CN101923594B - 一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管开通下的性能分析方法 - Google Patents
一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管开通下的性能分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管开通下的性能分析方法。以晶闸管开通时晶闸管的电流耐受能力为出发点，分析饱和电抗器参数的不同组合对晶闸管开通时施加承受的电力应力的影响。重点分析开通期间，每一个时间段晶闸管电流的耐受能力为门槛，得到针对不同时间段饱和电抗器和晶闸管的等效模型，以及不同时间段，流过晶闸管电流分量的分析，得到为保护晶闸管在开通情况下正常开通而所需要的饱和电抗器参数。此发明的分析方法为确定饱和电抗器的电气性能和电气参数设计优化奠定了理论和仿真基础。
Description
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开通下的性能分析方法。
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。在晶闸管开通情况下，饱和电抗器保护晶闸管是其最重要的任务。
针对这方面的研究工作，有的文献对非周期触发工况下饱和电抗器对晶闸管开通电流的影响进行了分析，但是对于饱和电抗器而言，只是考虑了其非线性电感特性，未考虑非线性铁损特性，导致揭示的规律并不全面也不系统。而对于晶闸管电流开通期间的关键门槛指标也并没有系统说明，只是片面地提到几个指标。
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。但是对于晶闸管开通电流的影响并未与晶闸管的耐受能力相结合，同时对于饱和电抗器的模型方面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开通下的性能分析不全面。
本发明考虑了饱和电抗器完整的非线性模型在换流阀中保护晶闸管电流，即在晶闸管开通下的性能分析。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在晶闸管开通下的性能分析方法。以晶闸管开通时晶闸管的电流耐受能力为出发点，分析饱和电抗器参数的不同组合对晶闸管开通时施加承受的电力应力的影响。重点分析开通期间，每一个时间段晶闸管电流的耐受能力为门槛，得到针对不同时间段饱和电抗器和晶闸管的等效模型，以及不同时间段，流过晶闸管电流分量的分析，得到为保护晶闸管在开通情况下正常开通而所需要的饱和电抗器参数。此发明的分析方法为确定饱和电抗器的电气性能和电气参数设计优化奠定了理论和仿真基础。
本发明的一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管开通下的性能分析方法，包括以下步骤：
(1)设定饱和电抗器的电气模型；
饱和电抗器的电气模型包括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)分析晶闸管的开通电流耐受特性；
晶闸管开通电流的耐受特性体现为一条电流曲线波形，从晶闸管开通时刻起一定时间门槛内，所述时间门槛为10-90微秒，晶闸管所能够承受的电流强度波形，即在此时间门槛内，要确保晶闸管开通时流过的电流要小于此耐受波形，根据时间段划分，此电流耐受波形有几个关键参数：
1)在晶闸管开通时刻起0.5～1个微秒内，晶闸管可以耐受一定量值的阶跃电流，记此量为Istep，单位为安培，此电流一般小于几百安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；
2)在晶闸管开通时刻后1～5个微秒内，晶闸管可以承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt1，单位为A/us，此阶段允许的电流上升率一般为几百安培/微秒，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；
3)在晶闸管开通时刻后4～20个微秒内，晶闸管可以承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt2，单位为A/us，此阶段允许的电流上升率一般为几千安培/微秒，这一阶段能够承受的电流变化率di/dt2要高于di/dt1；同时这一阶段内，晶闸管所允许的电流峰值也是一个门槛，记此电流峰值为Ipk，单位为安培，此电流峰值一般为数千安至数十个千安，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；
