CN103259390B - 直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种直流输电换流阀开通阶跃电路及开通阶跃电流的确定方法。所述电路包括杂散电容C_s、换流变压器漏电感L_μ、电源U_s、阀避雷器R_a、饱和电抗器SR、阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d；所述确定方法包括下述步骤：（1）对饱和电抗器SR、晶闸管T和阀避雷器R_a进行非线性建模；（2）确定换流阀开通阶跃电路的能量转移关系；（3）分析换流阀开通初始状态并简化开通阶跃电路；（4）确定阶跃电流与开通阶跃电路参数的函数关系；（5）优化系统条件并改善阶跃电流。本发明分析了开通瞬间能量转移过程，建立了阶跃电流与系统参数间的数学关系，从而形成了可精确到安培级的开通阶跃电流计算方法。

Description

直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法

技术领域

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种直流输电换流阀开通阶跃电路及开通阶跃电流的确定方法。

背景技术

高压直流输电技术在现代电力系统中有着广泛应用。运行中，换流变压器系统杂散电容（C_s）等效于并联在换流阀两端，在换流阀关断阶段会被充电，从而储存大量能量；此外，由于限制暂态或冲击过电压的阀避雷器中也会建立较大电流。换流阀开通期间，这些能量将向晶闸管和饱和电抗器串联回路转移，导致开通浪涌电流，称为阶跃电流（stepcurrent，记作i_step），如图1所示。

阻尼电阻和阻尼电容用于限制换流阀关断过程过电压。然而，阻尼电容中储存的能量在晶闸管开通时会快速泄放，产生极高的di/dt，可能造成晶闸管的损坏，因此还需与电容串联设置阻尼电阻。可见阻尼电阻和阻尼电容的设置也影响开通阶跃电流。

由上述分析可知，开通阶跃电流是不可避免的，但由于开通初期晶闸管耐受阶跃电流的能力较差，因此这一电流又是需要严格限制的。在工程应用中，对于选定的晶闸管，往往确定一个阶跃电流的最大值，在换流阀设计中，需要通过各组部件的优化设计，保证阶跃电流不超过限值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种开通阶跃电路，另一目的是提供一种开通阶跃电流的确定方法，本发明分析了换流阀系统开通阶跃电流产生机理，研究了换流阀系统各组部件参数和系统条件对阶跃电流的影响机理，在此基础上建立了换流阀开通阶跃电流数理模型，分析了开通瞬间能量转移过程，建立了阶跃电流与系统参数间的数学关系，从而形成了可精确到安培级的开通阶跃电流计算方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种直流输电换流阀开通阶跃电路，其改进之处在于，所述电路包括杂散电容C_s、换流变压器漏电感L_μ、电源U_s、阀避雷器R_a、饱和电抗器SR、阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d；

所述杂散电容C_s两端分别通过换流变压器漏电感L_μ连接到电源U_s的正负极；所述饱和电抗器SR和晶闸管T串联，形成饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路；所述杂散电容C_s、阀避雷器R_a和饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路并联；所述阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d串联后并联在晶闸管T的两端。

优选的，在直流换流阀开通后，开通阶跃阶段的饱和电抗器SR等效为恒定电阻R₀；所述换流变压器漏电感L_μ和电源U_s的组合等效为恒流源。改进之处在于，所述确定方法包括下述步骤：

（1）对饱和电抗器SR、晶闸管T和阀避雷器R_a进行非线性建模；

（2）确定换流阀开通阶跃电路的能量转移关系；

（3）分析换流阀开通初始状态并简化开通阶跃电路；

（4）确定阶跃电流与开通阶跃电路参数的函数关系；

（5）优化系统条件并改善阶跃电流。

优选的，所述步骤（1）中，饱和电抗器SR的铁芯电阻在稳态时为固定值R₀，随着铁芯磁通密度B_m增加，铁芯电阻下降速率为k，则铁芯电阻R_e与磁通密度B_m的关系用下述表达式表示：

R_e＝R₀+kB_m ①；

其中：磁通密度B_m表示为：

$B_m\left(t\right)\≈\frac{{\∫}_0^t{u}_R\mathrm{dt}}{S}$ ②；

铁芯电感L_m表示为：

$L_m\left(i\right)=\frac{k}{\mathrm{\λ}+\frac{\mathrm{\ξ}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{rd}}}}$ ③；

其中：u_R表示饱和电抗器SR端电压，S表示饱和电抗器SR铁芯等效面积，k，ξ和λ为由铁芯几何参数决定的常数；μ_rd表示铁芯材料动态相对磁导率；

晶闸管T开通后，其端电压u_thy以指数形式降落，令初始时间t₀=0，则有：

$u_{\mathrm{thy}}=U_{\mathrm{val}}{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_t}}$ ④；

