CN107026464A - 一种换流阀的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种换流阀的优化方法，其特征在于，所述换流阀包括：电抗器、晶闸管、阻尼支路、均压支路、触发装置及阀基电子设备和冷却系统，所述优化方法包括，对所述晶闸管、触发装置及阀基电子设备、电抗器、阻尼支路、均压支路和冷却系统至少一种的优化；所述晶闸管的优化通过确定晶闸管的最小关断角裕度的抑制指标的方式实现。本发明优化了换流阀的均压支路参数、电抗器参数和阻尼支路参数，使得晶闸管的动态关断特性受到适当有益影响，提升了换流阀设备的整体换相特性、可靠性和触发监测装置的智能化程度，以及耐受换相失败及其严重后果的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种优化方法，具体讲涉及一种换流阀的优化方法。
背景技术
换流阀是直流输电工程的核心设备，通过依次将三相交流电压连接到直流端得到期望的直流电压和实现对功率的控制，其价值约占换流站成套设备总价的22～25％
换流阀可应用于具备抵御换相失败能力的换流系统中，用于减少换相失败或克服换相失败。换相失败(Commutation Failure，CF)是特高压直流输电逆变器较为常见的故障形式，当两个阀换相时，换相过程未完毕，或者预计的关断阀关断后，反向电压期间未能恢复阻断能力，加在该阀上的电压为正时，立刻重新导通，发生倒换相，预计开通的阀重新关断的这一现象称为换相失败。换相失败的根源在于晶闸管元件的半控特性，晶闸管的开通可以通过触发脉冲控制，但条件是必须对其施加反向电压并持续一段时间，使晶闸管中的载流子去游离化，恢复阻断能力，获得可靠关断。若施加的反向电压时间太短，晶闸管一旦承受正向电压，勿需触发脉冲也会重新导通。换相失败会引起换流变压器直流偏磁，换流阀过热，过电压等问题，继发性的换相失败还可能引起直流系统闭锁，给电网稳定造成更大的冲击。
随着“西电东送”战略逐步实施，特高压直流输电工程集中投运，我国已成为世界上容量、规模最大的交直流混联电网。特高压直流单回输送容量的不断提升，显现出“强直弱交”特征，主要体现：一是受端电网多为负荷中心，多直流馈入落点集中，各逆变站间电气距离较近，换流站近区的交流系统故障可能导致多回直流同时发生换相失败；二是送端电网为能源集中区域，交流系统联系相对薄弱，若逆变侧换相失败导致直流功率输送暂时中断，送端电网的部分重要断面超过稳定极限、部分火电机组超速、风电机组因低压或高压大规模脱网，严重威胁系统安全稳定运行。因此，换相失败的危害严重。
现有的抵御换相失败的措施一般是改进控制器的参数，使控制系统在发生换相失败后快速检测到故障，或者采用特定的控制措施使系统从故障中快速恢复，这些手段并非是针对换流设备本身而提出的。而事实证明换相失败的发生，是由于换流阀的核心器件——晶闸管的半控性和非理想性引起的。并且，随直流工程电压、容量提升和大功率晶闸管器件的工艺升级，在维持原关断角整定值不变的情况下，晶闸管的固有关断角增大，导致关断角控制裕度减小；而晶闸管的固有关断角对应时间并非是一个定值，随换流阀运行条件而变化，变化范围高达数百μs。
为此，需要提供一种应用于抵御换相失败能力的换流系统的换流阀，对该换流阀的优化方法，用于克服现有技术中对抵御换相失败存在的问题。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种换流阀的优化方法，所述换流阀包括：电抗器、晶闸管、阻尼支路、均压支路、触发装置及阀基电子设备和冷却系统，所述优化方法包括，对所述晶闸管、触发装置及阀基电子设备、电抗器、阻尼支路、均压支路和冷却系统至少一种的优化；
所述晶闸管的优化通过确定晶闸管的最小关断角裕度的抑制指标的方式实现。
优选的，所述晶闸管的优化方法包括：
I、测量晶闸管的最小关断角裕度；
II、计算额定关断角裕度；