4)在晶闸管开通时刻后10～几十微秒内，晶闸管可以承受一定电流波谷值，记此电流波谷值为Ibg，单位为安培，此电流波谷值一般要大于晶闸管的擎住电流和维持电流，数值一般在几个安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性。即要确保流过晶闸管的电流要大于此电流波谷值；
(3)建立晶闸管的开通电路分析模型；
晶闸管在换流阀中的开通过程有几种工况，包括非周期触发、最大暂态运行触发工况，其包括正常触发和过电压保护触发、大角度运行触发工况，其包括正常触发和过电压保护触发、周期触发，其包括正常触发和过电压保护触发、低电压触发工况；其中开通电流应力最严酷的工况为非周期触发，晶闸管在其余工况下的开通过程下的开通电压较低，分析方法类似；
晶闸管开通时，流过晶闸管的电流有三部分源，一部分来自避雷器上的能量，第二部分来自换流阀端间杂散电容上的能量，第三部分来自晶闸管两端阻尼电容通过阻尼电阻的放电电流，建立的晶闸管开通电路分析模型包括三部分，包括避雷器、换流阀端间杂散电容、饱和电抗器、晶闸管、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容和换流变的换相电感元件，其他辅助部件是为了能够给避雷器上建立能量所用的直流电源、电容以及控制开关；
(4)理论分析晶闸管开通期间电抗器特性；
这部分理论分析对应饱和电抗器在晶闸管开通期间耐受电流特性几个阶段内的理论特性分析：
1)阀开通初期
加入饱和电抗器后，阀在触发开通的时刻，由于铁心电感上的电流不能突变，而铁损阻尼阻性的电流会突变，此时会引起开通最开始的一个很大的电流及电流变化率，同时电抗器两端的杂散电容也会引起一个电流的突变值；
2)铁损电阻饱和
加入饱和电抗器后，由于饱和电抗器具有一定的高伏秒数，而且小电流时呈现大电感，故大电感会抑制电流的上升率，使得非周期触发下流过晶闸管的电流di/dt受到抑制；同时由于此处模型中的铁损电阻是以铁心电感上的电流为变量的，铁损阻尼上的di/dt和铁心电感电流的di/dt是成正比的，故设计铁损阻尼表达式的时候也需要考虑阻尼的值和阻尼饱和的电流分界点；
而且通过计算可以发现，在铁损电阻饱和，而铁心电感处于恒定值的时间段内，铁心电感上电流的di/dt是恒定的，铁损电阻上电流的di/dt也是恒定，而且这两个di/dt之间的定量关系也是固定的，取决于铁损电阻以及铁损电阻饱和的电流值，因此这两个值的设计也是需要考虑这个时间段内的di/dt耐受能力；
3)铁损电感饱和
随着时间的延长，流过电抗器电流线性增大，当这个电流使得电抗器铁心电感进入饱和区，铁心电感开始降落，那么由于避雷器两端并联接着一个阀端电容，使得电抗器两端电压不能突变；
此时铁心电感的衰减会使得流过铁心电感上的电流di/dt进一步增大，而铁损电阻上的电流也随之增大，但是由于铁损电阻两端电压也在下降，故电阻上电流的电流变化率会慢慢小于电感上电流的变化率；
4)深度饱和
随着时间的进一步延长，铁心电感也深度饱和，那么此时铁心的电感和铁损电阻都已经深度饱和，整个电抗器的性能趋向于空心电感的性能，但是还需要看到，电抗器电感的存在，会使得避雷器的电流转移完毕后，由阀端间电容和该电感形成一个串联RLC放电回路，而整个回路中的阻尼只有晶闸管的通态电阻；
(5)仿真分析晶闸管开通期间电抗器特性
在理论分析和电路模型的基础上，可对饱和电抗器在晶闸管开通期间的性能分析进行仿真；
将饱和电抗器完整的电气模型参数、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容、换流阀端间杂散电容、避雷器的伏安特性等作为输入参数，可获得晶闸管上的开通电流波形和开通电压波形，通过调整饱和电抗器的电气参数，可分析不同参数对晶闸管上开通电流的影响。晶闸管能否正常安全开通，则需要考核在晶闸管开通的几个阶段内，晶闸管上的开通电流在其耐受电流强度波形范围内即可。
本发明的有益效果是：
1.晶闸管开通电流模型清晰；
2.晶闸管开通电路模型明确；
3.分析步骤清晰；
4.分析方法明确。
附图说明
图1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”下限”和”上限”示意。其中”下限”曲线表征晶闸管均可承受的电流应力曲线，而”上限”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2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3示出了晶闸管开通电流仿真结果，横轴为时间(单位为秒)，纵轴为5个电流仿真波形(单位为千安)，其中Ithy为流经图2中
