第三章 电压源型变换器1

第3章 电压型变流器 3.1 电压型变流器的基本概念 根据第1章所介绍的FACTS控制器知，电压型变流器是构成STATCOM、SSSC、UPFC、IPFC和其它控制器的主要功能部件，本章将针对这种变流器的工作原理进行讨论。 众所周知，普通晶闸管只有在正向电压下才能触发导通，要使晶闸管关断，则只能通过电路施加一个反向电压才能使导通电流为零。而另外一些功率器件，例如门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS关断晶闸管（MTO）、集成门极换相晶闸管IGCT，以及类似的其它器件等都具有触发导通和关断能力。与晶闸管相比，这些可关断器件的价格更贵，损耗也高。但是，可关断器件所具有的换相功能，对整个系统的价格和运行性能都能够带来明显的优势。相对于由晶闸管构成的线性变流器而言，这些优势来自于变流器本身所具有的自换相能力。而线性变流器在换相时必须有一个交流电源与变流器相连，因而它要消耗无功功率，而且当它在逆变模式下运行时，还要承受可能出现的逆变失败。在传输有功功率时，由于变流器工作在电流滞后的两个象限需消耗无功功率，因此，要使FACTS控制器能够真正发挥作用，它应该具有自换相功能，它能够减少甚至消除在这两个象限的无功消耗。自换相变流器一般有两种基本类型： 1） 电流型变流器：在这种变流器中，直流电流总是在一个方向上流动，要反向传输功率则可通过电压极性的反向来实现。 2） 电压型变流器：在这种变流器中，直流电压始终只有一个极性，可通过改变直流电流的极性实现反向功率传输。 传统的变流器一般都是由晶闸管构成的，由于它没有关断功能，所以只可能是电流型变流器；而有关断能力的开关器件所构成的变流器既可以是电流型，也可以是电压型。然而在FACTS的实际应用中，由于经济和性能的原因，通常更乐于采用电压型变流器。本章将讨论几种自换相电压型变流器的概念，而这几种变流器也是部分FACTS控制器的基本构件。 由于电压型变流器的输出电流可以在任一方向流动，因此这种变流器的开关阀应允许电流能够双向流动；此外，还由于这种变流器的直流输出电压极性不变，所以可关断器件也没有必要具有承受反向电压的能力，这种可关断器件称为不对称的可关断器件。因此，电压型变流器的开关阀是由不对称的可关断器件组成的，如图3-1a中的GTO与反并联的二极管就构成这种开关阀。有些可关断器件，如IGBT和IGCT，将它们与反并联二极管集成为一个整体，就适合电压型变流器的应用。当然，对于大功率变流器而言，采用分离的二极管与可关断器件进行反并联要更好些。实际上，在高电压应用场合，一般都是将数个可关断器件与反并联二极管组成的开关阀进行串联连接。如图3-1 a所示，该符号通常表示可关断器件与反并联二极管形成的开关阀，它的电压、电流额定值应能满足变流器的要求。 就电压型变流器的范畴而论，对它的概念有很多种解释。一般来讲，与FACTS控制器相关的电压型变流器可分为两类：一类变流器既可提供有功功率，同时也提供无功功率，本章要描述的就是这类变流器；还有一类电压型变流器，它们仅能提供和消耗无功功率，并不交换有功功率，对这类变流器的分析本章将不进行专门讨论。 图3-1b所示为电压型变流器的基本工作原理，变流器开关的内部电路拓扑用内嵌开关阀的方框符号来表示。由图可见，变流器直流侧电压是单极性的，它依靠电容来支撑。这个电容应足够大，当变流器按开关顺序周期性动作时，并在持续不断的充放电电流作用下，以及在开关阀相位移动时，该电容至少能保证直流电压不会发生显著的变化。这个电流会伴随变流器电子开关顺序，并以直流电压无明显变化的开关数产生相位漂移。为了说明问题方便起见，在本章的讨论中，均假设直流电容电压不变。由图还应看到，变流器直流侧电流可以在两个方向上流动，因此它应能与直流系统在两个方向上交换直流功率。在交流侧，变流器输出的交流电压则是通过电感与交流系统相连。作为低内阻的交流电压源，当变流器通过串联电感与交流系统相连时，要能确保直流电容不会出现短路，并能很快地对容性负载放电，如对传输线的放电。应注意，这个交流系统通常具有感性传输阻抗，或者是通过变压器耦合过来的。另外，也可能有必要在变流器输出与串联电感之间安装一个交流滤波器（图中没有画出），这样可防止变流器侧的谐波进入交流系统。

图3-1 电压型变流器的基本原理 a) 电压型变流器的开关阀 b)电压型变流器的概念 c) 单个开关阀的运行 从概念上讲，电压型变流器输出的交流电压是由直流电压产生的，这种变流器常称为逆变器，即使这种变流器具有双向功率交换的能力，也仍然用逆变器的概念来说明。但本书将采用“变流器”一词来表述，以表明它所具有的双向功率交换能力。另外，电压型变流器的输出电压幅值、相角和频率都是可控的。 为了进一步解释变流器的工作原理，图3-1c给出了单个开关阀的工作原理示意图。假定由一个大的电容器支撑的直流电压Ud为恒定电压，且它的正极性端与可关断器件的阳极相连。当可关断器件触发导通时，直流电压的正极性端便与交流端的A点相连，这样交流输出电压就跳变到+Ud。如果此时的电流是从+Ud通过可关断器件流向A点，则功率就从直流侧流向交流侧，即所谓的逆变工作状态。但当电流从交流侧的A点通过二极管流向+Ud，即使是可关断器件已经触发，功率仍将从交流侧流向直流侧，这即是整流工作状态。因此，由可关断器件与反并联二极管组成的开关阀能够处理两个方向的功率流动，即可关断器件承担逆变任务，二极管则负责整流任务。这种组合开关阀能分别作为整流器或逆变器使用的工作方式是电压型变流器工作的基本原理，它工作在逆变状态还是整流状态，则取决于瞬时电流的正负（假定由交流侧到直流侧为正）。