其中：U_val表示杂散电容C_s的端电压；τ_t表示换流阀系统时间常数；t是以开通时刻为起始时刻的时间。

优选的，所述步骤（2）中，在换流阀开通阶段，当晶闸管T触发开通后，杂散电容C_s能量、阀阻尼电容C_d能量和阀避雷器R_a能量均向饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路泄放。

优选的，所述步骤（3）中，在换流阀开通瞬间，饱和电抗器SR两端电压为零，电流为零；开通后电流值上升且电流上升幅度在0～200A之间时，开通阶跃阶段饱和电抗器SR等效为恒定电阻；随着杂散电容C_s能量泄放，其端电压U_val逐渐降低，阀避雷器R_a两端电压随之降低，由其伏安特性可知，其上电流逐渐减小；在1～4μs之间，换流变压器漏电感L_μ存在使得电流值不变，将换流变压器漏电感L_μ和电源U_s的组合等效为恒流源，电流为I_A。

优选的，所述步骤（4）中，阶跃电流i_step与开通阶跃电路参数的函数关系用下述表达式组表示：

$\left.\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{step}}=I_A-C_s\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}-i_{\mathrm{SA}}\left(u_{\mathrm{cs}}\right)-C_d\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cd}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{cs}}\left(0_{+}\right)=u_{\mathrm{cs}}\left(0_{-}\right)=u_{\mathrm{val}}\\ u_{\mathrm{cd}}\left(0_{+}\right)=u_{\mathrm{cd}}\left(0_{-}\right)=u_{\mathrm{val}}\end{array}\right\}$ ⑤；

其中：u_cs(0₊)、u_cs(0_-)分别表示杂散电容上开通前时刻和开通后时刻的电压；u_cd(0₊)、u_cd(0_-)分别表示阻尼电容上开通前时刻和开通后时刻的电压；i_SA、u_cs、u_cd分别表示避雷器电流、暂时电容电压和阻尼电容电压；

存在下述等量关系：

$R_d{C}_d\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cd}}}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{cd}}=u_{\mathrm{thy}}=U_{\mathrm{val}}{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_t}}$ ⑥；

u_R+u_thy＝u_cs ⑦；

假设开通后晶闸管两端电压瞬时降为零，由式⑦知饱和电抗器SR两端电压u_R等于杂散电容端电压为U_val，阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d回路被短路，由于阀阻尼电容两端电压不突变，形成零输入响应的一阶动态电路，则联立⑤～⑦求解阶跃电流i_step为：

$i_{\mathrm{step}}\≈\frac{U_{\mathrm{val}}}{R_0}+\frac{U_{\mathrm{val}}}{R_d}{e}^{-\frac{t}{R_d{C}_d}}$ ⑧。

优选的，所述步骤（5）中，由步骤（4）中的表达式⑧知影响阶跃电流i_step的主要因素为饱和电抗器SR的铁芯电阻R₀和阀阻尼电阻R_d，通过调整铁芯电阻R₀和阀阻尼电阻R_d改变阶跃电流i_step。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供的直流输电换流阀开通阶跃电路及开通阶跃电流的确定方法，揭示了开通阶跃电流的影响因素，依照本发明的方案，合理优化饱和电抗器和晶闸管阻尼系统参数，可以有效限制晶闸管开通阶跃电流，在换流阀设计研制工作中，保证晶闸管持续稳定运行，并延长工作寿命。

附图说明

图1是阶跃电流产生示意图；

图2是本发明提供的开通阶跃电流确定方法的流程图；

图3是本发明提供的基于试验测试的准确的转移特性示意图；

图4是本发明提供的开通阶跃电路的原理图；

图5是本发明提供的开通阶跃电路简化电路模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种直流输电换流阀开通阶跃电路，原理图如图4所示，包括杂散电容C_s、换流变压器漏电感L_μ、电源U_s、阀避雷器R_a、饱和电抗器SR、阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d；

杂散电容C_s两端分别通过换流变压器漏电感L_μ连接到电源U_s的正负极；所述饱和电抗器SR和晶闸管T串联，形成饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路；所述杂散电容C_s、阀避雷器R_a和饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路并联；所述阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d串联后并联在晶闸管T的两端。在直流换流阀开通后，开通阶跃阶段的饱和电抗器SR等效为恒定电阻R₀；所述换流变压器漏电感L_μ和电源U_s的组合等效为恒流源，开通阶跃电路简化电路模型如图5所示。