晶闸管上的电流，Idp为流经图2中⑤换向电感上的电流，Iarr为流经图2中⑥避雷器上的电流，Icstr为流经图2中⑦阀端间杂散电容上的电流，Idrc为流经图2中
和
晶闸管阻尼电阻和阻尼电容上的电流。
图4示出了晶闸管开通电路的仿真结果，横轴为时间(单位为秒)，纵轴为3个电压仿真波形(单位为千伏)，其中Uvav为图2中⑦阀端间杂散电容两端的电压，Urea为图2中⑨饱和电抗器端间电容两端的电压，Uthy为图2中
晶闸管两端的电压。
图5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6为依据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
本发明采用下面的步骤对晶闸管开通下饱和电抗器的性能展开分析：
(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)开通时晶闸管的耐受电流特性；
晶闸管开通电流耐受特性如图一所示。其中包括阶跃电流、电流上升率较低阶段、电流上升阶段维持时间、到达1kA的时间、电流上升率较高阶段、电流峰值、电流第一个波谷值等。
(3)开通情况下电路分析模型；
晶闸管开通电路模型如图二所示。包括电流产生部分、饱和电抗器和晶闸管模型以及等效杂散参数等。
(4)晶闸管开通期间饱和电抗器作用的理论分析；
1)阀开通初期
加入饱和电抗器后，阀在触发开通的时刻，由于铁心电感上的电流不能突变，而铁损阻尼阻性的电流会突变，此时会引起开通最开始的一个很大的电流及电流变化率，同时电抗器两端的杂散电容也会引起一个电流的突变值。
2)铁损电阻饱和
加入饱和电抗器后，由于饱和电抗器具有一定的高伏秒数，而且小电流时呈现大电感，故大电感会抑制电流的上升率，使得非周期触发下流过晶闸管的电流di/dt受到抑制；同时由于此处模型中的铁损电阻是以铁心电感上的电流为变量的，铁损阻尼上的di/dt和铁心电感电流的di/dt是成正比的，故设计铁损阻尼表达式的时候也需要考虑阻尼的值和阻尼饱和的电流分界点。
而且通过计算可以发现，在铁损电阻饱和，而铁心电感处于恒定值的时间段内，铁心电感上电流的di/dt是恒定的，铁损电阻上电流的di/dt也是恒定，而且这两个di/dt之间的定量关系也是固定的，取决于铁损电阻以及铁损电阻饱和的电流值，因此这两个值的设计也是需要考虑这个时间段内的di/dt耐受能力。
3)铁损电感饱和
随着时间的延长，流过电抗器电流线性增大。当这个电流使得电抗器铁心电感进入饱和区，铁心电感开始降落，那么由于避雷器两端并联接着一个阀端电容，使得电抗器两端电压不能突变。
此时铁心电感的降落会使得流过铁心电感上的电流di/dt进一步增大，而铁损电阻上的电流也随之增大)，但是由于铁损电阻两端电压也在下降，故电阻上电流的电流变化率会慢慢小于电感上电流的变化率。
4)深度饱和
随着时间的进一步延长，铁心电感也深度饱和，那么此时铁心的电感和铁损电阻都已经深度饱和，整个电抗器的性能趋向于空心电感的性能。但是还需要看到，电抗器电感的存在，会使得避雷器的电流转移完毕后，由阀端间电容和该电感形成一个串联RLC放电回路，而整个回路中的阻尼只有晶闸管的通态电阻。
(5)开通电流仿真分析；
电流仿真分析的结果如图三所示。
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开通下的性能分析方法，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括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)分析晶闸管的开通电流耐受特性；
晶闸管开通电流的耐受特性体现为一条电流曲线波形，从晶闸管开通时刻起一定时间门槛内，所述时间门槛为10-90微秒，晶闸管所能够承受的电流强度波形，即在此时间门槛内，要确保晶闸管开通时流过的电流要小于此耐受波形，根据时间段划分，此电流耐受波形有几个关键参数：
1)在晶闸管开通时刻起0.5～1个微秒内，晶闸管可以耐受一定量值的阶跃电流，记此量为Istep，单位为安培，此电流一般小于几百安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；
2)在晶闸管开通时刻后1～5个微秒内，晶闸管可以承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt1，单位为安培/微秒，此阶段允许的电流上升率一般为几百安培/微秒，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；
