CN108334671A - 一种换流阀子模块母排电动力校核方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换流阀子模块母排电动力校核方法及装置，首先根据实际子模块，在不同的工况下，建立子模块母排的三维仿真模型，并设置模型参数和电流路径；然后在静磁场条件下，求解不同工况下母排的电动力；最后将求解得到的电动力与母排标准电动力作对比，校核子模块母排电动力。本发明的计算效率高、计算速度快，且具有通用性，保证了对不同的子模块母排进行分析，进而可根据仿真结果评估系统并做出相应改进，减少了不必要的时间和费用成本，提高了换流阀子模块的稳定性和可靠性。

Description

一种换流阀子模块母排电动力校核方法及装置

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种换流阀子模块母排电动力校核方法及装置。

背景技术

柔性直流输电技术由于其优异的特点，使其在可再生能源并网、孤岛供电、分布式发电等场合得到了广泛应用。模块化多电平技术(Modular Multilevel Converter，MMC)是柔性直流输电工程的主流技术路线，具有模块化程度高、扩展性好、开关频率低、损耗低、输出波形平滑和品质高等优点。

目前，国内外学者对柔性直流输电系统的子模块拓扑、运行方式和控制保护策略进行了较多研究，而柔性直流输电换流阀子模块可靠性近年来才得到关注。

在换流阀正常运行情况下，子模块的母排都能承受流经电流产生的电动力。但随着使用年限的增长以及全控器件性能的逐渐下降，最终导致全控器件失效，极易出现子模块上管短路故障。此时，阀控下达子模块切除指令，旁路开关闭合，子模块中可关断器件闭锁。而由于子模块上管短路，使的上管可关断器件一直处于导通状态，因而存在某一时刻——电流从电容经故障可关断器件、旁路开关，然后回到电容，形成回路，回路中电阻极小，此时母排中流过的电流急剧上升。而母排中电动力的幅值与电流的平方成正比，强大的电动力会引起螺丝等固定部件的松动甚至引起母排断裂，这严重威胁着换流阀的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换流阀子模块母排电动力校核方法及装置，用以解决设计考虑不充分造成的母排中较大的电动力造成换流阀故障的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种换流阀子模块母排电动力校核方法，包括如下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

