高压直流电源的整流与逆变技术概述 (1).docx

伊犁师范大学电信学院2019届电气工程及其自动化专业毕业论文 毕业论文论文题目高压直流电源的整流与逆变技术概述总评成绩所在学院 电子与信息工程学院专业班级电气工程及其自动化姓 名玛依拉姑丽·阿地力别克学 号14420336032指导教师董金臣职 称助教 伊 犁 师 范 大 学 教 务 处 制二零一九年四月诚 信 声 明我声明，所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果，据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，我承诺：论文中的所有内容均真实、可信，论文中不存在违反法律法规和党纪党规的相关内容。作者签名：年 月 日高压直流电源的整流与逆变技术概述玛依拉古丽·阿地力别克（伊犁师范大学电子与信息工程学院电气工程及其自动化15-1班，新疆 伊宁市 835000）摘 要：高压直流输电由换流器整流将交流变直流，再经换流器逆变将直流变交流，完成电能的传输。本文首先简单阐述了高压直流电源的整流与逆变技术在国内外研究现状以及选题的意义。然后阐述了单向全桥式逆变电路原理图，电路输出电压波形与幅值，傅立叶级数计算公式以及工作原理，同时介绍了单相半波整流电路和单相桥式整流电路的电路图，工作原理，电路输出电压，电流波形，参数计算公式以及优缺点。每个晶闸管级由直流均压电路，交流均压电路，晶闸管控制单元和晶闸管组成其中晶闸管控制单元是核心。其次，阐明了晶闸管在三相桥式全控整流与逆变过程中的运行方式。最后，阐述了PWM整流器控制技术和PWM逆变电路的调制控制法。高压直流输电中的换流阀由晶闸管级串联组成的。关键词：高压直流源；逆变；整流；晶闸管；PWM1目录摘 要：1第一章 绪论31.1高压直流电源的整流与逆变技术研究现状31.2选题的意义3第二章 整流与逆变技术概述52.1逆变52.2整流62.2.1单相半波整流电路62.2.2单相桥式整流电路8第三章 晶闸管在整流与逆变过程中的运行方式123.1晶闸管在整流电路中的运行方式123.2晶闸管在电压型逆变电路中的运行方式12第四章 整流器和逆变器的PWM控制策略研究154.1PWM整流器控制技术154.2PWM逆变电路的调制控制法15结束语17致谢18参考文献1922第一章 绪论1.1高压直流电源的整流与逆变技术研究现状从20世纪中期到20世纪末，电网规模不断扩大，形成了大型互联电网，发电机组单机容量达到3001000MW，建立了330Kv的超高压交直流输电系统；高压直流输电整流逆变技术首先进入了汞弧阀技术时期，汞弧阀换流技术的是通过汞极和碳极之间被点燃的汞蒸汽来完成其功能。1954年，瑞典本土和哥特兰岛之间建成电压为100Kv，额定功率为20MW，线路长为96Km海底电缆的直流工程，这是世界上采用汞弧阀换流技术的第一个工程，也是世界上第一个工业性的高压直流输电工程，从此到1977年采用汞弧阀技术的最后一个工程，纳尔逊河第一期工程，世界上共有12个采用汞孤阀的工程投入运行。但是汞孤阀制造复杂，价格昂贵，稳定性差，维护不便等原因，使直流输电的发展和应用受到限制，到了20世纪70年代的时候人们发现通过向栅极施加一个与接通电流方向相反的电流进行关断操作的晶闸管，并由此衍生出逆变器。高压直流输电就进入了晶闸管技术时期，世界上首个全部使用晶闸管的加拿大伊尔河工程投入运行。其直流电压为80KV，额定容量为320MW；从此以后新建的高压直流输电工程都采用晶闸管技术，原来的汞孤阀技术也开始被晶闸管代替。它们因为电路简单，技术成熟等优点得到广泛应用并让其成为直流换流站的标准设备。进入90年代后，新型金属氧化物半导体首先在工业上得到广泛应用。1977年3月世界上首个采用半导体换流技术的直流输电实验工程在瑞典中部投入运行。其输送功率和电压为3MW和10KV，输送距离为10Km。利用这种换流技术的换流装置功能强，体积小，结构简单并且解决了直流输电向无交流输电负荷点送点的问题，开始大范围利用。但是其自身耗损大等缺点，不利于大型工程利用。近几年来，不仅高压直流输电工程发展更为迅速，新建电网多采用高压直流，大区电网间也多采用直流隔离，而且研制成功的门级集成晶闸管和大功率碳化硅元件在高压直流输电上有很好的应用前景。