3)在晶闸管开通时刻后4～20个微秒内，晶闸管可以承受一定电流上升率的电流特性，记此阶段的电流上升率为di/dt2，单位为安培/微秒，此阶段允许的电流上升率一般为几千安培/微秒，这一阶段能够承受的电流变化率di/dt2要高于di/dt1；同时这一阶段内，晶闸管所允许的电流峰值也是一个门槛，记此电流峰值为Ipk，单位为安培，此电流峰值一般为数千安至数十个千安，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；
4)在晶闸管开通时刻后10～几十微秒内，晶闸管可以承受一定电流波谷值，记此电流波谷值为Ibg，单位为安培，此电流波谷值一般要大于晶闸管的擎住电流和维持电流，数值一般在几个安培，具体数值要查询选用特定型号的晶闸管特性；即要确保流过晶闸管的电流要大于此电流波谷值；
(3)建立晶闸管的开通电路分析模型；
晶闸管在换流阀中的开通过程有五种工况，包括非周期触发工况、最大暂态运行触发工况、大角度运行触发工况、周期触发工况和低电压触发工况；
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；
所述周期触发工况包括正常触发和过电压保护触发；
其中开通电流应力最严酷的工况为非周期触发，晶闸管在除非周期触发工况以外的四种工况下的开通过程下的开通电压较低，分析方法相同；
晶闸管开通时，流过晶闸管的电流有三部分源，一部分来自避雷器上的能量，第二部分来自换流阀端间杂散电容上的能量，第三部分来自晶闸管两端阻尼电容通过阻尼电阻的放电电流，建立的晶闸管开通电路分析模型包括四部分，第一部分为避雷器，第二部分为换流阀端间杂散电容，第三部分为饱和电抗器、晶闸管、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容和换流变的换相电感元件，第四部分为辅助部件，包括为了能够给避雷器上建立能量所用的直流电源、电容及控制开关；
(4)理论分析晶闸管开通期间电抗器特性；
这部分理论分析对应饱和电抗器在晶闸管开通期间耐受电流特性几个阶段内的理论特性分析：
1)阀开通初期
加入饱和电抗器后，阀在触发开通的时刻，由于铁心电感上的电流不能突变，而铁损阻尼阻性的电流会突变，此时会引起开通最开始的一个很大的电流及电流变化率，同时电抗器两端的杂散电容也会引起一个电流的突变值；
2)铁损电阻饱和
加入饱和电抗器后，由于饱和电抗器具有一定的高伏秒数，而且小电流时呈现大电感，故大电感会抑制电流的上升率，使得非周期触发下流过晶闸管的电流di/dt受到抑制；同时由于此处模型中的铁损电阻是以铁心电感上的电流为变量的，铁损阻尼上的di/dt和铁心电感电流的di/dt是成正比的，故设计铁损阻尼表达式的时候也需要考虑阻尼的值和阻尼饱和的电流分界点；
而且通过计算可以发现，在铁损电阻饱和，而铁心电感处于恒定值的时间段内，铁心电感上电流的di/dt是恒定的，铁损电阻上电流的di/dt也是恒定，而且这两个di/dt之间的定量关系也是固定的，取决于铁损电阻以及铁损电阻饱和的电流值，因此这两个值的设计也是需要考虑这个时间段内的di/dt耐受能力；
3)铁损电感饱和
随着时间的延长，流过电抗器电流线性增大，当这个电流使得电抗器铁心电感进入饱和区，铁心电感开始降落，那么由于避雷器两端并联接着一个阀端电容，使得电抗器两端电压不能突变；
此时铁心电感的衰减会使得流过铁心电感上的电流di/dt进一步增大，而铁损电阻上的电流也随之增大，但是由于铁损电阻两端电压也在下降，故电阻上电流的电流变化率会慢慢小于电感上电流的变化率；
4)深度饱和
随着时间的进一步延长，铁心电感也深度饱和，那么此时铁心的电感和铁损电阻都已经深度饱和，整个电抗器的性能趋向于空心电感的性能，但是还需要看到，电抗器电感的存在，会使得避雷器的电流转移完毕后，由阀端间电容和该电感形成一个串联RLC放电回路，而整个回路中的阻尼只有晶闸管的通态电阻；
(5)仿真分析晶闸管开通期间电抗器特性
在理论分析和电路模型的基础上，可对饱和电抗器在晶闸管开通期间的性能分析进行仿真；
将饱和电抗器完整的电气模型参数、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容、换流阀端间杂散电容、避雷器的伏安特性作为输入参数，可获得晶闸管上的开通电流波形和开通电压波形，通过调整饱和电抗器的电气参数，可分析不同参数对晶闸管上开通电流的影响；晶闸管能否正常安全开通，则需要考核在晶闸管开通的几个阶段内，晶闸管上的开通电流在其耐受电流强度波形范围内即可。
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