電力電子課程設(shè)計(jì)--三相可控整流技術(shù)在輕型高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、<p>　　《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 三相可控整流技術(shù)在輕型高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用 </p><p>　　2011年12月26日 </p><p><b>　　一、課程設(shè)計(jì)題目</b></p>

2、<p>　　三相可控整流技術(shù)在輕型高壓直流(HVDC Light)輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　二、課程設(shè)計(jì)日期: 2011年12月16日 至 2011年12月23日</p><p><b>　　三、課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　利用三相橋式整流電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輕型高壓直流輸電過(guò)程中交流到直流的整流以及其相反過(guò)程直流到交

3、流的逆變過(guò)程，期間整流側(cè)通過(guò)架空或電纜傳送到逆變側(cè)。訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)過(guò)的變流電路原理的基礎(chǔ)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行查找資料、選擇方案、設(shè)計(jì)電路、撰寫(xiě)報(bào)告，進(jìn)一步加深對(duì)變流電路基本理論的理解，提高運(yùn)用基本技能的能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中鞏固之前學(xué)習(xí)的知識(shí)，并且鍛煉獨(dú)立思考能力。</p><p><b>　　四、課程設(shè)計(jì)正文</b></p><p>　　

4、1.輕型高壓直流輸電技術(shù)簡(jiǎn)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(lái)的新型直流輸電技術(shù)，采用可關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成電壓源型換流站VSC ( Voltage Sourced Converters )進(jìn)行直流傳輸，故采用自換相電壓源換流器VSC的HVDC被稱(chēng)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(shì)</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(gòu)成的VSC。因此，在無(wú)需改變VSC極性的情況下，只要改變電流方向就能簡(jiǎn)易迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)功率流向的控制。由于IGBT較好的開(kāi)關(guān)特性和頻率響應(yīng)，加上PWM調(diào)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(wú)晶閘管換流閥的6脈動(dòng)或12脈動(dòng)。因此，無(wú)需龐大的平波電抗器。采用PWM技術(shù)的逆變輸出交流電壓，更加趨近于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，無(wú)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(jiǎn)化，換流站更加緊湊、小型化。站與閥廳的建筑規(guī)模也相應(yīng)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(lái)的新型直流輸電技術(shù)。工作時(shí)，送端和受端均采用電壓源換流器(VSC)，兩側(cè)換流器具有相同的結(jié)構(gòu)。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(gè)橋臂由幾十個(gè)到幾百個(gè)IGBT串聯(lián)而成。換流電抗器是電壓源換流器(VSC)與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時(shí)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(guān)斷時(shí)的沖擊電流、減少直流側(cè)諧波。交流濾波器的作用是濾除交流側(cè)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(duì)周?chē)h(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>　?。?）VSC組成</b></p><p>　　由電壓源換流器組成對(duì)交

9、流電的蒸餾控制，其橋臂由大功率可控關(guān)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(dá)6.5kV、通斷電流達(dá)3kA；IGCT 的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓達(dá)6kV，最大可關(guān)斷電流達(dá)3-6kA。</p><p><b>　?。?）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(diào)制技術(shù)(SPWM)，SPWM是通

10、過(guò)比較正弦波(期望輸出的電壓波形)和三角載波來(lái)決定每個(gè)橋臂的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)刻。在直流側(cè)電壓恒定時(shí)，SPWM的調(diào)制比來(lái)決定VSC輸出電壓波形，而正弦給定信號(hào)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(wú)功功率取決于VSC輸出電壓的相位和幅值，所以通過(guò)控制SPWM給定正弦信號(hào)的相位和調(diào)制度就可以控制有功功率和無(wú)功功率的大小和傳輸方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的相互獨(dú)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(wèn)世，使得采用脈寬調(diào)制技術(shù)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(shí)間短，從而降低了通斷損耗；同時(shí)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(yīng)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(diào)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(lái)等效正弦波（如圖a）。具體是把一個(gè)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(gè)與之面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合（如圖b），這樣，由n個(gè)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(duì)主電路分析</b></p><p>　?。?）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(dāng)其集電極電位低于發(fā)射極電位時(shí)，IGBT反向阻斷；當(dāng)其集電極電位高于發(fā)射極電位時(shí)，分為兩種情況：若門(mén)極電壓低于開(kāi)啟電壓，IGBT正向阻斷；若門(mén)極電壓高于開(kāi)啟電壓，IGBT導(dǎo)通。</p><p>　　與基于晶閘管的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)不同，VSC-HVDC采用可控關(guān)斷器件和PWM技術(shù)，即IGBT由正弦交流信號(hào)控制。由調(diào)制波與三角載波比較

15、產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，使VSC橋臂高頻開(kāi)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電的整流。其單相控制電路如下。</p><p>　　PWM技術(shù)是VSC工作的基礎(chǔ)，以單相VSC正弦脈寬調(diào)制為例。原始的脈沖調(diào)制方法是利用正弦波作為基準(zhǔn)的調(diào)制波（Modulation Wave），受它調(diào)制的信號(hào)稱(chēng)為載波（Carrier Wave），在SPWM中常用等腰三角形波當(dāng)作載波。當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)（如圖），由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻。具體做

16、法是，當(dāng)U相的調(diào)制波電壓Uru高于載波電壓Ut時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件IGBT1導(dǎo)通，輸出正的脈沖電壓；當(dāng)Uru低于載波電壓Ut時(shí)使IGBT1關(guān)斷，輸出電壓為零。在Uru的負(fù)半周中，可用類(lèi)似方法控制橋臂IGBT4，輸出負(fù)的波形電壓序列。改變調(diào)制波的頻率時(shí)，輸出電壓基波的頻率也隨之改變；降低調(diào)制波的幅值時(shí)，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(yīng)減小。即實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)語(yǔ)</b></p><p>

18、　　HVDC Light 技術(shù)涉及電力系統(tǒng)、材料、控制等學(xué)科。由于目前國(guó)內(nèi)還未有相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此在開(kāi)展HVDC Light技術(shù)工程應(yīng)用的研究中，要充分調(diào)研國(guó)外HVDC Light技術(shù)的研究成果和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究?？梢韵嘈?，隨著電力電子器件、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，HVDC Light的輸送容量、電壓等級(jí)將不斷提高，而系統(tǒng)損耗和成本將不斷下降，加上國(guó)外現(xiàn)有實(shí)際工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及能源戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和

19、完善，HVDC Light必將在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、交流電網(wǎng)互聯(lián)等應(yīng)用領(lǐng)域得到更快的發(fā)展。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.陳建業(yè)等編著.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.8</p><p>　　2.周?chē)?guó)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(xué)（保定）,博士學(xué)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(jiǎn)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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,第28卷第3期2005年3月</p><p>　　6.丁奇,嚴(yán)東超,曹啟蒙作.三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究. 電力系統(tǒng)保護(hù)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(xué),碩士學(xué)位論文.2010年6月</

22、p><p>　　8.胡兆慶,毛承雄,陸繼明,李國(guó)棟作.一種新型的直流輸電技術(shù)--HVDC Light.電工技術(shù)學(xué)報(bào),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(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(shù)綜述.高電

23、壓技術(shù),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(shí)間里收獲頗豐，不僅僅是知識(shí)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(jī)會(huì)，其次要感謝這次過(guò)程中褚老師給予我們的指導(dǎo)。求學(xué)歷程是艱苦的，但又是快樂(lè)的，我相信，過(guò)程走好了，結(jié)果一定不會(huì)壞。本文參考了大量的文獻(xiàn)資料，