CN112003484B - 一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，包括如下步骤：步骤1：设定运行时间t，根据实际需求，确定输出长脉冲电流时间；步骤2：假设触发角度；步骤3：根据单台变流器输出电流模型计算其能输出的最大电流大小；步骤4：将总的输出直流电流按照六个变流桥臂工作时长等分成多个部分，得到单个桥臂的脉冲运行电流；步骤5：基于晶闸管热阻模型校核此时晶闸管结温是否小于限定温度，若大于限定温度，则重新修正触发角，重复步骤2至步骤5直至满足条件；步骤6：给出此时的触发角度；步骤7：根据单台变流器的最大输出电流，结合变流器之间的均流系数，给出多台变流器并联时的最大输出电流。

Description

一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法
技术领域
本发明涉及大功率变流器系统领域，主要技术应用于多台晶闸管变流器并联下的最大短时大电流计算，用以为大型电力开关等设备提供型式试验所需冲击条件。
背景技术
随着电力产业的升级换代，越来越多的大型电力设备投入使用。为了验证其在恶劣工况下的运行可靠性，需要进行数十kA到数百kA的短时脉冲冲击试验。这需要依托现有的晶闸管变流器在能满足额定输出的同时，提供瞬时大电流，而不用单独建造瞬时电流冲击平台。需要提供一种方法来衡量多台晶闸管变流器并联时可输出电流大小，减少变流器系统仿真和设计时间，并对实际冲击试验进行可靠快速的指导。
发明内容
本发明目的是针对大型电力设备大电流冲击试验需要，利用大功率晶闸管变流器可承受短时多倍过载的特性，进行多并联变流器最大输出电流计算。在满足稳态输出额定电流的同时，提供短时瞬态大电流脉冲。利用变流器系统等效阻抗模型和晶闸管结温模型进行多并联变流器可承受的大电流计算。
本发明的技术方案为：一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，包括如下步骤：
步骤1：设定运行时间t，根据实际需求，确定输出长脉冲电流时间；
步骤2：假设触发角度，用于后续的输出电流计算；
步骤3：根据单台变流器输出电流模型计算其能输出的最大电流大小；
步骤4：将总的输出直流电流按照六个变流桥臂工作时长等分成多个部分，得到单个桥臂的脉冲运行电流；
步骤5：利用步骤4得到的电流波形，基于晶闸管热阻模型校核此时晶闸管结温是否小于限定温度，若大于限定温度，则重新修正触发角，重复步骤2至步骤5直至满足条件；
步骤6：给出此时的触发角度，为实际实验操作提供指导；
步骤7：根据单台变流器的最大输出电流，结合变流器之间的均流系数，给出多台变流器并联时的最大输出电流。
进一步的，利用多并联变流器系统建立等效阻抗模型获得多并联变流器最大输出电流计算公式，所述模型包括：
将变流器系统分为交流侧和直流侧，交流侧由电网侧经过高压母线连接降压变压器至整流变压器再经交流母线连接至变流器输入端；直流侧由变流器输出端经过用于平衡电流的直流电抗器后连接直流母线直至负载，假设有M台降压变压器，每台降压变压器后连接N条变流器支路，每条支路均包含整流变压器、交流母线、变流器、直流电抗器、直流母线和负载；因为是多个支路并联，所以会由直流汇流母线将各个支路电流一起输入至负载。
进一步的，利用晶闸管变流器输出电压和输入电压的关系进行系统阻抗联系。
进一步的，基于变流器系统参数将交流侧参数等效至整流变压器二次侧。
进一步的，利用晶闸管热阻模型校核单台变流器最大可承受电流，乘以并联台数和均流系数得到多台变流器并联的最大实际可输出电流。
进一步的，通过迭代，直至确定单台最大可承受电流时的触发角。
进一步的，所述限定温度为125℃。
有益效果：
本发明相对于现有技术的优点是：对于最大输出电流，现有脉冲大电流大多通过电容或飞轮放电方式实现。大功率晶闸管变流器可以实现稳态数十kA电流输出，晶闸管变流器可以在短时间内承受数倍额定工作电流。多台变流器并联可以实现短时的大电流输出，满足国内绝大多数场合需要。而本发明的在提高变流器使用功能和减小脉冲实现平台造价的要求下，提供了一种能计算多台变流器最大可输出电流的方法。
附图说明
图1母线功率和温度计算流程图；
图2供电系统整体阻抗示意图；
图3多并联变流器阻抗电路图；
