CN106301016B - 一种高压直流输电用换流阀阻尼参数优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压直流输电换流阀阻尼参数的设计方法。以交流系统出现1.3倍暂态过电压和换流阀触发角接近90°运行时，晶闸管承受的反向恢复电压峰值不超过晶闸管允许的反向重复峰值电压V_RRM为设计依据，根据阻尼参数对晶闸管反向恢复电压峰值的影响规律，综合考虑换流阀内晶闸管动态均压、开通电流上升率、关断电压下降率、阻尼电阻损耗的限制，对阻尼参数进行优化设计。经本发明方法得到阻尼参数既可满足晶闸管关断电压变化率、开通电流上升率不超出器件限值的要求，又可满足反向恢复电压峰值和阻尼损耗最小的目标。

Description

一种高压直流输电用换流阀阻尼参数优化设计方法

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，特别涉及一种高压直流输电换流阀阻尼参数优化设计方法。

背景技术

图1是应用于高压直流输电的6脉动换流器，换流阀在换相关断时，由于晶闸管的反向恢复过程，换流阀将承受一个比较大的换相过冲。目前，换流阀一般采用在晶闸管两端并联阻容电路换相电压过冲进行抑制，阻容参数的设计是否恰当，关系着换流阀能否安全可靠的长期运行。

文献[1]给出了ABB公司采用的基于查表法的晶闸管阻尼参数设计方法，该方法虽然可以很快的设计出阻尼参数，但所查表中曲线的绘制需要进行大量的试验，试验所得的曲线不一定适用于所有的应用场合；文献[2]给出了采用仿真获得阻尼参数的方法，设计方法虽简便易行，但需进行次数较多的仿真，比较费时。

通过对如图2所示换流阀换相等效电路的分析、建模、求解，得到晶闸管反向恢复电压的解析公式，从而得到阻尼参数对晶闸管关断时的反向恢复电压具有如下影响规律：阻尼电容越大，反向恢复电压峰值越小；在某一阻尼电容下，随着阻尼电阻的增大，反向恢复电压峰值先减小，后增大，也即存在一个最优电阻，使得反向恢复电压峰值最小。阻尼电阻对晶闸管开通电流和关断电压变化率也有影响：阻尼电阻越大，关断电压变化率越大，开通电流变化率越小；阻尼电阻越小，关断电压变化率越小，开通电流变化率越大；而晶闸管允许的开通电流和关断电压变化率是一定的，因此，阻尼电阻取值不能超出晶闸管开通电流和关断电压变化率的运行范围。换流阀阻尼损耗随着阻尼电容的增大而近似线性增大，因此，在满足换相过冲抑制的设计指标下，阻尼电容取值应尽可能小。本发明在上述规律的基础上，提出一种高压直流输电换流阀阻尼参数的优化设计方法，既可满足晶闸管关断电压变化率、开通电流上升率不超出器件限值的要求，又可满足反向恢复电压峰值和阻尼损耗最小的目标。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种高压直流输电换流阀阻尼参数的优化设计方法，其针对当前换流阀阻尼参数设计采用的查表法和仿真法的不足，提供实用的阻尼参数设计依据，具有很高的设计指导意义。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种高压直流输电换流阀阻尼参数优化设计方法，其特征在于：以交流系统出现1.3倍暂态过电压和换流阀触发角接近90°运行时，晶闸管承受的反向恢复电压峰值不超过晶闸管允许的反向重复峰值电压V_RRM为设计依据，根据阻尼参数对晶闸管反向恢复电压峰值的影响规律，综合考虑换流阀内晶闸管动态均压、开通电流上升率、关断电压下降率、阻尼电阻损耗的限制，对阻尼参数进行优化设计。

作为本发明进一步改进的技术方案，换流阀阻尼参数优化设计具体步骤为：

(1)确定最小阻尼电容值C_dmin＝ΔQrr/ΔV，其中：ΔQrr为换流阀内各晶闸管反向恢复电荷的最大、最小值之差，ΔV换流阀内最先和最后关断的晶闸管间最大允许电压差ΔV；

(2)确定最大阻尼电阻值R_dmax＝k_u×(du/dt)_max/(U₀/L+I_RM/τ)，其中：k_u为电压变化率指标的安全系数，(du/dt)_max为晶闸管允许的最大电压变化率。

(3)确定最小阻尼电阻值R_dmin＝1.3×U_vm/(k_i×(di/dt)_max×N_t×(t_r/ln9))，其中U_vm为阀侧电压峰值，k_i为电流变化率指标的安全系数，(di/dt)_max为晶闸管允许的最大电流变化率,t_r为晶闸管开通时的电流上升时间；

