直流输电系统能够长时间持续运行，需要一颗强大而又稳定的心脏，那就是整个直流工程最关键的设备——换流器，我们也称之为换流阀。今天，我们来一起探讨换流器的基本工作原理。

首先，换流器的功能是：实现ac-dc或者dc-ac的变换，前者称为整流，后者称为逆变。这是最基本，也是直流输电系统最核心的功能。

为了实现这个功能，一定的物理结构是必须的，也就是我们所说的结线方式。结线方式是多种多样的，其中三相桥式结线最为常用，由6个桥臂组成，每一个桥臂由数十个至数百个串联的晶闸管元件组成。桥臂具有阀的特性，正常情况下只能从阳极到阴极单方向导通。

这种结线方式的优点是：在直流电压相同的情况下，桥阀在断态下所受的电压峰值小。当通过功率为一定值时，换流变容量小。换流变结线简单。阀的伏安容量较小。直流电压的纹波波幅较小。这也是国内直流工程常采用的结线方式。

上图中的每一个白色三角即为一个换流阀组成的桥臂。桥阀从关断状态转入导通状态必须同时具备两个条件：阀承受正向电压，即阀的阳极电位高于阴极电位；控制极得到足够能量的触发脉冲信号。而阀在导通状态下直到流通电流降为零时才会关断，并在承受足够反向电压后确保关断。这就要求换流阀的关断必须依靠外力，这也导致了换相失败等一系列问题的出线。而柔性直流输电使用的是全关断器件，能够很好的避免这个问题，是未来直流输电的前景所在。

在分析时，通常有一定的假设条件：三相交流电源的电动势是对称正弦波，频率恒定。交流电网的阻抗是对称的，而且忽略不计换流变的激磁导纳。直流侧平波电抗器具有很大电感值，使得直流侧电流滤波后其波形平直无纹波。阀的特性是理想的，即通态正向压降和断态漏电流可以忽略不计。三相6个阀以1/6周期（60o）的等相位间隔依次轮流触发导通。

因此，根据上述假设条件，按照顺序依次进行导通时，交流侧的电压将「透过」换流阀到达直流侧，因为交替依次导通，交流电压被「截」成我们希望的直流基本电压。

电流从一个阀转移到同一组中另一个阀，称为「换相」。在上述分析中，我们假定忽略了电源电感Lc，因此换相是瞬时完成的，也就是说没有叠弧现象。所以在任一时刻，最多只有两个阀导通(一个共阴极阀和一个共阳极阀)。 交流电压的每个周期中Vd有6个脉波，因此该桥式电路又叫「六脉波桥式电路」。

根据上述过程，我们可以总结出换流器的基本工作原理：联系最高交流电压的晶闸管将导通，电流由此送出；而联系最低交流电压的晶闸管也将导通，电流由此返回。通过按照一定顺序的阀的通断将交流电压变换成脉动的直流电压。由于直流电压在工频一个周期内有6个脉动，所以三相桥式的单桥换流器是属于六脉动换流器。

换流阀作为直流输电最为核心的设备，在阀控系统的指挥下，完成交流转化为交流或者交流转化为直流的过程。

换流阀不同的生产厂家，使用的阀控系统也不同。一般情况下，阀控系统必须和换流阀配合使用。因此，不同厂家的阀控系统也不尽相同。但大体结构类似，功能也基本相同。

目前，国内应用于实际工程的换流阀控制系统主要有：西门子VBE阀控系统、ABB VCU系统、许继VCE系统、中电普瑞VBE系统。下文主要以应用最广的西门子VBE系统为例，探讨其基本结构和功能。

