含阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法

1.本发明属于直流输电技术领域，特别涉及含阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法。


背景技术：

2.随着经济社会的发展，高压直流输电技术将在电力系统中大量应用。在换相开通过程中，高压直流输电晶闸管阀会出现涌流，由于电路杂散电容和电感的存在，该开通电流还会进一步引起振荡，形成暂态电流过冲，对晶闸管及其它电气元件造成很大的电流应力。
3.阳极饱和电抗器就是换流阀保护的关键元件，其主要作用是限制晶闸管开通时的电流上升率di/dt，从而保护晶闸管。在晶闸管开通过程初始阶段，饱和电抗器处于不饱和状态，对外表现出很大的阻抗，从而减小了接通时电流冲击对晶闸管的影响；而在系统达到稳定运行状态时，饱和电抗器变为完全饱和状态，电阻值和电感值接近于0。在过电压情况下，阳极饱和电抗器同样能对换流阀起到保护作用。
4.在实际工程应用中，开通电流及电流过冲需要严格限制，这对阳极饱和电抗器的参数设计提出了要求。因此，有必要对考虑阳极饱和电抗器的换流阀开通暂态过程作准确分析，确定晶闸管阀开通过程的电压与电流，使其满足设计要求。然而，现有的确定方法产生的结果误差较大。申请号为201310091049.8的发明专利申请“直流输电换流阀开通阶跃电路及开通阶跃电流的确定方法”建立阳极饱和电抗器模型较为简单，但忽略了晶闸管由于制造公差导致的开通时间不同，然而二者皆对开通过程产生较大影响，因此该确定方法难以准确反映直流输电换流阀开通暂态过程中电压与电流的变化情况。


技术实现要素：

5.针对背景技术存在的问题，本发明提供一种含阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：含阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法，该确定方法采用简化的晶闸管换流阀开通暂态过程电路，所述电路包括等效电压源u0，换流变压器漏感l
t
，杂散电容cs，阀避雷器ra，阳极饱和电抗器sr以及晶闸管换流阀模块t；等效电压源u0与换流变压器漏感l
t
串联，形成等效电压源-换流变压器漏感串联支路；杂散电容cs、阀避雷器ra与等效电压源-换流变压器漏感串联支路并联；晶闸管换流阀模块t与阳极饱和电抗器sr串联，形成晶闸管换流阀-阳极饱和电抗器串联支路；晶闸管换流阀-阳极饱和电抗器串联支路与等效电压源-换流变压器漏感串联支路并联；
7.该确定方法包括以下步骤：
8.步骤1、由直流电压源替代三相交流电压源，将电容作星形-三角形变换，忽略阀阻尼支路，将两个电源电压组合为一个电源，忽略未参与导通的晶闸管，对晶闸管换流阀开通暂态过程电路进行简化；
9.步骤2、考虑晶闸管的制造公差，设置不同的开通延迟时间值，建立晶闸管换流阀开通暂态过程等效模型；
10.步骤3、对阳极饱和电抗器sr与阀避雷器ra进行非线性建模，阳极饱和电抗器等效模型由非线性电阻re与非线性电感lm并联组成；
11.步骤4、仿真监测示波器波形，确定晶闸管的电压和电流，并确定过电压倍数及电流变化率大小。
12.在上述含阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法中，步骤2的实现包括：
13.步骤2.1、用导通状态下的晶闸管数量关于门脉冲启动后时间的函数曲线，作晶闸管开关函数，并将其用有限的步数近似，其中每一步表示一组晶闸管，并定义该组开启的时间；
14.步骤2.2、将晶闸管根据不同的开通延迟时间分为若干组，第i组晶闸管由一个在t
di
处闭合的开关与一个电压源vi(t)串联表示，其中，vi(t)表示为：
