專利名稱：一種換流閥用飽和電抗器電氣性能設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)器件領(lǐng)域，尤其涉及一種換流閥用飽和電抗器電氣性能設(shè)計 方法。
背景技術(shù)：
直流輸電換流閥用飽和電抗器是換流閥中保護晶閘管的重要部件之一。換流閥中 最重要也是最脆弱的器件是晶閘管，為了保護晶閘管在安全工作區(qū)工作，飽和電抗器是一 個在暫態(tài)下保護晶閘管的重要部件。從發(fā)明的角度，并沒有文獻提及如何根據(jù)直流輸電換流閥的電氣特性來確定飽和 電抗器的電氣性能參數(shù)。而根據(jù)換流閥的電氣特性，確定其中關(guān)鍵部件飽和電抗器的電氣 性能是唯一準確而有效的方法。從期刊文獻的角度，所能夠檢索到的文章大部分都是提及飽和電抗器的不同結(jié)構(gòu) (單繞組和多繞組)、鐵心模型、試驗結(jié)果等。而根據(jù)換流閥的電氣特性，尤其是保護晶閘管 的目標而確定飽和電抗器電氣參數(shù)方面，已有文獻涉及。但是對于飽和電抗器的電氣模型 并沒有分析全面，有的只是考慮線性段的鐵心電感模型而忽略其非線性特性，有的只是考 慮鐵心電感模型而忽略鐵心電阻模型，有的并未考慮飽和電抗器的端間電容。另外，對于飽 和電抗器在換流閥中保護晶閘管所需要耐受的工況并不全面，有的只是分析了非周期觸發(fā) 工況等。因此，現(xiàn)有公開的文獻不論從工況還是從飽和電抗器的模型等都未對飽和電抗器 的電氣性能設(shè)計給出系統(tǒng)而全面的闡述。文獻(Barnes,M. J. The prediction and control of transients in thyristor valves,PhD thesis,University of Aston in Birmingham,May 1985)最早分析了飽禾口電 抗器非線性電感特性及對晶閘管開通電流的影響以及飽和電抗器電感特性在操作、雷電、 陡波沖擊下對晶間管承受電壓的影響。但是文獻考慮飽和電抗器的電氣特性并不全面，將 飽和電抗器鐵損特性的等效電阻視為恒定值，這與飽和電抗器的實際情況相差較遠。而非 線性電感特性和非線性鐵損等效電阻特性在換流閥這樣一個復雜的非線性電氣系統(tǒng)中會 相互影響，因此文獻的研究只是對飽和電抗器部分參數(shù)在晶閘管開通、晶閘管承受沖擊時 的機理做了探討，并不全面。本發(fā)明是考慮了飽和電抗器的全面的非線性模型在換流閥中保護晶閘管電流、電 壓特性方面的全面工況的分析。從電抗器模型以及其在換流閥中的工況方面而言都是比現(xiàn) 有文獻全面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種換流閥用飽和電抗器的電氣性能設(shè)計方法。飽和電 抗器在換流閥中的主要任務(wù)是保護晶閘管，根據(jù)換流閥所需要承受的運行工況和型式試驗 工況，從晶閘管的安全工作區(qū)出發(fā)，分別從電流、電壓、功率、熱特性等幾個方面建立了理論
4和仿真模型，通過不同工況下的性能分析，分別確定飽和電抗器電氣參數(shù)的可行范圍，最終 綜合考慮多個不同的可行范圍給出其電氣參數(shù)的設(shè)計結(jié)果。該方法從本質(zhì)上揭示了飽和電 抗器電氣性能的設(shè)計過程，不限于飽和電抗器的具體結(jié)構(gòu)，不限于飽和電抗器所應用換流 閥的電壓等級及電流等級，利用此方法可以方便地獲得飽和電抗器的電氣性能參數(shù)。