CN101916309A - 一种换流阀用饱和电抗器电气性能设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统器件领域，尤其涉及一种换流阀用饱和电抗器电气性能设计方法。饱和电抗器在换流阀中的主要任务是保护晶闸管，根据换流阀所需要承受的运行工况和型式试验工况，从晶闸管的安全工作区出发，分别从电流、电压、功率、热特性等几个方面建立了理论和仿真模型，通过不同工况下的性能分析，分别确定饱和电抗器电气参数的可行范围，最终综合考虑多个不同的可行范围给出其电气参数的设计结果。该方法不限于饱和电抗器的具体结构，不限于饱和电抗器所应用换流阀的电压等级及电流等级，利用本发明的方法可以方便地获得饱和电抗器的电气性能参数。

Description

一种换流阀用饱和电抗器电气性能设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统器件领域，尤其涉及一种换流阀用饱和电抗器电气性能设计方法。

背景技术

直流输电换流阀用饱和电抗器是换流阀中保护晶闸管的重要部件之一。换流阀中最重要也是最脆弱的器件是晶闸管，为了保护晶闸管在安全工作区工作，饱和电抗器是一个在暂态下保护晶闸管的重要部件。

从发明的角度，并没有文献提及如何根据直流输电换流阀的电气特性来确定饱和电抗器的电气性能参数。而根据换流阀的电气特性，确定其中关键部件饱和电抗器的电气性能是唯一准确而有效的方法。

从期刊文献的角度，所能够检索到的文章大部分都是提及饱和电抗器的不同结构(单绕组和多绕组)、铁心模型、试验结果等。而根据换流阀的电气特性，尤其是保护晶闸管的目标而确定饱和电抗器电气参数方面，已有文献涉及。但是对于饱和电抗器的电气模型并没有分析全面，有的只是考虑线性段的铁心电感模型而忽略其非线性特性，有的只是考虑铁心电感模型而忽略铁心电阻模型，有的并未考虑饱和电抗器的端间电容。另外，对于饱和电抗器在换流阀中保护晶闸管所需要耐受的工况并不全面，有的只是分析了非周期触发工况等。

因此，现有公开的文献不论从工况还是从饱和电抗器的模型等都未对饱和电抗器的电气性能设计给出系统而全面的阐述。

文献(Barnes，M.J.The prediction and control of transients in thyristor valves，PhD thesis，University of Aston in Birmingham，May 1985)最早分析了饱和电抗器非线性电感特性及对晶闸管开通电流的影响以及饱和电抗器电感特性在操作、雷电、陡波冲击下对晶闸管承受电压的影响。但是文献考虑饱和电抗器的电气特性并不全面，将饱和电抗器铁损特性的等效电阻视为恒定值，这与饱和电抗器的实际情况相差较远。而非线性电感特性和非线性铁损等效电阻特性在换流阀这样一个复杂的非线性电气系统中会相互影响，因此文献的研究只是对饱和电抗器部分参数在晶闸管开通、晶闸管承受冲击时的机理做了探讨，并不全面。

本发明是考虑了饱和电抗器的全面的非线性模型在换流阀中保护晶闸管电流、电压特性方面的全面工况的分析。从电抗器模型以及其在换流阀中的工况方面而言都是比现有文献全面。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种换流阀用饱和电抗器的电气性能设计方法。饱和电抗器在换流阀中的主要任务是保护晶闸管，根据换流阀所需要承受的运行工况和型式试验工况，从晶闸管的安全工作区出发，分别从电流、电压、功率、热特性等几个方面建立了理论和仿真模型，通过不同工况下的性能分析，分别确定饱和电抗器电气参数的可行范围，最终综合考虑多个不同的可行范围给出其电气参数的设计结果。该方法从本质上揭示了饱和电抗器电气性能的设计过程，不限于饱和电抗器的具体结构，不限于饱和电抗器所应用换流阀的电压等级及电流等级，利用此方法可以方便地获得饱和电抗器的电气性能参数。

本发明的一种换流阀用饱和电抗器电气性能设计方法，包括以下步骤：

(1)设定饱和电抗器的电气模型；

饱和电抗器的电气性能设计目标为确定饱和电抗器的电气参数，包括考虑饱和电抗器的电气特性，分别确定饱和电抗器的5项参数要求：线圈电阻、空心电感、铁心电感、铁损电阻和端间电容，对饱和电抗器的铁心电感、铁损电阻考虑其非线性；在铁心励磁电流低的情况下，铁心电感和铁损电阻均为恒定值，随着铁心励磁电流增大，铁心电感和铁损电阻由于铁心的工作状态进入非线性区域而呈现衰减的趋势；