图4变流器整流等效电路；
图5晶闸管瞬态热阻模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，基于多并联变流器系统包含的电网、高压交流母线、降压变压器、整流变压器、整流器、电抗器、直流母线的参数，建立等效阻抗模型，通过晶闸管变流器直流输出电流交流侧输出电压的关系得到单台变流器可输出的最大电流理论计算值。利用晶闸管热阻模型，在限定运行时间下，进行单台变流器实际可承受电流的校验并得到晶闸管触发角。在考虑多台并联变流器的均流系数下，给出实际多并联晶闸管变流器实际可承受电流。具体计算流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：设定运行时间t，根据实际需求，确定输出长脉冲电流时间；
步骤2：假设触发角度，用于后续的输出电流计算；
步骤3：根据单台变流器输出电流模型计算其能输出的最大电流大小；
步骤4：将总的输出直流电流按照六个变流桥臂工作时长等分成6个部分，得到单个桥臂的脉冲运行电流；
步骤5：利用步骤4得到的电流波形，基于晶闸管热阻模型校核此时晶闸管结温是否小于125℃，若大于125℃，则重新修正触发角，重复步骤2至步骤5直至满足条件；
步骤6：给出此时的触发角度，为实际实验操作提供指导；
步骤7：根据单台变流器的最大输出电流，结合变流器之间的均流系数(一般为0.8-0.9)，给出多台变流器并联时的最大输出电流。
根据图1的流程可以利用MATLAB编程实现整体的计算，该方法的难点在于如何得到单台变流器的输出电流。为了解决该技术难点，本发明根据变流器系统建立等效模型，并推导出计算公式，具体如下。
步骤1：时间t设定
根据实验需要，确定变流器运行时间t，在MATLAB中，设定时间为0：时间间隔：t。
步骤2：触发角设定
根据变流器运行区间，选取触发角从最小角度开始。一般为(20°～90°)。
步骤3：变流器最大输出电流计算
一般而言，电网后会有多个降压变压器，而一个降压变压器之后会带有多个整流变压器，每个整流变压器匹配一台变流器和后续的输出设备，而后在直流侧进行串并联控制以输出符合要求的电流电压参数。因为交流测电阻很小，为了方便计算，忽略不计。可以自电网侧开始计算变流器系统等效阻抗，具体阻抗分布如图2所示。
变流器系统分为交流侧和直流侧，交流侧由电网侧经过高压母线连接降压变压器至整流变压器再经交流母线连接至变流器输入端。直流侧由变流器输出端经过用于平衡电流的直流电抗器后连接直流母线直至负载。图2中，假设有M台降压变压器，每台降压变压器后连接N条变流器支路，每条支路均包含整流变压器、交流母线、变流器、直流电抗器、直流母线和负载。因为是多个支路并联，所以会由直流汇流母线将各个支路电流一起输入至负载。各个支路的直流母线和总的直流汇流母线采用同样的金属导电材料制作。在实际中，未来简便可以直接估算整体的直流侧母线电气参数。
图2中具体符号代表物理意义如表1所示：
表1供电系统各部分物理意义
符号 含义
X<sub>S</sub> 电网漏抗
X<sub>T1</sub> 降压变压器漏抗
X<sub>T2</sub> 整流变压器漏抗
X<sub>L2</sub> 交流母线电抗
R<sub>r</sub> 直流电抗器电阻
L<sub>r</sub> 直流电抗器电感
L<sub>b</sub> 单台变流器直流母线电感
R<sub>b</sub> 单台变流器直流母线电阻
L<sub>b1</sub> 多台并联变流器直流汇流母线电感
R<sub>b1</sub> 多台并联变流器直流汇流母线电感
R 负载电阻
L 负载电感
将具体参数代入变流器系统阻抗等效模型，则可得图3所示的变流器系统阻抗和电流分布图。
图3中，将图2的各个设备用各自的电阻和电感参数来进行表达。其中，交流侧(AC)参数均是将各自设备的实际参数等效至整流变压器二次侧的等效参数，这是为了利用晶闸管变流器模型。将同一支路的交流侧和直流侧参数分别合并表示，同时给出不同M和N下的各个支路的电流分量。由此得到一个电网下，多并联变流器阻抗电路图。
根据电力电子理论，变流器等效模型如图4所示。
其中，RL为变流器系统的等效内阻，为变流器系统交流测电抗折算至整流变压器二次侧的等效电阻。其可用交流测阻抗叠加方式简化表达如(1)，具体各部分参数在后面给出。