本發(fā)明的一種換流閥用飽和電抗器電氣性能設(shè)計方法，包括以下步驟(1)設(shè)定飽和電抗器的電氣模型； 飽和電抗器的電氣性能設(shè)計目標為確定飽和電抗器的電氣參數(shù)，包括考慮飽和電 抗器的電氣特性，分別確定飽和電抗器的5項參數(shù)要求線圈電阻、空心電感、鐵心電感、鐵 損電阻和端間電容，對飽和電抗器的鐵心電感、鐵損電阻考慮其非線性；在鐵心勵磁電流低 的情況下，鐵心電感和鐵損電阻均為恒定值，隨著鐵心勵磁電流增大，鐵心電感和鐵損電阻 由于鐵心的工作狀態(tài)進入非線性區(qū)域而呈現(xiàn)衰減的趨勢；(2)確定晶閘管的安全工作區(qū)；晶閘管的電氣特性是基于其穩(wěn)態(tài)下、暫態(tài)下的安全工作邊界來確定，晶閘管在換 流閥中的工作狀態(tài)分為正向阻態(tài)、開通、通態(tài)、關(guān)斷和反向阻態(tài)，概括為阻態(tài)、開通、通態(tài)和 關(guān)斷四類情況；所述阻態(tài)，是晶閘管的電壓耐受能力，在晶閘管的這種狀態(tài)下，流過晶閘管 的電流較小；所述開通，是開通初期晶閘管的電流耐受能力，在晶閘管的這種狀態(tài)下，晶閘 管的電壓從高至低；所述通態(tài)，是晶閘管的通態(tài)電流承受能力，在晶閘管的這種狀態(tài)下，晶 閘管的壓降很低；所述關(guān)斷，是晶閘管的耐受反向過沖的電壓能力；飽和電抗器在換流閥 中發(fā)揮保護晶閘管的作用體現(xiàn)在晶閘管的阻態(tài)、開通和關(guān)斷三種情況中；(3)確定換流閥內(nèi)分析工況；飽和電抗器在換流閥中需要發(fā)揮電氣作用的工況為操作、雷電、陡波沖擊，非周 期觸發(fā)、最大暫態(tài)運行觸發(fā)工況、大角度運行觸發(fā)工況、周期觸發(fā)、低電壓觸發(fā)工況；(4)保護晶閘管耐受電流的分析；當晶閘管處于開通狀態(tài)時，飽和電抗器發(fā)揮保護其耐受電流的特性；晶閘管在開 通狀態(tài)時需要確保流過晶閘管的階躍電流在其限值之內(nèi)；隨著時間延伸，電流變化率分為 兩個階段，開通初期電流變化率較低，隨后有個轉(zhuǎn)折，晶間管可以承受的電流變化率可以適 當增大；飽和電抗器的電氣特性也應確保晶閘管的電流變化率在不同時間段都在其限值之 內(nèi)；另外，飽和電抗器也應確保晶閘管開通電流的第一個峰值在其限值之內(nèi)；而且對于晶 閘管開通電流的第一個波谷值，飽和電抗器也應確保在其限值之內(nèi)；需分析的工況有非周期觸發(fā)、最大暫態(tài)運行觸發(fā)工況、大角度運行觸發(fā)工況、周期 觸發(fā)、低電壓觸發(fā)工況；設(shè)計過程為根據(jù)求解各工況對應的晶閘管開通時電路的微分方程，獲得晶閘管 的開通電流波形；將電流波形中的各參數(shù)，包括階躍電流、電流變化率、電流峰值和電流波 谷值，分別與晶閘管的限值相比較，獲得飽和電抗器的5項參數(shù)要求；(5)保護晶閘管耐受電壓的分析； 當晶閘管處于阻態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時，飽和電抗器發(fā)揮保護其耐受電壓的特性；晶閘 管兩端承受的電壓變化率小于一定門檻時，晶閘管可以承受較高的電壓；當電壓變化率超 過該門檻時，晶閘管能夠承受的電壓會降低，兩者之間的對應定量關(guān)系隨著晶閘管型號的 不同有所不同，趨勢上相同；需要分析的工況有操作、雷電和陡波沖擊；