(2)确定晶闸管的安全工作区；

晶闸管的电气特性是基于其稳态下、暂态下的安全工作边界来确定，晶闸管在换流阀中的工作状态分为：正向阻态、开通、通态、关断和反向阻态，概括为阻态、开通、通态和关断四类情况；所述阻态，是晶闸管的电压耐受能力，在晶闸管的这种状态下，流过晶闸管的电流较小；所述开通，是开通初期晶闸管的电流耐受能力，在晶闸管的这种状态下，晶闸管的电压从高至低；所述通态，是晶闸管的通态电流承受能力，在晶闸管的这种状态下，晶闸管的压降很低；所述关断，是晶闸管的耐受反向过冲的电压能力；饱和电抗器在换流阀中发挥保护晶闸管的作用体现在晶闸管的阻态、开通和关断三种情况中；

(3)确定换流阀内分析工况；

饱和电抗器在换流阀中需要发挥电气作用的工况为：操作、雷电、陡波冲击，非周期触发、最大暂态运行触发工况、大角度运行触发工况、周期触发、低电压触发工况；

(4)保护晶闸管耐受电流的分析；

当晶闸管处于开通状态时，饱和电抗器发挥保护其耐受电流的特性；晶闸管在开通状态时需要确保流过晶闸管的阶跃电流在其限值之内；随着时间延伸，电流变化率分为两个阶段，开通初期电流变化率较低，随后有个转折，晶闸管可以承受的电流变化率可以适当增大；饱和电抗器的电气特性也应确保晶闸管的电流变化率在不同时间段都在其限值之内；另外，饱和电抗器也应确保晶闸管开通电流的第一个峰值在其限值之内；而且对于晶闸管开通电流的第一个波谷值，饱和电抗器也应确保在其限值之内；

需分析的工况有非周期触发、最大暂态运行触发工况、大角度运行触发工况、周期触发、低电压触发工况；

设计过程为：根据求解各工况对应的晶闸管开通时电路的微分方程，获得晶闸管的开通电流波形；将电流波形中的各参数，包括阶跃电流、电流变化率、电流峰值和电流波谷值，分别与晶闸管的限值相比较，获得饱和电抗器的5项参数要求；

(5)保护晶闸管耐受电压的分析；

当晶闸管处于阻态和关断状态时，饱和电抗器发挥保护其耐受电压的特性；晶闸管两端承受的电压变化率小于一定门槛时，晶闸管可以承受较高的电压；当电压变化率超过该门槛时，晶闸管能够承受的电压会降低，两者之间的对应定量关系随着晶闸管型号的不同有所不同，趋势上相同；需要分析的工况有操作、雷电和陡波冲击；

设计过程为：根据求解各工况对应的晶闸管阻态和关断状态下电路的微分方程，获得晶闸管上的电压波形；提取电压波形中的电压与电压变化率，分别与晶闸管的限值相比较，获得饱和电抗器的5项参数要求；

(6)循环迭代进行步骤(4)-(5)；

由于晶闸管的电气参数不同，导致步骤(4)和(5)获得的饱和电抗器5项参数的要求不同，因此应取步骤(4)和(5)两项结果的交集，迭代分析，直至饱和电抗器的各项参数均能满足保护晶闸管的作用，以确定饱和电抗器的设计结果；

其中，所述最大暂态运行触发工况包括正常触发和过电压保护触发，所述大角度运行触发工况包括正常触发和过电压保护触发，所述周期触发包括正常触发和过电压保护触发。

本发明的有益效果是：

1.规范系统化饱和电抗器的电气设计流程；

2.全面详细的饱和电抗器的电气模型；

3.精确的晶闸管安全工作区模型；

4.饱和电抗器保护晶闸管的系统工况分析；

5.饱和电抗器保护晶闸管耐受电流分析的流程；

6.饱和电抗器保护晶闸管耐受电压分析的流程。

附图说明

图1示出了饱和电抗器的电气模型。

图2示出了晶闸管开通电流能力。

图3示出了晶闸管电压能力。

图4示出了保护晶闸管电流能力的模型。

图5示出了保护晶闸管电压能力的模型。

图6示出了依据本发明的一种换流阀用饱和电抗器电气性能设计方法的流程图。

具体实施方式

图一为饱和电抗器的电气模型，其中C₀和L₀分别代表主电感的杂散电容和空心电感，Lm和Rm分别代表铁芯电感和铁损电阻。Lm和Rm可以表示为电流Im的函数。Rcu为饱和电抗器的直流电阻。