[0015][0016]
其中，v
0i
表示开通前第i组晶闸管两端承受的电压，td表示晶闸管导通延迟时间，tr表示上升时间，系数δ表示为：
[0017][0018]
对于特定类型晶闸管，上升时间的差异通常较小，系数δ可通过具有代表性的tr值选取；将所有建立的晶闸管组串联，得到考虑晶闸管不同的开通延迟时间值下的电路模型；
[0019]
步骤2.3、晶闸管换流阀开通暂态过程等效模型包括晶闸管换流阀模块t、晶闸管换流阀元件ti、均压电容cj、阻尼电阻r
dvi
、阻尼电容c
dvi
和晶闸管t
vi
；
[0020]
晶闸管换流阀模块t由若干晶闸管换流阀元件ti串联后，再与均压电容cj并联构成；阻尼电阻r
dvi
与阻尼电容c
dvi
串联后，并联于晶闸管t
vi
两端，构成晶闸管换流阀ti；其中，阻尼电阻r
dvi
值为所有构成晶闸管换流阀ti的若干晶闸管换流阀阻尼电阻值之和，阻尼电容c
dvi
值的倒数为所有构成晶闸管换流阀ti的若干晶闸管换流阀阻尼电容值的倒数之和。
[0021]
在上述含阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法中，步骤3的实现包括：
[0022]
步骤3.1、非线性电感lm可表示为：
[0023][0024]
步骤3.2、非线性电阻re表示为：
[0025][0026]
其中，l
mt
与r
et
分别表示阳极饱和电抗器未饱和情况下的主磁通电感和铁芯损耗等效电阻，i
lt
与i
rt
分别表示阳极饱和电抗器主磁通电感和铁芯损耗等效电阻对应的拐点
电流，a
l
与ar分别表示阳极饱和电抗器主磁通电感和铁芯损耗等效电阻的衰减系数，i表示流经对应支路的电流；
[0027]
步骤3.3、避雷器的非线性u-i特性由以下形式的三个指数函数组合而成：
[0028][0029]
其中，比例系数ki与幂系数ai为避雷器本体属性，u
ref
与i
ref
分别表示避雷器的参考电压与参考电流，u与i分别表示避雷器两端的电压与流经避雷器的电流。
[0030]
在上述含阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法中，步骤4的实现包括：
[0031]
步骤4.1、确定需要观测的时间点，观察示波器中所示电压与电流波形，以该时间点为横坐标，在波形中取得对应的纵坐标，得到对应晶闸管两端承受的电压与流经晶闸管的电流；
[0032]
步骤4.2、晶闸管两端承受的过电压倍数f(v)由下述表达式表示：
[0033][0034]
其中，vmax表示晶闸管两端承受的最大电压值；
[0035]
步骤4.3、晶闸管流经电流的变化率通过电流关于时间作微分运算得到。
[0036]
与现有技术相比，本发明提供的考虑阳极饱和电抗器的直流输电换流阀开通暂态过程中电压与电流的确定方法，更加准确的分析了阳极饱和电抗器对开通过程的影响；考虑了晶闸管由于制造公差导致的不同开通时间，以及阳极饱和电抗器对开通过程的影响，并进行了精确建模，能够更为准确地获得该过程中晶闸管两端的电压及流经的电流，且能够进一步获得晶闸管承受的过电压倍数及电流变化率。其结果更加符合工程实际，对换流阀各元件参数的确定以及元件的设计具有指导意义。
附图说明
[0037]
图1为换流阀实际工作电路的结构示意图；
[0038]
图2为本发明一个实施例简化后的换流阀工作电路结构拓扑图；
[0039]
图3为本发明一个实施例提供开通过程电压与电流的确定方法的流程图；
[0040]
图4为本发明一个实施例考虑不同开通延时的晶闸管仿真拓扑图；
[0041]
图5(a)为依照本发明确定方法所得电流波形对比图；
[0042]