此类元件电压高，同流能力大，损耗低，体积小，可靠性高，并且还具有自关断能力，因此这些新型的半导体换流技术会逐步取代旧的晶闸管等技术，并将有力推动直流输电发展。在1975年，全世界投入运行的直流工程只有11项，输电容量为5GW，到2003年的时候，国外投入使用的高压直流输电系统为70个，输电容量为53281MW，直流输电电路/电缆19399Km。1.2选题的意义上个世纪50年代，世界上首个商用的高压直流输电工程投入运行，高压直流输电技术因为输送距离远，架空线路杆塔结构简单，稳定性高等优势收到人们更多的关注，整流与逆变技术作为高压直流输电的核心技术，其研究方面的突破性进展，促使直流输电技术的迅速发展。世界上各国都充分地挖掘高压直流输电和其换流技术的价值，增加高压直流输电工程的数量，从而达到降低费用，提高可靠性的根本目的。高压直流输电技术的最大优势无非是输送距离远，线路功率损耗低，稳定性高，可控性好，这些优点体现高压直流输电的技术研究方面的价值。另一方面，利用整流与逆变核心技术的换流装置向体积更小，造价更低，效率更高的方向走，给设计和制造换流器的商家带来更多的商机，给整个输电线路的经费带来可降低的可能性，体现了其经济方面的价值。这完美地补充我国西部到东部的输电线路的地形条件差，输送距离远的不足，更适合我国西部经济不发达地区的输电网的建造。与此同时，更高的输送容量，更高的输送功率，更低的线路损耗需要更好的整流逆变技术与其相匹配，早期的汞弧阀等换流装置造价昂贵，结构复杂，根本满足不了高压输电技术的发展需求。这就加快了整流逆变技术的研究进度，带动了与直流输电整流与逆流有关的电工电气，自动化，计算机等一系列新型技术的发展。因此整流与逆流技术的价值不语而知。整个人类生存环境日趋恶劣，有机燃料日临枯燥的今天，所有人的目光投向了太阳能，风力发电，潮汐发点等再生能源，但是这些发电方式出来的大部分都是弱交流或直流电流，把这些直流电源接到输电电网或者直接输送到用电设备需要进过换流器，而整流逆变技术刚好解决这方面的难题。把这些直流电源调好频率转换成可直接使用的交流电流。从一般的高压直流输电到攻破新兴的再生能源的技术难题，从最复杂的航天航空，大型工程到生活中常用的电器设备，都可以见到整变与逆变技术的身影。由此可见整流逆变技术给我们生活带来的巨大的改变和影响。在不久的未来，整流与逆变技术会突破更多的限制，攻破更多的技术难关，走向更加智能化和更高效率的道路，更深地影响我们的生活，更加体现其研究价值。第二章 整流与逆变技术概述整流和逆变完全不同，这两个是不同的概念，而且完全含义完全相反。前者是指将交流的电流转换成直流的电流，这个过程可以简单的形容“交转直”，后者是指将直流的电流转换成交流的电流，这个过程可以简单的形容为“直转交”。2.1逆变根据前文可知逆变电路就是“直转交”电路，在电路的一侧有电网接入时可以称该电路是有源逆变电路。当电路的一侧有交流接入，并且有负载接入时，该电路被称为无源电路。如图2-1所示。图2-1 逆变电路（类型：单向全桥式）图2-2 输出电压波形与幅值（电路类型：桥式逆变电路）根据电路图可以桥式逆变电路的控制特点，整个电路的开关状态完全取决于两端的电压信号，直接电压Ud接入到该电路的PN端，并且将负载接在电路的A端和B端。当打开桥式逆变电路中的T1和T4接口，但是关闭桥式逆变电路的T2和T3接口，此时U0=Ud。当关闭桥式逆变电路的T1和T4接口，但是打开桥式逆变电路的T2和T3接口时，此时U0=-Ud。在该状态下桥式逆变电路中各个回路以某个频率（即f值）轮回端开与闭合时，此时会产生交变方波，输出电压为U0，并且产生幅值为Ud的电压差，显然重复频率和之前的通断频率一样，即f值。根据电路图2-2可知，将幅值Ud的波整理得到傅立叶级数，得到如下公式。 （2.1）根据公式2.1可知输出频率的大小可以由前文中的通断频率也就是控制信号频率f决定，直接改变Ud幅值，即直接改变基波幅值，实现逆变电路的效果。2.2整流从某一个角度而言整流可以说是一种奇特的物理现象，不仅仅是“交转直”，并且是产生一种功率流，这种传向方式是由电源往负载转换，整个过程可以称作是AC或者DC变换。从物流角度是由相同的驱动力作用下，产生不同大小幅值的逆向和正向的电流。2.2.1整流电路（单相半波）第一，电路图设计这种电路设计比较简单，只需要一个简单的二极管单向导通即可实现整流的目的，这种方法和真正意义上的整流方式不同，被称为半波整流。