CN102073002B - 一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法。该模型基于傅里叶分析理论，建立晶闸管时域du/dt耐受能力与频域冲击电气强度之间的映射关系，模型的有效性不依赖于具体的冲击电压形式，可以在操作冲击、雷电冲击、陡波冲击等冲击电压宽频范围内实现准确的定量分析；同时避免了高频信号du/dt数值计算，从而降低了分析的误差；为换流阀中避雷器、饱和电抗器和晶闸管等元器件的非线性匹配建立了理论依据。

Description

一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法

技术领域

本发明属于电力电子、电力系统领域，具体涉及一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法。

背景技术

直流换流阀在运行工况和试验工况中需要承受操作冲击、雷电冲击、陡波冲击等过电压的作用，这些形式的激励源一般都具有较高的电压变化率(du/dt)，对换流阀中晶闸管的安全运行带来威胁。研究表明，在晶闸管阳极处于开路状态下，阳极与阴极间施加迅速上升的电压时，器件有可能在比它正向转折电压低得多的电压下导通。引起这种误触发导通的原因是晶闸管PN结是一个电容，当具有一定的电压上升率du/dt的电压施加在晶闸管阳极与阴极之间时，促使产生向结电容充电的充电电流，它与门极触发电流具有相同的作用，因此会造成晶闸管误触发导通。

因此在换流阀的系统设计中，需要设置饱和电抗器、阻尼电阻、阻尼电容等设备来保护晶闸管，确保其在各种冲击电压作用下不会误触发导通。晶闸管du/dt的耐受能力由其本身的物理特性所决定，在工程应用中，由晶闸管制造商测试获得，往往以u(t)～du/dt(t)函数关系的形式给出；晶闸管在换流阀系统中承受的冲击电压往往具有一定的随机性，学术界为了研究的可操作性以国际标准的型式提出了典型时域波形，但工程性的描述往往给出一定频率范围内的冲击电压强度，这种时域与频域的差异性造成了给换流阀的电气设计带来了困难。

发明内容

本发明提供了一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法。该模型基于傅里叶分析理论，建立晶闸管时域du/dt耐受能力与频域冲击电气强度之间的映射关系，模型的有效性不依赖于具体的冲击电压形式，可以在操作冲击、雷电冲击、陡波冲击等冲击电压宽频范围内实现准确的定量分析；同时避免了高频信号du/dt数值计算，从而降低了分析的误差；为换流阀中避雷器、饱和电抗器和晶闸管等元器件的非线性匹配建立了理论依据。

依据本发明的一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法，包括以下步骤：

(1)获取晶闸管的端间电压变化率du/dt的耐受能力曲线，作为模型分析的输入条件，由晶闸管制造商通过实际测量得到，晶闸管的端间电压变化率du/dt的耐受能力曲线图形的含义为在某一固定的端间电压变化率du/dt水平下，晶闸管可以耐受的最高的电压值；

(2)确定晶闸管的电压峰值u_pk、晶闸管的电压变化率峰值du/dt_pk与频率f之间的映射关系，由傅里叶变换可知，任意形式的激励源均可用有限个不同频率的正弦波叠加表示，设某一频率下的正弦激励如下式所示：

u_f＝U_f sin(2π ft)                        (1)

du_f/dt＝2πfU_fcos(2πft)                  (2)

由上述两式可知：

$\frac{u_f{|}_{\mathrm{pk}}}{{\mathrm{du}}_f/\mathrm{dt}{|}_{\mathrm{pk}}}=\frac{U_f}{2\mathrm{\πf}{U}_f}---\left(3\right)$

由上式可知，频率与电压峰值以及电压变化率峰值的关系为：

$f=\frac{{\mathrm{du}}_f/\mathrm{dt}{|}_{\mathrm{pk}}}{2\mathrm{\π}{u}_f{|}_{\mathrm{pk}}}---\left(4\right)$

(3)建立晶闸管电压耐受能力与频率的函数关系；在晶闸管du/dt耐受能力曲线中，依次读取各个点(u_f1，du_f1/dt)，(u_f2，du_f2/dt)，(u_f3，du_f3/dt)……，代入公式(4)中可求得频率值，从而得到有限个(f₁，u_f1)，(f₂，u_f2)，(f₃，u_f3)映射对，采用插值拟合即可得到不同频率下晶闸管电压耐受能力，记为u_fw＝y(f)；

(4)获取换流阀系统承受的操作冲击、雷电冲击和陡波冲击下的电气强度，冲击电气强度由电力系统仿真分析得出，记作u_fi；

(5)在换流阀应用中，晶闸管与饱和电抗器串联使用，根据晶闸管和电抗器分压关系，可知晶闸管实际承受的电压值：

$u_{\mathrm{fp}}=\frac{Z_t}{Z_t+Z_s}{u}_{\mathrm{fi}}---\left(5\right)$

式中Z_t和Z_s分别表示晶闸管和饱和电抗器的网络函数，

若计算结果为u_fp＜u_fw，则证明晶闸管是安全的，否则就需要调整饱和电抗器的设计，提高饱和电抗器的分压。

本发明的有益效果是：

1.晶闸管电压耐受能力与具体的波形形式无关，模型具有广泛的适用性；

2.根据晶闸管时域du/dt耐受能力推导出了频域耐受能力，避免了高频信号du/dt数值求解误差大的弊端。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出了典型的u(t)～du/dt(t)波形。