(4)令阻尼电容C_d＝C_dmin，R_d从R_dmin逐步增大到R_dmax，根据晶闸管反向恢复电压解析公式求解出反向恢复电压，从而得到反向恢复电压峰值U_tm，以阻尼电阻为横坐标，反向恢复电压峰值为纵坐标，绘制出阻尼电阻从R_dmin变化到R_dmax时的反向恢复电压峰值曲线，观察在[R_dmin,R_dmax]区间内是否存在满足反向恢复电压峰值小于V_RRM的阻尼电阻值；

(5)若不存在，则增大阻尼电容值，重复第(4)步；若存在，则通过附图3所示的曲线得到满足条件的临界阻尼电阻值R₁、R₂以及满足反向恢复电压峰值最小的最优电阻R_opt；

(6)计算Min{R_opt/R₁、R₂/R_opt}是否大于k₁(k₁为考虑电阻误差的裕度系数)：若不满足，则增大阻尼电容值，重复第(4)、(5)步；若满足，R_opt为阻尼电阻优化值，阻尼电容值即取当前C_d值，不再增大阻尼电容。此时所得到的阻尼参数既可满足晶闸管关断电压变化率、开通电流上升率不超出器件限值的要求，又可满足反向恢复电压峰值和阻尼损耗最小的目标。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述晶闸管反向恢复电流采用基于指数衰减的电流源模型：

i_r(t)＝I_RM×e^-t/τ (1)

其中：I_RM为反向恢复电流峰值，τ为反向恢复电流的衰减时间常数。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述晶闸管反向恢复电压的求解包括如下步骤：

(1)建立换流阀换相关断电路数学模型：

其中：δ＝R/2L，L＝2L_t/N_t，为折算到晶闸管级的换相电感，L_t为换流变漏感，N_t为换流阀串联晶闸管级数，R＝3R_d/5，C＝5C_d/3，R_d和C_d为待设计的阻尼参数，i为晶闸管级换相电感L中的电流。

(2)通过求解换相电路的微分方程，得到晶闸管反向恢复电压解析公式：

式中：

其中：U₀为换流阀关断前一刻晶闸管级两端的电压。

本发明技术方案的优点是：

1、根据换流阀换相电路建立微分方程，求解出关断电压的解析公式，应用该解析公式，编写阻尼参数优化设计的计算程序，快速求得阻尼参数优化结果，准确性高。

2、可以保证在故障工况和其它任意触发角下，晶闸管承受的关断电压均不超过其允许的反向重复峰值电压V_RRM，安全性高；

3、阻尼电容值选择满足关断电压要求的最小值，减小了换流阀阻尼损耗，经济性高。

附图说明

图1是应用于高压直流输电的6脉动换流器示意图。

图2是晶闸管级换相关断电路示意图。

图3是阻尼电阻值选取示意图。

图4是具体实施时阻尼参数设计结果图。

图5是阻尼参数优化设计流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本一种高压直流输电换流阀阻尼参数优化设计方法，以交流系统出现1.3倍暂态过电压和换流阀触发角接近90°运行时，晶闸管承受的反向恢复电压峰值不超过晶闸管允许的反向重复峰值电压V_RRM为设计依据，根据阻尼参数对晶闸管反向恢复电压峰值的影响规律，综合考虑换流阀内晶闸管动态均压、开通电流上升率、关断电压下降率、阻尼电阻损耗的限制，对阻尼参数进行优化设计。

作为优选方案，换流阀阻尼参数优化设计具体步骤为：

(1)确定最小阻尼电容值C_dmin＝ΔQrr/ΔV，其中：ΔQrr为换流阀内各晶闸管反向恢复电荷的最大、最小值之差，ΔV换流阀内最先和最后关断的晶闸管间最大允许电压差ΔV；

(2)确定最大阻尼电阻值R_dmax＝k_u×(du/dt)_max/(U₀/L+I_RM/τ)，其中：k_u为电压变化率指标的安全系数，(du/dt)_max为晶闸管允许的最大电压变化率。

(3)确定最小阻尼电阻值R_dmin＝1.3×U_vm/(k_i×(di/dt)_max×N_t×(t_r/ln9))，其中U_vm为阀侧电压峰值，k_i为电流变化率指标的安全系数，(di/dt)_max为晶闸管允许的最大电流变化率,t_r为晶闸管开通时的电流上升时间；