但从实际效果上来看都是将交流电转成直流电。比较经典的电路图如图2-3所示。图2-3 整流电路（类型：单相半波）第二，电路的工作原理介绍电路图中有U1、U2、RL，U0,VD，TRa等元件，每个元件的作用不同。电源变压器由TRa符号表示。本设计的负载由电阻符号RL来替代。当电阻型负载有电流经过，并且二极管也有电流经过式，此时元件导通，并且正半周两端产生，瞬时不同的极性，如果产生降压，那么可以完全忽略掉，此时。如果未导通，即截止了，并且负半周两端产生另外瞬时不同的极性，即，,此时,。二极管导通，二极管截止，图2-4整流电路（类型：单相半波）第三，探讨电流波形，以及输出电压的具体过程。交流电压的计算为，这个可以设定为变压器二次绕组的压值，其中有效电压值是，它具体的波形图如图2-5所示。图2-5 输出电压和电流波形（类型：单相半波整流电路）电阻型负载的电压和电流与息息相关，半个周期的对应关系是为。其中比较特殊，是单向直流电压，并且还是脉动直流电压，也比较特殊，也是单向直流电流，并且还是脉动直流电流。第四，是参数的计算。首先是的计算，也就是输出电压平均值的计算。具体公式如下：U0=1T0Tu0dt=202u0dt=1202U2sintdt=2U22 -cost0=2U2=0.45U2 （2.2）其次是的计算，也就是负载电流平均值的计算，具体公式如下：I0=U0RL=0.45U2RL （2.3）然后是的计算，也就是二极管上电流平均值的计算，具体公式如下：IVD=I0=0.45U2RL （2.4）最后是的计算，也就是电流中最大反向工作电流（二极管上）的计算，具体公式如下：UDRM=U2m=2U2 （2.5）第五，介绍该电路的优缺点优点就是这个电路的设计比较简单的实现整流的功能。缺点就是整个电路仅仅是半个周期，难以高效率的利用变压器，简而言之就是整流输出的电压脉动值可能会大，相对的平均值就小了。2.2.2整流电路（单相桥式）整流桥堆是这个电路电路的另外一种名称，也可以称作桥式整流器。这个电路是最常用的单向导通性整流电路，整个电路的核心就是一个单向的二极管。第一，电路图设计整流桥堆的电路图设计如图2-6所示。第二，整流桥堆电路图的工作原理。具体工作的过程如下，当处于整个周期的正半周期，此时在,两个端口接正向电压，然后和就导通了。如果在在,两个端口接反向电压，然后和就截止了。通电回路中包括、，接口，其中半波整流电压出现的位置在端形成。如果处于负半周时，那么当在,两个端口接正向电压，然后和就导通了。当在,两个端口接反向电压，然后和就截止了。如果通电回路中包括、，同样半波整流电压出现的位置在端形成。然后这个过程不断的循环持续，就可以在形成全波整流电压。和前文的半波整流电路对比，全波整流电路的波形图是一样的，整个电路图的每个二极管反向电压值与变压器的次级电压的最大值一样，和全波整流电路比起来，该值比其小一半。电流通路（负半周时）图2-7 全波整流电路原理图第三，整流桥堆电路图的输出电压波形。图2-8波形图（输出电压）当出现时，此时导通了和，截止了和，此时整个电路的回路如下：。当出现时，此时导通了和，截止了和，此时整个电路的回路如下：。第四，整流桥堆电路图的参数计算。首先是的计算，也就是整流输出电压平均值的计算。具体公式如下：U0=2×0.45U2=0.9U2 U2=U00.9=1.11U0 （2.6）其次是的计算，也就是负载电流平均值的计算，具体公式如下：I0=U0RL=0.9U2RL （2.7）然后是的计算，也就是二极管上电流平均值的计算。还有的计算，也就是最大反向工作电压的计算。具体公式如下：平均电流的计算：IVD=I02=0.45U2RL （2.8）最大反向工作电压的计算：UDRM=2U2 （2.9）最后是的计算以及的计算，前者是指变压器二次侧电流的有效值，后者是指变压器的容量之。具体公式如下：有效值的计算：I2=U2RL=1.11U0RL=1.11I0 （2.10）变压器的容量的计算：S=U2I2 （2.11）第五，该电路的优缺点。单项式整流电路的缺点就是采用的二极管数量较多，有点浪费。优点就是稳定性强，整流平均值高，并且电压脉动浮动比较小，比较适合高精度的应用场所。第三章 整流与逆变过程中晶闸管的运行方式3.1整流电路中晶闸管的运行方式本节主要探讨晶闸管的运行方式，核心在于分析其在整流电路的整个运行方式。