CN101975892B - 一种换流阀用饱和电抗器的损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子和电力系统领域，具体涉及一种换流阀用饱和电抗器的损耗计算方法。该方法是一种基于饱和电抗器的电路模型得出的数值计算方法，计算精度高，易于数值程序计算实现，易于可视化仿真计算；作为一种时域计算方法灵活的避免了铁芯饱和特性引入的非线性的影响；该方法不依赖于饱和电抗器具体的结构型式与材料属性的，因此可以在饱和电抗器设计或制造完成前即可获知其损耗特性，从而可以为饱和电抗器热力特性分析、冷却系统设计、结构型式优化提供参考；该方法可以独立地计算出饱和电抗器的通态损耗和铁芯损耗，避免了两类损耗耦合，从而实现两类损耗分类优化与控制。

Description

一种换流阀用饱和电抗器的损耗计算方法

技术领域

本发明涉及电力电子和电力系统领域，具体涉及一种换流阀用饱和电抗器的损耗计算方法。

背景技术

饱和电抗器是一种线圈与铁芯交链而成的高压电器设备，线圈一般为铝、铜等金属或其合金制成，线圈为硅钢片叠合而成。当晶闸管完全导通时，幅值为千安级的电流将流过饱和电抗器的线圈，线圈一般为铝、铜等金属材料制成，存在一定电阻，在大电流的作用下将产生损耗，即直流通态损耗，简称“通态损耗”；饱和电抗器的铁芯在其端电压急剧变化时会产生涡流损耗，此外铁芯工作会引起磁滞损耗，这两类损耗统称为“铁芯损耗”。通态损耗和铁芯损耗是饱和电抗器冷却系统设计的依据，因此必须准确获知这两类损耗的水平。

通过数值仿真方法，计算饱和电抗器在一定激励条件下的损耗值，常用的方法有：利用磁滞模型计算铁心损耗，损耗分离方法，经验方程方法和等效正弦方法，但上述四种方法仅适用于对称或正弦的激励条件。流过饱和电抗器的电流，不属于正弦激励，因此上述四种方法均不能直接应用。

文献1：方瑞明，王榕.基于谐波分析法的高速变频电机铁耗计算方法，电机与控制学报，2004，8(1)：25-27。

上述文献1采用傅里叶变换可以将任意波形形式的激励源转化为若干频率正弦波的线性叠加，逐一频点计算损耗值，铁心的总损耗近似为基波和各高次谐波损耗值之和，但饱和电抗器的铁心是非线性，叠加定理只适用于线性系统，所以这种处理也是不合理的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种直流换流阀用饱和电抗器准确的损耗计算方法，该方法是一种基于饱和电抗器的电路模型得出的数值计算方法，计算精度高，易于数值程序计算实现，易于可视化仿真计算；作为一种时域计算方法灵活的避免了铁芯饱和特性引入的非线性的影响；该方法不依赖于饱和电抗器具体的结构型式与材料属性的，因此可以在饱和电抗器设计或制造完成前即可获知其损耗特性，从而可以为饱和电抗器热力特性分析、冷却系统设计、结构型式优化提供参考；该方法可以独立地计算出饱和电抗器的通态损耗和铁芯损耗，避免了两类损耗耦合，从而实现两类损耗分类优化与控制。

本发明提出的一种换流阀用饱和电抗器的损耗计算方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)提取饱和电抗器宽频等值模型，得到饱和电抗器的等值电路，铁损电阻与铁芯电感相串联，再于空心电感、通态电阻相串联，杂散电容并联在输出端口处；

(2)经过理论分析以及针对实际饱和电抗器的测量，可以得到铁芯损耗和通态损耗效应分别用实体电阻等效，饱和电抗器线圈由金属构成，材料的导电特性为非理想的，其损耗性能可用一个线性电阻集中等效，称为通态电阻，记作Rcu；铁芯损耗是与饱和电抗器的电流幅值、频率，饱和电抗器端电压等紧密相关，因此需要用一个非线性电阻Rm等效替代，其表达式如下：

$R_m=\left\{\begin{array}{cc}{R}_e& I_m<I_{\mathrm{or}}\\ R_e{\left(\frac{I_{\mathrm{or}}}{I_m}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_R}& I_m\&GreaterEqual;I_{\mathrm{or}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：α_R——指数；

R_e——铁芯未饱和时呈现的恒定的损耗等值电阻；

I_m——电感支路电流；

I_or——饱和电抗器电阻拐点电流。

(3)在PSCAD软件中搭建换流阀系统能够仿真模型，基于系统仿真，确定出通态电阻两端电压u_Rcu和i_Rcu的值和铁损等值电阻两端电压u_Rm、i_Rm的值；

(4)根据功率的定义式，分别计算通态损耗和铁芯损耗；

根据物理量之间的数学关系及等值电路拓扑结构即可建立饱和电抗器的等值电路，在等值电路端间施加饱和电抗器在换流阀中承受的电压、电流即可获知通态电阻两端电压u_Rcu和i_Rcu，铁损等值电阻两端电压u_Rm、i_Rm：

