CN111682573A - 基于拓扑优化的换流阀故障处理方法及换流阀拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑优化的换流阀故障处理方法及换流阀拓扑结构，所述方法中，构建用于直流与交流逆变的换流阀拓扑结构，换流阀拓扑结构包括电源、平波电抗器和多个晶闸管阀，在串联晶闸管阀的每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联二极管，当晶闸管阀通路发生改变时，基于反向并联二极管，未反向并联二极管的晶闸管阀加速关断，其余晶闸管阀及反向并联二极管获得关断延时。

Description

基于拓扑优化的换流阀故障处理方法及换流阀拓扑结构
技术领域
本发明属于电力系统高压直流输电技术领域，特别是一种基于拓扑优化的换 流阀故障处理方法及换流阀拓扑结构。
背景技术
高压直流输电在远距离大容量输电与交流电网互联等方面发挥着不可替代的作用，其稳定运行对电 网具有重要的实际意义，因而如何预警与预防各种高压直流输电故障是目前亟待解决的现实问题。换流 阀故障是高压直流输电中最常见的故障之一，统计结果显示，单回直流线路每年发生几次至十几次换流 阀故障，严重影响了直流输电系统的经济效益与电网的正常稳定运行。因此，探索研究切实可行，行之 有效的换流阀故障预警与预防措施对电网稳定运行意义重大，并具有现实的必要性与紧迫性。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此 可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于拓扑优化的换流阀故障处 理方法及换流阀拓扑结构，通过优化换流阀拓扑能够有效抑制换流阀故障，并进 行了仿真研究证明了可行性与可靠性。本方法可以有效缩短换流阀桥臂的换相时 间，减少了换流阀故障的发生风险。并且本发明设计结构简单，易于实现，具有 很高的实用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于拓扑优化的换流阀故 障处理方法包括以下步骤：
构建用于直流与交流逆变的换流阀拓扑结构，换流阀拓扑结构包括电源、平 波电抗器和多个晶闸管阀，
在串联晶闸管阀的每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联二极管，
当晶闸管阀通路发生改变时，基于反向并联二极管，未反向并联二极管的晶 闸管阀加速关断，其余晶闸管阀及反向并联二极管获得关断延时。
所述的方法中，换流阀拓扑结构包括平波电抗器和串联所述平波电抗器的多 个晶闸管阀通路，所述晶闸管阀通路包括多个串联的晶闸管阀构成的桥臂。
所述的方法中，换流阀拓扑结构设有整流侧与逆变侧。
所述的方法中，每个桥臂上的反向并联二极管的晶闸管阀多于未反向并联二 极管的晶闸管阀。
所述的方法中，晶闸管阀为半控型的晶闸管器件。
所述的方法中，二极管的反向重复峰值电压为1.5倍额定电压，反向恢复时 间为80ns。
所述的方法中，二极管内部连接形式反向并联一个或多个晶闸管阀。
所述的方法中，换流阀包括第一晶闸管阀、串联所述第一晶闸管阀的第二晶 闸管阀以及反向并联所述第二晶闸管阀的二极管。
所述的方法中，换流阀拓扑结构还包括直流输电线路、滤波器和接地极。
根据本发明另一方面，基于所述方法的换流阀拓扑结构包括，
整流侧；
逆变侧，其包括，
电源，
平波电抗器，
多个晶闸管阀通路，其串联所述平波电抗器，晶闸管阀通路包括多个串联的 晶闸管阀构成的桥臂，
二极管，其在每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联。
本发明极大地缩短了晶闸管的反向关断过程，能够有效减少换流阀故障的发 生概率，具有较高的可行性与可靠性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加 清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了 能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的 具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和 益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施 方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附 图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1为逆变侧六脉动换流阀电路拓扑图；
图2为换流阀拓扑结构示意图；
图3为反并联二极管连接形式；
图4为串联晶闸管反向并联二极管关断过程仿真模型图；