最早的电路设计中，整流电路是出现最早的一批，当时科学家发现将交流电变成直流电之后有更多的应用场景。此处采用案例的方案介绍整流过程晶闸管的运行方式。经典案例电路如下所示：三项桥式全控整流电图。图3-整流电路图（1三相桥式全控）导通的是电压值最高的那个，并且是阳极接交流的电压值，这是对于3个晶闸管且是共阴极组的介绍。导通的是电压值最低的那个，并且是阴极接交流的电压值，这是对于3个晶闸管且是共阳极组的介绍。电路图中的a，b，c三个接线口分别接市电的三项交流电。工作时会同时导通两个晶闸管，其中一个在共阳极组内，另外一个在共阴级组内，这也是整流电路的工作特点。整个电路的脉冲顺序按照、。刚好6组，每组有60c的差值，也就是、（即共阴极组）脉冲差了120°，同理、（共阳极组）脉冲差了120度。最终实现两项电压差的差值接入到电阻型负载的两端。3.2电压型逆变电路中晶闸管的运行方式在工业的三项逆变电路中，三项桥式逆变电路应用最长广泛，本节将着重探讨这种应用最广泛的逆变电路中晶闸管的运行方式。如图所示。图3-2逆变电路图（三相电压型）图3-3波形图（输出电压）180度导电方式也是这种逆变电路的工作特点，当导通时，也就是某个桥臂导通时，如果电路图中桥臂（4号）导通时，此时。所以的幅值是的波值。在这里仅仅分析了的运行方式，另外、的情况和一样，也就说和的波值和幅值都一样，此时相位差了120度。因此可以得到、和的计算过程（在负载线电压的情况下）uUN=uUN-uNN- (3.1)uVW=uUN-uWN- (3.2)uWU=uWN-uUN- (3.3)假设存在这样一个电压，是负载中某个点和直流电源中假想的点之间的电压值，此时可以得到每个相电压，具体计算过程如下：uUN=uUN-uNN- (3.4)uVN-=uVN-uNN- (3.5)uWN-uWN-uNN (3.6)经过变换组合可以得到如下公式：uNN-=13uUN-+uVN-+uWN-13uUN+uVN+uWN (3.7)假如负载的三项对称情况时，可以得到如下公式：uNN-=13uUN-+uVN-+uWN- (3.8)1号桥臂中的发生变化，即通泰到断开的变化，此时出现先导通续流的情况，如果存在负载电流降低为零时，并且此时4号桥臂中的电流非正向时，才导通。当时，且时，导通。当时，且时，导通。当时，且时，导通。当时，且时，导通。该电路的波形图如图所示。图3-4波形图（相桥式逆变电路）第四章 整流器和逆变器的PWM控制策略研究4.1PWM整流器控制技术控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素，PWM整流控制对象是输入电流和输出电压，其中输入电流控制是整流器控制的关键。这是由于应用PWM整流器的目的是使输入电流正弦化，在单位功率因数下运行。对输入电流有效控制实质就是对电力电子变换器的能量流动进行控制，进而控制输出电压；相反，控制变换器有功功率和无功功率流动，可以控制输出直流电压和输入电流，使系统处于单位功率因数运行状态。目前电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类：一类是“间接电流控制”策略；另一类就是目前占主导地位的“直接电流控制”策略。“间接电流控制”实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。由于“间接电流控制”其网侧电流的动态响应慢，并且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略已逐步被“直接电流控制”策略所取代。直接电流控制的主要特点在于引入了电流环，使系统动态性能明显改善。电压外环输出作为电流指令，电流内环则控制输入电流，使之快速跟踪电流指令，其动态响应速度快、限流容易、控制精度高。目前已研究出各种不同的方案，主要有以下几种： 空间电压矢量控制 SPWM调制控制 开关逻辑表控制 电流滞环控制4.2PWM逆变电路的调制控制法采用IGBT(智能模块)作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路如图4-1。设定负载为组感性负载。图4-1单相桥式PWM逆变电路工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。