CN103457504B - 一种减少换流阀换相失败的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少换流阀换相失败的电路，在换流阀的桥臂晶闸管处反向并联二极管。所述二极管反向并联于多个串联晶闸管中的若干晶闸管之间。本发明采用在桥臂晶闸管处反向并联二极管及部分晶闸管采用快速晶闸管，将换相过程中，应关断桥臂承受的反向电压集中到部分晶闸管（最好是快速晶闸管）上，首先关断部分晶闸管，实现整个桥臂的关断。桥臂关断后，剩余晶闸管就有了足够的关断时间，可以顺利关断。由此实现桥臂的快速关断，减小桥臂关断所需的总的电压时间面积，实现换流阀的快速换相，减少了换相失败的发生。换流阀换相失败是高压直流输电最常见的故障之一，有效地减少换相失败故障的发生对电力系统的稳定正常运行具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种减少换流阀换相失败的电路。
背景技术
目前，基于国家“西电东送、南北互供、全国联网”的电力工业发展战略与国家中长期科技发展规划，高压直流输电（HVDC）成为未来电力工业发展的重要方向。高压直流输电凭借其在远距离大容量输电、电缆输电和交流电网互联等领域的显著优势，在近十年来获得了长足的发展与进步，中国业已成为直流输电第一大国。
高压直流输电在远距离大容量输电与交流电网互联等方面发挥着不可替代的作用，其稳定运行对电网具有重要的实际意义，因而如何预警与预防各种高压直流输电故障是目前亟待解决的现实问题。换流阀换相失败是高压直流输电最常见的故障之一，统计结果显示，每回直流每年发生几次至十几次换相失败故障，严重影响了电网的正常稳定运行。因此，探索研究切实可行，行之有效的换相失败预警与预防措施对电网稳定运行意义重大，并具有现实的必要性与紧迫性。
目前主要采用的减少换相失败的方法有：
1.利用无功补偿维持换相电压稳定。采用无功补偿装置对直流输电系统尤其是联于弱交流系统的直流系统进行无功补偿，增大系统的有效短路比（ESCR），用在换流站中可提高暂态电压稳定性，减小换相失败发生的几率。
2.采用较大的平波电抗器限制暂态直流电流的上升。暂态时直流电流的上升容易导致换相失败，当逆变器发生一次换相失败，逆变侧的直流电压为零时，相当于直流线路末端短路，造成直流电流上升，如果直流电流上升较快，容易造成继发性换相失败，所以应该采用较大的平波电抗器限制暂态直流电流上升。
3.增大超前触发角β的整定值。增大超前触发角β可以有效地减少逆变器发生换相失败的可能性，但是β的增大是以减少直流系统传输的功率以及增大系统消耗的无功功率为代价的。若保持阀侧电压不变，增大β将导致逆变侧直流电压降低，在保持直流电流不变的情况下，直流传输的功率将会减少。因此，增大超前触发角β来避免换相失败的方法是以牺牲直流输电系统运行的经济性为代价的。
4.系统规划时降低换流变压器漏抗。换流变压器漏抗的降低将增大熄弧角，减少换相失败的发生。变压器漏抗是变压器短路阻抗的一部分，当发生换相失败时，换流变压器副边短路，故障电流主要由变压器短路阻抗限制。若换流变压器的短路阻抗过小，将产生过大的故障电流。因而，降低换流变压器漏抗也有一定的限度。
5.采用适当的触发脉冲控制方式。目前工程中常用的换流阀触发脉冲控制方式有：换流阀等间隔触发脉冲控制方式与逆变器定熄弧角控制。换流阀等间隔触发脉冲控制方式：由于等间隔触发脉冲控制方式不直接依赖于同步电压，能独立地产生等相位间隔触发信号，使系统在逆变器交流侧发生不对称故障时仍有较强的稳定运行能力，减少了逆变器换相失败的可能性。但当交流母线电压下降时，触发脉冲难以做出相应调整，仍有较大的换相失败风险。逆变器定熄弧角控制：逆变器实测式定熄弧角控制将实际测定的各阀熄弧角与其整定值进行比较，若某个阀的熄弧角小于其整定值，则通过处理回路立即增大下一个阀的超前触发角β，使逆变器运行在恒定熄弧角以维持足够的换相裕度，以减少换相失败发生的概率，提高运行可靠性。但由于阀的实际熄弧时间还会受到下一对阀换相的影响，当交流电压大幅下降时，仍难以避免换相失败。