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設(shè)計過程為根據(jù)求解各工況對應的晶閘管阻態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)下電路的微分方程， 獲得晶閘管上的電壓波形；提取電壓波形中的電壓與電壓變化率，分別與晶閘管的限值相 比較，獲得飽和電抗器的5項參數(shù)要求；(6)循環(huán)迭代進行步驟(4)-(5)；由于晶閘管的電氣參數(shù)不同，導致步驟(4)和(5)獲得的飽和電抗器5項參數(shù)的 要求不同，因此應取步驟(4)和(5)兩項結(jié)果的交集，迭代分析，直至飽和電抗器的各項參 數(shù)均能滿足保護晶閘管的作用，以確定飽和電抗器的設(shè)計結(jié)果；其中，所述最大暫態(tài)運行觸發(fā)工況包括正常觸發(fā)和過電壓保護觸發(fā)，所述大角度 運行觸發(fā)工況包括正常觸發(fā)和過電壓保護觸發(fā)，所述周期觸發(fā)包括正常觸發(fā)和過電壓保護 觸發(fā)。本發(fā)明的有益效果是1.規(guī)范系統(tǒng)化飽和電抗器的電氣設(shè)計流程；2.全面詳細的飽和電抗器的電氣模型；3.精確的晶閘管安全工作區(qū)模型；4.飽和電抗器保護晶閘管的系統(tǒng)工況分析；5.飽和電抗器保護晶閘管耐受電流分析的流程；6.飽和電抗器保護晶閘管耐受電壓分析的流程。


圖1示出了飽和電抗器的電氣模型。圖2示出了晶閘管開通電流能力。圖3示出了晶閘管電壓能力。圖4示出了保護晶閘管電流能力的模型。圖5示出了保護晶閘管電壓能力的模型。圖6示出了依據(jù)本發(fā)明的一種換流閥用飽和電抗器電氣性能設(shè)計方法的流程圖。
具體實施例方式圖一為飽和電抗器的電氣模型，其中Cc^PLtl分別代表主電感的雜散電容和空心電 感，Lm和Rm分別代表鐵芯電感和鐵損電阻。Lm和Rm可以表示為電流Im的函數(shù)。Rcu為 飽和電抗器的直流電阻。圖二為晶閘管開通電流能力示意圖，橫軸為時間(單位微秒)，縱軸為電流(單位 千安)，兩條曲線分別以”Essential”和”Preferred”示意。其中”Essential”曲線表征晶 閘管均可承受的電流應力曲線，而”Preferred”曲線表征晶閘管中性能最優(yōu)的可以承受的 電流應力曲線。圖三為晶閘管耐受電壓能力示意圖，橫軸為電壓變化率(單位千伏/微秒)，縱軸 為電壓(單位為伏)。圖四為飽和電抗器保護晶閘管耐受電流的示意模型圖。其中①為直流電源，②為 開關(guān)，③為沖擊電容，④為開關(guān)，⑤為換向電感，⑥為避雷器，⑦為閥端間等效雜散電容，⑧ 為時變電阻開關(guān)，⑨為飽和電抗器端間電容，⑩為飽和電抗器線圈電阻，(D)為飽和電抗器空
6心電感，◎為飽和電抗器鐵心電感，Θ為飽和電抗器鐵損電阻，Θ為晶間管受控源模型，Θ為 晶閘管阻尼電阻， 為晶閘管阻尼電容。圖五為飽和電抗器保護晶閘管耐受電壓的示意模型圖。其中①為換流閥端間等效 雜散電容，②為飽和電抗器，③為晶閘管阻尼電容，④為晶閘管阻尼電阻，⑤為晶閘管直流 均壓電阻。具體設(shè)計過程的實例為(1)設(shè)定飽和電抗器的電氣模型；飽和電抗器的電氣模型如圖一所示，其中R。u為飽和電抗器的直流電阻，C0為飽和 電抗器端間等效電容，L。為飽和電抗器的空心電感。非線性鐵心電感參數(shù)和非線性鐵損電 阻參數(shù)如式一所示。 (2)確定晶閘管的安全工作區(qū)；晶閘管的電氣特性是基于其穩(wěn)態(tài)下、暫態(tài)下的安全工作邊界所確定。晶閘管在換 流閥中的工作狀態(tài)分為如下幾種正向阻態(tài)、開通、通態(tài)、關(guān)斷、反向阻態(tài)，概括為阻態(tài)、開 通、通態(tài)、關(guān)斷四類情況。下面分別給出這幾種狀態(tài)下的安全工作區(qū)。阻態(tài)，主要是晶閘管的電壓耐受能力，這種狀態(tài)下，流過晶閘管的電流很小，如圖 三所示。開通，主要是開通初期晶閘管的電流耐受能力，這種狀態(tài)下，晶閘管的電壓從高至 低，如圖二所示。