阀控的基本功能为：1、发送触发脉冲至所有阀片；2、监测阀片及其辅助设备的状态；3、保护阀片在恢复期间免受陡变电压波形击穿；4、指示通态阀片的关断时间点。

因此，阀控主要用于触发并监视可控硅阀片。西门子阀控系统的主要组成部分为VBE系统、TVM板、MSC和RPU。

1、VBE系统包括TC&M（微处理控制器）、光信号发送与接收器、RPU控制器、电源模块以及与极控的介面部分。

（1）TC&M为VBE的一部分，是TC与TM的统称，主要功能之一是接收极控发送的触发角控制信号，将信号转换成阀触发角脉冲信号；同时发出控制各独立阀RPU的脉冲信号。这些脉冲信号将分别被光信号发送器与RPU控制器转换成光信号，然后通过光纤传送到下一级的光触发阀片(LTT)和RPU上。

（1.1）TC&M另外一个功能是通过光信号接收器获取来自所有TVM板的回检信号，并连续地对回检信号进行分析处理。为快速处理大量的数据，每套TC&M系统均配备有现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑电路(PLD)以及微控制器。一旦发生设备故障，TC&M系统的监控功能将会发出跳闸信号，通过电缆或者光缆传输至控制系统其它部分，同时也将通过现场汇流排传送至控制与保护系统。换流阀运行告警信号也由TC&M发出，通过现场汇流排传送至保护系统和站控系统。

（1.2）TC&M系统自身配备有软体狗用于监测VBE设备本身的故障信息。一旦监测到VBE发生故障，则立即中止发出「VBE READY」信号，同时通过在极控内的切换逻辑将VBE系统切换到备用系统。

（2）VBE由两套并行运行且功能相同的系统A与系统B组成，其执行功能时两套系统二取一。 VBE屏内包含六个子模块，左侧三个子模块与三角形桥关联，右侧三个子模块与星型桥相关联。每个VBE子模块均配置有冗余的TC&M，用于控制同一相中的两个阀（桥臂）。每个子模块由2块微处理控制器板、6块光信号发送器板，12块光信号接收器板，1块可编程板和2块RPU控制器板组成。 VBE设备中仅光接收器板没有冗余配置，其通过光纤直接连接阀厅中的TVM板，用于接收阀回检信号。

（3）光信号发送器板从TC&M获得已转换成触发脉冲的信号后，经其转换为功率足够强的光信号指令发送给MSC。为确保其信号准确可靠，通过三块不同的光信号发送器PCB板对同一阀的MSC发送光信号，最后由MSC经过一个三取二的选择逻辑后再将最终指令发送到LTT上。

（4）光信号接收器板主要功能是收集各TVM发送的回检信号。TVM在每个阀片级内均包含一块，监测阀片级内部电压并产生回检光信号，即每块可控硅阀片均对应一根回检光纤。

（5）两块RPU控制器板分别对应VBE主备两套控制系统，在可控硅阀片关断以后的恢复期间，如果电压变化率超过保护预设值，RPU控制器板将发送光控制信号至阀模块内的RPU，并由RPU发送光触发脉冲送MSC，将阀单元内的阀片触发开通。

（6）阀控系统在完成换流这个核心功能时，需要在控制系统的统一指挥下按照既定顺序来行使功能。阀控系统与控制系统的介面是通过光纤通信来完成的。

阀控系统中以下回路使用光纤传输信号：1、VBE至MSC回路，用于传送触发信号；2、MSC至阀片的信号回路；3、TVM至VBE的光接收器回路，用于传送回检信号；4、RPU控制器与RPU单元的连接回路；5、RPU单元与MSC的连接回路；6、光信号发送器板的监测回路；7、避雷器监测装置至监测屏的连接回路。

使用光纤传输信号，可以为控制系统的性能提升带来极大好处。直流输电对控制系统的通讯延时要求极高，尤其是阀控系统，很多阀控厂家，为确保信号的质量，要求信号频率在10MHz以上，这一方面是为了保障阀控系统的正常运行，另一方面也确保了控制信号的传递准确无误，分秒必争。

换流阀和阀控系统如同伴生两兄弟一般，总是同时出现，共同完成直流输电最核心的换流功能，手拉手向前走，创造了直流输电的辉煌时代。

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