Figure BDA0002644913750000051
其中，M为降压变压器的数量，N为变流器的数量；
由基尔霍夫定律将图4电路计算如下：
Figure BDA0002644913750000052
U1为直流侧电压，id为输出电流，变流器直流侧输出电压U1与交流侧输入电压U2(U2是整流变压器副边电压，即：变流器输入电压)。Ud是直流侧负载电压；有如下关系：
U1＝1.35U2 cosα1 (3)
其中，α1为整流器触发角度。
所以可得到输出电流为：
Figure BDA0002644913750000053
其中：
Figure BDA0002644913750000054
式(5)只给出了变流器系统最大输出电流与各个设备的等效阻抗的关系。RL包含了交流侧电网、高压母线(电缆)、降压变压器、交流母线和整流变压器的等效电抗折算值，具体折算过程如下：
将电网系统的电抗归算至整流变压器的二次侧(电压表示为U2Nz)得：
Figure BDA0002644913750000055
其中：UN代表电网电压，S表示电网容量。
将降压变压器的漏抗归算至整流变压器的二次侧得：
Figure BDA0002644913750000061
其中：ST1代表降压变压器短路阻抗(一般用百分数表示)，SNj表示降压变压器容量。
将高压电缆电抗归算至整流变压器二次侧得：
Figure BDA0002644913750000062
其中：XL1代表高压电缆电抗的实际值，UNz代表高压母线电压。
整流变压器漏抗为：
Figure BDA0002644913750000063
其中：ST2代表整流变压器短路阻抗(一般用百分数表示)，SNZ表示降压变压器容量。
整流变压器与整流器之间的交流母排阻抗为：
XL2＝2πfL2 (10)
其中，L2为母线电感值，f为变流器工作频率，一般为50Hz。
直流电抗器具体参数由设计者或制造商给出。
变流器中直流侧采用水冷金属母线，根据设计需求，可得到整流器各部分直流母线的载流截面和长度。导电金属母线在不同温度下的电阻率公式如下：
ρm(10℃)＝ρm(10℃)(1+ΔTαm) (11)
式中：ρm(10℃)为10℃时金属母线的电阻率；ΔT为实际温度与10℃的差值；αm为电阻率温度系数。
则金属母线电阻为：
Rbusbar＝ρm(T℃)l/S (12)
其中，l为母排长度，S为母排截面积。由此可计算出Rb和Rb1。
变流器中直流侧母线可以等效为：
Figure BDA0002644913750000064
式中下标b和b1代表单个变流器直流母线和总汇流母线的相应参数。
负载的电阻和电感参数可由待测厂商给出，在计算变流器最大输出能力时该部分参数可以不考虑。
将(6)至(12)带入(1)可得变流器等效内阻为：
Figure BDA0002644913750000071
Figure BDA0002644913750000072
基于(15)可得到在限定条件下的最大输出电流，利用其分离出单个桥臂的工作电流用于后续的晶闸管结温校正。
步骤4：桥臂电流分离
根据公式(15)的计算公式，带入变流器系统的参数，得到单台直流输出的最大电流后，结合变流器六脉波特性，在MATLAB中按照20ms一个周期内桥臂工作1/3工作时间，分离出桥臂电流。令不工作时间内的电流大小为0，得到单个桥臂运行电流波形。
步骤5：晶闸管结温校核
基于计算结果的桥臂最大输出电流，利用如图5所示的晶闸管瞬态热阻模型，用于计算故障态结温。其中，Rth为晶闸管的热阻，Tvj0为环境温度，Pth是晶闸管的暂态功率。
由图5的四阶等效电路可以得到如下公式：
Figure BDA0002644913750000073
在RC并联电路中时间常数τ＝RC
如果晶闸管在短时间内导通大量过流，暂态功率损耗Pth可表示为：
Figure BDA0002644913750000074
其中，iT为晶闸管通过的瞬态电流，A，B，C，D为特定参数，可由晶闸管数据手册查询。
步骤6：确定触发角
利用晶闸管热阻模型，建立变流器电路模型，其中Pth作为可控电流源输入，测量整体电路电压，即可得到瞬时脉冲下的晶闸管结温。按照晶闸管结温限定条件，可以通过参数扫描得到符合时间和结温下的最大输出电流。给出符合条件的触发角度，为实际的实验操作提供参考。
