磁饱和桥臂耦合电抗器和柔性直流输电系统

本发明涉及直流输电系统，尤其涉及一种磁饱和桥臂耦合电抗器和柔性直流输电系统。

背景技术：

1、柔性直流输电作为新型直流输电技术，通过全控半导体器件的开通和关断，建立幅值和相位可控的交流电压，可以实现电力资源的跨区域优化配置和高效利用，解决大规模可再生能源并网和消纳，得到广泛应用。桥臂电抗器作为柔性直流工程换流阀的一部分，位于模块化多电平换流器桥臂单元上，有配合实现功率传输的作用，此外还能抑制桥臂间环流和短路时上升过快的桥臂故障电流。其中桥臂间环流是由不同子模块分时投切，电容充放电不均衡，子模块电容电压波动，使得换流阀各个相单元之间电压不完全一致，进而产生的。桥臂故障电流是当模块化多电平换流器直流侧发生短路故障时，换流阀闭锁前，子模块中的电容会通过放电回路在桥臂上产生很大的短路电流。

2、然而，目前的桥臂电抗器为传统的空心电抗器或铁心电抗器，电感值不变，无法很好的抑制环流，长时间运行会对换流阀带来危害。另外随着电压等级的提高和新能源的不断接入，电力系统短路电流水平逐渐增高，当发生故障时，由于桥臂电抗器电感值较低，无法很好的抑制故障电流。因而需要针对模块化多电平换流器桥臂电流特征，提出一种适用于柔性直流输电系统的新型桥臂电抗器，具有可变的电感值，以更好的限制环流和故障电流，同时不影响系统正常运行。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为此，本发明的第一个目的在于提供一种磁饱和桥臂耦合电抗器，其电感值可变，符合柔性直流换流阀桥臂的电气特征，具有三种工作状态，自动调节，其既可以在稳态时实现功率传输，也可以对环流和故障分别展现出两种更大的电感值，从而能够更好的限制环流和故障电流。

2、本发明的第二个目的在于提供一种直流输电系统。

3、为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

4、一种磁饱和桥臂耦合电抗器，包括：第一磁芯、第二磁芯、第一线圈至第六线圈、第一永磁体、第二永磁体以及直流电源；其中，所述第一线圈、第三线圈和第五线圈绕制在所述第一磁芯上，第二线圈、第四线圈和所述第六线圈绕制在所述第二磁芯上，所述第一线圈和所述第二线圈首尾相连，所述第三线圈和所述第四线圈首尾相连，所述第一线圈和所述第三线圈的异名端相连，并且中心抽头连接至换流阀的交流端，所述第四线圈和所述第二线圈的抽头分别与所述换流阀的上桥臂和下桥臂相连，所述第一线圈至所述第四线圈的绕向相同，且均为右螺旋绕向；所述第一永磁体和所述第二永磁体分别设置在所述第一磁芯和所述第二磁芯上；所述第五线圈和所述第六线圈首尾相连，且绕向均为右螺旋绕向，并与所述直流电源形成直流励磁回路；所述第一永磁体、所述第二永磁体和所述直流励磁回路形成混合励磁结构。

5、优选的，所述第一磁芯和所述第二磁芯均为由上横轭、下横轭、左侧芯柱和右侧芯柱形成的口字型结构，所述上横轭、下横轭、左侧芯柱和右侧芯柱均为实心芯柱。

6、优选的，所述第一线圈和所述第三线圈分别绕制在所述第一磁芯的上横轭和下横轭上，所述第五线圈绕制在靠近所述第二磁芯的所述第一磁芯的右侧芯柱上，所述第一永磁体嵌入在远离所述第二磁芯的所述第一磁芯的左侧芯柱上；所述第四线圈和所述第二线圈分别绕制在所述第二磁芯的上横轭和下横轭上，所述第六线圈绕制在靠近所述第一磁芯的所述第二磁芯的左侧芯柱上，所述第二永磁体嵌入在远离所述第一磁芯的所述第二磁芯的右侧芯柱上。

7、优选的，所述第一永磁体在设置时上端为n极，下端为s极；所述第二永磁体在设置时上端为s极，下端为n极；所述第一永磁体和所述第二永磁体的尺寸和励磁方向相同，所述第一永磁体和所述第二永磁体分别在所述第一磁芯和所述第二磁芯上产生顺时针方向的励磁磁通。

8、优选的，所述直流励磁回路分别在所述第一磁芯和所述第二磁芯上产生顺时针方向的励磁磁通。

9、优选的，所述第一线圈和所述第四线圈的匝数相等，所述第三线圈和所述第二线圈的匝数相等，其中，所述第一线圈的匝数大于所述第三线圈的匝数。

10、优选的，两磁芯的上横轭和下横轭的截面积均相同，两磁芯均为软磁材料。

11、优选的，所述磁饱和桥臂耦合电抗器为用于实现功率传输、限制环流和故障电流的单相铁芯电抗器。

12、优选的，所述中心抽头连接至所述换流阀的单相交流端，所述第四线圈和所述第二线圈的抽头分别与所述换流阀的单相上桥臂和单相下桥臂相连。

13、为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种柔性直流输电系统，包括换流阀和上述所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，所述磁饱和桥臂耦合电抗器与所述换流阀相连，所述换流阀为模块化多电平换流器。