图5(b)为依照本发明确定方法所得电压波形对比图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0045]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0046]
本实施例分析换流阀开通暂态过程，根据不同元件及系统参数对开通电流及其应力的影响机理，分析了由于晶闸管制造公差所导致的不同开通时间对开通过程的影响，特别是阳极饱和电抗器的影响。建立了考虑阳极饱和电抗器的换流阀开通过程的数学模型，并搭建电路仿真模型，基于该仿真模型进行仿真实验，通过观察示波器所示波形，得到精确的晶闸管换流阀开通暂态过程中的电压与电流。
[0047]
本实施例是通过以下技术方案来实现的，阳极饱和电抗器的换流阀开通过程电压与电流确定方法，采用了含阳极饱和电抗器的直流输电晶闸管换流阀开通暂态过程的电路仿真模型，其确定方法包含下述步骤：
[0048]
(1)将三相交流电压源由直流电压源替代，将电容作星形-三角形变换，忽略阀阻尼支路，将两个电源电压组合为一个电源，忽略未参与导通的晶闸管，完成对晶闸管换流阀开通暂态过程电路的简化；
[0049]
(2)考虑晶闸管的制造公差，设置不同的开通延迟时间值，建立晶闸管换流阀开通暂态过程等效模型；
[0050]
(3)对阳极饱和电抗器sr与阀避雷器ra进行非线性建模，阳极饱和电抗器等效模型由非线性电阻re与非线性电感lm并联组成；
[0051]
(4)仿真监测示波器波形，确定了晶闸管的电压和电流，进一步确定过电压倍数及电流变化率大小。
[0052]
而且，步骤(1)所述的简化电路包括等效电压源u0，换流变压器漏感l
t
，杂散电容cs，阀避雷器ra，阳极饱和电抗器sr以及晶闸管换流阀模块t；
[0053]
等效电压源u0与换流变压器漏感l
t
串联后，形成等效电压源-换流变压器漏感串联支路；所述的杂散电容cs、阀避雷器ra与等效电压源-换流变压器漏感串联支路并联；将晶闸管换流阀模块t与阳极饱和电抗器sr串联，形成晶闸管换流阀-阳极饱和电抗器串联支路；最后将晶闸管换流阀模块-阳极饱和电抗器串联支路与等效电压源-换流变压器漏感串联支路并联，得到晶闸管换流阀模块t开通暂态过程的简化电路。
[0054]
而且，晶闸管开通过程中将出现不同的延迟时间值，用导通状态下的晶闸管数量关于门脉冲启动后时间的函数曲线，作晶闸管开关函数，并将其用有限的步数近似，其中每一步表示一组晶闸管，并定义该组开启的时间；
[0055]
将晶闸管根据不同的开通延迟时间分为若干组，第i组晶闸管由一个在t
di
处闭合的开关与一个电压源vi(t)串联表示，其中，vi(t)表示为：
[0056][0057]
其中，v
0i
表示开通前第i组晶闸管两端承受的电压，td表示晶闸管导通延迟时间，tr表示上升时间，系数δ表示为：
[0058][0059]
对于特定类型晶闸管，上升时间的差异通常较小，系数δ可通过具有代表性的tr值
选取；将所有建立的晶闸管组串联，得到考虑晶闸管不同的开通延迟时间值下的电路模型。
[0060]
而且，步骤(2)所述等效模型包括晶闸管换流阀模块t，晶闸管换流阀元件ti，均压电容cj，阻尼电阻r
dvi
，阻尼电容c
dvi
，晶闸管t
vi
；
[0061]
晶闸管换流阀模块t由若干晶闸管换流阀元件ti串联后，再与均压电容cj并联构成；晶闸管换流阀元件ti为具有同一开通延时的若干晶闸管换流阀串联构成，具体为：阻尼电阻r
dvi
与阻尼电容c
dvi
串联后，并联于晶闸管t
vi
两端，构成晶闸管换流阀ti。其中，阻尼电阻r
dvi
值为所有构成晶闸管换流阀ti的若干晶闸管换流阀阻尼电阻值之和，阻尼电容c
dvi
值的倒数为所有构成晶闸管换流阀ti的若干晶闸管换流阀阻尼电容值的倒数之和。
[0062]