通態(tài)，主要是晶閘管的通態(tài)電流承受能力，這種狀態(tài)下，晶閘管的壓降很 低。關(guān)斷，主要是晶閘管的耐受反向過沖的電壓能力。(3)確定換流閥內(nèi)分析工況；表一換流閥內(nèi)分析工況 (4)保護晶閘管耐受電流的分析；飽和電抗器保護晶閘管，確保晶閘管階躍電流、電流變化率1、電流變化率2、電流 峰值、電流波谷值等幾個特征值在晶閘管的安全范圍內(nèi)。分析模型如圖四所示。分別在非周期觸發(fā)、最大暫態(tài)運行、大角度運行、周期觸發(fā)、低電壓觸發(fā)下進行分析，分別得到飽和電 抗器的參數(shù)范圍。(5)保護晶閘管耐受電壓的分析；飽和電抗器保護晶閘管，確保施加在晶閘管上的電壓及電壓變化率均在其安全范 圍內(nèi)。分析模型如圖五所示。在操作、雷電、陡波沖擊等情況下分別進行分析，分別得到飽 和電抗器的參數(shù)范圍。(6)循環(huán)迭代；將(4)和(5)的參數(shù)范圍取交集，進一步迭代至⑷和(5)反復計算得到滿足上 述所有工況的飽和電抗器的參數(shù)值。(7)給出飽和電抗器的電氣設(shè)計結(jié)果。 至此，可以得到飽和電抗器的電氣設(shè)計結(jié)果。 以上是為了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解本發(fā)明，而對本發(fā)明進行的詳細描述，但 可以想到，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋的范圍內(nèi)還可以做出其它的變化和修改，這 些變化和修改均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種換流閥用飽和電抗器電氣性能設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟(1)設(shè)定飽和電抗器的電氣模型；飽和電抗器的電氣性能設(shè)計目標為確定飽和電抗器的電氣參數(shù)，包括考慮飽和電抗器的電氣特性，分別確定飽和電抗器的5項參數(shù)要求線圈電阻、空心電感、鐵心電感、鐵損電阻和端間電容，對飽和電抗器的鐵心電感、鐵損電阻考慮其非線性；在鐵心勵磁電流低的情況下，鐵心電感和鐵損電阻均為恒定值，隨著鐵心勵磁電流增大，鐵心電感和鐵損電阻由于鐵心的工作狀態(tài)進入非線性區(qū)域而呈現(xiàn)衰減的趨勢；(2)確定晶閘管的安全工作區(qū)；晶閘管的電氣特性是基于其穩(wěn)態(tài)下、暫態(tài)下的安全工作邊界來確定，晶閘管在換流閥中的工作狀態(tài)分為正向阻態(tài)、開通、通態(tài)、關(guān)斷和反向阻態(tài)，概括為阻態(tài)、開通、通態(tài)和關(guān)斷四類情況；所述阻態(tài)，是晶閘管的電壓耐受能力，在晶閘管的這種狀態(tài)下，流過晶閘管的電流較??；所述開通，是開通初期晶閘管的電流耐受能力，在晶閘管的這種狀態(tài)下，晶閘管的電壓從高至低；所述通態(tài)，是晶閘管的通態(tài)電流承受能力，在晶閘管的這種狀態(tài)下，晶閘管的壓降很低；所述關(guān)斷，是晶閘管的耐受反向過沖的電壓能力；飽和電抗器在換流閥中發(fā)揮保護晶閘管的作用體現(xiàn)在晶閘管的阻態(tài)、開通和關(guān)斷三種情況中；(3)確定換流閥內(nèi)分析工況；飽和電抗器在換流閥中需要發(fā)揮電氣作用的工況為操作、雷電、陡波沖擊，非周期觸發(fā)、最大暫態(tài)運行觸發(fā)工況、大角度運行觸發(fā)工況、周期觸發(fā)、低電壓觸發(fā)工況；(4)保護晶閘管耐受電流的分析；當晶閘管處于開通狀態(tài)時，飽和電抗器發(fā)