根据实际子模块，在不同的工况下，建立子模块母排电流分布的仿真模型，并设置电流大小和电流路径；

在静磁场条件下，求解不同工况下母排的电动力；

将求解得到的电动力与对应工况下的母排标准电动力作对比，校核子模块母排电动力。

方法方案二，在方法方案一的基础上，根据校核的结果，给出相应的建议。

方法方案三，在方法方案一的基础上，所述在静磁场条件下求解不同工况下母排的电动力包括：

在静磁场条件下，建立求解域，并设置收敛的能量误差阈值；

进行仿真计算，判断是否达到能量误差阈值：若达到能量误差阈值，求解得到当前工况下对应的母排的电动力；否则，继续计算；

进而得到不同工况下对应的母排的电动力。

方法方案四，在方法方案一的基础上，采用有限元法来逐次求解不同工况下母排的电动力。

方法方案五，在方法方案一的基础上，所述子模块为半桥子模块、全桥子模块或钳位式子模块。

方法方案六，在方法方案五的基础上，子模块中的可关断功率器件包括GTO、IGBT、IEGT或IGCT中的至少一种。

方法方案七，在方法方案一的基础上，所述子模块为压接式或焊接式。

方法方案八，在方法方案一的基础上，所述工况包括正常工况和故障工况。

本发明还提供了一种换流阀子模块母排电动力校核装置，包括如下装置方案：

装置方案一，包括处理器，所述处理器用于执行指令以实现如下方法：

根据实际子模块，在不同的工况下，建立子模块母排电流分布的仿真模型，并设置电流大小和电流路径；

在静磁场条件下，求解不同工况下母排的电动力；

将求解得到的电动力与对应工况下的母排标准电动力作对比，校核子模块母排电动力。

装置方案二，在装置方案一的基础上，根据校核的结果，给出相应的建议。

装置方案三，在装置方案一的基础上，所述在静磁场条件下求解不同工况下母排的电动力包括：

在静磁场条件下，建立求解域，并设置收敛的能量误差阈值；

进行仿真计算，判断是否达到能量误差阈值：若达到能量误差阈值，求解得到当前工况下对应的母排的电动力；否则，继续计算；

进而得到不同工况下对应的母排的电动力。

装置方案四，在装置方案一的基础上，采用有限元法来逐次求解不同工况下母排的电动力。

装置方案五，在装置方案一的基础上，所述子模块为半桥子模块、全桥子模块或钳位式子模块。

装置方案六，在装置方案五的基础上，子模块中的可关断功率器件包括GTO、IGBT、IEGT或IGCT中的至少一种。

装置方案七，在装置方案一的基础上，所述子模块为压接式或焊接式。

装置方案八，在装置方案一的基础上，所述工况包括正常工况和故障工况。

本发明的有益效果：

本发明的换流阀子模块母排电动力校核方法及装置，针对换流阀子模块在运行中面临的各种工况，对子模块母排所受电流冲击下受力大小进行计算，并与母排标准电动力进行比对，校核子模块的电动力，评估子模块母排的设计以及选型。本发明的计算效率高、计算速度快，且具有通用性，保证了对不同的子模块母排进行分析，进而可根据仿真结果评估系统并做出相应改进，减少了不必要的时间和费用成本，提高了换流阀的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的换流阀子模块母排电动力校核方法流程图；

图2是子模块电气原理图；

图3-1是正常工况下三维仿真模型示意图；

图3-2是故障工况下三维仿真模型示意图；

图4-1是正常工况下仿真模型磁场分布图；

图4-2是故障工况下仿真模型磁场分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的换流阀子模块母排电动力校核方法流程图。

首先，根据柔性直流输电换流阀子模块在系统中的运行方式和特点，对子模块正常工况和故障工况进行分析，根据实物子模块，分别建立电动力计算仿真模型，即子模块母排电流分布的仿真模型。

然后，根据子模块在正常工况和故障工况下的电流大小以及电流流通路径，设置模型参数和电流路径。

接着，建立求解域，设置收敛的能量误差，并进行仿真模型剖分，利用仿真软件，在静磁场条件下开始仿真计算，判断是否达到能量误差阈值，在达到能量误差阈值时，停止计算，得到两种工况下的母排电动力；否则继续仿真计算。

最后，将计算得到的两种工况下的母排电动力与母排理论所能承受的经验值作比对，并根据该结果评估母排设计及选型。

换流阀子模块可为半桥子模块、全桥子模块或者钳位式子模块，并不局限于某一种形式的子模块。子模块中所使用的可关断功率器件可为GTO、IGBT、IEGT 或IGCT，或者是众多可关断功率器件中的一种或多种混联组成。

可把有限元电动力计算方法引入到换流阀子模块中，用于某种工况下子模块母排电动力承受能力评估。

下面结合一个具体的实例来对上述方法进行补充说明。

某工程用柔性直流输电换流阀子模块的保护电压为U_max，而且，该子模块为半桥子模块，如图2所示。

在正常工况下某个时刻，电流从电容流经T1、然后通过母排，流向其他子模块。在上全控型可关断器件发生短路故障工况下的某个时刻，阀控发出闭锁信号，旁路开关K闭合，T₁、T₂闭锁，但上全控型可关断器件T₁故障失效，会一直处于导通状态；此时电流从电容流经T₁、旁路开关K后，流回电容。不考虑子模块具体处于充电或者是放电阶段，假定此时子模块电容电压为保护定值电压U_max。

两种工况下的具体步骤仿真步骤如下：

1、在正常工况下，电流从电容流经T₁，然后通过母排流向其他子模块；在故障工况下，T₂关断，晶闸管T₃关断，此时旁路开关K是闭合状态，电流从电容流经T₁、旁路开关K后，流回电容。

2、为了加快仿真速度，所建模型仅限于电流流通所经过的元器件。在正常工况下，仿真模型如图3-1所示；在故障工况下，为方便起见，由于旁路开关已经闭合，只有通流作用，这里用母排E代替，仿真模型如图3-2所示。

3、在仿真模型中，所有母排材料属性均设置为铜，散热器材料属性均设置为铝，T₁在击穿和导通时均近似为良导体，因此T₁的材料属性设置为铜。由于晶闸管T₃和全控型可关断器件T₂均处于关断状态，此处均予以隐藏，不参与仿真计算。

4、在正常工况下，电路大小为桥臂电流。在该实施例中，桥臂电流峰值为 3.47kA。在故障工况下，子模块电容的保护定值电压为U_max，回路中电阻为R，其电流为I＝U_max/R，该实施例中电流为630kA。