针对开通阶跃电路，本发明提供一种开通阶跃电流的确定方法，具体步骤如图2所示：

（1）对饱和电抗器SR、晶闸管T和阀避雷器R_a进行非线性建模；

通常情况下，阀避雷器由非线性的V-I特性表示。然而，传统避雷器模型中没有提供换流阀开通阶段的伏安特性，基于试验测试的准确的转移特性如图3所示。

饱和电抗器铁心涡流损耗的物理过程较为复杂，本发明建立了铁心电阻与铁芯磁通密度之间的线性函数关系，即稳态时铁心电阻为一固定值，记作R₀，随着铁芯磁通密度B_m增加，铁芯电阻下降速率为k，则铁芯电阻R_e与磁通密度B_m的关系用下述表达式表示：

R_e＝R₀+kB_m ①；

其中：磁通密度B_m表示为：

$B_m\left(t\right)\≈\frac{{\∫}_0^t{u}_R\mathrm{dt}}{S}$ ②；

铁芯电感L_m表示为：

$L_m\left(i\right)=\frac{k}{\mathrm{\λ}+\frac{\mathrm{\ξ}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{rd}}}}$ ③；

其中：u_R表示饱和电抗器SR端电压，S表示饱和电抗器SR铁芯等效面积，k，ξ和λ为由铁芯几何参数决定的常数；μ_rd表示铁芯材料动态相对磁导率；

晶闸管T开通后，其端电压u_thy以指数形式降落，令初始时间t₀=0，则有：

$u_{\mathrm{thy}}=U_{\mathrm{val}}{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_t}}$ ④；

其中：U_val表示杂散电容C_s的端电压；τ_t表示换流阀系统时间常数；t是以开通时刻为起始时刻的时间。

（2）确定换流阀开通阶跃电路的能量转移关系；

在换流阀开通阶段，当晶闸管T触发开通后，杂散电容C_s能量、阀阻尼电容C_d能量和阀避雷器R_a能量均向饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路泄放。

（3）分析换流阀开通初始状态并简化开通阶跃电路；

开通瞬间，饱和电抗器两端电压为零，电流也为零，开通后电流逐渐上升但电流幅度较小，上升幅度在0～200A之间时，铁芯电感和铁芯电阻动态特性不显著，可用恒定电阻和电感替代，且电感中的电流不能突变，所以开通阶跃阶段饱和电抗器表现为恒定电阻R₀；随着杂散电容C_s能量泄放，其端电压U_val逐渐降低，阀避雷器两端电压随之降低，由其伏安特性可知，其上电流逐渐减小；而在1～4μs之间，换相电感的存在使得电流基本不变，可视作恒流源，电流为I_A，简化的分析电路如附图5所示。

（4）确定阶跃电流与开通阶跃电路参数的函数关系；

阶跃电流i_step与开通阶跃电路参数的函数关系用下述表达式组表示：

$\left.\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{step}}=I_A-C_s\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}-i_{\mathrm{SA}}\left(u_{\mathrm{cs}}\right)-C_d\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cd}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{cs}}\left(0_{+}\right)=u_{\mathrm{cs}}\left(0_{-}\right)=u_{\mathrm{val}}\\ u_{\mathrm{cd}}\left(0_{+}\right)=u_{\mathrm{cd}}\left(0_{-}\right)=u_{\mathrm{val}}\end{array}\right\}$ ⑤；

其中：u_cs(0₊)、u_cs(0_-)分别表示杂散电容上开通前时刻和开通后时刻的电压；u_cd(0₊)、u_cd(0_-)分别表示阻尼电容上开通前时刻和开通后时刻的电压；i_SA、u_cs、u_cd分别表示避雷器电流、暂时电容电压和阻尼电容电压；

存在下述等量关系：

$R_d{C}_d\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{cd}}}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{cd}}=u_{\mathrm{thy}}=U_{\mathrm{val}}{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_t}}$ ⑥；

u_R+u_thy＝u_cs ⑦；

假设开通后晶闸管两端电压瞬时降为零，由式⑦知饱和电抗器SR两端电压u_R等于杂散电容端电压为U_val，阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d回路被短路，由于阀阻尼电容两端电压不突变，形成零输入响应的一阶动态电路，则联立⑤～⑦求解阶跃电流i_step为：

$i_{\mathrm{step}}\≈\frac{U_{\mathrm{val}}}{R_0}+\frac{U_{\mathrm{val}}}{R_d}{e}^{-\frac{t}{R_d{C}_d}}$ ⑧。

（5）优化系统条件并改善阶跃电流；

由步骤（4）中的表达式⑧知影响阶跃电流i_step的主要因素为饱和电抗器SR的铁芯电阻R₀和阀阻尼电阻R_d，通过调整铁芯电阻R₀和阀阻尼电阻R_d改变阶跃电流i_step。

