CN105511293A - 一种换流阀仿真平台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换流阀仿真平台及其实现方法，仿真平台包括三相六脉动桥电路，每相由阀模块串联组成，在每个阀模块中均设有辅助晶闸管阀和受控开关，实现方法包括：通过对影响关断过程的换流阀内部子因素进行实时测量、计算，根据器件测试数据和分散性得到阀的实时临界关断角，将其与实测运行关断角进行比较，在判断会发生换相失败时，模拟相应的阀发生换相失败的过程。本发明为研究分析换流阀内部因素对换相失败的影响和换流阀换相失败特性提供了一种新的研究手段。

Description

一种换流阀仿真平台及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子领域的仿真平台及其实现方法，具体讲涉及一种换流阀仿真平台及其实现方法。

背景技术

换相失败是高压直流输电系统中最常见的故障之一，会导致诸多不良后果。为保证换相成功，要求退出导通的阀从关断到其电压由负变正的过零点的时间能满足其恢复阻断能力的要求，该时间用电角度γ角表示，称为关断角。临界关断角γmin是阀完成关断所必须的最小值。当γ小于临界关断角γmin时，阀会发生换相失败，两者受到换流阀内部多种因素影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种换流阀仿真平台及其实现方法，本发明基于PSCAD搭建仿真平台，通过对阀内部相关影响因素进行实时测量和计算，判断换相失败并模拟相应的换相失败过程，为研究分析换流阀内部因素对换相失败的影响和换流阀换相失败特性提供了一种新的研究手段。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种换流阀仿真平台，其改进之处在于，所述仿真平台包括三相六脉动桥电路，每相由阀模块串联组成，在每个阀模块中均设有辅助晶闸管阀和受控开关。

进一步地，所述三相六脉桥电路的每相均与电压源-电感串联支路连接，设有三个电容器连接在三相六脉桥电路的每相上；所述三个电容器均接地；每个阀模块均并联有受控电阻Ra。

进一步地，所述阀模块包括电容器Czv支路；电阻Rdcv和受控电阻Rmv串联支路；电阻Rdv、电容器Cdv和电感Lmv串联支路；电阻R_Cuv和电感L0v串联支路；电阻R11支路；晶闸管阀-受控开关串联支路以及辅助晶闸管阀Vmm支路；

所述电阻Rdcv和受控电阻Rmv串联支路与电阻Rdv、电容Cdv和电感Lmv串联支路并联后再与电阻R_Cuv和电感L0v串联支路串联；电阻R11支路；晶闸管阀Vm-受控开关Sm串联支路以及辅助晶闸管阀Vmm支路并联；晶闸管阀Vm的阳极以及辅助晶闸管阀Vmm的阳极均连接在电阻Rdcv和受控电阻Rmv之间；电容器C0v的两端分别与晶闸管阀Vm的阳极、辅助晶闸管阀Vmm的阳极以及电容器Czv的一端连接；

所述辅助晶闸管阀Vmm采用Sgmm作为其触发信号。

本发明还提供一种换流阀仿真平台的实现方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

(1)实时测量并计算实时运行关断角γ、晶闸管阀Vm第k周期的电流下降率di/dt、关断前正向通态电流I_F和晶闸管阀结温Tj；

(2)确定晶闸管阀Vm的临界关断角γ_min；

(3)将晶闸管阀的临界关断角γ_min与实时运行关断角γ比较，实时判断晶闸管阀是否会发生换相失败；

(4)当判断晶闸管阀Vm会发生换相失败时，触发相应的辅助晶闸管阀和断开相应的受控开关，模拟换相失败的过程。

进一步地，所述步骤(1)中，通过比较器得到第k周期晶闸管阀Vm电流下降过零时刻，发出关断计时开始脉冲，同理用比较器得到第k周期阀Vm电压由负变正时刻，发出关断计时结束脉冲；将两脉冲之间的时间换算为电角度，即为第k周期晶闸管阀Vm的实时运行关断角γ；

测量晶闸管阀Vm电流，利用微分电路计算电流实时变化率；通过比较器和窗口函数，在第k周期该电流下降过零时刻产生脉冲；利用脉冲控制和保持器，测量并保持过零点的电流下降率di/dt(i＝0)；

通过比较器和窗口函数在第k周期阀Vm关断前产生脉冲，利用此脉冲和保持器，测量并保持此时的晶闸管阀电流值，得到第k周期阀Vm的关断前的正向通态电流I_F；

晶闸管结温T_j按下式计算：

T_j＝T_C+P_j×R_θJC1)；

其中，T_C：晶闸管阀冷却液入口温度和出口温度的平均值；P_j：每只晶闸管的总损耗；R_θJC：晶闸管结与冷却液之间的热阻；

晶闸管的通态损耗：

$P_{V1}=\frac{N_t\×I_d}{3}[U_0+R_0\×I_d\×\left(\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\π}}\right)]---2);$