III、将额定关断角裕度与预设阈值比较确定最小关断角裕度的抑制指标。
优选的，所述触发装置及阀基电子设备的优化方法包括：
A触发监测装置测量所述晶闸管运行时的关断角裕度；
B计算额定关断角裕度；
C将额定关断角裕度上报给站级控制保护系统，站级控制保护系统调节关断角的整定值，减少换相失败的发生；
D所述阀基电子设备实时监测晶闸管的阻断状态；
E各受端换流站建立集总通信站，用以交换实测信息，当换流阀发生换相失败时，通过集总通信站告知其它换流阀减小触发角，进而减少换相失败。
优选的，所述额定关断角裕度按下式计算：
ΔγN＝γ-γmin (1)
式中，γ：关断角裕度；γmin：晶闸管的最小关断角裕度。
优选的，所述步骤D实时监测晶闸管阻断状态包括：周期性采样窗口采集晶闸管电压，当采集窗口采不到阀的正向电压时，向站级控制保护系统发出报警信号。
优选的，所述电抗器的优化包括：调节所述电抗器的不饱和电感值，在满足换流阀正常运行条件下，使得晶闸管关断时间最小。
优选的，所述阻尼支路的优化包括：调节所述阻尼支路的阻尼电容和阻尼电阻，在满足换流阀的电压运行条件的情况下，使晶闸管关断时间最小。
优选的，所述均压支路的优化包括：设定所述均压支路的直流均压电阻的阻值，使晶闸管阻断状态时的漏电流流过均压直流。
优选的，所述冷却系统的优化包括：优化散热沟道或扩大冷却支路。
优选的，所述晶闸管、均压支路和阻尼支路并联后与电抗器串联，所述触发装置及阀基电子设备和冷却系统分别与所述晶闸管连接。
与最接近的现有技术相比，本发明具有以下优异效果：
(1)本发明的技术方案应用于特高压直流系统，提高了特高压直流系统抵御换相失败的能力，大大减低了换相失败故障发生概率；
(2)本发明提供的技术方案，提出了换流阀晶闸管优化指标；从晶闸管的动态换相特性入手，研究换流阀设备抵御换相失败的技术，提升换流阀晶闸管的换相特性，使其适当减小所需的关断时间，控制裕度提高，从而提高换流阀主动防御换相失败的能力，尤其是从源头上降低多馈入直流系统换相失败及其连锁反应的几率；
(3)本发明提出了换流阀均压支路和电抗器参数优化方法，优化了换流阀的均压支路参数、电抗器参数和阻尼支路参数，使得晶闸管的动态关断特性受到适当有益影响；
(4)本发明提供的技术方案，提升了换流阀触发监测装置的智能化程度，使得换流阀设备具备对换相失败的快速监测功能，提高了换流阀所在的多直流馈入系统耐受换相失败及其严重后果的能力；
(5)本发明提供的技术方案，通过优化换流阀冷却系统，降低晶闸管结温，从而减少晶闸管在关断过程中产生的反向恢复电荷，优化换相特性。
附图说明
图1为本发明的换流阀应用于具备抵御换相失败能力的换流系统示意图；
图2为本发明的换流阀的组成结构示意图；
图3为本发明的关断角裕度示意图；
图4为本发明的换相失败正向电压采样原理示意图；
图5为本发明的换流阀应用于换流系统的集总通信站使用方式示意图；
其中，1‐换流变压器，2‐换流阀，3‐交流滤波器，4‐平波电抗器，5‐直流滤波器，6‐直流侧换相桥路，7‐晶闸管，8‐均压支路，9‐电抗器，10‐触发装置及阀基电子设备，11‐冷却系统，12‐阻尼支路。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本发明提供一种换流阀的优化方法，所述换流阀包括：电抗器、晶闸管、阻尼支路、均压支路、触发装置及阀基电子设备和冷却系统，优化方法包括，对晶闸管、触发装置及阀基电子设备、电抗器、阻尼支路、均压支路和冷却系统至少一种的优化；
晶闸管的优化通过确定晶闸管的最小关断角裕度的抑制指标的方式实现。晶闸管的优化方法包括：
I、测量晶闸管的最小关断角裕度；
II、计算额定关断角裕度；
III、将额定关断角裕度与预设阈值比较确定最小关断角裕度的抑制指标。
触发装置及阀基电子设备的优化方法包括：
A触发监测装置测量所述晶闸管运行时的关断角裕度；
B计算额定关断角裕度；
