CN101923593B - 一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法。特别涉及饱和电抗器在保护晶闸管处于阻态下，包括正向阻态和反向阻态下保护晶闸管的性能分析。换流阀需要承受操作、雷电、陡波类型的冲击，在这些工况下，晶闸管均处于阻态，在这些状态中，通过调节饱和电抗器的电气参数，可以达到大大分担施加在晶闸管上电压强度的目标。根据晶闸管在阻态下的安全工作区，将其合理转换为瞬态下的电压强度曲线，通过频域分析可以获得饱和电抗器参数与其保护晶闸管目标的关系。本发明提供的分析方法操作简单，物理概念清晰明了，分析结果直观，为进一步实现在晶闸管阻态下设计饱和电抗器的电气参数奠定理论和仿真基础。

Description

一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法

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在晶闸管阻态下的性能分析方法。

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。它由铁芯和绕组组成，利用铁芯材质的饱和特性获得电气参数的饱和特点。而在晶闸管阻态下饱和电抗器保护晶闸管的电气性能分析未见类似文献。

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阻态下承受电压的影响。对于操作、雷电、陡波冲击下饱和电抗器的特性分析，文献未考虑晶闸管上承受电压与其耐受特性的关系，而这与饱和电抗器的电气性能有密切关系。文献并未考虑饱和电抗器在换流阀中安装位置不同所承受电压的不同。对于操作、雷电、陡波冲击的波尾阶段，还需要考虑饱和电抗器非线性电感、非线性铁损电阻的完整非线性，但是文献并未考虑铁损电阻的非线性，即使对于电感的非线性也只是简单地视为线性衰减。上述种种不足，使得饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析不全面。

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耐受电压特性方面的全面工况的分析。综合考虑了晶闸管的耐受电压、饱和电抗器安装位置不同所承受电压的不同特性、饱和电抗器完整的非线性模型，因此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在晶闸管阻态下的性能分析方法。特别涉及饱和电抗器在保护晶闸管处于阻态下，包括正向阻态和反向阻态下保护晶闸管的性能分析。换流阀需要承受操作、雷电、陡波类型的冲击，在这些工况下，晶闸管均处于阻态，在这些状态中，通过调节饱和电抗器的电气参数，可以达到大大分担施加在晶闸管上电压强度的目标。根据晶闸管在阻态下的安全工作区，将其合理转换为瞬态下的电压强度曲线，通过频域分析可以获得饱和电抗器参数与其保护晶闸管目标的关系。本发明提供的分析方法操作简单，物理概念清晰明了，分析结果直观，为进一步实现在晶闸管阻态下设计饱和电抗器的电气参数奠定理论和仿真基础。

本发明提出的一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)设定饱和电抗器的电气模型；

饱和电抗器的电气模型包含5项参数：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)分析晶闸管的耐受电压能力；

基于换流阀选用型号晶闸管的电压耐受能力，即电压与电压变化率的耐受能力曲线。它的典型特性为当晶闸管上承受的电压变化率小于一定门槛时，晶闸管上能够安全耐受的电压为一恒定值，而当晶闸管上承受的电压变化率高于此恒定值时，晶闸管上能够安全耐受的电压呈现下降衰减趋势，由于晶闸管的这条耐受曲线为静态电压与电压变化率的关系，而换流阀在晶闸管阻态下的分析包括操作、雷电、陡波冲击下的分析均为暂态，因此需要根据晶闸管的固有电压耐受特性转换得到晶闸管在暂态电压下随时间变化的电压耐受关系曲线；

设定晶闸管上承受电压特性为u＝U₀(1-cos(2π ft))，其上电压变化率的特性为其中晶闸管上承受电压峰值为2U₀，电压变化率的峰值为2πfU₀，由此可以看出电压峰值与电压变化率的峰值已经包括了频率的因素，将晶闸管在半个周波内的电压波形与其电压变化率的关系随时间的变化逐点描绘，得到在半个周波内晶闸管承受电压与电压变化率的关系曲线，将这条曲线与晶闸管的耐受电压与电压变化率的曲线对比，对应每一个时刻晶闸管需要承受的电压变化率时，晶闸管实际承受的电压小于晶闸管的耐受电压，那么晶闸管就可以安全工作，实际设计中，将在晶闸管耐受电压的能力基础上乘以一个比例系数，取0.5～0.8之间，称为裕度电压，应尽量确保晶闸管实际承受的电压在裕度电压范围内，或者更低；