具体的控制规律如下:在输出电压U0半周，让V1保持通，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，U0等于Ud。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，U0=0。在负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，iO为负，实际上iO从VD1和VD4流过，仍有U0=Ud。V4关断V3开通后，iO从V3和VD1续流，U0=0。U0总可得到Ud和零两种电平。在输出电压U0负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，负载电压U0可得-Ud和零两种电平。结束语随着时代进步，直流高压电源已广泛应用于众多行业，并且高压直流电源技术也逐步提高，从工频到高频，从模拟控制电路到数字控制电路，从晶闸管相控拓扑到PWM三电平拓扑及高压开关电源拓扑，因此，其性能也在不断提高。高压直流电源越来越多地被应用，而高压电源技术也在不断更新，但高压开关电源采用高频逆变技术，实现了电源的小型化，但高压高频变压器的设计难题亟待解决。对现有高压直流电源拓扑进行研究，包括不可控和相控整流电路、PWM三电平整流和高压开关电源结构，它们各自的优势和缺点。其中最早出现的不可控或相控整流结构简单，但输入和输出谐波含量大，功率因数低；而PWM三电平整流电路输入输出波形优良，可以实现功率因数校正，是目前研究热点，但结构复杂，控制繁琐；高压开关电源拓扑也是得到广泛研究，其工作频率的提高能缩小整个系统体积和重量，但高频高压变压器的设计为该方案提出了新的难题。致谢首先感谢老师的精心指导，本篇论文的撰写不论是从开始定方向还是在查资料准备以及论文的几次修改过程中，他一直都耐心地给予我悉心指导和意见，使我在总结学业及撰写论文方面都有了较大提高，同时也显示了老师高度的敬业精神和责任感。在此，我对懂金臣老师表示诚挚的感谢以及真心的祝福！四年的本科生活即将结束，回顾这四年的历程，电信学院的老师们给了我们很多指导和帮助。他们严谨的治学理念、优良的作风、细心的关怀和敬业的态度，为我们树立了为人师表的典范。在此，我对所有的电信学院的所有老师表示感谢，祝你们身体健康，工作顺利！在四年大学生活中，我亲爱的同学们以及住在一个寝室的室友们也给以我无微不至的关怀和帮助，这篇论文的顺利完成，也要感谢你们在我思考和遇到困难时的帮助！祝你们在未来都有灿烂的前程。最后我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示衷心的感谢！参考文献1陈鹏，李晓帆，宫力，等.一种带辅助电路的12脉波整流电路J.中国电机工程学报，2006，26（23）：163-166.2成兰仙，权运良.大功率三相PWM整流器的研究与实现J.电力电子技术，2013，47（8）：35-37.3张婷婷，袁庆庆，伍小杰，等.大功率三电平PWM整流控制系统研究J.电气传动，2013，43（6）：64-67.4武志贤，蔡丽娟，汤酋元.三相高功率因数整流器的研究现状及展望J.电气传动，2002，35（2）：3-7.5葛新文，刘稳，杜清潭.三电平PWM整流器直接功率控制J.电力电子技术，2013，47（10）：7-9.6王超峰,古俊红,张敬民,田宇旗,夏鹏.高压融冰直流电源J.电源技术应用,2009(06):84-86.7张鑫宇,张科.直流电源的相关探析J.中国新通信,2018,v.20(08):212.8张超.基于整流与逆变原理的高压直流输电技术分析J.中国科技博览,2012(21):313-314.9何连超;.高压直流电源技术的应用探究J.中国高新区,2018(08):138-139.10艾勇.通信系统高压直流电源供电技术的探讨J.魅力中国,2013(22):280-280.11冀飞,王顺喜.高压直流电源技术的发展现状及应用J.农村电气化,2004(08):33-34.评语（除对该论文进行综合评价外，还应包括毕业论文（设计）内容的政治审查情况）指导教师签字：年 月 日学院答辩委员会意见总评成绩： 答辩委员会主任签字：年 月 日学院学士学位评定分委员会意见学士学位评定分委员会主任签字（盖章）：年 月 日备注（注：评语即为学生毕业论文（设计）指导意见书）