電力電子課程設計--三相可控整流技術在輕型高壓直流輸電系統(tǒng)中的應用

1、<p>　　《電力電子技術》課程設計說明書</p><p>　　設計題目： 三相可控整流技術在輕型高壓直流輸電系統(tǒng)中的應用 </p><p>　　2011年12月26日 </p><p><b>　　一、課程設計題目</b></p>

2、<p>　　三相可控整流技術在輕型高壓直流(HVDC Light)輸電系統(tǒng)中的應用</p><p>　　二、課程設計日期: 2011年12月16日 至 2011年12月23日</p><p><b>　　三、課程設計目的</b></p><p>　　利用三相橋式整流電路實現(xiàn)對輕型高壓直流輸電過程中交流到直流的整流以及其相反過程直流到交

3、流的逆變過程，期間整流側通過架空或電纜傳送到逆變側。訓練學生綜合運用學過的變流電路原理的基礎知識，獨立進行查找資料、選擇方案、設計電路、撰寫報告，進一步加深對變流電路基本理論的理解，提高運用基本技能的能力，為今后的學習和工作打下堅實的基礎。在設計過程中鞏固之前學習的知識，并且鍛煉獨立思考能力。</p><p><b>　　四、課程設計正文</b></p><p>　　

4、1.輕型高壓直流輸電技術簡介</p><p><b>　?。?）概述</b></p><p>　　輕型高壓直流輸電是一種以電壓源換流器和絕緣柵雙極晶體管為主要部件發(fā)展起來的新型直流輸電技術，采用可關斷電力電子器件構成電壓源型換流站VSC ( Voltage Sourced Converters )進行直流傳輸，故采用自換相電壓源換流器VSC的HVDC被稱為輕型高壓直流

5、輸電（HVDC-Light）。</p><p>　?。?）與傳統(tǒng)高壓直流輸電HVDC不同及優(yōu)勢</p><p>　　輕型HVDC和傳統(tǒng)的HVDC相比，最大的差別在于兩邊均采用IGBT構成的VSC。因此，在無需改變VSC極性的情況下，只要改變電流方向就能簡易迅速地實現(xiàn)對功率流向的控制。由于IGBT較好的開關特性和頻率響應，加上PWM調制，使整流輸出的直流電壓更加趨近于理想值，僅附著幅值極小的

6、高頻紋波，無晶閘管換流閥的6脈動或12脈動。因此，無需龐大的平波電抗器。采用PWM技術的逆變輸出交流電壓，更加趨近于標準的正弦波，無明顯的換相齒和換相重疊角，諧波分量大大減小，使傳統(tǒng)的濾波系統(tǒng)簡化，換流站更加緊湊、小型化。站與閥廳的建筑規(guī)模也相應縮小，投資減少。</p><p>　　2. HVDC-Light基本工作原理</p><p>　　輕型直流輸電是一種以電壓源換流器（VSC）和絕緣

7、柵雙極晶體管（IGBT）為主要部件發(fā)展起來的新型直流輸電技術。工作時，送端和受端均采用電壓源換流器(VSC)，兩側換流器具有相同的結構。換流器由換流橋、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。換流橋的每個橋臂由幾十個到幾百個IGBT串聯(lián)而成。換流電抗器是電壓源換流器(VSC)與交流側能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用。直流電容器的作用是為逆變器提供電壓支撐、緩沖橋臂關斷時的沖擊電流、減少直流側諧波。交流濾波器的作用是濾除交流側諧波。另

8、外，輕型直流輸電的傳輸線路一般采用地下電纜，對周圍環(huán)境的影響較小。主電路如下。</p><p>　　1-交流濾波器2-換流電抗器3-換流橋4-直流電容5-直流電纜</p><p>　　3.電壓源型換流站VSC</p><p><b>　　（1）VSC組成</b></p><p>　　由電壓源換流器組成對交

9、流電的蒸餾控制，其橋臂由大功率可控關斷型器件（如IGBT、IGCT）和反并聯(lián)的二極管組成。目前IGBT的耐壓水平達6.5kV、通斷電流達3kA；IGCT 的斷態(tài)重復峰值電壓達6kV，最大可關斷電流達3-6kA。</p><p><b>　　（2）工作原理</b></p><p>　　在VSC-HVDC輸電中，VSC通常采用的是正弦脈沖調制技術(SPWM)，SPWM是通

10、過比較正弦波(期望輸出的電壓波形)和三角載波來決定每個橋臂的開通關斷時刻。在直流側電壓恒定時，SPWM的調制比來決定VSC輸出電壓波形，而正弦給定信號的頻率與相位決定VSC輸出電壓的頻率與相位。由于VSC吸收的有功功率和無功功率取決于VSC輸出電壓的相位和幅值，所以通過控制SPWM給定正弦信號的相位和調制度就可以控制有功功率和無功功率的大小和傳輸方向，從而實現(xiàn)對有功功率和無功功率的相互獨立的控制。</p><p>

11、;<b>　　4.SPWM控制</b></p><p><b>　?。?）控制組成</b></p><p>　　大功率高頻IGBT的問世，使得采用脈寬調制技術成為可能。IGBT的控制極具高阻抗，要求的觸發(fā)功率小；其由于通斷頻率高，切換時間短，從而降低了通斷損耗；同時在上千赫茲的通斷頻率下，串聯(lián)元件仍能得到良好的均壓。因此，由IGBT組成的PWM電

