CN102136807B - 一种新型换流阀阻尼参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型换流阀阻尼参数设计方法。根据换流阀实际工作电路搭建换流阀仿真模型，仿真模型可以模拟换流阀两端出现的最大反向电压；在换流阀晶闸管两端并联阻尼电路，利用电容电压不突变的特性抑制换流阀承受的反向过冲电压，阻尼电容的取值按照大角度运行限制晶闸管过电压、正常运行限制避雷器漏电流的原则确定，同时尽可能减小阻尼电容取值以减少阻尼回路损耗；阻尼电阻参数的确定依据是：可以抑制变压器漏抗与阻尼电容组成的电气回路的震荡。

Description

一种新型换流阀阻尼参数设计方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，及高压直流输电换流阀电气设计领域，具体涉及换流阀阻尼电容、阻尼电阻电气参数设计方法。

背景技术

换流阀实际工作电路包括交流电力系统、换流变压器、桥式换流电路、平波电抗器、直流线路。6个换流阀组成6脉动三相桥式换流电路，两个6脉动换流电路串联可以组成12脉动换流电路；晶闸管是换流阀的核心开关器件，此外，为了限制晶闸管开通过程中电流上升速率，换流阀中配有饱和电抗器；为了防止换流阀承受过电压，换流阀两端并联有避雷器；为了抑制换流阀两端出现的换相过冲电压，换流阀晶闸管两端并联有RC阻尼回路；根据换流阀实际工作电路和换流阀本身包含的器件，搭建换流阀仿真电路如附图1所示。

当换流阀承受反向电压时，晶闸管正向电流过零，晶闸管阻断能力开始恢复，在晶闸管阻断能力恢复的过程中，换流变压器漏电抗会产生很高的感应电压，感应电压与反向电压叠加施加在换流阀两端，会使晶闸管承受过高的电压应力；此外，感应电压还会引起阀避雷器频繁动作，使避雷器漏电流过大，过大的避雷器漏电流使避雷器过热，严重时可能导致避雷器烧毁；当换流阀触发角接近90°时，换流阀将承受最为严重的过电压。

为了抑制换流阀两端的过电压，需要给晶闸管两端并联RC阻尼回路，RC阻尼回路利用了电容两端电压不突变的特性；RC阻尼参数不能随便选取，若阻尼电容值过小，则不能起到抑制过电压的作用；若阻尼电容值过大，则会在阻尼电阻上引起过大的阻尼损耗，增大换流阀的运行成本。

ABB Design of RC Snubbers for Phase Control Applications中RC阻尼参数的设计方法是：通过大量试验，得出

和V_RM/V_R的多组关系曲线，其中：

Q_rr；晶闸管存储电荷；

C_s：阻尼电容设计值；

V_R：晶闸管关断时承受的反向电压；

R_s阻尼电阻值；

L_c：晶闸管工作电路电感值；

V_RM：晶闸管承受的最大反向电压。

这种方法可以根据晶闸管所处在的工作电路和晶闸管参数表得出所要设计的V_RM/V_R对应的C_s和R_s值，这种方法的最大优点是可以方便快捷地选择阻尼电容和阻尼电阻值，但是精确性不高，而且关系曲线的获得需要进行大量的试验，不同的应用场合下，晶闸管所处的工作电路差异很大，可能需要针对特定的工作电路设计特定的试验，这将花费很大成本。所以上述方法最大的缺点是实用性不强。

本发明提出的方法针对RC阻尼回路在换流阀中的作用，通过仿真的方法确定阻尼参数，阻尼参数的设计结果精确，操作过程简易可行。

发明内容

为了解决换流阀晶闸管RC阻尼参数的设计问题，本发明提供了一种新型换流阀阻尼参数设计方法。根据换流阀实际工作电路搭建换流阀仿真模型，仿真模型可以模拟换流阀两端出现的最大反向电压；在换流阀晶闸管两端并联阻尼电路，利用电容电压不突变的特性抑制换流阀承受的反向过冲电压，阻尼电容的取值按照大角度运行限制晶闸管过电压、正常运行限制避雷器漏电流的原则确定，同时尽可能减小阻尼电容取值以减少阻尼回路损耗；阻尼电阻参数的确定依据是：可以抑制变压器漏抗与阻尼电容组成的电气回路的震荡。

依据本发明的一种新型换流阀阻尼参数设计方法，根据换流阀实际工作电路搭建换流阀仿真模型，仿真模型模拟换流阀两端出现的最大反向电压；在换流阀晶闸管两端并联阻尼电路，利用电容电压不突变的特性抑制换流阀承受的反向过冲电压，阻尼电容的取值按照大角度运行限制晶闸管过电压、正常运行限制避雷器漏电流的原则确定，同时尽可能减小阻尼电容取值以减少阻尼回路损耗；阻尼电阻参数的确定依据是：能够抑制变压器漏抗与阻尼电容组成的电气回路的震荡；