3.2 单相全波桥式变流器的运行

虽然FACTS控制器一般用于三相电路，但在有些设计中也会将它用于单相全波变流器。但不管是哪种情况，为了进一步理解电压型变流器的工作原理，首先应理解单相桥变流器的运行原理和桥臂工作情况。 图3-2 电压源型单相全波变流器 a) 单相全波电路 b) 工作波形 c) 电流和电压之间的相位关系 图3-2a给出了单相全波桥式变流器的原理结构，它由4个开关阀组成，即开关器件1-1~4-4，电路中的直流电容能够提供很硬的直流电压，通过a、b两点与交流系统连接。图中给出的开关阀的数字表示了它们导通和关断的顺序，以下将解释直流电压是如何通过开关阀的导通和关断顺序并转变为交流电压的。 首先来观察如图3-2b中第一条波形。当交流电压处于某个半周波时，触发可关断器件1和2，则交流电压Uab直接加在直流电容两端，即为+Ud ；而在交流电压处于另外半波时，可关断器件3和4导通，1和2关断，则加在直流电容上的Uab成为–Ud 。由此所得到的直流输出电压的波形与交流电压的相角、大小和波形无关，此时的交流电流就是系统交流电压、系统阻抗和变流器产生的交流电共同作用的结果。例如，假设图中第2个波形的电流iab为正弦波，角度超前方波电压θ，则从t1时刻开始，由电路不难看出： （1） t1~t2区间：可关断功率器件1和2导通，3和4关断，Uab为正，iab为负。电流通过功率器件1流向交流系统的a点，并通过交流侧的b点和功率器件2流入，此时的功率是从直流侧向交流侧流动，即变流器工作在逆变状态。 （2） t2~t3区间：在此区间电流反向，即电流为正，通过二极管1′和2′将功率由交流侧送往直流侧，此时变流器工作在整流状态。注意，在这个区间，尽管功率器件1和2仍然被触发导通，电压Uab也同样是加在直流侧，即为此时的+Ud，但电流并不是通过它们反方向流动。实际上，此时功率器件1和2只是已准备好，当实际电流的方向需要它们导通时，它们就会在触发脉冲作用下导通。 （3）t3 ~ t4区间：功率器件1和2关断，3和4导通，当iab仍然为正时，Uab就变为负值。此时电流通过功率器件3和4将功率从直流侧传送到交流侧，变流器工作在逆变状态。 （4）t4~t5区间：功率器件3和4继续导通，1和2关断，Uab为负，电流iab通过二极管3′和4′反方向流动，功率则从交流侧向直流侧传送，变流器工作在整流状态。 从t5时刻开始，交流电周期又相当于从t1时刻重新开始，功率器件1和2又重新导通，3和4再次关断。表3-1给出了一个完整周期的这4种运行模式的基本概况。 图3-2b表示直流母线上的电流id为正（由交流侧流向直流侧，即整流状态）和为负（由直流侧流向交流侧，即逆变状态）时的波形。显然，直流电流的平均值为负，而且电流Id中除了直流电流成分外，还含有谐波电流。实际上，必须有直流电流流入到直流系统，因为它要给电容充电，而且所有的谐波电流都要通过这个电容。单相全波桥式变流器的直流谐波均为2k次谐波，（其中k为整数），即2、4、6…等偶次谐波。图3-2b中最后的一个波形为开关阀1-1两端的电压波形。 图3-2c中的矢量图为交流电压和电流的相位关系，这个相位关系表明功率是由交流侧向直流侧流动，且为滞后功率因数。 表3-1 单相变流器在一个周波中的四个区间的工作概况 功率器件 Uab 电流方向 导通器件 变流器工作状态 1、2导通；3、4关断 正 负 1、2 逆变 1、2导通；3、4关断 正 正 1′，2′ 整流 1、2关断；3、4导通 负 正 3，4 逆变 1、2关断；3、4导通 负 负 3′，4′ 整流

3.3 单桥臂运行

本节将分析图3-3所示的单桥臂电路的工作原理。由图可见，此处的电容被分成两个串联连接的电容，且交流侧的中性点与这两个电容的中性点N相连。当这两个可关断器件交替断开和闭合时，它输出的交流电压波形为方波，方波幅值为Ud/2。注意，在Ud幅值不变的前提下，当图3-3a电路中的两个桥臂以全波方式运行时，它输出的交流方波电压幅值是图3-3b方波输出幅值的两倍。在多相全波电路中，由于电流能够通过其它相的桥臂返回，所以中性点的连接就没有必要。

图3-3 a) 单桥臂电路结构 b)交流输出电压 根据以上介绍，变流器的工作应该具有以下特点： 1）变流器的交流输出电压和电流之间可以有任何相位关系，即相角可以覆盖所有4个象限。换句话说，变流器可以在具有超前或滞后无功功率的整流或逆变状态下工作。如图3-1b所示，当这种变流器分别与它的交、直流侧系统相连时，就能够起到交换有功功率的作用。如果变流器仅用于无功功率的交换，那么该变流器的直流侧只需连接一个直流电容就行了。 2）通过调节变流器输出的交流电压幅值和电压与电流间的相位差，可独立控制有功和无功功率。 3）二极管能够实现实时的整流功能，可关断功率器件则能实现实时的逆变功能。当然，根