本发明分析了换流阀系统开通阶跃电流产生机理，研究了换流阀系统各组部件参数和系统条件对阶跃电流的影响机理，在此基础上建立了换流阀开通阶跃电流数理模型，分析了开通瞬间能量转移过程，建立了阶跃电流与系统参数间的数学关系，从而形成了可精确到安培级的开通阶跃电流计算方法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法，所述方法采用直流输电换流阀开通阶跃电路，其特征在于，所述电路包括杂散电容C_s、换流变压器漏电感L_μ、电源U_s、阀避雷器SA、饱和电抗器SR、阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d；

所述杂散电容C_s两端分别通过换流变压器漏电感L_μ连接到电源U_s的正负极；所述饱和电抗器SR和晶闸管T串联，形成饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路；所述杂散电容C_s、阀避雷器SA和饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路并联；所述阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d串联后并联在晶闸管T的两端；

所述确定方法包括下述步骤：

(1)对饱和电抗器SR、晶闸管T和阀避雷器SA进行非线性建模；

(2)确定换流阀开通阶跃电路的能量转移关系；

(3)分析换流阀开通初始状态，在直流换流阀开通后，开通阶跃阶段的饱和电抗器SR等效为恒定电阻R₀；所述换流变压器漏电感L_μ和电源U_s的组合等效为恒流源；

(4)确定阶跃电流i_step与开通阶跃电路参数的函数关系；

(5)调整饱和电抗器SR的铁芯电阻R₀和阀阻尼电阻R_d改变阶跃电流i_step。

2.如权利要求1所述的直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，饱和电抗器SR的铁芯电阻在稳态时为固定值R₀，随着铁芯磁通密度B_m增加，铁芯电阻下降速率为k，则铁芯电阻R_e与磁通密度B_m的关系用下述表达式表示：

R_e＝R₀＋kB_m ①；

其中：磁通密度B_m表示为：

铁芯电感L_m表示为：

其中：u_R表示饱和电抗器SR端电压，S表示饱和电抗器SR铁芯等效面积，k，ξ和λ为由铁芯几何参数决定的常数；μ_rd表示铁芯材料动态相对磁导率；

晶闸管T开通后，其端电压u_thy以指数形式降落，令初始时间t₀＝0，则有：

其中：U_val表示杂散电容C_s的端电压；τ_t表示换流阀系统时间常数；t是以开通时刻为起始时刻的时间。

3.如权利要求2所述的直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在换流阀开通阶段，当晶闸管T触发开通后，杂散电容C_s能量、阀阻尼电容C_d能量和阀避雷器SA能量均向饱和电抗器SR-晶闸管T串联支路泄放。

4.如权利要求3所述的直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在换流阀开通瞬间，饱和电抗器SR两端电压为零，电流为零；开通后电流值上升且电流上升幅度在0～200A之间时，开通阶跃阶段饱和电抗器SR等效为恒定电阻；随着杂散电容C_s能量泄放，杂散电容C_s端电压U_val逐渐降低，阀避雷器SA两端电压随之降低，由避雷器伏安特性可知，避雷器上电流逐渐减小；在1～4μs之间，换流变压器漏电感L_μ存在使得电流值不变，将换流变压器漏电感L_μ和电源U_s的组合等效为恒流源，电流为I_A。

5.如权利要求4所述的直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中，阶跃电流i_step与开通阶跃电路参数的函数关系用下述表达式组表示：

其中：u_cs(0_＋)、u_cs(0_-)分别表示杂散电容上开通前时刻和开通后时刻的电压；u_cd(0_＋)、u_cd(0_-)分别表示阻尼电容上开通前时刻和开通后时刻的电压；i_SA、u_cs、u_cd分别表示避雷器电流、暂时电容电压和阻尼电容电压；

存在下述等量关系：

u_R＋u_thy＝u_cs ⑦；

假设开通后晶闸管两端电压瞬时降为零，由式⑦知饱和电抗器SR两端电压u_R等于杂散电容端电压U_val，阀阻尼电容C_d和阀阻尼电阻R_d回路被短路，由于阀阻尼电容两端电压不突变，形成零输入响应的一阶动态电路，则联立⑤～⑦求解阶跃电流i_step为：

6.如权利要求5所述的直流输电换流阀开通阶跃电流的确定方法，其特征在于，步骤(5)中，由步骤(4)中的表达式⑧知影响阶跃电流i_step的因素为饱和电抗器SR的铁芯电阻R₀和阀阻尼电阻R_d，通过调整铁芯电阻R₀和阀阻尼电阻R_d改变阶跃电流i_step。