CN104319075A

CN104319075A - 一种用于多电平电压源换流器的连接电抗器

Info

Publication number: CN104319075A
Application number: CN201410484233.3A
Authority: CN
Inventors: 罗雨; 许树楷; 黎小林; 朱喆; 陈俊; 杨柳
Original assignee: Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: CSG Electric Power Research Institute; Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: CN104319075B

Abstract

本发明公开一种用于多电平电压源换流器的连接电抗器，包括分别具有左侧芯柱、右侧芯柱和中间芯柱的第一E型铁芯和第二E型铁芯，所述第一E型铁芯与第二E型铁芯相对间隔放置，之间留有一个中部气隙和两个侧部气隙，中部气隙的长度大于侧部气隙；还包括第一绝缘导线圈和第二绝缘导线圈，第一绝缘导线圈缠绕第一E型铁芯与第二E型铁芯相对的两个左侧芯柱并包覆该左侧的侧部气隙，第二绝缘导线圈缠绕第一E型铁芯与第二E型铁芯相对的两个右侧芯柱并包覆该右侧的侧部气隙。本发明的用于多电平电压源换流器的连接电抗器，在充分抑制共模电流的情况下尽量减轻对差模电流的影响，从而实现换流器桥臂损耗的降低以及提高电容电压的稳定性。

Description

一种用于多电平电压源换流器的连接电抗器

技术领域

本发明属于特种电力电抗器领域，具体涉及一种用于多电平换流器的具有铁芯的连接电抗器。

背景技术

在连接电网的电压源换流器中，连接电抗器起到将感抗引入电压源换流器与电网之间的作用。感抗的引入使得电压源换流器与电网电压之间有一个缓冲带，从而可以通过调节电压源换流器的输出电压幅值和相位来控制其向电网输出的有功/无功功率。

连接电抗器的主要部件是绝缘导线制成的线圈。绝缘导线圈可以构造成空心体的型式，称为空心电抗器，也可以围绕磁性材料的磁芯缠绕，称为铁心电抗器。电压源换流器的连接电抗通常采用空心电抗，空心电抗的特征在于其不会产生饱和现象，电感值较为稳定。

在图1中示出了一种多电平电压源换流器的结构，多电平换流器由六只换流桥臂A1～A6组成，六只桥臂以两支为一组,如A1与A4，A2与A5，A3与A6进行串联，串联连接点通过变压器5接入交流系统6，三组桥臂在两端以星形方式相连。星形连接点分别形成换流器的正极(+Udc)和负极(-Udc)。桥臂由半桥型式的功率模块M1～Mn及电抗器L串联而成，其中的电抗器为空心电抗器。一个相单元中流过的电流有相位相同的交流电流(参考图1中的电流方向)，称为共模电流，也有相位相差180°的交流电流，称为差模电流。

其中，差模电流直接流入交流侧线路，是换流器正常工作所必须的工作电流，而共模电流在三组相单元中形成流通回路，通常不会流入直流线路和交流线路。共模电流对于换流器的正常工作没有影响，但是共模电流流过换流器桥臂中的导体、开关器件和电容器，会引起换流器桥臂的损耗增大和电容电压波动加剧等问题。现在市面上有E型与I型铁芯结合的电抗器铁芯，解决的是气隙大小的调节问题，而没有做消除共模电流影响的改进设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有共模电流抑制作用的连接电抗器，解决了换流器桥臂存在的损耗增大和电容电压波动加剧的问题。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明的一种用于多电平电压源换流器的连接电抗器，包括分别具有左侧芯柱、右侧芯柱和中间芯柱的第一E型铁芯和第二E型铁芯，所述第一E型铁芯与第二E型铁芯相对间隔放置，上述在两个左侧芯柱之间以及两个右侧芯柱之间的空间间隔作为侧部气隙，两个中间芯柱之间的空间间隔作为中部气隙，中部气隙的长度大于侧部气隙的长度；还包括第一绝缘导线圈和第二绝缘导线圈，第一绝缘导线圈缠绕第一E型铁芯与第二E型铁芯相对的两个左侧芯柱并包覆该两个左侧芯柱之间的侧部气隙，第二绝缘导线圈缠绕第一E型铁芯与第二E型铁芯相对的两个右侧芯柱并包覆该两个右侧芯柱之间的侧部气隙。