(4)令阻尼电容C_d＝C_dmin，R_d从R_dmin逐步增大到R_dmax，根据晶闸管反向恢复电压解析公式求解出反向恢复电压，从而得到反向恢复电压峰值U_tm，以阻尼电阻为横坐标，反向恢复电压峰值为纵坐标，绘制出阻尼电阻从R_dmin变化到R_dmax时的反向恢复电压峰值曲线，观察在[R_dmin,R_dmax]区间内是否存在满足反向恢复电压峰值小于V_RRM的阻尼电阻值；

(5)若不存在，则增大阻尼电容值，重复第(4)步；若存在，则通过附图3所示的曲线得到满足条件的临界阻尼电阻值R₁、R₂以及满足反向恢复电压峰值最小的最优电阻R_opt；

(6)计算Min{R_opt/R₁、R₂/R_opt}是否大于k₁(k₁为考虑电阻误差的裕度系数)：若不满足，则增大阻尼电容值，重复第(4)、(5)步；若满足，R_opt为阻尼电阻优化值，阻尼电容值即取当前C_d值，不再增大阻尼电容。此时所得到的阻尼参数既可满足晶闸管关断电压变化率、开通电流上升率不超出器件限值的要求，又可满足反向恢复电压峰值和阻尼损耗最小的目标。

本实施例1中，所述晶闸管反向恢复电流采用基于指数衰减的电流源模型：

i_r(t)＝I_RM×e^-t/τ (1)

其中：I_RM为反向恢复电流峰值，τ为反向恢复电流的衰减时间常数。

所述晶闸管反向恢复电压的求解包括如下步骤：

(1)建立换流阀换相关断电路数学模型：

其中：δ＝R/2L，L＝2L_t/N_t，为折算到晶闸管级的换相电感，L_t为换流变漏感，N_t为换流阀串联晶闸管级数，R＝3R_d/5，C＝5C_d/3，R_d和C_d为待设计的阻尼参数，i为晶闸管级换相电感L中的电流。

(2)通过求解换相电路的微分方程，得到晶闸管反向恢复电压解析公式：

式中：

其中：U₀为换流阀关断前一刻晶闸管级两端的电压。

本实施例1中，本一种高压直流输电换流阀阻尼参数的优化设计方法，以某直流工程为例：阀侧电压峰值U_vm＝243.2kV，换相电感L_t＝15.5mH，晶闸管串联级数N_t＝60，查晶闸管数据手册：V_RRM＝8.5kV，I_RM＝378A，τ＝21us，(du/dt)_max＝4000V/us，(di/dt)_max＝500A/us，安全系数k_u和k_i均取0.9，阻尼参数具体设计步骤如下：

(1)确定最小阻尼电容值C_dmin＝900uAs/(850V)≈1.0uF。

(2)确定最大阻尼电阻R_dmax＝0.9×4000/((1.3×243.2)/(2×15.5)+378/21)＝128Ω。

(3)确定最小阻尼电阻值R_dmin＝1.3×243.2E3/(0.9×500×60×(1/ln9))＝26Ω。

(4)令初始阻尼电容C_d＝1.0uF，R_d从26Ω逐步增大到128Ω，根据晶闸管反向恢复电压解析公式(3)求解出的反向恢复电压，从而得到反向恢复电压峰值U_tm，以阻尼电阻为横坐标，反向恢复电压峰值为纵坐标，绘制出阻尼电阻从R_dmin变化到R_dmax时的反向恢复电压峰值曲线，查找在[R_dmin,R_dmax]区间内是否存在满足反向恢复电压峰值小于V_RRM的阻尼电阻值；

(5)若不存在，则阻尼电容值增大0.1uF，重复第(4)步；如附图4，直至C_d＝1.9uF时，得到满足条件的临界阻尼电阻值R₁＝28.6Ω、R₂＝43.3Ω以及满足反向恢复电压峰值最小的最优电阻R_opt＝35Ω；