而且，步骤(3)中非线性电感lm可表示为：
[0063][0064]
非线性电阻re表示为：
[0065][0066]
其中，l
mt
与r
et
分别表示阳极饱和电抗器未饱和情况下的主磁通电感和铁芯损耗等效电阻，i
lt
与i
rt
分别表示阳极饱和电抗器主磁通电感和铁芯损耗等效电阻对应的拐点电流，a
l
与ar分别表示阳极饱和电抗器主磁通电感和铁芯损耗等效电阻的衰减系数，i表示流经对应支路的电流；
[0067]
避雷器的非线性u-i特性由以下形式的三个指数函数组合而成：
[0068][0069]
其中，比例系数ki与幂系数ai为避雷器本体属性，u
ref
与i
ref
分别表示避雷器的参考电压与参考电流，u与i分别表示避雷器两端的电压与流经避雷器的电流。
[0070]
而且，步骤(4)中，运行仿真实验，确定需要观测的时间点，观察示波器中所示电压与电流波形，以该时间点为横坐标，在波形中取得对应的纵坐标，得到对应晶闸管两端承受的电压与流经晶闸管的电流。晶闸管两端承受的过电压倍数f(v)由下述表达式表示：
[0071][0072]
其中，vmax表示晶闸管两端承受的最大电压值。
[0073]
晶闸管流经电流的变化率可将电流关于时间作微分运算得到。
[0074]
具体实施时，如图3所示，确定方法包括以下步骤：
[0075]
s1.将三相交流电压源由直流电压源替代，将电容作星形-三角形变换，忽略阀阻尼支路，将两个电源电压组合为一个电源，忽略未参与导通的晶闸管，完成对晶闸管换流阀开通暂态过程电路的简化；
[0076]
在换流阀正常运行过程中，通常为两个和三个阀门交替运行。换流阀实际工作电
路的结构示意图如图1所示，图1中的粗实线表示通过阀3和阀4传导的电流路径，而虚线表示从阀3到阀5换向的电流路径；
[0077]
由于接通过程的持续时间为几μs，而换流过程的原始电路时间常数为几十微秒(μs)，因此开通过程中，可认为图1中a相与b、c两相无关联，且可近似将三相交流电压源由直流电压源替代。在此基础上，通过电容的星形-三角形变换，将电路进一步简化；由于阀阻尼支路的时间常数很大，而阀的开通过程很短，断态阀的影响很小，可予以忽略；由于关注对象为晶闸管两端电压，因此可通过戴维南定理，将两个电源电压组合成一个电源，表示为u0＝u
b-uc，其中ub和uc分别为b、c相峰值相电压。得到如图2所示的简化后的换流阀工作电路。
[0078]
简化后的换流阀工作电路包括等效电压源u0，换流变压器漏感l
t
，杂散电容cs，阀避雷器ra，阳极饱和电抗器sr以及晶闸管换流阀模块t；
[0079]
等效电压源u0与换流变压器漏感l
t
串联后，形成等效电压源-换流变压器漏感串联支路；杂散电容cs、阀避雷器ra与等效电压源-换流变压器漏感串联支路并联；将晶闸管换流阀与阳极饱和电抗器sr串联，形成晶闸管换流阀-阳极饱和电抗器串流支路；最后将晶闸管换流阀模块-阳极饱和电抗器串联支路与等效电压源-换流变压器漏感串联支路并联，得到晶闸管换流阀模块t开通暂态过程的简化电路。
[0080]
s2.考虑晶闸管的制造公差，设置不同的开通延迟时间值，建立晶闸管换流阀开通暂态过程等效模型；
[0081]
晶闸管换流阀开通前，每个晶闸管可被视为一个电压源，当接受到开通信号后，晶闸管将失去正向阻断能力；由于载流子的运动速度有限，晶闸管两端的端电压在接受到开通信号后，需要经过一定的时间延迟td，才会在上升时间tr内逐渐下降为导通值；可将晶闸管的导通时间t
on
分为延迟时间td和上升时间tr两部分，单个晶闸管可以由一个在td处闭合的开关与一个电压源v(t)串联表示，其中，v(t)可表示为：
[0082][0083]
其中，v0表示开通前单个晶闸管两端承受的电压，系数δ可进一步表示为：
[0084][0085]