所述换流阀实际工作电路包括交流电力系统、换流变压器、桥式换流电路、平波电抗器、和直流线路；6个换流阀组成6脉动三相桥式换流电路，两个6脉动换流电路串联可组成12脉动换流电路；晶闸管是换流阀的核心开关器件；为了限制晶闸管开通过程中电流上升速率，换流阀中还配有饱和电抗器；为了防止换流阀承受过电压，换流阀两端并联有避雷器；为了抑制换流阀两端出现的换相过冲电压，换流阀晶闸管两端并联有RC阻尼回路，所述RC阻尼回路由电阻和电容组成，等效为一个电阻和一个电容的串联结构；根据换流阀实际工作电路和换流阀本身包含的器件，搭建换流阀仿真电路。

其中，所述RC阻尼回路中的阻尼电容的选取步骤为：

(1)将换流变压器的最大线电压值输入换流阀实际工作电路的仿真电路；

(2)将仿真电路触发角调节到接近90°；

(3)初步确定一个阻尼电容值C₀和阻尼电阻值R₀；

(4)运行仿真电路：

并且设k_ac：换流阀交流均压系数；N_t：换流阀单阀晶闸管串联数；V_RRM：晶闸管反向重复电压峰值；

若阀两端最大反向电压U_val满足：

$U_{\mathrm{val}}>\frac{0.9N_t\×V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}}$

则增大阻尼电容值，继续运行仿真电路，若U_val满足：

$U_{\mathrm{val}}<\frac{0.8k_{\mathrm{ac}}\&times;N_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}}$

则减小阻尼电容值，继续运行仿真电路，直至满足：

$\frac{0.8N_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}}<U_{\mathrm{val}}<\frac{0.9N_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}};$

(5)将触发角降低到正常运行最大触发角，运行仿真电路，设避雷器起始动作电压U_ar-on，若U_val满足：

U_val＞U_ar-on

则增大阻尼电容值，继续运行仿真电路，若U_val满足：

U_val＜0.9U_ar-on

则减小阻尼电容值，继续运行仿真电路，直至满足：

0.9U_ar-on＜U_val＜0.95U_ar-on

此时的阻尼电容值C_f就是满足要求的阻尼电容值。

其中，所述为了抑制变压器漏抗与阻尼电容组成的电气回路的震荡，对于每个阻尼电容的取值，都有一个阻尼电阻值的取值与之对应，其值为：

$R_s=2.5\sqrt{\frac{L_t}{C}}$

其中：

C：阻尼电容值；

L_t：换流变压器漏抗折算到晶闸管级的值，L_t＝L_u/N_t。

本发明技术方案的优点是：

1、根据换流阀的实际工作电路搭建仿真模型，通过仿真来确定不同的阻尼参数取值对换流阀的影响，使阻尼参数设计过程简便易行。

2、根据RC阻尼回路在大角度运行工况下对晶闸管反向过电压的抑制作用来确定阻尼参数的初步取值，可以保证在各种触发角下晶闸管承受的反向电压都在允许范围内。

3、根据RC阻尼回路在正常触发运行工况下对阀避雷器漏电流的限制来进一步优化阻尼回路参数，可以保证在长期正常运行工况下阀避雷器不会因为漏电流过大而烧毁。

4、阻尼参数的设计流程保证了在上述设计的基础上尽可能减小阻尼电容取值，可以减少换流阀运行中阻尼回路的损耗，降低换流阀的运行成本。

附图说明

图1是根据换流阀实际工作电路搭建的等效仿真电路的示意图。

图2是RC阻尼回路参数设计流程图。

图3是针对特定直流输电工程换流阀进行RC阻尼参数设计所得出的阀电压波形，其中图3a是C₀＝0.5μF、R₀＝56Ω、80°触发的电压波形图；图3b是C₀＝0.5μF、R₀＝56Ω、18°触发的电压波形图；图3c是C₀＝1.0μF、R₀＝40Ω、18°触发的电压波形图；图3d是C₀＝1.5μF、R₀＝30Ω、18°触发的电压波形图。

具体实施方式

以某直流工程为例：换流变压器最大线电压值为178kV，换相电感L_u为13.8mH，阀避雷器的起始动作电压U_ar-on为304kV，晶闸管V_RRM＝7.2kV，单阀晶闸管串联数为67，交流均压系数k_ac＝1.05将仿真电路中换流阀触发角调到80°，初步确定阻尼电容值C₀＝0.5μF，对应的阻尼电阻值R₀＝56Ω，将上述参数代入仿真电路，得出换流阀最大反向电压U_val＝388kV，有：