揮保護其耐受電流的特性；晶閘管在開通狀態(tài)時需要確保流過晶閘管的階躍電流在其限值之內(nèi)；隨著時間延伸，電流變化率分為兩個階段，開通初期電流變化率較低，隨后有個轉(zhuǎn)折，晶閘管可以承受的電流變化率可以適當增大；飽和電抗器的電氣特性也應確保晶閘管的電流變化率在不同時間段都在其限值之內(nèi)；另外，飽和電抗器也應確保晶閘管開通電流的第一個峰值在其限值之內(nèi)；而且對于晶閘管開通電流的第一個波谷值，飽和電抗器也應確保在其限值之內(nèi)；需分析的工況有非周期觸發(fā)、最大暫態(tài)運行觸發(fā)工況、大角度運行觸發(fā)工況、周期觸發(fā)、低電壓觸發(fā)工況；設(shè)計過程為根據(jù)求解各工況對應的晶閘管開通時電路的微分方程，獲得晶閘管的開通電流波形；將電流波形中的各參數(shù)，包括階躍電流、電流變化率、電流峰值和電流波谷值，分別與晶閘管的限值相比較，獲得飽和電抗器的5項參數(shù)要求； (5)保護晶閘管耐受電壓的分析；當晶閘管處于阻態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時，飽和電抗器發(fā)揮保護其耐受電壓的特性；晶閘管兩端承受的電壓變化率小于一定門檻時，晶閘管可以承受較高的電壓；當電壓變化率超過該門檻時，晶閘管能夠承受的電壓會降低，兩者之間的對應定量關(guān)系隨著晶閘管型號的不同有所不同，趨勢上相同；需要分析的工況有操作、雷電和陡波沖擊；設(shè)計過程為根據(jù)求解各工況對應的晶閘管阻態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)下電路的微分方程，獲得晶閘管上的電壓波形；提取電壓波形中的電壓與電壓變化率，分別與晶閘管的限值相比較，獲得飽和電抗器的5項參數(shù)要求；(6)循環(huán)迭代進行步驟(4) (5)；由于晶閘管的電氣參數(shù)不同，導致步驟(4)和(5)獲得的飽和電抗器5項參數(shù)的要求不同，因此應取步驟(4)和(5)兩項結(jié)果的交集，迭代分析，直至飽和電抗器的各項參數(shù)均能滿足保護晶閘管的作用，以確定飽和電抗器的設(shè)計結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述最大暫態(tài)運行觸發(fā)工況包括正常觸發(fā)和過電壓保護觸發(fā)，所述大角度運行觸發(fā)工 況包括正常觸發(fā)和過電壓保護觸發(fā)，所述周期觸發(fā)包括正常觸發(fā)和過電壓保護觸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)器件領(lǐng)域，尤其涉及一種換流閥用飽和電抗器電氣性能設(shè)計方法。飽和電抗器在換流閥中的主要任務(wù)是保護晶閘管，根據(jù)換流閥所需要承受的運行工況和型式試驗工況，從晶閘管的安全工作區(qū)出發(fā)，分別從電流、電壓、功率、熱特性等幾個方面建立了理論和仿真模型，通過不同工況下的性能分析，分別確定飽和電抗器電氣參數(shù)的可行范圍，最終綜合考慮多個不同的可行范圍給出其電氣參數(shù)的設(shè)計結(jié)果。該方法不限于飽和電抗器的具體結(jié)構(gòu)，不限于飽和電抗器所應用換流閥的電壓等級及電流等級，利用本發(fā)明的方法可以方便地獲得飽和電抗器的電氣性能參數(shù)。
文檔編號G06F17/50GK101916309SQ20101023935
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者于海玉, 劉杰, 溫家良, 魏曉光 申請人:中國電力科學研究院