12、壓源換流器在輕型直流輸電工程中得到了廣泛的應用。</p><p>　　1-三相輸電線2-晶閘管IGBT示意</p><p><b>　?。?）工作原理</b></p><p>　　電壓正弦脈沖調制法的基本思路是與正弦波等效的一系列等副不等寬的矩形脈沖形來等效正弦波（如圖a）。具體是把一個正弦半波分作n等分（圖a中n=12），然后把每一等分正

13、弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與之面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合（如圖b），這樣，由n個等副不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周波等效，即SPWM波形。</p><p><b>　　5.對主電路分析</b></p><p>　　（1）單相整流電路分析</p><p>　　控制電路元

14、件主要采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT），并且反并聯(lián)電力二極管，IGBT為全控型器件，當其集電極電位低于發(fā)射極電位時，IGBT反向阻斷；當其集電極電位高于發(fā)射極電位時，分為兩種情況：若門極電壓低于開啟電壓，IGBT正向阻斷；若門極電壓高于開啟電壓，IGBT導通。</p><p>　　與基于晶閘管的傳統(tǒng)直流輸電技術不同，VSC-HVDC采用可控關斷器件和PWM技術，即IGBT由正弦交流信號控制。由調制波與三角載波比較

15、產生的觸發(fā)脈沖，使VSC橋臂高頻開通和關斷，實現(xiàn)對交流電的整流。其單相控制電路如下。</p><p>　　PWM技術是VSC工作的基礎，以單相VSC正弦脈寬調制為例。原始的脈沖調制方法是利用正弦波作為基準的調制波（Modulation Wave），受它調制的信號稱為載波（Carrier Wave），在SPWM中常用等腰三角形波當作載波。當調制波與載波相交時（如圖），由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻。具體做

16、法是，當U相的調制波電壓Uru高于載波電壓Ut時，使相應的開關器件IGBT1導通，輸出正的脈沖電壓；當Uru低于載波電壓Ut時使IGBT1關斷，輸出電壓為零。在Uru的負半周中，可用類似方法控制橋臂IGBT4，輸出負的波形電壓序列。改變調制波的頻率時，輸出電壓基波的頻率也隨之改變；降低調制波的幅值時，各段脈沖的寬度都將變窄，從而使輸出電壓基波的幅值也相應減小。即實現(xiàn)對整流器的控制。 </p><p>　

17、?。?）三相整流電路分析</p><p>　　三相的情況與單相相同，此處不再累述。</p><p><b>　　三相電路圖如下。</b></p><p><b>　　輸出波形圖如下。</b></p><p><b>　　五、結語</b></p><p>

18、　　HVDC Light 技術涉及電力系統(tǒng)、材料、控制等學科。由于目前國內還未有相關工程實踐經驗，因此在開展HVDC Light技術工程應用的研究中，要充分調研國外HVDC Light技術的研究成果和相關工程經驗，對其關鍵技術進行重點研究?？梢韵嘈牛S著電力電子器件、計算機控制等技術的不斷發(fā)展，HVDC Light的輸送容量、電壓等級將不斷提高，而系統(tǒng)損耗和成本將不斷下降，加上國外現(xiàn)有實際工程的運行經驗以及能源戰(zhàn)略和能源結構的不斷調整和

19、完善，HVDC Light必將在可再生能源并網、分布式發(fā)電并網、孤島供電、城市電網供電、交流電網互聯(lián)等應用領域得到更快的發(fā)展。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　1.陳建業(yè)等編著.電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用.北京:機械工業(yè)出版社,2007.8</p><p>　　2.周國梁作.基于電壓源換流器的高壓直流輸

20、電系統(tǒng)控制策略研究.華北電力大學（保定）,博士學位論文,2009.5</p><p>　　3.楊秀,郭晨吉,金紅核作.輕型高壓直流輸電綜述.華東電力, 第37卷第4期</p><p><b>　　2009年4月</b></p><p>　　4.馬振軍作.輕型HVDC和SVC簡介.高壓電器,第38卷第6期2002年12月</p>&

21、lt;p>　　5.彭容,周雒維,杜雄作.一種新型的電壓源換流器.重慶大學學報（自然科學版）,第28卷第3期2005年3月</p><p>　　6.丁奇,嚴東超,曹啟蒙作.三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設計方法的研究. 電力系統(tǒng)保護與控制,第37卷第23期2009年12月</p><p>　　7.從振作.輕型高壓直流輸電控制策略研究.西南交通大學,碩士學位論文.2010年6月</

22、p><p>　　8.胡兆慶,毛承雄,陸繼明,李國棟作.一種新型的直流輸電技術--HVDC Light.電工技術學報,第20卷第7期2005年7月</p><p>　　9.劉波,丁明,吳紅斌作.輕型高壓直流輸電系統(tǒng)的MATLAB仿真.合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),第28卷第6期2005年6月</p><p>　　10.徐政.陳海榮作.電壓源換流器型直流輸電技術綜述.高電

23、壓技術,第33 卷第1期2007年1月</p><p><b>　　七、致謝詞</b></p><p>　　在這短短的幾天時間里收獲頗豐，不僅僅是知識的加深和鞏固，更是一次思維的歷練。在這里，首先要感謝褚曉銳老師給我們這次鍛煉的機會，其次要感謝這次過程中褚老師給予我們的指導。求學歷程是艱苦的，但又是快樂的，我相信，過程走好了，結果一定不會壞。本文參考了大量的文獻資料，