图2是示出了依据本发明的方法建立模型与分析过程的框图。

具体实施方式

本发明公布的晶闸管一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法，基于该模型进行晶闸管du/dt耐受特性分析主要包括以下步骤：

(1)获取晶闸管du/dt耐受能力曲线，作为模型分析的输入条件，由晶闸管制造商通过实际测量得到，典型的u(t)～du/dt(t)波形如附图1所示，图形的含义为在某一固定的du/dt水平下，晶闸管可以耐受的最高的电压值。

(2)确定u_pk、du/dt_pk与频率f之间的映射关系。由傅里叶变换可知，任意形式的激励源均可用有限个不同频率的正弦波叠加表示，设某一频率下的正弦激励如下式所示：

u_f＝U_fsin(2πft)                        (1)

du_f/dt＝2πfU_fcos(2πft)                (2)

由上述两式可知：

$\frac{u_f{|}_{\mathrm{pk}}}{{\mathrm{du}}_f/\mathrm{dt}{|}_{\mathrm{pk}}}=\frac{U_f}{2\mathrm{\πf}{U}_f}---\left(3\right)$

由上式可知，频率与电压峰值以及电压变化率峰值的关系为：

$f=\frac{{\mathrm{du}}_f/\mathrm{dt}{|}_{\mathrm{pk}}}{2\mathrm{\π}{u}_f{|}_{\mathrm{pk}}}---\left(4\right)$

(3)建立的晶闸管电压耐受能力与频率的函数关系。在附图1所示的曲线中，依次读取各个点(u_f1，du_f1/dt)，(u_f2，du_f2/dt)，(u_f3，du_f3/dt)……，代入公式(4)中可求得频率值，从而得到有限个(f₁，u_f1)，(f₂，u_f2)，(f₃，u_f3)映射对，采用插值拟合即可得到不同频率下晶闸管电压耐受能力，记为u_fw＝y(f)。

(4)获取换流阀系统承受的操作冲击、雷电冲击和陡波冲击下的电气强度，冲击电气强度由电力系统仿真分析得出，记作u_fi。

(5)在换流阀应用中，晶闸管与饱和电抗器串联使用，根据晶闸管和电抗器分压关系，可知晶闸管实际承受的电压值：

$u_{\mathrm{fp}}=\frac{Z_t}{Z_t+Z_s}{u}_{\mathrm{fi}}---\left(5\right)$

式中Z_t和Z_s分别表示晶闸管和饱和电抗器的网络函数。

若计算结果为u_fp＜u_fw，则证明晶闸管是安全的，否则就需要调整饱和电抗器的设计，提高饱和电抗器的分压。上述模型建立与分析过程可以用框图表示，如附图2所示。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (1)

1.一种换流阀用晶闸管电压耐受特性分析方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）获取晶闸管的端间电压变化率du/dt的耐受能力曲线，作为模型分析的输入条件，由晶闸管制造商通过实际测量得到，晶闸管的端间电压变化率du/dt的耐受能力曲线图形的含义为在某一固定的端间电压变化率du/dt水平下，晶闸管可以耐受的最高的电压值；

（2）确定晶闸管的电压峰值u_pk、晶闸管的电压变化率峰值du/dt_pk与频率f之间的映射关系，由傅里叶变换可知，任意形式的激励源均可用有限个不同频率的正弦波叠加表示，设某一频率下的正弦激励如下式所示：

u_f=U_fsin(2πft)    (1)

du_f/dt=2πfU_fcos(2πft)    (2)

由上述两式可知：

$\frac{u_f{|}_{\mathrm{pk}}}{{\mathrm{du}}_f/\mathrm{dt}{|}_{\mathrm{pk}}}=\frac{U_f}{2\mathrm{\π}{\mathrm{fU}}_f}---\left(3\right)$

由上式可知，频率与电压峰值以及电压变化率峰值的关系为：

$f=\frac{{\mathrm{du}}_f/\mathrm{dt}{|}_{\mathrm{pk}}}{2\mathrm{\π}{u}_f{|}_{\mathrm{pk}}}---\left(4\right)$

（3）建立晶闸管电压耐受能力与频率的函数关系；在晶闸管du/dt耐受能力曲线中，依次读取各个点（u_f1,du_f1/dt），（u_f2,du_f2/dt），（u_f3,du_f3/dt）……，代入公式（4）中可求得频率值，从而得到有限个（f₁,u_f1），（f₂,u_f2），（f₃,u_f3）……映射对，采用插值拟合即可得到不同频率下晶闸管电压耐受能力，记为u_fw=y(f)；

（4）获取换流阀系统承受的操作冲击、雷电冲击和陡波冲击下的电气强度，冲击电气强度由电力系统仿真分析得出，记作u_fi；

（5）在换流阀应用中，晶闸管与饱和电抗器串联使用，根据晶闸管和电抗器分压关系，可知晶闸管实际承受的电压值：

$u_{\mathrm{fp}}=\frac{Z_t}{Z_t+Z_s}{u}_{\mathrm{fi}}---\left(5\right)$

式中Z_t和Z_s分别表示晶闸管和饱和电抗器的网络函数，

若计算结果为u_fp<u_fw，则证明晶闸管是安全的，否则就需要调整饱和电抗器的设计，提高饱和电抗器的分压。

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