其中，N_t：单晶闸管阀的晶闸管串联数；U₀：为晶闸管平均通态电压降中与电流无关的部分；R₀：为决定晶闸管平均通态特性斜率的电阻；I_d：为直流电流；

晶闸管的关断损耗：

$P_{V2}=\frac{Q_{\mathrm{rr}}\×f\×\sqrt{2}\×U_{V0}\×\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}+2\mathrm{\π}\×f\×t_0)}{N_t}---3);$

其中，Q_rr为晶闸管存储电荷的平均值。

进一步地，所述步骤(2)中，利用所得的电流过零点的电流下降率di/dt、晶闸管结温T_j和关断前正向通态电流I_F，根据晶闸管阀中的晶闸管的测试数据，确定晶闸管阀V_m在第k周期的实时关断角γ_T，考虑晶闸管阀中的晶闸管的分散性Δγ，得临界关断角γ_min＝γ_T+Δγ。

进一步地，所述步骤(3)中，将实时运行关断角γ和临界关断角γ_min进行判断比较，若实时运行关断角γ小于临界关断角γ_min，晶闸管阀V_m在该周期重新施加正向电压时刻再次导通，发生换相失败；利用比较器在重新施加正压时刻，发出阀V_m换相失败信号fail_m＝1；

若实时运行关断角γ大于临界关断角γ_min，判断晶闸管阀V_m在该周期不会发生换相失败，换流阀正常运行。

进一步地，所述步骤(4)中，当换相失败信号fail_m＝1时，发出触发脉冲Sg_mm，触发导通晶闸管阀V_m模块中的辅助晶闸管阀V_mm，同时断开晶闸管阀V_m+2模块中的受控开关S_m+2，使预导通的晶闸管阀V_m+2重新关断，其电流下降到零，模拟晶闸管阀V_m对晶闸管阀V_m+2的换相失败过程。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明采用实时测量阀每个周期的电流下降率di/dt、关断前正向通态电流IF和晶闸管结温Tj，同时根据器件测试数据和器件分散性得到阀的临界关断角γmin。一方面，使γmin与换流阀内部影响因素建立了关系，另一方面，得到的γmin更加接近真实情况。

2、本发明采用将临界关断角γmin与实测关断角γ比较的方法，实时判断换流阀是否会发生换相失败。实测关断角γ保证了判断的实时性、准确性和可靠性。

3、本发明的仿真平台利用辅助阀和受控开关，通过逻辑控制实现在判断该阀会发生换相失败时，触发和断开相应的辅助阀和受控开关，模拟换相失败的过程。控制逻辑简单，对换相失败过程的模拟准确可靠，有利于对换流阀换相失败特性的研究分析。

附图说明

图1是本发明提供的换流阀换相失败内因分析PSCAD仿真平台电路拓扑图；

图2是本发明提供的换流阀换相失败内因分析PSCAD仿真平台实现方法的流程图；

图3是本发明提供的测量计算第k周期的系统关断角波形图；

图4是本发明提供的阀模块1换相失败的动态判断示意图；

图5是本发明提供的阀模块1和3的电压波形图；

图6是本发明提供的阀模块1和3的电流波形图。

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。

本发明为分析换流阀内部运行参数和电气参数对换相失败影响的仿真平台。换流阀换相失败是高压直流输电系统中最常见的故障之一，会导致诸多不良后果，直接关系到设备和系统的安全。换流阀换相失败的本质是运行关断角小于换流阀的临界关断角，两者又受到阀内部多种因素的影响。本发明通过对影响关断过程的换流阀内部子因素进行实时测量、计算，根据器件测试数据和分散性得到阀的实时临界关断角，将其与实测运行关断角进行比较，在判断会发生换相失败时，模拟相应的阀发生换相失败的过程。

本发明仿真平台的基本电路拓扑图如图1所示，仿真平台包括三相六脉动桥电路，每相由阀模块串联组成，在每个阀模块中均设有辅助晶闸管阀和受控开关，以阀模块1为例，在晶闸管阀V1支路串联受控开关S1，V1支路旁并入辅助晶闸管阀V11，采用Sg11作为其触发信号。

三相六脉桥电路的每相均与电压源-电感串联支路连接，设有三个电容器连接在三相六脉桥电路的每相上；所述三个电容器均接地；每个阀模块均并联有受控电阻Ra。

阀模块包括电容器Czv支路；电阻Rdcv和受控电阻Rmv串联支路；电阻Rdv、电容器Cdv和电感Lmv串联支路；电阻R_Cuv和电感L0v串联支路；电阻R11支路；晶闸管阀-受控开关串联支路以及辅助晶闸管阀Vmm支路；所述电阻Rdcv和受控电阻Rmv串联支路与电阻Rdv、电容Cdv和电感Lmv串联支路并联后再与电阻R_Cuv和电感L0v串联支路串联；电阻R11支路；晶闸管阀Vm-受控开关Sm串联支路以及辅助晶闸管阀Vmm支路并联；晶闸管阀Vm的阳极以及辅助晶闸管阀Vmm的阳极均连接在电阻Rdcv和受控电阻Rmv之间；电容器C0v的两端分别与晶闸管阀Vm的阳极、辅助晶闸管阀Vmm的阳极以及电容器Czv的一端连接；所述辅助晶闸管阀Vmm采用Sgmm作为其触发信号。