图二为晶闸管开通电流能力示意图，横轴为时间(单位微秒)，纵轴为电流(单位千安)，两条曲线分别以”Essential”和”Preferred”示意。其中”Essential”曲线表征晶闸管均可承受的电流应力曲线，而”Preferred”曲线表征晶闸管中性能最优的可以承受的电流应力曲线。

图三为晶闸管耐受电压能力示意图，横轴为电压变化率(单位千伏/微秒)，纵轴为电压(单位为伏)。

图四为饱和电抗器保护晶闸管耐受电流的示意模型图。其中①为直流电源，②为开关，③为冲击电容，④为开关，⑤为换向电感，⑥为避雷器，⑦为阀端间等效杂散电容，⑧为时变电阻开关，⑨为饱和电抗器端间电容，⑩为饱和电抗器线圈电阻，

为饱和电抗器空心电感，

为饱和电抗器铁心电感，

为饱和电抗器铁损电阻，为晶闸管受控源模型，

为晶闸管阻尼电阻，

为晶闸管阻尼电容。

图五为饱和电抗器保护晶闸管耐受电压的示意模型图。其中①为换流阀端间等效杂散电容，②为饱和电抗器，③为晶闸管阻尼电容，④为晶闸管阻尼电阻，⑤为晶闸管直流均压电阻。

具体设计过程的实例为：

(1)设定饱和电抗器的电气模型；

饱和电抗器的电气模型如图一所示，其中R_cu为饱和电抗器的直流电阻，C_o为饱和电抗器端间等效电容，L_o为饱和电抗器的空心电感。非线性铁心电感参数和非线性铁损电阻参数如式一所示。

$L_m=\left\{\begin{array}{cc}{L}_d& I_m<I_{\mathrm{oL}}\\ L_d{\left(\frac{I_{\mathrm{oL}}}{I_m}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_L}& I_m\&GreaterEqual;I_{\mathrm{oL}}\end{array}\right.,R_m=\left\{\begin{array}{cc}{R}_e& I_m<I_{\mathrm{or}}\\ R_e{\left(\frac{I_{\mathrm{or}}}{I_m}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_R}& I_m\&GreaterEqual;I_{\mathrm{or}}\end{array}\right.$ (式一)

(2)确定晶闸管的安全工作区；

晶闸管的电气特性是基于其稳态下、暂态下的安全工作边界所确定。晶闸管在换流阀中的工作状态分为如下几种：正向阻态、开通、通态、关断、反向阻态，概括为阻态、开通、通态、关断四类情况。下面分别给出这几种状态下的安全工作区。

阻态，主要是晶闸管的电压耐受能力，这种状态下，流过晶闸管的电流很小，如图三所示。开通，主要是开通初期晶闸管的电流耐受能力，这种状态下，晶闸管的电压从高至低，如图二所示。通态，主要是晶闸管的通态电流承受能力，这种状态下，晶闸管的压降很低。关断，主要是晶闸管的耐受反向过冲的电压能力。

(3)确定换流阀内分析工况；

表一：换流阀内分析工况

(4)保护晶闸管耐受电流的分析；

饱和电抗器保护晶闸管，确保晶闸管阶跃电流、电流变化率1、电流变化率2、电流峰值、电流波谷值等几个特征值在晶闸管的安全范围内。分析模型如图四所示。分别在非周期触发、最大暂态运行、大角度运行、周期触发、低电压触发下进行分析，分别得到饱和电抗器的参数范围。

(5)保护晶闸管耐受电压的分析；

饱和电抗器保护晶闸管，确保施加在晶闸管上的电压及电压变化率均在其安全范围内。分析模型如图五所示。在操作、雷电、陡波冲击等情况下分别进行分析，分别得到饱和电抗器的参数范围。