$\frac{0.8\&times;N_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}}=367<U_{\mathrm{val}}=388<\frac{0.9N_t\&times;V_{\mathrm{RRm}}}{k_{\mathrm{ac}}}=413$

将触发角调节到正常运行最大触发角18°，将C₀＝0.5μF、R₀＝56Ω代入仿真电路，得出U_val＝336kV，U_val＞U_ar-on；将阻尼电容值增大到1.0μF，对应阻尼电阻值40Ω，得出U_val＝292kV，U_val＞0.9U_ar-on；将阻尼电容值增大到1.5μF，对应阻尼电阻值30Ω，得出U_val＝282kV，0.9U_ar-on＜U_val＜0.95U_ar-on，满足设计要求，最后，阻尼电容值取1.5μF，阻尼电阻值取30Ω。

图3是针对特定直流输电工程换流阀进行RC阻尼参数设计所得出的阀电压波形。

图3a为整流器触发角为80°，阻尼电容值C₀＝0.5μF，对应的阻尼电阻值R₀＝56Ω时换流阀电压波形；图3b为整流器触发角为18°，阻尼电容值C₀＝0.5μF，对应的阻尼电阻值R₀＝56Ω时换流阀电压波形；图3c为整流器触发角为18°，阻尼电容值C₀＝1μF，对应的阻尼电阻值R₀＝40Ω时换流阀电压波形；图3d为整流器触发角为18°，阻尼电容值C₀＝1.5μF，对应的阻尼电阻值R₀＝30Ω时换流阀电压波形；

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)

1.一种新型换流阀阻尼参数设计方法，其特征在于：根据换流阀实际工作电路搭建换流阀仿真模型，仿真模型模拟换流阀两端出现的最大反向电压；在换流阀晶闸管两端并联阻尼电路，利用电容电压不突变的特性抑制换流阀承受的反向过冲电压，阻尼电容的取值按照大角度运行限制晶闸管过电压、正常运行限制避雷器漏电流的原则确定，同时尽可能减小阻尼电容取值以减少阻尼回路损耗；阻尼电阻参数的确定依据是：能够抑制变压器漏抗与阻尼电容组成的电气回路的震荡；

所述换流阀实际工作电路包括交流电力系统、换流变压器、桥式换流电路、平波电抗器、和直流线路；6个换流阀组成6脉动三相桥式换流电路，两个6脉动三相桥式换流电路串联组成12脉动换流电路；晶闸管是换流阀的核心开关器件；为了限制晶闸管开通过程中电流上升速率，换流阀中还配有饱和电抗器；为了防止换流阀承受过电压，换流阀两端并联有避雷器；为了抑制换流阀两端出现的换相过冲电压，换流阀晶闸管两端并联有RC阻尼回路，所述RC阻尼回路由电阻和电容组成，等效为一个电阻和一个电容的串联结构；根据换流阀实际工作电路和换流阀本身包含的器件，搭建换流阀仿真电路；

所述RC阻尼回路中的阻尼电容的选取步骤为：

（1）将换流变压器的最大线电压值输入换流阀实际工作电路的仿真电路；

（2）将仿真电路触发角调节到接近90°；

（3）初步确定一个阻尼电容值C₀和阻尼电阻值R₀；

（4）运行仿真电路：

并且设k_ac：换流阀交流均压系数；N_t：换流阀单阀晶闸管串联数；V_RRM：晶闸管反向重复电压峰值；

若阀两端最大反向电压U_val满足：

$U_{\mathrm{val}}>\frac{{0.9N}_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}}$

则增大阻尼电容值，继续运行仿真电路，若U_val满足：

$U_{\mathrm{val}}<\frac{{0.8N}_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}}$

则减小阻尼电容值，继续运行仿真电路，直至满足：

$\frac{{0.8N}_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}}<U_{\mathrm{val}}<\frac{{0.9N}_t\&times;V_{\mathrm{RRM}}}{k_{\mathrm{ac}}};$

（5）将触发角降低到正常运行最大触发角，运行仿真电路，设避雷器起始动作

电压U_ar-on，若U_val满足：

U_val>U_ar-on

则增大阻尼电容值，继续运行仿真电路，若U_val满足：

U_val<0.9U_ar-on

则减小阻尼电容值，继续运行仿真电路，直至满足：

0.9U_ar-on<U_val<0.95U_ar-on

此时的阻尼电容值C_f就是满足要求的阻尼电容值；

所述为了抑制变压器漏抗与阻尼电容组成的电气回路的震荡，对于每个阻尼电容的取值，都有一个阻尼电阻值的取值与之对应，其值为：

$R_s=2.5\sqrt{\frac{L_t}{C}}$

其中：

C：阻尼电容值；

L_t：换流变压器漏抗折算到晶闸管级的值，L_t=L_u/N_t，L_u表示换流变压器漏抗值，N_t表示换流阀单阀晶闸管串联数。

Images