本发明还提供一种换流阀仿真平台的实现方法，其流程图如图2所示，包括下述步骤：

(1)实时测量并计算实时运行关断角γ、晶闸管阀Vm第k周期的电流下降率di/dt、关断前正向通态电流I_F和晶闸管阀结温Tj；

以阀Vm为例说明。首先，测量晶闸管阀Vm电流，利用微分电路计算该电流实时变化率。通过比较器和窗口函数，在第k周期该电流下降过零时刻产生脉冲。利用脉冲控制和保持器，测量并保持过零点的电流下降率di/dt(i＝0)。

通过比较器和窗口函数在第k周期阀Vm关断前产生脉冲，利用此脉冲和保持器，测量并保持此时的晶闸管电流值，得到第k周期阀Vm的关断前的正向通态电流IF。

通过比较器得到第k周期阀Vm电流下降过零时刻，发出关断计时开始脉冲，同理用比较器得到第k周期阀Vm电压由负变正时刻，发出关断计时结束脉冲。将两脉冲之间的时间换算为电角度，即为第k周期阀Vm的实时运行关断角γ。本发明提供的测量计算第k周期的系统关断角波形图如图3所示。

晶闸管结温T_j按下式计算：

T_j＝T_C+P_j×R_θJC1)；

其中，T_C：晶闸管阀冷却液入口温度和出口温度的平均值；P_j：每只晶闸管的总损耗；R_θJC：晶闸管结与冷却液之间的热阻；

晶闸管的通态损耗：

$P_{V1}=\frac{N_t\×I_d}{3}[U_0+R_0\×I_d\×\left(\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\π}}\right)]---2);$

其中，N_t：单晶闸管阀的晶闸管串联数；U₀：为晶闸管平均通态电压降中与电流无关的部分；R₀：为决定晶闸管平均通态特性斜率的电阻；I_d：为直流电流；

晶闸管的关断损耗：

$P_{V2}=\frac{Q_{\mathrm{rr}}\×f\×\sqrt{2}\×U_{V0}\×\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}+2\mathrm{\π}\×f\×t_0)}{N_t}---3);$

其中，Q_rr为晶闸管存储电荷的平均值。

(2)确定晶闸管阀Vm的临界关断角γ_min；利用所得的电流过零点di/dt、结温Tj和关断前正向通态电流IF，根据晶闸管阀中的晶闸管的测试数据，计算得到晶闸管阀Vm在第k周期的实时关断角γT，考虑晶闸管阀中的晶闸管的分散性Δγ，可得临界关断角γmin＝γT+Δγ。

(3)将晶闸管阀的临界关断角γ_min与实时运行关断角γ比较，实时判断晶闸管阀是否会发生换相失败；阀模块1换相失败的动态判断示意图如图4所示。

将实时运行关断角γ和临界关断角γ_min进行判断比较，若实时运行关断角γ小于临界关断角γ_min，晶闸管阀V_m在该周期重新施加正向电压时刻再次导通，发生换相失败；利用比较器在重新施加正压时刻，发出阀V_m换相失败信号fail_m＝1；

若实时运行关断角γ大于临界关断角γ_min，判断晶闸管阀V_m在该周期不会发生换相失败，换流阀正常运行。

(4)当判断晶闸管阀Vm会发生换相失败时，触发相应的辅助晶闸管阀和断开相应的受控开关，模拟换相失败的过程。当换相失败信号fail_m＝1时，发出触发脉冲Sg_mm，触发导通晶闸管阀V_m模块中的辅助晶闸管阀V_mm，同时断开晶闸管阀V_m+2模块中的受控开关S_m+2，使预导通的晶闸管阀V_m+2重新关断，其电流下降到零，模拟晶闸管阀V_m对晶闸管阀V_m+2的换相失败过程。阀模块1和3的电压波形和电流波形图分别如图5和6所示。

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 (8)

1.一种换流阀仿真平台，其特征在于，所述仿真平台包括三相六脉动桥电路，每相由阀模块串联组成，在每个阀模块中均设有辅助晶闸管阀和受控开关。

2.如权利要求1所述的换流阀仿真平台，其特征在于，所述三相六脉桥电路的每相均与电压源-电感串联支路连接，设有三个电容器连接在三相六脉桥电路的每相上；所述三个电容器均接地；每个阀模块均并联有受控电阻Ra。