图5(a)至图5(b)为串联晶闸管仿真波形图对比，图5(a)为串联晶闸 管未反向并联二极管关断过程仿真电流波形图5(b)为串联晶闸管反向并联二 极管关断过程仿真电流波形。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图5(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附 图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而 不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理 解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。 本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本 说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能 上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含” 或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实 施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以 限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步 的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
基于拓扑优化的换流阀故障处理方法包括，
构建用于直流与交流逆变的换流阀拓扑结构，换流阀拓扑结构包括电源、平 波电抗器和多个晶闸管阀，
在串联晶闸管阀的每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联二极管，
当晶闸管阀通路发生改变时，基于反向并联二极管，未反向并联二极管的晶 闸管阀加速关断，其余晶闸管阀及反向并联二极管获得关断延时。
本方法有效缩短换流阀桥臂的换相时间，减少了换流阀故障的发生风险，适 用于直流系统输电线路稳定运行研究，对降低换流阀故障的发生风险，提高直流 输电线路的安全稳定运行具有重要的指导意义。
所述的方法的优选实施方式中，换流阀拓扑结构包括平波电抗器和串联所述 平波电抗器的多个晶闸管阀通路，所述晶闸管阀通路包括多个串联的晶闸管阀构 成的桥臂。
所述的方法的优选实施方式中，换流阀拓扑结构设有整流侧与逆变侧。
所述的方法的优选实施方式中，每个桥臂上的反向并联二极管的晶闸管阀多 于未反向并联二极管的晶闸管阀。
所述的方法的优选实施方式中，晶闸管阀为半控型的晶闸管器件。
所述的方法的优选实施方式中，二极管的反向重复峰值电压为1.5倍额定电 压，反向恢复时间为80ns。反向重复峰值电压反映了阻断状态下晶闸管能承受 的反向电压。二极管最大承受反向电压为1倍额定电压，考虑一定安全裕量，故 设置为1.5倍额定电压。反向恢复时间的大小影响二极管的关断时间，为了减小 换流阀换向故障发生，二极管反向恢复时间一般为80ns。上述参数均由拓扑结 构决定。
所述的方法的优选实施方式中，二极管内部连接形式反向并联一个或多个晶 闸管阀。
所述的方法的优选实施方式中，换流阀包括第一晶闸管阀、串联所述第一晶 闸管阀的第二晶闸管阀以及反向并联所述第二晶闸管阀的二极管。
所述的方法的优选实施方式中，换流阀拓扑结构还包括直流输电线路、滤波 器和接地极。
所述的方法的优选实施方式中，所述桥臂中，最接近平波电抗器的晶闸管阀 未反向并联二极管，其余的晶闸管阀反向并联二极管。
所述的方法的优选实施方式中，所述桥臂中，接近平波电抗器的一半晶闸管 阀未反向并联二极管，另一半晶闸管阀反向并联二极管。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，如图1的六脉动换流阀(以逆变 侧为例)的电路拓扑图，以换流阀V5向V1换相失败故障为例，换相时V1两 端电压为ea与ec，承受正压eac。要实现V5向V1换相，必须满足ec＜ea，即在 自然换相点之前完成换相。由于V5在关断后需要载流子恢复过程，为保证刚关 闭的桥臂能够完全恢复到阻断状态，需要足够大的熄弧角γ。若熄弧角γ过小， 过了自然换相点后，V5尚未完全恢复阻断状态，承受正向电压eca，此时V5便 会重新导通，使V1承受反压而关断，从而导致发生换流阀故障。
为解决上述换流阀故障发生问题，通过对换流阀拓扑进行优化，优化后的拓 扑图2所示，即在串联晶闸管换流阀的每个桥臂上反并联一个二极管，当V6-V5 通路换到V6-V1通路时，首先V1触发导通，B点电压由ec升为
Figure BDA0002515943820000051
此时， 并联二极管正向导通，V5桥臂的FST晶闸管承受
Figure BDA0002515943820000052
的反向电压，用于关 断过程，V6-V5通路的电流逐渐向V6-V1通路转移。至某一时刻，电流转移腕 臂，V5桥臂流过的正向电流降为零，B点电压由
Figure BDA0002515943820000053
升为ea，V5桥臂的未 反向并联二极管的部分晶闸管承受ea-ec的反向电压用于关断过程。由于这部 分晶闸管在换相过程中承受更大的反向电压，因而可以更快的完成关断过程，晶 闸管顺利关断后，V5桥臂开路，其余晶闸管及并联二极管有更多的时间完成关 断过程。由此实现了换流阀的快速换相，减少了故障的发生。
反并联二极管的连接形式为内部连接，如图3所示。换流阀拓扑结构还包括 直流输电线路1、滤波器2和接地极5。换流阀4包括第一晶闸管阀6、串联所 述第一晶闸管阀6的第二晶闸管阀7以及反向并联所述第二晶闸管阀7的二极管 8。
仿真验证