(3)分析换流阀均压系数的变化规律；

由于饱和电抗器安装在换流阀中空间位置不同，而换流阀承受操作、雷电、陡波冲击考核时，靠近冲击端的饱和电抗器承受的电压将比靠近接地端饱和电抗器承受的电压高，靠近冲击端的晶闸管承受的电压也比靠近接地端的晶闸管承受的电压高，这种现象称其为电压分布的不均匀特性，换流阀的理想设计的目标是保证每个晶闸管上承受电压相同，不因为安装位置不同而不同，但是实际上由于分布杂散电容等缘故，在冲击端和近地端的电压分布不均匀仍然存在，定义晶闸管上承受最高的电压与理想情况下晶闸管承受的相同电压之比为均压系数K，这一均压系数随频率变化不同而有所不同，记为K(f)，此处给出两种均压系数随频率变化的关系曲线，在低频部分，也即小于1000赫兹时，导致不均压的电容因素不显著，因此均压系数较小，一般在1.01～1.08范围内，随着频率的增大，也即高于1000赫兹时，导致不均压的电容因素显著，因此均压系数会增大，呈现随频率增大而增大的趋势；

(4)分析平均晶闸管级耐受电压与电压变化率的关系；

通过第(2)步的分析获得晶闸管能够承受的电压变化率与裕度电压后，结合第(3)步给出的两种均压系数K(f)，因此，在第(2)步的基础上，将裕度电压再除以均压系数K(f)，就可以获得平均每一个晶闸管级在换流阀承受冲击时允许承受的电压与电压变化率的关系，只有这样，才能确保由于均压的特性，最靠近冲击端的晶闸管承受的最高电压在其耐受电压能力范围内；

(5)分析平均晶闸管级耐受电压与频率的关系；

设定晶闸管上承受电压特性为u＝U₀(1-cos(2πft))，其上电压变化率的特性为

其中晶闸管上承受电压峰值为2U₀，电压变化率的峰值为2πfU₀；即晶闸管上电压峰值、电压变化率的峰值、频率三者是存在对应关系，只要知道任意两个就可以计算得到另外一个，因此根据第(4)步获得的平均晶闸管级耐受电压与电压变化率的关系，就可以获得平均每一个晶闸管级在换流阀承受冲击时允许承受的电压与频率的关系；

(6)分析阀实例级耐受电压与电压变化率的关系；

在第(5)步的基础上，以换流阀实例级为分析对象，即考虑一级晶闸管、饱和电抗器、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容、晶闸管静态均压电阻、阀端杂散电容的电路模型，由于前面第(3)步已经将换流阀在空间位置上的不均压特性考虑进去，因此从第(4)(5)步的分析已经是面向每一个晶闸管级，此时以一级晶闸管所相关的电路模型分析则是非常恰当，此处考虑饱和电抗器的电路模型如第(1)步给出的描述，此时由于晶闸管级上允许承受的电压与电压变化率或者电压与频率的关系已经给出，因此按照电路原理，可以计算得到不同频率下流过晶闸管级、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容和晶闸管动态均压电阻的总电流，将此电流乘以饱和电抗器在对应不同频率下的阻抗特性，就可以计算得到阀实例级两端的电压，对电压进行求导就可以得到阀实例级两端的电压变化率的关系，这两者一一对应；

(7)分析阀实例级耐受电压与频率的关系；

在第(6)步的计算结果中，同时可以得到阀实例级两端耐受电压与频率的关系；

(8)分析换流阀两端耐受电压与电压变化率的关系；

在第(6)步的计算结果基础上，将阀实例级两端的电压乘以换流阀中晶闸管的数目，级可以得到换流阀两端耐受电压与电压变化率的关系曲线；

(9)分析换流阀两端耐受电压与频率的关系；

在第(7)步的计算结果基础上，将阀实例级两端的电压乘以换流阀中晶闸管的数目，级可以得到换流阀两端耐受电压与频率的关系曲线；

(10)循环(6)-(10)

在第(9)步得到的关系曲线中，计算换流阀操作、雷电、陡波冲击对应的频率与换流阀应承受的三种冲击的电压强度，逐一对比，或者在第(8)步得到的关系曲线中，计算换流阀操作、雷电、陡波冲击对应的电压变化率与换流阀应承受的三种冲击的电压强度，逐一对比，如果计算得到的关系曲线都能够比换流阀应承受的操作、雷电、陡波冲击电压强度要高，那么饱和电抗器就能确保在晶闸管阻态下能够安全工作；