所述第一绝缘导线圈一侧的端口和第二绝缘导线圈在相同侧的端口分别连接外部的多电平换流器的两个AC相位端子，第一绝缘导线圈与第二绝缘导线圈的各自另一侧的端口共接后与外部的AC供电系统电性连接。

进一步，所述中部气隙长度是侧部气隙长度的3倍。由于中部气隙的长度远大于侧部气隙，因此中部气隙的磁阻远大于侧部气隙的磁阻，依此原理可以实现对共模电流的抑制作用。

上述的一个中部气隙和两个侧部气隙中填充树脂。树脂可以方便的填充气隙空间，并且能够保持铁芯的结构稳固以及电气性能稳定性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的一种用于多电平电压源换流器的连接电抗器，其利用两个E型铁芯相对设置时中部气隙与侧部气隙的显著差异，可以在充分抑制共模电流的情况下尽量减轻对差模电流的影响，从而实现换流器桥臂损耗的降低以及提高电容电压的稳定性。

附图说明

图1为一种多电平电压源换流器的结构图。

图2为本发明的用于多电平换流器的连接电抗器的结构图。

图3为本发明的连接电抗器与多电平换流器连接的一个应用实施例。

图4为本发明的连接电抗器中差模电流的流向示意图。

图5为本发明的连接电抗器中共模电流的流向示意图。

具体实施方式

实施例

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

请参阅图2，图2是本发明的一种用于多电平电压源换流器的连接电抗器的一个实施例，该实施例的连接电抗器包括第一E型铁芯1、第二E型铁芯2、第一绝缘导线圈3和第二绝缘导线圈4，上述第一E型铁芯1具有的第一左侧芯柱103、第一右侧芯柱102和第一中间芯柱101，其中第一中间芯柱101高度小于第一左侧芯柱103和第一右侧芯柱102，第二E型铁芯2具有与第一E型铁芯1相同结构的第二左侧芯柱203、第二右侧芯柱202和第二中间芯柱201。第一E型铁芯1和第二E型铁芯2相对放置，且第一左侧芯柱103与第二左侧芯柱203之间，以及第一右侧芯柱102与第二右侧芯柱202之间，均留有侧部气隙G1；第一中间芯柱101与第二中间芯柱201之间则留有中部气隙G2。在上述方式设置的第一E型铁芯与第二E型铁芯的基础上，第一绝缘导线圈3是绕制在第一左侧芯柱103、第二左侧芯柱203以及包覆相应侧部气隙G1上的绕线圈，第二绝缘导线圈4是绕制在第一右侧芯柱102、第二右侧芯柱202以及包覆相应侧部气隙G1上的绕线圈。

上述的中部气隙G2长度为侧部气隙G1长度的3倍，同时保证侧部气隙G1的长度大于等于临界长度，该临界长度为电抗器在正常运行工况下不产生磁饱和的长度。

请进一步结合图1至图3，便于更清楚理解本实施例的具体结构和电性原理。

本实施例的连接电抗器应用于图1所示的多电平电压源换流器上，以该多电平电压源换流器上的一组桥臂为例，将本发明所述的连接电抗器替换上述换流器中上下两个桥臂A1、A4中的两个空心电抗器L，如图3中所示，图3是本发明的连接电抗器与多电平换流器连接的一个应用实施例，该换流器至少具有一组上下桥臂，分别为第一上桥臂701和第一下桥臂702，本实施例的连接电抗器的第一绝缘导线圈3具有端口A和端口B，第二绝缘导线圈4具有端口C和端口D，其中的端口A与第一上桥臂701电性连接，端口B与第一下桥臂702电性连接，端口C和端口D相连后电性连接变压器5，从而通过变压器5将上述的连接电抗器与换流器接入交流系统6。

在绕制第一绝缘导线圈3和第二绝缘导线圈4时，要求依次流经A、C、D、B端口的直流正向电流或者负向电流在线圈中的电流方向如图5所示，才能保证本发明的连接电抗器正确实施应用。