5、在设置好各种参数后，开始进行仿真计算，以得到两种工况下各个母排所受电动力的幅值。下面给出两种工况下的电动力大小，其中母排A、母排B、母排C、母排D、母排E所对应电动力大小分别为Force1、Force2、Force3、Force4、 Force5。

3.47kA电流时电动力如表1所示，单位为N，其中电动力矢量的坐标表示法为(F(x),F(y),F(z))，其幅值为Mag(F)；表格2中的含义，均与此处相同。

表1 3.47kA电流时电动力(单位:N)

表2 630kA电流时电动力(单位:N)

6、对上表中得到的各种数据进行分析，发现各个母排所受的电动力都较小，不足以对母排的结构产生变形应力，即在正常情况下，母排能够安全稳定运行。但从表2可以发现，该实施例中所考虑的全控型可关断器件T₁短路故障的工况下，母排的电动力较高，极易使母排发生形变。从x、y、z轴三个方向的分量单独考虑，可以发现对于母排A、B、C、D来说，在x轴方向应力最大，因此设计过程中建议在该方向施加紧固或者压紧力，提高母排的抗电动力能力。

7、电动力即电流I和母排长度L均为标量，因而电动力与磁场强度分布是相关的，在3.47kA和630kA时所形成的磁场分别如图4-1、4-2所示，其中颜色(深度)表示电流密度(电流大小)。从图4-1、图4-2中可以发现在母排拐角处，出现了较强的磁场(图中圆圈内为磁场强度较大区域)，因此建议在母排拐角处需要优化设计，如增大转弯半径等措施。

8、该实施例中的子模块母排在x轴方向具有紧固或者压紧力，对于母排A、 B，在x轴方向是螺丝紧固的地方，对于母排C、D，阀组件为压接式阀组件时，在母排C、D处有压紧力作用。

此外，通过其他保护方案，子模块在发生上全控型可关断器件短路时，电流的流通路径变为一阻值较大路径，母排中的电流较小，形成的电动力已在可控范围之内，子模块能够安全稳定运行。

在该实施例中，只给出了正常工况和上全控型可关断器件短路故障工况这两种工况，对于其他的子模块，并不局限于这两种工况，包括子模块在运行过程中的所有可能的工况。

本发明还提供了一种换流阀子模块母排电动力校核装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令以实现如下方法：

根据实际子模块，在不同的工况下，建立子模块母电流分布的仿真模型，并设置电流大小和电流路径；

在静磁场条件下，求解不同工况下母排的电动力；

将求解得到的电动力与对应工况下的母排标准电动力作比较，校核子模块母排电动力。

该装置的实质在于实现上述介绍的换流阀子模块母排电动力校核方法，由于对该方法的介绍已足够清楚明白，故对该装置不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据实际子模块，在不同的工况下，建立子模块母排电流分布的仿真模型，并设置电流大小和电流路径；

在静磁场条件下，求解不同工况下母排的电动力；

将求解得到的电动力与对应工况下的母排标准电动力作对比，校核子模块母排电动力。

2.根据权利要求1所述的换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，根据校核的结果，给出相应的建议。

3.根据权利要求1所述的换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，所述在静磁场条件下求解不同工况下母排的电动力包括：

在静磁场条件下，建立求解域，并设置收敛的能量误差阈值；

进行仿真计算，判断是否达到能量误差阈值：若达到能量误差阈值，求解得到当前工况下对应的母排的电动力；否则，继续计算；

进而得到不同工况下对应的母排的电动力。

4.根据权利要求1所述的换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，采用有限元法来逐次求解不同工况下母排的电动力。

5.根据权利要求1所述的换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，所述子模块为半桥子模块、全桥子模块或钳位式子模块。

6.根据权利要求5所述的换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，子模块中的可关断功率器件包括GTO、IGBT、IEGT或IGCT中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，所述子模块为压接式或焊接式。

8.根据权利要求1所述的换流阀子模块母排电动力校核方法，其特征在于，所述工况包括正常工况和故障工况。

9.一种换流阀子模块母排电动力校核装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令以实现如下方法：

根据实际子模块，在不同的工况下，建立子模块母排电流分布的仿真模型，并设置电流大小和电流路径；

在静磁场条件下，求解不同工况下母排的电动力；

将求解得到的电动力与对应工况下的母排标准电动力作对比，校核子模块母排电动力。

10.根据权利要求9所述的换流阀子模块母排电动力校核装置，其特征在于，根据校核的结果，给出相应的建议。