如果未能比换流阀应承受的操作、雷电、陡波冲击电压强度高，那么就要从第(6)步中重新修改饱和电抗器的电气性能参数，循环迭代直至第(10)步中能够满足要求结束。

本发明的有益效果是：

1.本发明的分析方法具有规范化、系统化的优点；

2.本发明的分析方法的分析过程具有系统化；

3.本发明的分析方法考虑因素全面完善。

附图说明

图1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2示出了晶闸管上电压和电压变化率，横轴为弧度，左侧蓝色纵轴为晶闸管承受电压(单位为伏)，右侧绿色纵轴为晶闸管承受电压的变化率(单位为千伏/微秒)。

图3示出了Upk＝5000(V)，dudtpk＝6(kV/us)时的电压和电压变化率关系，横轴为晶闸管承受电压的变化率(单位为千伏/微秒)，左侧纵轴绿色曲线为晶闸管对应电压变化率时所能安全耐受的电压(单位为伏)，左侧纵轴蓝色曲线为晶闸管对应电压变化率时实际承受的电压(单位为伏)，右侧红色曲线为晶闸管在对应电压变化率时实际承受电压与安全耐受电压的比值(无量纲)。

图4示出了晶闸管上Upk和dudtpk之间的关系曲线，横轴为晶闸管的电压变化率峰值(单位为千伏/微秒)，纵轴为晶闸管上承受电压的峰值(单位为伏)，图中三条曲线分别对应晶闸管在对应电压变化率时实际承受电压与安全耐受电压的比值分别去0.6、0.8和1时的情况。

图5示出了晶闸管上Upk和dudtpk之间的关系曲线(最不利级)，横轴为晶闸管的电压变化率峰值(单位为千伏/微秒)，纵轴为晶闸管上承受电压的峰值(单位为伏)，图中三条曲线分别对应晶闸管在对应电压变化率时实际承受电压与安全耐受电压的比值分别去0.6、0.8和1时的情况。

图6示出了电压与频率在保证耐受情况下的关系曲线(最不利级)，横轴为频率(单位为赫兹)，纵轴为晶闸管上承受电压的峰值(单位为伏)，图中三条曲线分别对应晶闸管在对应电压变化率时实际承受电压与安全耐受电压的比值分别去0.6、0.8和1时的情况。

图7示出了换流阀均压系数随频率的关系，横轴为频率(单位为赫兹)，纵轴为均压系数(无量纲)，表征了换流阀在不同频率下的不均压系数。其中两条曲线表征了两种不同的均压特性，在低频部分(小于1000赫兹时)两条曲线相同，高频(大于1000赫兹时)两条曲线有明显差别，其中红色曲线表征均压特性好于蓝色曲线的均压特性。

图8示出了电压与频率在保证耐受情况下的关系曲线(平均晶闸管级)，横轴为频率(单位为赫兹)，纵轴为晶闸管上的电压峰值(单位为伏)。图中六条曲线中的k为应晶闸管在对应电压变化率时实际承受电压与安全耐受电压的比值，kjy为1和2分别表征在图7中所示的红色和蓝色均压曲线。

图9示出了dv/dt与U在保证耐受情况下的关系曲线(平均晶闸管级)，横轴为晶闸管的电压变化率峰值(单位为千伏/微秒)，纵轴为晶闸管上承受电压的峰值(单位为伏)。图中六条曲线中的k为应晶闸管在对应电压变化率时实际承受电压与安全耐受电压的比值，kjy为1和2分别表征在图7中所示的红色和蓝色均压曲线。

图10示出了耐受电压与频率的关系曲线，横轴为频率(单位为赫兹)，纵轴为晶闸管上承受电压峰值(单位为伏)，蓝色曲线即阀实例级曲线为某型号饱和电抗器特性参数下的耐受电压与频率的关系曲线，红色曲线即晶闸管级能够耐受的电压与频率的关系曲线。

图11示出了耐受电压与电压变化率的关系曲线，横轴为晶闸管的电压变化率峰值(单位为千伏/微秒)，纵轴为晶闸管上承受电压峰值(单位为伏)，蓝色曲线即阀实例级曲线为某型号饱和电抗器特性参数下的耐受电压与频率的关系曲线，红色曲线即晶闸管级能够耐受的电压与频率的关系曲线。

图12示出了晶闸管阻态下性能分析的模型，又称为一个阀实例级的模型，其中①为换流阀等效杂散电容，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。