(6)计算出Min{R_opt/R₁、R₂/R_opt}＝1.22<1.3，继续将阻尼电容值增大0.1uF，C_d＝2.0uF，重复第(4)、(5)步，得到R₁＝26Ω、R₂＝46.8Ω以及满足反向恢复电压峰值最小的最优电阻R_opt＝34Ω，计算出Min{R_opt/R₁、R₂/R_opt}＝1.31>1.3,因此R_opt＝34Ω为阻尼电阻优化值，阻尼电容值即取当前值C_d＝2uF。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高压直流输电换流阀阻尼参数优化设计方法，其特征在于：以交流系统出现1.3倍暂态过电压和换流阀触发角90°运行时，晶闸管承受的反向恢复电压峰值不超过晶闸管允许的反向重复峰值电压V_RRM为设计依据，根据阻尼参数对晶闸管反向恢复电压峰值的影响规律：阻尼电容越大，反向恢复电压峰值越小；在某一阻尼电容下，随着阻尼电阻的增大，反向恢复电压峰值先减小，后增大，也即存在一个最优电阻，使得反向恢复电压峰值最小，同时综合考虑换流阀内晶闸管动态均压、开通电流上升率、关断电压下降率、阻尼电阻损耗的限制：阻尼电阻越大，关断电压变化率越大；阻尼电阻越小，开通电流变化率越大；阻尼电容越大，换流阀内晶闸管动态均压越好，但阻尼电阻损耗越大，对阻尼参数进行优化设计。

2.如权利要求1所述的换流阀阻尼参数优化设计方法，其特征在于阻尼参数设计包括如下步骤：

(1)确定最小阻尼电容值C_dmin＝ΔQrr/ΔV，其中：ΔQrr为换流阀内各晶闸管反向恢复电荷的最大、最小值之差，ΔV换流阀内最先和最后关断的晶闸管间最大允许电压差ΔV；

(2)确定最大阻尼电阻值R_dmax＝k_u×(du/dt)_max/(U₀/L+I_RM/τ)，其中：k_u为电压变化率指标的安全系数、(du/dt)_max为晶闸管允许的最大电压变化率、U₀为换流阀关断前一刻晶闸管级两端的电压、L折算到晶闸管级的换相电感、I_RM为反向恢复电流峰值、τ为反向恢复电流的衰减时间常数；

(3)确定最小阻尼电阻值R_dmin＝1.3×U_vm/(k_i×(di/dt)_max×N_t×(t_r/ln9))，其中U_vm为阀侧电压峰值、k_i为电流变化率指标的安全系数、(di/dt)_max为晶闸管允许的最大电流变化率、N_t为晶闸管级数、t_r为晶闸管开通时的电流上升时间；

(4)令阻尼电容C_d＝C_dmin，阻尼电阻R_d从R_dmin逐步增大到R_dmax，利用解析式求解反向恢复电压，得到反向恢复电压峰值U_tm，以阻尼电阻为横坐标，反向恢复电压峰值为纵坐标，绘制出阻尼电阻从R_dmin变化到R_dmax时的反向恢复电压峰值曲线，观察在[R_dmin,R_dmax]区间内是否存在满足反向恢复电压峰值小于晶闸管允许的反向重复峰值电压V_RRM的阻尼电阻值；

(5)若不存在，则增大阻尼电容值，重复第(4)步；若存在，在步骤(4)所述曲线上，以纵坐标上晶闸管允许的反向重复峰值电压V_RRM为起点绘制一条平行于横坐标的直线，所述直线与步骤(4)所述曲线相交的两个点的横坐标为临界阻尼电阻值值R₁、R₂，步骤(4)所述曲线的最低点的横坐标为满足反向恢复电压峰值最小的最优电阻R_opt；

(6)计算Min{R_opt/R₁、R₂/R_opt}是否大于k₁，k₁为考虑电阻误差的裕度系数：若不满足，则增大阻尼电容值，重复第(4)、(5)步；若满足，R_opt为阻尼电阻优化值，阻尼电容取当前C_d值。

3.如权利要求1所述的换流阀阻尼参数优化设计方法，其特征在于：所述晶闸管反向恢复电流采用基于指数衰减的电流源模型

i_r(t)＝I_RM×e^-t/τ

其中：I_RM为反向恢复电流峰值，τ为反向恢复电流的衰减时间常数。

4.如权利要求1所述的换流阀阻尼参数优化设计方法，其特征在于：所述晶闸管反向恢复电压的求解包括如下步骤：

(1)建立换流阀换相关电路数学模型：

其中：δ＝R/2L，L＝2L_t/N_t，L为折算到晶闸管级的换相电感、L_t为换流变漏感、N_t为换流阀串联晶闸管级数、R＝3R_d/5，C＝5C_d/3，R_d和C_d为待设计的阻尼参数、i为晶闸管级换相电感L中的电流；

(2)求解换相电路的微分方程，得到晶闸管反向恢复电压解析式：

式中：B₁＝I_RM-K，

其中：U₀为换流阀关断前一刻晶闸管级两端的电压。