综上所述，无功补偿和平波电抗器会增大高压直流输电系统的建设与运行成本，且只能一定程度的减小换相失败发生的几率。两种触发脉冲控制方式，各有利弊，仍然无法杜绝换相失败故障的发生。增大超前触发角β又会牺牲传输功率，增大系统无功消耗，降低了高压直流输电系统的经济性。因此，有必要探索一种经济有效的防治措施，在保证高压直流输电系统经济性的基础上，尽可能的降低换相失败故障的几率。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种减少换流阀换相失败的电路，该电路能实现桥臂的快速关断，减小桥臂关断所需的总的电压时间面积，实现换流阀的快速换相，减少换相失败的发生。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种减少换流阀换相失败的电路，在换流阀的桥臂晶闸管处反向并联二极管。
所述二极管反向并联于多个串联晶闸管中的若干晶闸管之间。
所述换流阀的桥臂晶闸管中一部分晶闸管为快速晶闸管。
本发明中反向并联二极管的设置与现有的二极管反向并联设置不同（例如中国专利申请：200580024917.4、201210455692.X、201210507352.7），其区别是，现有的二极管反向并联于单个晶闸管的阳极与阴极之间，等同于逆导型晶闸管，而本发明中，是将二极管反向并联于多个串联晶闸管中的若干晶闸管之间。其出发点是不一样的，逆导型晶闸管的目的是改善晶闸管的开关特性，使之具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良特性。而本发明的出发点是将外加的反向电压通过反向并联的二极管集中于少数未反向并联二极管的晶闸管上，使之承受更大的反向电压，促进其反向关断过程，节约关断时间，节约换流阀换相时间。并不能简单的采用逆导晶闸管代替本发明的设计，本发明的使用范围是换流阀的应用，在换流阀中，其桥臂是要能够承受反向电压的，而逆导型晶闸管并不能承受反向电压，当反压时，其反向并联的二极管是导通的，并不满足换流阀的要求。
现有的分析中，多将换流阀的桥臂等效为一个晶闸管，而实际情况是，桥臂是多个晶闸管的串联，这样简化之后就难以想到通过反向并联二极管将部分晶闸管短路，集中反向电压，促进桥臂关断，节约换相时间。
本发明的有益效果是，本发明采用在桥臂晶闸管处反向并联二极管及部分晶闸管采用快速晶闸管，将换相过程中，应关断桥臂承受的反向电压集中到部分晶闸管（最好是快速晶闸管）上，首先关断部分晶闸管，实现整个桥臂的关断。桥臂关断后，剩余晶闸管就有了足够的关断时间，可以顺利关断。由此实现桥臂的快速关断，减小桥臂关断所需的总的电压时间面积，实现换流阀的快速换相，减少了换相失败的发生。换流阀换相失败是高压直流输电最常见的故障之一，有效地减少换相失败故障的发生对电力系统的稳定正常运行具有重要意义。
本发明能实现桥臂的快速关断，减小桥臂关断所需的总的电压时间面积，实现换流阀的快速换相，减少了换相失败的发生。
本发明设计简单，对原有设备改造较少，是切实可行，行之有效的换流阀拓扑改进方法，能够以较小的改造成本，极大地减少换相失败的发生，对相关工程应用具有重要意义。
附图说明
图1是逆变侧六脉动换流阀接线图；
图2是逆变侧六脉动换流阀换相过程示意图；
图3是晶闸管关断过程波形图；
图4是换流阀优化设计拓扑图；
图5是换流阀拓扑优化仿真模型图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
主要原理如下：
首先介绍换相失败的发生机理，如图1所示为逆变侧六脉动换流阀接线图，Id为直流电流，Ld为平波电抗器，以V6和V5导通，并由V5向V1换相为例，解释换相失败的发生机理，示意图如图2所示，其中μ为换相重叠角，β为超前触发角，γ为熄弧角。
在由V5向V1换相的过程中，V1两端为ea与ec，承受正压eac。要实现V5向V1换相，必须满足ec＜ea，因此换相必须在自然换相点c0之前完成。由于V5在关断后需要一个载流子恢复过程，为保证刚关闭的桥臂能够完全恢复到阻断状态，需要足够大的熄弧角γ。若熄弧角γ过小，过了自然换相点c0后，V5尚未完全恢复阻断状态，便又承受正向电压eca，此时V5会重新导通，使V1承受反压而关断，发生换相失败故障。换相失败多发生逆变侧换流阀，而整流侧换流阀在电流关断后的较长时间内承受反压，不易发生换相失败故障。