通过Matlab/Simulink软件对该方法抑制换流阀故障的过程进行仿真，优化 后的拓扑电路如图4。仿真时间设置为0.02s，U1设置为200V，U2设为-6000V， 模型初始时IdealSwitch闭合，Ideal Switch1关断，在0.015s时给予触发信号， 使Ideal Switch断开，IdealSwitch1闭合，将施加在晶闸管上的正压转为反压， 使晶闸管关断，并通过Scope查看流过晶闸管的电流，通过流过晶闸管的电流变 化来观察晶闸管的关断情况。上述仿真过程结果如图5(a)至图5(b)所示。 图5(a)为串联晶闸管未反向并联二极管关断过程仿真电流波形，图5(b)为 串联晶闸管反向并联二极管关断过程仿真电流波形。由图5(a)可知串联晶闸 管的电流降为0的时间约为200μs，即串联晶闸管在未反并联二极管的情况下的 反向关断时间约为200μs；由图5(b)串联晶闸管的电流降为0的时间约为50μs， 即串联晶闸管在反并联二极管的情况下的反向关断时间约为50μs。仿真结果表 明，通过反向并联二极管，串联晶闸管的关断时间由200μs减少为50μs，极大地 缩短了晶闸管的反向关断过程，即该换流阀故障抑制方法能够有效减少换流阀故 障的发生概率，具有较高的可行性与可靠性。
直流输电在远距离大容量输电与交流电网互联等方面发挥着不可替代的作 用，其稳定运行对电网具有重要的实际意义。换流阀故障占直流系统故障的很大 比例。为了有效的减少换流阀故障，提高直流输电线路的安全稳定运行，需要对 换流阀的故障进行理论分析，提出响应的解决方法并进行仿真研究。针对上述问 题，本发明通过在串联晶闸管阀的每个桥臂上反向并联高压二极管的方法对典型 直流输电线路换流阀拓扑方式进行优化，从而解决直流输电线路中晶闸管因在自 然换相点后未恢复到阻断状态而导致的故障。该方法的可行性与可靠性已通过 Matlab/Simulink软件搭建的仿真模型进行验证。
本发明的技术构思为在换流阀的每条串联晶闸管支路上反向并联一个二极 管，使该支路的晶闸管在关断时承受更大的反向电压，从而达到快速关断的目的。 当晶闸管通路发生改变时，由于反并联二极管的作用，应该关断桥臂的未反并晶 闸管承受更高的反向电压而迅速关断，当该晶闸管关断后，应关断桥臂就会成为 开路状态，其余晶闸管及并联二极管有更多的时间完成关断过程。由此实现了换 流阀的快速关断，减少换相失败的发生。
换流阀拓扑结构包括，
整流侧；
逆变侧，其包括，
电源，
平波电抗器，
多个晶闸管阀通路，其串联所述平波电抗器，晶闸管阀通路包括多个串联的 晶闸管阀构成的桥臂，
二极管，其在每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联。
在一个实施例中，换流阀拓扑结构包括整流侧与逆变侧，由半控型的晶闸管 器件组成，典型的换流阀的拓扑结构主要由晶闸管、平波电抗器以及电源构成， 通过晶闸管的关断与导通，实现交流整流为直流、直流电逆变为交流电的过程。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上 述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的， 而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明 权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明 保护之列。

Claims (10)

1.一种基于拓扑优化的换流阀故障处理方法，所述方法包括以下步骤：
构建用于直流与交流逆变的换流阀拓扑结构，换流阀拓扑结构包括电源、平波电抗器和多个晶闸管阀，
在串联晶闸管阀的每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联二极管，
当晶闸管阀通路发生改变时，基于反向并联二极管，未反向并联二极管的晶闸管阀加速关断，其余晶闸管阀及反向并联二极管获得关断延时。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，换流阀拓扑结构包括平波电抗器和串联所述平波电抗器的多个晶闸管阀通路，所述晶闸管阀通路包括多个串联的晶闸管阀构成的桥臂。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，换流阀拓扑结构设有整流侧与逆变侧。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，每个桥臂上的反向并联二极管的晶闸管阀多于未反向并联二极管的晶闸管阀。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，晶闸管阀为半控型的晶闸管器件。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，二极管的反向重复峰值电压为1.5倍额定电压，反向恢复时间为80ns。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，二极管内部连接形式反向并联一个或多个晶闸管阀。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，换流阀包括第一晶闸管阀、串联所述第一晶闸管阀的第二晶闸管阀以及反向并联所述第二晶闸管阀的二极管。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，换流阀拓扑结构还包括直流输电线路、滤波器和接地极。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的方法的换流阀拓扑结构，其包括，
整流侧；
逆变侧，其包括，
电源，
平波电抗器，
多个晶闸管阀通路，其串联所述平波电抗器，晶闸管阀通路包括多个串联的晶闸管阀构成的桥臂，
二极管，其在每个桥臂上的部分晶闸管阀上反向并联。
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