本发明基于磁路设计中的基本原理。如图4所示，流过两组线圈中的电流为差模电流，对于第一绝缘导线圈3中的差模电流，其流经的电感值为：

\begin{matrix} L_{3 D} = \frac{N (Φ_{3} + Φ_{43})}{I_{3 D}} \\ = \frac{N}{I_{3 D}} (\frac{N \cdot I_{3 D}}{R_{1} + \frac{R_{1} R_{2}}{R_{1} + R_{2}}} - \frac{N \cdot I_{4 D}}{R_{1} + \frac{R_{1} R_{2}}{R_{1} + R_{2}}} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}}) \\ = \frac{N^{2}}{R_{1} + 2 R_{2}} \end{matrix} - - - (1)

其中，N为线圈绕组匝数，Φ₃为自磁通，Φ₄₃为第二绝缘导线圈4对第一绝缘导线圈3的互磁通，R₁和R₂分别为侧部气隙G1和中部气隙G2的磁阻(忽略铁芯磁阻)，I_3D和I_4D分别为第一绝缘导线圈3和第二绝缘导线圈4中流过的差模电流。

如图5所示，对于第一绝缘导线圈线圈3中的共模电流，其流经的电感值为：

\begin{matrix} L_{3 C} = \frac{N (Φ_{3} + Φ_{43})}{I_{3 C}} \\ = \frac{N}{I_{3 C}} (\frac{N \cdot I_{3 C}}{R_{1} + \frac{R_{1} R_{2}}{R_{1} + R_{2}}} + \frac{N \cdot I_{4 C}}{R_{1} + \frac{R_{1} R_{2}}{R_{1} + R_{2}}} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}}) \\ = \frac{N^{2}}{R_{1}} \end{matrix} - - - (2)

其中，N为线圈绕组匝数，Φ₃为自磁通，Φ₄₃为第二绝缘导线圈4对第一绝缘导线圈3的互磁通，R₁和R₂分别为侧部气隙G1和中部气隙G2的磁阻(忽略铁芯磁阻)，I_3C和I_4C分别为第一绝缘导线圈线圈3和第二绝缘导线圈4中流过的共模电流。

由于中部气隙G2的长度远大于侧部气隙G1，因此中部气隙G2的磁阻R₂远大于侧部气隙的磁阻R₁。从上式(1)、(2)可以看出，对于差模电流来说，其流经的电感值将远小于共模电流流过的电感值。因此，本发明可以在充分抑制共模电流的情况下尽量减轻对差模电流的影响。

将本发明的用于多电平电压源换流器的连接电抗器，其利用两个E型铁芯相对设置时中部气隙与侧部气隙的显著差异，能起到充分抑制共模电流并尽量减轻对差模电流影响的效果，从而实现换流器桥臂损耗的降低以及提高电容电压的稳定性。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于多电平电压源换流器的连接电抗器，其特征在于：包括分别具有左侧芯柱、右侧芯柱和中间芯柱的第一E型铁芯和第二E型铁芯，所述第一E型铁芯与第二E型铁芯相对间隔放置，上述在两个左侧芯柱之间以及两个右侧芯柱之间的空间间隔作为侧部气隙，两个中间芯柱之间的空间间隔作为中部气隙，中部气隙的长度大于侧部气隙的长度；还包括第一绝缘导线圈和第二绝缘导线圈，第一绝缘导线圈缠绕第一E型铁芯与第二E型铁芯相对的两个左侧芯柱并包覆该两个左侧芯柱之间的侧部气隙，第二绝缘导线圈缠绕第一E型铁芯与第二E型铁芯相对的两个右侧芯柱并包覆该两个右侧芯柱之间的侧部气隙。

2.根据权利要求1所述的用于多电平电压源换流器的连接电抗器，其特征在于：所述第一绝缘导线圈一侧的端口和第二绝缘导线圈在相同侧的端口分别连接外部的多电平换流器AC相位的两个端子，第一绝缘导线圈与第二绝缘导线圈的各自另一侧的端口共接后与外部的AC供电系统电性连接。

3.根据权利要求1所述的用于多电平电压源换流器的连接电抗器，其特征在于：所述中部气隙长度是侧部气隙长度的3倍。

4.根据权利要求1或3所述的用于多电平电压源换流器的连接电抗器，其特征在于：所述一个中部气隙和两个侧部气隙中填充树脂。