3.如权利要求1所述的换流阀仿真平台，其特征在于，所述阀模块包括电容器Czv支路；电阻Rdcv和受控电阻Rmv串联支路；电阻Rdv、电容器Cdv和电感Lmv串联支路；电阻R_Cuv和电感L0v串联支路；电阻R11支路；晶闸管阀-受控开关串联支路以及辅助晶闸管阀Vmm支路；

所述电阻Rdcv和受控电阻Rmv串联支路与电阻Rdv、电容Cdv和电感Lmv串联支路并联后再与电阻R_Cuv和电感L0v串联支路串联；电阻R11支路；晶闸管阀Vm-受控开关Sm串联支路以及辅助晶闸管阀Vmm支路并联；晶闸管阀Vm的阳极以及辅助晶闸管阀Vmm的阳极均连接在电阻Rdcv和受控电阻Rmv之间；电容器C0v的两端分别与晶闸管阀Vm的阳极、辅助晶闸管阀Vmm的阳极以及电容器Czv的一端连接；

所述辅助晶闸管阀Vmm采用Sgmm作为其触发信号。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的换流阀仿真平台的实现方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)实时测量并计算实时运行关断角γ、晶闸管阀Vm第k周期的电流下降率di/dt、关断前正向通态电流I_F和晶闸管阀结温Tj；

(2)确定晶闸管阀Vm的临界关断角γ_min；

(3)将晶闸管阀的临界关断角γ_min与实时运行关断角γ比较，实时判断晶闸管阀是否会发生换相失败；

(4)当判断晶闸管阀Vm会发生换相失败时，触发相应的辅助晶闸管阀和断开相应的受控开关，模拟换相失败的过程。

5.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过比较器得到第k周期晶闸管阀Vm电流下降过零时刻，发出关断计时开始脉冲，同理用比较器得到第k周期阀Vm电压由负变正时刻，发出关断计时结束脉冲；将两脉冲之间的时间换算为电角度，即为第k周期晶闸管阀Vm的实时运行关断角γ；

测量晶闸管阀Vm电流，利用微分电路计算电流实时变化率；通过比较器和窗口函数，在第k周期该电流下降过零时刻产生脉冲；利用脉冲控制和保持器，测量并保持过零点的电流下降率di/dt(i＝0)；

通过比较器和窗口函数在第k周期阀Vm关断前产生脉冲，利用此脉冲和保持器，测量并保持此时的晶闸管阀电流值，得到第k周期阀Vm的关断前的正向通态电流I_F；

晶闸管结温T_j按下式计算：

T_j＝T_C+P_j×R_θJC1)；

其中，T_C：晶闸管阀冷却液入口温度和出口温度的平均值；P_j：每只晶闸管的总损耗；R_θJC：晶闸管结与冷却液之间的热阻；

晶闸管的通态损耗：

$P_{V1}=\frac{N_t\×I_d}{3}[U_0+R_0\×I_d\×\left(\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\π}}\right)]---2);$

其中，N_t：单晶闸管阀的晶闸管串联数；U₀：为晶闸管平均通态电压降中与电流无关的部分；R₀：为决定晶闸管平均通态特性斜率的电阻；I_d：为直流电流；

晶闸管的关断损耗：

$P_{V2}=\frac{Q_{\mathrm{rr}}\×f\×\sqrt{2}\×U_{V0}\×\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}+2\mathrm{\π}\×f\×t_0)}{N_t}---3);$

其中，Q_rr为晶闸管存储电荷的平均值。

6.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用所得的电流过零点的电流下降率di/dt、晶闸管结温T_j和关断前正向通态电流I_F，根据晶闸管阀中的晶闸管的测试数据，确定晶闸管阀V_m在第k周期的实时关断角γ_T，考虑晶闸管阀中的晶闸管的分散性Δγ，得临界关断角γ_min＝γ_T+Δγ。

7.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将实时运行关断角γ和临界关断角γ_min进行判断比较，若实时运行关断角γ小于临界关断角γ_min，晶闸管阀V_m在该周期重新施加正向电压时刻再次导通，发生换相失败；利用比较器在重新施加正压时刻，发出阀V_m换相失败信号fail_m＝1；

若实时运行关断角γ大于临界关断角γ_min，判断晶闸管阀V_m在该周期不会发生换相失败，换流阀正常运行。

8.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当换相失败信号fail_m＝1时，发出触发脉冲Sg_mm，触发导通晶闸管阀V_m模块中的辅助晶闸管阀V_mm，同时断开晶闸管阀V_m+2模块中的受控开关S_m+2，使预导通的晶闸管阀V_m+2重新关断，其电流下降到零，模拟晶闸管阀V_m对晶闸管阀V_m+2的换相失败过程。