C将额定关断角裕度上报给站级控制保护系统，站级控制保护系统调节关断角的整定值，减少换相失败的发生；
D所述阀基电子设备实时监测晶闸管的阻断状态；
E各受端换流站建立集总通信站，用以交换实测信息，当换流阀发生换相失败时，通过集总通信站告知其它换流阀减小触发角，进而减少换相失败。
额定关断角裕度按下式计算：
ΔγN＝γ-γmin (1)
式中，γ：关断角裕度；γmin：晶闸管的最小关断角裕度。
步骤D实时监测晶闸管阻断状态包括：周期性采样窗口采集晶闸管电压，当采集窗口采不到阀的正向电压时，向站级控制保护系统发出报警信号。
电抗器的优化包括：调节所述电抗器的不饱和电感值，在满足换流阀正常运行条件下，使得晶闸管关断时间最小。
阻尼支路包括：串联的电阻和电容。阻尼支路的优化包括：调节所述阻尼支路的阻尼电容和阻尼电阻，在满足换流阀的电压运行条件的情况下，使晶闸管关断时间最小。
均压支路的优化包括：设定所述均压支路的直流均压电阻的阻值，使晶闸管阻断状态时的漏电流流过均压直流。
冷却系统的优化包括：优化散热沟道或扩大冷却支路。
晶闸管、均压支路和阻尼支路并联后与电抗器串联，所述触发装置及阀基电子设备和冷却系统分别与所述晶闸管连接。
换流阀的结构包括：7‐晶闸管，8‐均压支路、9‐电抗器、10‐触发装置、11‐冷却系统和12‐阻尼支路。
与电抗器连接、依次并联的晶闸管、阻尼支路和均压支路；所述晶闸管连接有冷却系统、触发装置及阀基电子设备。
晶闸管设定最小关断时间抑制指标，将换流系统的额定关断角裕度限定小于关断角裕度规定值。
具体实施例一：将本发明的换流阀应用于换流系统，如图1所示，1‐换流变压器，2‐换流阀，3‐交流滤波器，4‐平波电抗器，5‐直流滤波器，6‐直流侧换相桥路；
换流变压器1的两侧分别与交流母线和所述换流阀2连接，所述换流阀2的另一端同与所述直流线路一端连接的所述平波电抗器4连接；所述交流滤波器3连接在交流母线和大地间；所述直流滤波器5并联在所述直流线路和大地间。
如图2所示，换流阀2主要由7、晶闸管，8、阻尼支路，9、电抗器，10、触发装置及阀基电子设备，11、冷却系统，12、均压支路等部分构成。
晶闸管、均压支路、阻尼支路处于并联关系，三者并联后与电抗器串联，由触发装置和阀基电子设备对晶闸管进行控制，由冷却系统对晶闸管耗散的功率进行散热。
A、具备抵御换相失败能力的换流系统中，晶闸管7的优化方法包括下述步骤：
<a>在给定运行试验条件下，测量晶闸管的最小关断时间γmin。
<b>计算该条件下的额定关断角裕度ΔγN＝γ‐γmin
<c>若ΔγN小于规定的定值，则提出γmin抑制指标。
B、具备抵御换相失败能力的换流系统中，均压支路8的优化方法包括下述步骤：
<a>测量晶闸管阻断状态流过的漏电流。
<b>设计直流均压电阻的阻值，使得晶闸管阻断状态的漏电流的大多数(如90％)流过均压支路8。
C、具备抵御换相失败能力的换流系统中，阻尼支路12的优化方法包括下述步骤：
<a>设计阻尼支路的阻尼电容和阻尼电阻，使得换相过冲和晶闸管关断损耗均为合适值，满足换流阀的电压运行条件的情况下，晶闸管关断时间较小。
D、具备抵御换相失败能力的换流系统中，电抗器9的优化方法包括下述步骤：
<a>设计电抗器的不饱和电感值，在满足换流阀正常运行情况下，使得晶闸管关断时间较小。
E、具备抵御换相失败能力的换流系统中，换流阀触发装置及阀基电子设备10的优化方法，包括如下步骤：
<a>由触发监测装置实测得到晶闸管运行时的关断角裕度γ，如图3。
<b>计算该条件下的额定关断角裕度Δγ＝γ‐γmin，
<c>将额定关断角裕度Δγ上报给站级控制保护系统，由站级控制保护系统调节γ角的整定值。
<d>在计算额定关断角裕度Δγ的同时，对晶闸管的阻断状态进行实时监测，包含但不限于以下方法：利用周期性采样窗口对晶闸管电压进行采样，采样原理如图4所示，若采样窗口则采样不到阀的正向电压，则发生换相失败，此时向站级控制保护系统发出报警信号。