其次介绍晶闸管的特性，晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器。晶闸管正常工作时的特性如下：
（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。
（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。
（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
下面重点介绍晶闸管关断过程的动态特性，如图3所示。
由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。阳极电流将逐步衰减到零，然后在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值IRM后，再反方向衰减。同样，在恢复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压URRM。最终反向恢复电流衰减至接近于零，晶闸管恢复其对反向电压的阻断能力。从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间，就是晶闸管的反向阻断恢复时间trr。反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间，这叫做正向阻断恢复时间tgr。在正向阻断恢复时间内，如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。所以实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。晶闸管的电路换向关断时间tq定义为trr与tgr之和，即
tq＝trr+tgr
普通晶闸管的关断时间约为几百微秒。
本实用新型通过反向并联二极管，将换相过程中，应关断桥臂承受的反向电压集中到部分晶闸管（最好是快速晶闸管）上，首先关断部分晶闸管，实现整个桥臂的关断。桥臂关断后，剩余晶闸管就有了足够的关断时间，可以顺利关断。采用这种方法有效地减少了桥臂所需的关断时间，减少了换相失败的发生，如图4所示，并在Saber软件中搭建模型，如图5所示。
未反向并联二极管时，当由V6-V5通路换到V6-V1通路时，首先V1触发导通，B点电压由ec升为V6-V5通路的电流逐渐向V6-V1通路转移。至某一时刻，电流转移完毕，V5桥臂流过的正向电流降为零，B点电压由升为ea，V5桥臂的晶闸管串联承受ea-ec的反向电压用于关断过程。
为减少桥臂关断时间，如图4所示反向并联二极管。当由V6-V5通路换到V6-V1通路时，首先V1触发导通，B点电压由ec升为此时，并联二极管正向导通，V5桥臂的FST晶闸管承受的反向电压，用于关断过程。V6-V5通路的电流逐渐向V6-V1通路转移。至某一时刻，电流转移完毕，V5桥臂流过的正向电流降为零，B点电压由升为ea，V5桥臂的FST晶闸管（快速晶闸管）串联承受ea-ec的反向电压用于关断过程。由于FST晶闸管自身的快速开关特性以及在换相过程中承受更大的反向电压，因而可以更快的完成关断过程。FST晶闸管顺利关断后，V5桥臂开路，其余晶闸管及并联二极管有更多的时间完成关断过程。由此实现了换流阀的快速换相，减少了换相失败的发生。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (1)
1.一种减少换流阀换相失败的电路，其特征是，在换流阀的桥臂晶闸管处反向并联二极管；所述二极管反向并联于多个串联晶闸管中的若干晶闸管之间。
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