步骤7：多并联最大输出电流确定
根据单台变流器的最大输出电流为依据，结合多台变流器并联时的均流系数(kf)，得到最终的最大输出电流为：
I总＝id×M×N×kf (18)
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但是这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以对不同晶闸管和变流器系统参数进行改变和应用，也可根据实际情况进行。

Claims (7)

1.一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设定运行时间t，根据实际需求，确定输出长脉冲电流时间；
步骤2：假设触发角度，用于后续的输出电流计算；
步骤3：根据单台变流器输出电流模型计算其能输出的最大电流大小；
步骤4：将总的输出直流电流按照六个变流桥臂工作时长等分成多个部分，得到单个桥臂的脉冲运行电流；
步骤5：利用步骤4得到的电流波形，基于晶闸管热阻模型校核此时晶闸管结温是否小于限定温度，若大于限定温度，则重新修正触发角，重复步骤2至步骤5直至满足条件；其中，基于计算结果的桥臂最大输出电流，利用晶闸管瞬态热阻模型，用于计算故障态结温，其中，Rth为晶闸管的热阻，Tvj0为环境温度，Pth是晶闸管的暂态功率；
由晶闸管热阻模型的四阶等效电路得到如下公式：
Figure FDA0003271599480000011
在RC并联电路中时间常数τ＝RC
如果晶闸管在短时间内导通大量过流，暂态功率损耗Pth表示为：
Figure FDA0003271599480000012
其中，iT为晶闸管通过的瞬态电流，A，B，C，D为特定参数；
步骤6：给出此时的触发角度，为实际实验操作提供指导；具体包括：利用晶闸管热阻模型，建立变流器电路模型，其中Pth作为可控电流源输入，测量整体电路电压，即可得到瞬时脉冲下的晶闸管结温；按照晶闸管结温限定条件，通过参数扫描得到符合时间和结温下的最大输出电流，给出符合条件的触发角度，为实际的实验操作提供参考；
步骤7：根据单台变流器的最大输出电流，结合变流器之间的均流系数，给出多台变流器并联时的最大输出电流。
2.如权利要求1所述的一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，其特征在于：利用多并联变流器系统建立等效阻抗模型获得多并联变流器最大输出电流计算公式，所述模型包括：
将变流器系统分为交流侧和直流侧，交流侧由电网侧经过高压母线连接降压变压器至整流变压器再经交流母线连接至变流器输入端；直流侧由变流器输出端经过用于平衡电流的直流电抗器后连接直流母线直至负载，假设有M台降压变压器，每台降压变压器后连接N条变流器支路，每条支路均包含整流变压器、交流母线、变流器、直流电抗器、直流母线和负载；因为是多个支路并联，所以会由直流汇流母线将各个支路电流一起输入至负载。
3.如权利要求1所述的一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，其特征是：
利用晶闸管变流器输出电压和输入电压的关系进行系统阻抗联系。
4.如权利要求1所述的一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，其特征是：
基于变流器系统参数将交流侧参数等效至整流变压器二次侧。
5.如权利要求1所述的一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，其特征是：利用晶闸管热阻模型校核单台变流器最大可承受电流，乘以并联台数和均流系数得到多台变流器并联的最大实际可输出电流。
6.如权利要求1所述的一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，其特征是：通过迭代，直至确定单台最大可承受电流时的触发角。
7.如权利要求1所述的一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法，其特征是：
所述限定温度为125℃。
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