<e>如图5所示，各受端换流站建立一个集总通信站，用以交换任意逆变站之间的信息，如实测关断角、晶闸管γmin，逆变站控制裕度等信息。当换流阀发生换相失败时，通过集总通信站告之其它换流阀，提前减小触发角，待故障处理后再恢复正常整定值。
F、具备抵御换相失败能力的换流系统中，冷却系统11的优化方法，包括如下步骤：
<a>通过优化散热器沟道设计结构，使其降低晶闸管到水路的总体热阻，或扩大冷却支路增加冷却支路水流量有效降低结温从而缩短晶闸管固有关断时间。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种换流阀的优化方法，所述换流阀包括：电抗器、晶闸管、阻尼支路、均压支路、触发装置及阀基电子设备和冷却系统，其特征在于，所述优化方法包括，对所述晶闸管、触发装置及阀基电子设备、电抗器、阻尼支路、均压支路和冷却系统至少一种的优化；
所述晶闸管的优化通过确定晶闸管的最小关断角裕度的抑制指标的方式实现。
2.如权利要求1所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述晶闸管的优化方法包括：
I、测量晶闸管的最小关断角裕度；
II、计算额定关断角裕度；
III、将额定关断角裕度与预设阈值比较确定最小关断角裕度的抑制指标。
3.如权利要求1所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述触发装置及阀基电子设备的优化方法包括：
A触发监测装置测量所述晶闸管运行时的关断角裕度；
B计算额定关断角裕度；
C将额定关断角裕度上报给站级控制保护系统，站级控制保护系统调节关断角的整定值，减少换相失败的发生；
D所述阀基电子设备实时监测晶闸管的阻断状态；
E各受端换流站建立集总通信站，用以交换实测信息，当换流阀发生换相失败时，通过集总通信站告知其它换流阀减小触发角，进而减少换相失败。
4.如权利要求2或3所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述额定关断角裕度按下式计算：
ΔγN＝γ-γmin (1)
式中，γ：关断角裕度；γmin：晶闸管的最小关断角裕度。
5.如权利要求3所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述步骤D实时监测晶闸管阻断状态包括：周期性采样窗口采集晶闸管电压，当采集窗口采不到阀的正向电压时，向站级控制保护系统发出报警信号。
6.如权利要求1所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述电抗器的优化包括：调节所述电抗器的不饱和电感值，在满足换流阀正常运行条件下，使得晶闸管关断时间最小。
7.如权利要求1所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述阻尼支路的优化包括：调节所述阻尼支路的阻尼电容和阻尼电阻，在满足换流阀的电压运行条件的情况下，使晶闸管关断时间最小。
8.如权利要求1所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述均压支路的优化包括：设定所述均压支路的直流均压电阻的阻值，使晶闸管阻断状态时的漏电流流过均压直流。
9.如权利要求1所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述冷却系统的优化包括：优化散热沟道或扩大冷却支路。
10.如权利要求1所述的换流阀的优化方法，其特征在于，所述晶闸管、均压支路和阻尼支路并联后与电抗器串联，所述触发装置及阀基电子设备和冷却系统分别与所述晶闸管连接。
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