图13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14是依据本发明方法的流程图。

具体实施方式

晶闸管的耐受电压性能如图一所示。它描述了晶闸管两端电压与电压变化率之间的关系。换流阀实际运行工况中，当端间承受操作、雷电和陡波电压冲击时，施加在晶闸管两端的电压与电压变化率都是随时间变化的。随着饱和电抗器参数的变化，真正施加在晶闸管两端的电压波形是不断变化的，而在换流阀承受冲击的时候，晶闸管承受最严酷电压应力都是集中在冲击的波头阶段。因此，在晶闸管阻态下的性能分析重点是给出晶闸管上电压波形的一种合理表达形式，结合饱和电抗器的参数分析，最终得到饱和电抗器参数与换流阀端间能够承受电压之间的关系曲线。

设定晶闸管两端电压和变化率的表达式为(0.1)所示。

$u=U_0(1-\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)),\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=U_0\mathrm{\ω}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(0.1\right)$

而电压和电压变化率的峰值为(0.2)所示。

$U_{\mathrm{pk}}=2U_0,\frac{\mathrm{du}}{{\mathrm{dt}}_{\mathrm{pk}}}=U_0\mathrm{\ω}---\left(0.2\right)$

晶闸管上电压和电压变化率随时间的变化关系为图二所示。Upk＝5000V，电压变化率的峰值为6kV/us时晶闸管上承受电压和电压变化率的曲线如图三所示，可以看到，晶闸管上承受u和du/dt的最苛刻的数值并不是发生在du/dt的最大值时刻，而是发生在du/dt降落而u继续上升的时刻，如图三所示。

因此，根据上述的关系曲线，可以在满足晶闸管耐受电压和电压变化率一定系数情况下，绘制dudt_pk和u_pk之间的对应关系，如图四所示。其中比例为晶闸管上承受电压值比上晶闸管耐受电压值的最大值，即晶闸管上电压占其对应du/dt情况下耐受电压的数值。

(1)以最不利级晶闸管的承受电压和电压变化率对应的比例系数为依据，得到对应不同比例系数情况下的电压和电压变化率之间的关系，如图五所示。

(2)转换得到最不利级电压与频率的关系，如图六所示。

(3)均压系数K(f)随频率的关系，如图七所示。

(4)除以均压系数K(f)，得到平均晶闸管级电压与频率的关系，如图八所示。

(5)得到平均晶闸管级电压与电压变化率之间的关系，如图九所示。

(6)得到阀实例级耐受电压与频率的关系，如图十所示。

(7)得到阀实例级耐受电压与电压变化率的关系，如图十一所示。

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 (1)

1.一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)设定饱和电抗器的电气模型；

饱和电抗器的电气模型包含5项参数：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)分析晶闸管的耐受电压能力；

基于换流阀选用型号晶闸管的电压耐受能力，即静态电压与电压变化率的耐受能力曲线；它的典型特性为当晶闸管上承受的电压变化率小于一定门槛时，晶闸管上能够安全耐受的电压为一恒定值，而当晶闸管上承受的电压变化率高于此恒定值时，晶闸管上能够安全耐受的电压呈现下降衰减趋势，由于晶闸管的这条耐受曲线为静态电压与电压变化率的关系，而换流阀在晶闸管阻态下的分析包括操作、雷电、陡波冲击下的分析均为暂态，因此需要根据晶闸管的固有电压耐受特性转换得到晶闸管在暂态电压下随时间变化的电压耐受关系曲线；

设定晶闸管上承受电压特性为u＝U₀(1-cos(2πft))，其上电压变化率的特性为

其中晶闸管上承受电压峰值为2U₀，电压变化率的峰值为2πfU₀，由此可以看出电压峰值与电压变化率的峰值已经包括了频率的因素，将晶闸管在半个周波内的电压波形与其电压变化率的关系随时间的变化逐点描绘，得到在半个周波内晶闸管承受电压与电压变化率的关系曲线，将这条曲线与晶闸管的耐受电压与电压变化率的曲线对比，对应每一个时刻晶闸管需要承受的电压变化率时，晶闸管实际承受的电压小于晶闸管的耐受电压，那么晶闸管就可以安全工作，实际设计中，将在晶闸管耐受电压的能力基础上乘以一个比例系数，取0.5～0.8之间，称为裕度电压，应尽量确保晶闸管实际承受的电压在裕度电压范围内，或者更低；