对于特定类型晶闸管，上升时间的差异通常较小，因此系数δ可通过具有代表性的tr值选取；对于所考虑的许多大功率晶闸管，δ的平均值范围为2.0-3.5*106s-1
；
[0086]
对于给定的晶闸管类型，由于制造公差的存在，开通过程中将出现不同的延迟时间值；延迟时间及其导致的晶闸管开关操作时间将在统计上分布；可用导通状态下的晶闸管数量关于门脉冲启动后时间的函数曲线，作晶闸管开关函数；在保证精确的原则下简化模型，可将开关函数曲线用有限的步数近似，其中每一步表示一组晶闸管，并定义该组开启的时间；
[0087]
将晶闸管根据不同的开通延迟时间分为若干组，第i组晶闸管由一个在t
di
处闭合的开关与一个电压源vi(t)串联表示，其中，vi(t)表示为：
[0088][0089]
其中，v
0i
表示开通前第i组晶闸管两端承受的电压。同时，晶闸管组数的选取应结合工程实际情况以及仿真建模复杂程度两方面考虑，在保证精确度的基础上简化仿真运
算；基于上述考虑，本实施例选取6组晶闸管，如图4所示；
[0090]
考虑晶闸管不同的开通延时，所述晶闸管换流阀模块t由晶闸管换流阀元件ti(i＝1,2
…
6)串联后，与均压电容cj并联构成；所述晶闸管换流阀元件ti为具有同一开通延时的若干晶闸管换流阀串联构成，具体为：阻尼电阻r
dvi
与阻尼电容c
dvi
串联后，并联于晶闸管t
vi
两端，构成晶闸管换流阀元件ti。其中，阻尼电阻r
dvi
值为所有构成晶闸管换流阀元件ti的若干晶闸管换流阀阻尼电阻值之和，阻尼电容c
dvi
值的倒数为所有构成晶闸管换流阀元件ti的若干晶闸管换流阀阻尼电容值的倒数之和。
[0091]
s3.对阳极饱和电抗器sr与阀避雷器ra进行非线性建模，阳极饱和电抗器等效模型由非线性电阻re与非线性电感lm并联组成；
[0092]
阳极饱和电抗器在晶闸管开通初期，所流经的电流很小，表现为一个较大的电感；随着开通电流上升，阳极饱和电抗器逐渐进入饱和状态，电感值下降，表现出鲜明的非线性u-i特性；本实施例建立了阳极饱和电抗器的非线性等效模型，由非线性电阻re与非线性电感lm并联组成；根据实际工程经验，非线性电感lm表示为：
[0093][0094]
非线性电阻re表示为：
[0095][0096]
其中，l
mt
与r
et
分别表示阳极饱和电抗器未饱和情况下的主磁通电感和铁芯损耗等效电阻，i
lt
与i
rt
分别表示阳极饱和电抗器主磁通电感和铁芯损耗等效电阻对应的拐点电流，a
l
与ar分别表示阳极饱和电抗器主磁通电感和铁芯损耗等效电阻的衰减系数，i表示流经对应支路的电流；
[0097]
通常情况下，阀避雷器的u-i特性为非线性；在本实施例中，将阀避雷器的u-i特性近似由以下形式的三个指数函数组合表示：
[0098][0099]
其中，比例系数ki与幂系数ai为避雷器本体属性，u
ref
与i
ref
分别表示避雷器的参考电压与参考电流，u与i分别表示避雷器两端的电压与流经避雷器的电流。
[0100]
s4.仿真监测示波器波形，确定了晶闸管的电压和电流，进一步确定过电压倍数及电流变化率大小；
[0101]
基于图2、图4所示电路模型搭建仿真模型，进行仿真实验，确定需要观测的时间点，观察示波器中所示电压与电流波形，以该时间点为横坐标，在波形中取得对应的纵坐标，得到对应晶闸管两端承受的电压与流经晶闸管的电流；波形图依照本实施例方法所得电压与电流波形图如图5(a)、图5(b)所示；
[0102]
过电压倍数f(v)可由下述表达式表示：
[0103][0104]
其中，v
max
表示晶闸管两端承受的最大电压值；晶闸管流经电流的变化率可将电流关于时间作微分运算得到。
[0105]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。