14、本发明至少具有以下技术效果：

15、1、本发明磁饱和桥臂耦合电抗器适应柔性直流系统的电流特征，可以有效限制相间环流和故障电流，不影响稳态功率传输，相较于传统桥臂电抗器具有更好的工作效果。

16、2、本发明的磁饱和桥臂耦合电抗器具有三种工作状态，无需人为控制，可以自然根据工况改变电感值，效率高且节省人力。

17、3、本发明通过合理的配置磁饱和桥臂耦合电抗器故障下的电感值，可以使其不仅能够替代桥臂电抗器，还能够替代柔性直流系统中的平波电抗器，提高整体经济性，减小系统体积。

18、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，包括：第一磁芯、第二磁芯、第一线圈至第六线圈、第一永磁体、第二永磁体以及直流电源；其中，所述第一线圈、第三线圈和第五线圈绕制在所述第一磁芯上，第二线圈、第四线圈和所述第六线圈绕制在所述第二磁芯上，所述第一线圈和所述第二线圈首尾相连，所述第三线圈和所述第四线圈首尾相连，所述第一线圈和所述第三线圈的异名端相连，并且中心抽头连接至换流阀的交流端，所述第四线圈和所述第二线圈的抽头分别与所述换流阀的上桥臂和下桥臂相连，所述第一线圈至所述第四线圈的绕向相同，且均为右螺旋绕向；所述第一永磁体和所述第二永磁体分别设置在所述第一磁芯和所述第二磁芯上；所述第五线圈和所述第六线圈首尾相连，且绕向均为右螺旋绕向，并与所述直流电源形成直流励磁回路；所述第一永磁体、所述第二永磁体和所述直流励磁回路形成混合励磁结构。

2.如权利要求1所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，所述第一磁芯和所述第二磁芯均为由上横轭、下横轭、左侧芯柱和右侧芯柱形成的口字型结构，所述上横轭、下横轭、左侧芯柱和右侧芯柱均为实心芯柱。

3.如权利要求2所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，所述第一线圈和所述第三线圈分别绕制在所述第一磁芯的上横轭和下横轭上，所述第五线圈绕制在靠近所述第二磁芯的所述第一磁芯的右侧芯柱上，所述第一永磁体嵌入在远离所述第二磁芯的所述第一磁芯的左侧芯柱上；所述第四线圈和所述第二线圈分别绕制在所述第二磁芯的上横轭和下横轭上，所述第六线圈绕制在靠近所述第一磁芯的所述第二磁芯的左侧芯柱上，所述第二永磁体嵌入在远离所述第一磁芯的所述第二磁芯的右侧芯柱上。

4.如权利要求1所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，所述第一永磁体在设置时上端为n极，下端为s极；所述第二永磁体在设置时上端为s极，下端为n极；所述第一永磁体和所述第二永磁体的尺寸和励磁方向相同，所述第一永磁体和所述第二永磁体分别在所述第一磁芯和所述第二磁芯上产生顺时针方向的励磁磁通。

5.如权利要求4所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，所述直流励磁回路分别在所述第一磁芯和所述第二磁芯上产生顺时针方向的励磁磁通。

6.如权利要求1所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，所述第一线圈和所述第四线圈的匝数相等，所述第三线圈和所述第二线圈的匝数相等，其中，所述第一线圈的匝数大于所述第三线圈的匝数。

7.如权利要求2所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，两磁芯的上横轭和下横轭的截面积均相同，两磁芯均为软磁材料。

8.如权利要求1-7中任一项所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，所述磁饱和桥臂耦合电抗器为用于实现功率传输、限制环流和故障电流的单相铁芯电抗器。

9.如权利要求8所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，其特征在于，所述中心抽头连接至所述换流阀的单相交流端，所述第四线圈和所述第二线圈的抽头分别与所述换流阀的单相上桥臂和单相下桥臂相连。

10.一种柔性直流输电系统，其特征在于，包括换流阀和如权利要求1-9中任一项所述的磁饱和桥臂耦合电抗器，所述磁饱和桥臂耦合电抗器与所述换流阀相连，所述换流阀为模块化多电平换流器。

技术总结
本发明公开了一种磁饱和桥臂耦合电抗器和柔性直流输电系统，该磁饱和桥臂耦合电抗器包括：两磁芯、六组线圈、两永磁体和直流电源；第一、三、五线圈绕制在第一磁芯上，第二、四、六线圈绕制在第二磁芯上，第一、二线圈首尾相连，第三、四线圈首尾相连，第一、三线圈的异名端相连，且中心抽头连接至换流阀的交流端，第四、二线圈的抽头分别与换流阀的上桥臂和下桥臂相连，六组线圈的绕向相同，且均为右螺旋绕向；两永磁体分别设置在第一磁芯和第二磁芯上；第五、六线圈首尾相连，并与直流电源形成直流励磁回路；两永磁体和直流励磁回路形成混合励磁结构。本发明应用于柔性直流输电系统换流阀上，可实现功率传输，并可自动实现环流和故障电流限制。

技术研发人员：袁佳歆,张琬婷,周航,刘嘉伟,柳煜,袁彪
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/9