器的原理接线图。

由式（1）可知，在0°＜α＜180°的范围内，当忽略换流器的内部压降且α＜90°时，直流输出电压为正，换流器为整流工况；α＝90°时，直流输出电压为零；α＞90°时，直流输出电压为负，换流器工作在逆变工况。在逆变工况下，换流器不可能沿着其单向导电的方向向外接负荷送出直流电流，但它与整流器组合，作为整流器的负荷，借助整流器输出的正向直流电压，即可实现逆变器运行。

与整流器相同，6 脉动逆变器也是由三相桥式接线的6 个阀及提供换相电压的换流变压器所组成。每个阀由多个晶闸管元件串联构成，具有晶闸管器件的特点。逆变器的6 个阀V1～V6也是按整流器一样的顺序，借助于换流变压器阀侧绕组的两相短路电流进行换相［4］。在一个工频周期内，分别有共阳极组合阴极组中各一个非同相的阀导通，将直流电流分别送入换流器的三相绕组，使直流电流转变为交流电流［5］。

逆变器的直流平均电压Ud2可表示为：

式中Udi02—逆变器空载直流电压，kV；U2—逆变侧换流变压器阀侧线电压有效值，kV；dr2—逆变器比换相压降，Ω；Xr2—逆变器等值换相电抗，Ω；β—逆变器超前触发角，（°）；γ—关断角，（°），即逆变器阀关断、电流为零后承受负电压的时间。

逆变器换相角为：

逆变器运行中的换相角μ2也随Id、U2、γ 和Xr2的变化而变化。对于逆变器，γ＝β-μ2，当β 角不变时或来不及变化时，μ2增大，意味着γ 角的减小。阀关断时，当γ 角小到一定程度时，由于施加在刚关断阀上的负电压时间（γ 角）小于阀恢复阻断能力所需要的时间，从而使其在加上正电压后又重新导通，称为换相失败。换相失败将造成逆变器两端周期性的短时短路，使直流电压瞬时降低，直流电流瞬时升高。为了防止换相失败，运行中规定γ≥γ0，γ0包含满足阀恢复阻断能力的时间，同时还包含考虑交流系统三相电压和参数不对称性，以及离散控制的反应时间等因素而留有的裕度，通常取17°～18°。整流阀关断后很长时间处于反向阻断状态，所以整流器不存在阀恢复阻断能力时间不足引起换相失败的问题。

2.2 换流器吸收的无功功率及容量

换流器所连每相中的交流电压与交流电流存在相位差，它可以近似为换流器的功率因数角φ，无论整流还是逆变换流器，工作时需要向交流系统吸收无功，因此换流站需要配置无功补偿装置。

整流站的功率因数为：

逆变站的功率因数为：

整流器吸收的无功为：

逆变器吸收的无功为：

式中Pd1—整流侧有功功率，MW，Pd1＝Ud1Id；Pd2—逆变侧有功功率，MW，Pd2＝Ud2Id。

由式（7）和式（8）可知，晶闸管阀运行中需要吸收大量的无功功率；换流器吸收的无功功率与直流输电的输送容量成正比。

由于换流器流入交流侧的电流带有谐波，6 脉动换流器在交流侧和直流侧将分别产生（6k±1）次的谐波（k 为整数），称之为特征谐波。因此，在交流侧需要配备（6k±1）次的交流滤波器；在直流侧，对于架空线路通常还需要配备6k 次的直流滤波器。晶闸管换流器的谐波及无功特性直接影响到换流变压器的性能和容量要求。

对于6 脉动换流器，其交流侧电流及换流变压器的参量如下：

（1）交流侧线电流有效值可近似表示为：

整流器或逆变器交流侧线电流基波分量有效值可近似表示为：

（2）换流变压器（三相）的额定容量可表示为：

式中Udi0N—额定空载直流电压，kV；IdN—额定直流电流，kA。

2.3 12 脉动换流器简介

12 脉动换流器是由两个6 脉动换流器在直流侧串联而成，其交流侧通过换流变压器的网侧绕组并联。换流变压器的阀侧绕组一个为星形接线，另一个为三角形接线，从而使两个6 脉动换流器的换相电压相位差30°［6］。图4 为采用两组双绕组变压器时的12 脉动换流器的原理接线图，其工作原理与6 脉动换流器相同，12 脉动换流器直流电压为6 脉动换流器的2 倍。由于12 脉动换流器可有效改善谐波性能，可简化滤波装置、降低成本，现阶段，大多数直流输电系统选择12 脉动换流器作为基本换流单元［7］。

图4 12 脉动换流器原理接线图

3 结论

由于远距离电力输送的需要，直流输电换流阀向着更高电压等级、更大输送容量的方向发展。目前，输送容量将达11000MW±1100kV 特高压直流输电工程已经实现双极送电，换流阀的研制工作已经取得了关键技术的突破。随着新能源接入及资源优化配置的需求，基于IGBT 阀的柔性直流输电技术有望在未来得到迅速发展，其电压等级将会越来越高，输送容量也将越来越大。