(6)循环迭代；

将(4)和(5)的参数范围取交集，进一步迭代至(4)和(5)反复计算得到满足上述所有工况的饱和电抗器的参数值。

(7)给出饱和电抗器的电气设计结果。

至此，可以得到饱和电抗器的电气设计结果。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种换流阀用饱和电抗器电气性能设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)设定饱和电抗器的电气模型；

饱和电抗器的电气性能设计目标为确定饱和电抗器的电气参数，包括考虑饱和电抗器的电气特性，分别确定饱和电抗器的5项参数要求：线圈电阻、空心电感、铁心电感、铁损电阻和端间电容，对饱和电抗器的铁心电感、铁损电阻考虑其非线性；在铁心励磁电流低的情况下，铁心电感和铁损电阻均为恒定值，随着铁心励磁电流增大，铁心电感和铁损电阻由于铁心的工作状态进入非线性区域而呈现衰减的趋势；

(2)确定晶闸管的安全工作区；

晶闸管的电气特性是基于其稳态下、暂态下的安全工作边界来确定，晶闸管在换流阀中的工作状态分为：正向阻态、开通、通态、关断和反向阻态，概括为阻态、开通、通态和关断四类情况；所述阻态，是晶闸管的电压耐受能力，在晶闸管的这种状态下，流过晶闸管的电流较小；所述开通，是开通初期晶闸管的电流耐受能力，在晶闸管的这种状态下，晶闸管的电压从高至低；所述通态，是晶闸管的通态电流承受能力，在晶闸管的这种状态下，晶闸管的压降很低；所述关断，是晶闸管的耐受反向过冲的电压能力；饱和电抗器在换流阀中发挥保护晶闸管的作用体现在晶闸管的阻态、开通和关断三种情况中；

(3)确定换流阀内分析工况；

饱和电抗器在换流阀中需要发挥电气作用的工况为：操作、雷电、陡波冲击，非周期触发、最大暂态运行触发工况、大角度运行触发工况、周期触发、低电压触发工况；

(4)保护晶闸管耐受电流的分析；

当晶闸管处于开通状态时，饱和电抗器发挥保护其耐受电流的特性；晶闸管在开通状态时需要确保流过晶闸管的阶跃电流在其限值之内；随着时间延伸，电流变化率分为两个阶段，开通初期电流变化率较低，随后有个转折，晶闸管可以承受的电流变化率可以适当增大；饱和电抗器的电气特性也应确保晶闸管的电流变化率在不同时间段都在其限值之内；另外，饱和电抗器也应确保晶闸管开通电流的第一个峰值在其限值之内；而且对于晶闸管开通电流的第一个波谷值，饱和电抗器也应确保在其限值之内；

需分析的工况有非周期触发、最大暂态运行触发工况、大角度运行触发工况、周期触发、低电压触发工况；

设计过程为：根据求解各工况对应的晶闸管开通时电路的微分方程，获得晶闸管的开通电流波形；将电流波形中的各参数，包括阶跃电流、电流变化率、电流峰值和电流波谷值，分别与晶闸管的限值相比较，获得饱和电抗器的5项参数要求； 

(5)保护晶闸管耐受电压的分析；

当晶闸管处于阻态和关断状态时，饱和电抗器发挥保护其耐受电压的特性；晶闸管两端承受的电压变化率小于一定门槛时，晶闸管可以承受较高的电压；当电压变化率超过该门槛时，晶闸管能够承受的电压会降低，两者之间的对应定量关系随着晶闸管型号的不同有所不同，趋势上相同；需要分析的工况有操作、雷电和陡波冲击；

设计过程为：根据求解各工况对应的晶闸管阻态和关断状态下电路的微分方程，获得晶闸管上的电压波形；提取电压波形中的电压与电压变化率，分别与晶闸管的限值相比较，获得饱和电抗器的5项参数要求；

(6)循环迭代进行步骤(4)-(5)；

由于晶闸管的电气参数不同，导致步骤(4)和(5)获得的饱和电抗器5项参数的要求不同，因此应取步骤(4)和(5)两项结果的交集，迭代分析，直至饱和电抗器的各项参数均能满足保护晶闸管的作用，以确定饱和电抗器的设计结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述最大暂态运行触发工况包括正常触发和过电压保护触发，所述大角度运行触发工况包括正常触发和过电压保护触发，所述周期触发包括正常触发和过电压保护触发。 

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