(3)分析换流阀均压系数的变化规律；

由于饱和电抗器安装在换流阀中空间位置不同，而换流阀承受操作、雷电、陡波冲击考核时，靠近冲击端的饱和电抗器承受的电压将比靠近接地端饱和电抗器承受的电压高，靠近冲击端的晶闸管承受的电压也比靠近接地端的晶闸管承受的电压高，这种现象称其为电压分布的不均匀特性，换流阀的理想设计的目标是保证每个晶闸管上承受电压相同，不因为安装位置不同而不同，但是实际上由于分布杂散电容缘故，在冲击端和近地端的电压分布不均匀仍然存在，定义晶闸管上承受最高的电压与理想情况下晶闸管承受的相同电压之比为均压系数K，这一均压系数随频率变化不同而有所不同，记为K(f)，此处给出两种均压系数随频率变化的关系曲线，在低频部分，也即小于1000赫兹时，导致不均压的电容因素不显著，因此均压系数较小，一般在1.01～1.08范围内，随着频率的增大，也即高于1000赫兹时，导致不均压的电容因素显著，因此均压系数会增大，呈现随频率增大而增大的趋势；

(4)分析平均晶闸管级耐受电压与电压变化率的关系；

通过第(2)步的分析获得晶闸管能够承受的电压变化率与裕度电压后，结合第(3)步给出的两种均压系数K(f)，因此，在第(2)步的基础上，将裕度电压再除以均压系数K(f)，就可以获得平均每一个晶闸管级在换流阀承受冲击时允许承受的电压与电压变化率的关系，只有这样，才能确保由于均压的特性，最靠近冲击端的晶闸管承受的最高电压在其耐受电压能力范围内；

(5)分析平均晶闸管级耐受电压与频率的关系；

设定晶闸管上承受电压特性为u＝U₀(1-cos(2πft))，其上电压变化率的特性为

其中晶闸管上承受电压峰值为2U₀，电压变化率的峰值为2πfU₀；即晶闸管上电压峰值、电压变化率的峰值、频率三者是存在对应关系，只要知道任意两个就可以计算得到另外一个，因此根据第(4)步获得的平均晶闸管级耐受电压与电压变化率的关系，就可以获得平均每一个晶闸管级在换流阀承受冲击时允许承受的电压与频率的关系；

(6)分析阀实例级耐受电压与电压变化率的关系；

在第(5)步的基础上，以换流阀实例级为分析对象，即考虑一级晶闸管、饱和电抗器、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容、晶闸管静态均压电阻、阀端杂散电容的电路模型，由于前面第(3)步已经将换流阀在空间位置上的不均压特性考虑进去，因此从第(4)(5)步的分析已经是面向每一个晶闸管级，此时以一级晶闸管所相关的电路模型分析则是非常恰当，此处考虑饱和电抗器的电路模型如第(1)步给出的描述，此时由于晶闸管级上允许承受的电压与电压变化率或者电压与频率的关系已经给出，因此按照电路原理，可以计算得到不同频率下流过晶闸管级、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容和晶闸管动态均压电阻的总电流，将此电流乘以饱和电抗器在对应不同频率下的阻抗特性，就可以计算得到阀实例级两端的电压，对电压进行求导就可以得到阀实例级两端的电压变化率的关系，这两者一一对应；

(7)分析阀实例级耐受电压与频率的关系；

在第(6)步的计算结果中，同时可以得到阀实例级两端耐受电压与频率的关系；

(8)分析换流阀两端耐受电压与电压变化率的关系；

在第(6)步的计算结果基础上，将阀实例级两端的电压乘以换流阀中晶闸管的数目，可以得到换流阀两端耐受电压与电压变化率的关系曲线；

(9)分析换流阀两端耐受电压与频率的关系；

在第(7)步的计算结果基础上，将阀实例级两端的电压乘以换流阀中晶闸管的数目，可以得到换流阀两端耐受电压与频率的关系曲线；

(10)循环(6)-(10)；

在第(9)步得到的关系曲线中，计算换流阀操作、雷电、陡波冲击对应的频率与换流阀应承受的三种冲击的电压强度，逐一对比，或者在第(8)步得到的关系曲线中，计算换流阀操作、雷电、陡波冲击对应的电压变化率与换流阀应承受的三种冲击的电压强度，逐一对比，如果计算得到的关系曲线都能够比换流阀应承受的操作、雷电、陡波冲击电压强度要高，那么饱和电抗器就能确保在晶闸管阻态下能够安全工作；

如果未能比换流阀应承受的操作、雷电、陡波冲击电压强度高，那么就要从第(6)步中重新修改饱和电抗器的电气性能参数，循环迭代直至第(10)步中能够满足要求结束。

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