由损耗的定义式可知：

$P_{\mathrm{Rcu}}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{u}_{\mathrm{Rcu}}\left(t\right)\&CenterDot;i_{\mathrm{Rcu}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{Rm}}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{u}_{\mathrm{Rm}}\left(t\right)\&CenterDot;i_{\mathrm{Rm}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

在一个周期内，对上述两式分别积分即可得到通态损耗和铁芯损耗。

本发明的有益效果是：

1.本发明的方法是一种易于数值程序计算实现，易于可视化仿真计算；

2.本发明的方灵活的避免了铁芯饱和特性引入的非线性的影响；

3.本发明的方不依赖于饱和电抗器具体的结构型式与材料属性的。

附图说明

图1示出了本发明的饱和电抗器的等值电路。

图2和图3分别示出了通态电阻两端电压uRcu和iRcu的值和铁损等值电阻两端电压uRm、iRm的值。

具体实施方式

经过理论分析以及针对实际饱和电抗器的测量，可以得到饱和电抗器的等值电路，如附图1所示，铁芯损耗和通态损耗效应分别用实体电阻等效。饱和电抗器线圈由金属构成，材料的导电特性为非理想的，其损耗性能可用一个线性电阻集中等效，称为通态电阻，记作Rcu；铁芯损耗是与饱和电抗器的电流幅值、频率，饱和电抗器端电压等紧密相关，因此需要用一个非线性电阻Rm等效替代，其表达式如下：

$R_m=\left\{\begin{array}{cc}{R}_e& I_m<I_{\mathrm{or}}\\ R_e{\left(\frac{I_{\mathrm{or}}}{I_m}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_R}& I_m\&GreaterEqual;I_{\mathrm{or}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：α_R——指数；

R_e——铁芯未饱和时呈现的恒定的损耗等值电阻；

I_m——电感支路电流；

I_or——饱和电抗器电阻拐点电流。

根据物理量之间的数学关系及等值电路拓扑结构即可建立饱和电抗器的等值电路，在等值电路端间施加饱和电抗器在换流阀中承受的电压、电流即可获知通态电阻两端电压u_Rcu和i_Rcu，如附图2所示，铁损等值电阻两端电压u_Rm、i_Rm，如附图3所示。

由损耗的定义式可知：

$P_{\mathrm{Rcu}}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{u}_{\mathrm{Rcu}}\left(t\right)\&CenterDot;i_{\mathrm{Rcu}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{Rm}}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{u}_{\mathrm{Rm}}\left(t\right)\&CenterDot;i_{\mathrm{Rm}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

在一个周期内，对上述两式分别积分即可得到通态损耗和铁芯损耗。

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的损耗计算方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）提取饱和电抗器宽频等值模型，得到饱和电抗器的等值电路，铁芯损耗等值电阻与铁芯电感相并联，再与空心电感、通态电阻相串联，杂散电容并联在输出端口处；

（2）经过理论分析以及针对实际饱和电抗器的测量，可以得到铁芯损耗和通态损耗效应分别用实体电阻等效，饱和电抗器线圈由金属构成，材料的导电特性为非理想的，其损耗性能用一个线性电阻集中等效，称为通态电阻，记作Rcu；铁芯损耗与饱和电抗器的电流幅值、频率，饱和电抗器端电压紧密相关，因此需要用一个非线性电阻Rm等效替代，其表达式如下：

$R_m=\left\{\begin{array}{cc}{R}_e& I_m<I_{\mathrm{or}}\\ R_e{\left(\frac{I_{\mathrm{or}}}{I_m}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_R}& I_m\&GreaterEqual;I_{\mathrm{or}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：α_R——指数；

R_e——铁芯未饱和时呈现的恒定的损耗等值电阻；

I_m——电感支路电流；

I_or——饱和电抗器电阻拐点电流。

（3）在PSCAD软件中搭建换流阀系统能够仿真模型，基于系统仿真，确定出系统仿真得到的通态电阻两端电压和系统仿真得到的通态电阻支路电流的值以及系统仿真得到的铁芯损耗等值电阻两端电压和系统仿真得到的铁芯损耗等值电阻支路电流的值；

（4）根据功率的定义式，分别计算通态损耗和铁芯损耗；

根据物理量之间的数学关系及等值电路拓扑结构即可建立饱和电抗器的等值电路，在等值电路端间施加饱和电抗器在换流阀中承受的电压、电流即可获知通态电阻两端电压u_Rcu和通态电阻支路电流i_Rcu以及铁芯损耗等值电阻两端电压u_Rm和铁芯损耗等值电阻支路电流i_Rm：

由损耗的定义式可知：

$P_{\mathrm{Rcu}}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{u}_{\mathrm{Rcu}}\left(t\right)\&CenterDot;i_{\mathrm{Rcu}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{Rm}}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{u}_{\mathrm{Rm}}\left(t\right)\&CenterDot;i_{\mathrm{Rm}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

在一个周期T内，对上述两式分别积分即可得到通态损耗P_Rcu和铁芯损耗P_Rm。

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