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换流理论与直流输电 三峡电厂电气部 吴光军 换流理论 0 引言 可控硅有一个重要特性参数－断态电压临界上升率dv/dt。它表明可控硅在额定结温和门极路条件下，使可控硅从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了可控硅的电压上升率值，会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于可控硅的正向电压低于其峰值电压，也可能发生这种情况。因为可控硅可以看作是由三个PN结组成,其等效电路参见图一。在可控硅处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2结结面相当于一个电容C。当可控硅阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容C，并通过J3结，这个电流门极触发电流作用。如果可控硅在关断时，阳极电压上升速度太快，则C的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，可控硅误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到可控硅上的阳极电压上升率应有一定的限制。snubber）支路与可控硅元件并接来限制该尖峰电压值，是常用的方式。 可控硅产生换相尖峰过电压的原因是由于可控硅元件本身换相关断过程中，在电路中激发起电磁能量的相互转换和传递而引起的。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏可控硅。电容两端电压不能突变的特性电压上升率避免电容器可控硅放电电流过大，造成过电流而损坏可控硅。 图1 可控硅等效电路图 反馈控制原理： 控制系统：分为反馈控制、开环控制及复合控制 控制理论：经典控制理论和现代控制理论 例如：电压控制 1 基本原理 自19世纪末三相交流电力问世以来，交流电以其巨大的优越性使其在发电和输配电方面都居于独占地位。近几十年来，交流电力系统规模越来越大，输电电压越来越高，电网的互联也日趋复杂。与此同时也产生了一些复杂的技术问题如稳定问题等需要解决。在这个过程中，人们又回过头来想到能否利用直流输电的优点，在某些特定条件下加以应用，以克服交流输电在技术上的困难，或者取得经济上的更加节省。 首先，直流输电线路的造价比较低。尽管两端换流站造价较高，但对远距离输电来说，当输电线长度超过某一临界数值时，其总造价将比交流输电低。又如海底电缆输电，由于直流电通过电缆不需要充电电流，因而可传输更大的功率。此外，直流输电不存在通常交流输电的稳定问题，在交流系统稳定问题非常突出的情况，采用直流输电是解决稳定问题的有效方案。直流输电可以联结额定频率不同的电力系统，采用“背靠背”的直流输电环节，可实现不同额定频率交流电力系统之间功率的传输和交换。直流输电传输功率控制的快速性，提供大功率和小信号快速调制的可能，可用以提供了紧急功率支援，平息交流系统的振荡， 提高系统的稳定性。 采用汞弧整流阀技术的第一代直流输电线路在20世纪50年代得到发展。1954年瑞典建成了110千伏电压约100公里的海底直流输电线（从Gotland到瑞典大陆），输电能力20兆瓦。60年代可控硅技术的发展，为直流输电提供了价格性能更好的换流元件，使直流输电技术发展到一个新的阶段。1972年加拿大Eel River建成了世界上第一个采用可控硅换流元件的直流工程。近年来，大型直流输电工程不断出现。据IEEE统计，截至1996年底，世界上已投运的直流工程已有56项，输电容量达54.166GW。可以预见，直流输电在未来的电力系统中将有更大的发展。 我国自行设计，自己制造设备的舟山直流输电工程于1987年底投入试运行。±500千伏电压、线路长达1041公里，输送容量为1200兆瓦的双极超高压直流输电工程——葛州坝—上海直流工程已在1990年投入运行。更大容量的天（生桥）—广（州）±500kV、1800MW的直流输电工程也于2001年投产。±500kV、3000MW的三峡龙（泉）—政（平）直流输电工程将在2003年双极投产。同样容量的三（峡）—广（东）线和贵（州）—广（东）线正在加紧建设。预计随着我国 “西电东送”工程的进展，将有更多的大容量直流输电工程建成投产。 直流输电的广泛应用和发展，对电力系统计算分析提出了新的要求。为了分析交直流电力系统的运行问题，我们要在分析直流输电系统运行特性的基础上，制订直流环节数学模型，研究相应的计算方法，进一步发展适合于交直流系统的分析计算方法和程序，用于研究交直流系统的分析和控制问题。 2 换流器的工作原理和基本方程式 换流器包括整流器和逆变器是高压直流输电的主要环节。用于高压直流输电的换流器都采用三相桥式接线方式。每桥由六个桥臂组成，接于三相交流电源。6个桥阀以基波周期的等相位间隔依次轮流触发，称六脉冲换流桥。通常，高压直流输电采用双极方式，即每一换流站由正负极两组换流器组成。有时每极由两组换流桥在直流侧串联而成。此时，为了得到较好的直流电压