一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法

摘要

本发明提出了一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法。特别涉及饱和电抗器在保护晶闸管处于阻态下，包括正向阻态和反向阻态下保护晶闸管的性能分析。换流阀需要承受操作、雷电、陡波类型的冲击，在这些工况下，晶闸管均处于阻态，在这些状态中，通过调节饱和电抗器的电气参数，可以达到大大分担施加在晶闸管上电压强度的目标。根据晶闸管在阻态下的安全工作区，将其合理转换为瞬态下的电压强度曲线，通过频域分析可以获得饱和电抗器参数与其保护晶闸管目标的关系。本发明提供的分析方法操作简单，物理概念清晰明了，分析结果直观，为进一步实现在晶闸管阻态下设计饱和电抗器的电气参数奠定理论和仿真基础。

主权项

1.一种换流阀用饱和电抗器在晶闸管阻态下的性能分析方法，其特征在于包括以下步骤：(1)设定饱和电抗器的电气模型；饱和电抗器的电气模型包含5项参数：线圈电阻、空心电感、铁心电感、铁损电阻和端间电容，对饱和电抗器的铁心电感、铁损电阻考虑其非线性；在铁心励磁电流低的情况下，铁心电感和铁损电阻均为恒定值，随着铁心励磁电流增大，铁心电感和铁损电阻由于铁心的工作状态进入非线性区域而呈现衰减的趋势；(2)分析晶闸管的耐受电压能力；基于换流阀选用型号晶闸管的电压耐受能力，即静态电压与电压变化率的耐受能力曲线；它的典型特性为当晶闸管上承受的电压变化率小于一定门槛时，晶闸管上能够安全耐受的电压为一恒定值，而当晶闸管上承受的电压变化率高于此恒定值时，晶闸管上能够安全耐受的电压呈现下降衰减趋势，由于晶闸管的这条耐受曲线为静态电压与电压变化率的关系，而换流阀在晶闸管阻态下的分析包括操作、雷电、陡波冲击下的分析均为暂态，因此需要根据晶闸管的固有电压耐受特性转换得到晶闸管在暂态电压下随时间变化的电压耐受关系曲线；设定晶闸管上承受电压特性为u＝U₀(1-cos(2πft))，其上电压变化率的特性为其中晶闸管上承受电压峰值为2U₀，电压变化率的峰值为2πfU₀，由此可以看出电压峰值与电压变化率的峰值已经包括了频率的因素，将晶闸管在半个周波内的电压波形与其电压变化率的关系随时间的变化逐点描绘，得到在半个周波内晶闸管承受电压与电压变化率的关系曲线，将这条曲线与晶闸管的耐受电压与电压变化率的曲线对比，对应每一个时刻晶闸管需要承受的电压变化率时，晶闸管实际承受的电压小于晶闸管的耐受电压，那么晶闸管就可以安全工作，实际设计中，将在晶闸管耐受电压的能力基础上乘以一个比例系数，取0.5～0.8之间，称为裕度电压，应尽量确保晶闸管实际承受的电压在裕度电压范围内，或者更低；(3)分析换流阀均压系数的变化规律；由于饱和电抗器安装在换流阀中空间位置不同，而换流阀承受操作、雷电、陡波冲击考核时，靠近冲击端的饱和电抗器承受的电压将比靠近接地端饱和电抗器承受的电压高，靠近冲击端的晶闸管承受的电压也比靠近接地端的晶闸管承受的电压高，这种现象称其为电压分布的不均匀特性，换流阀的理想设计的目标是保证每个晶闸管上承受电压相同，不因为安装位置不同而不同，但是实际上由于分布杂散电容缘故，在冲击端和近地端的电压分布不均匀仍然存在，定义晶闸管上承受最高的电压与理想情况下晶闸管承受的相同电压之比为均压系数K，这一均压系数随频率变化不同而有所不同，记为K(f)，此处给出两种均压系数随频率变化的关系曲线，在低频部分，也即小于1000赫兹时，导致不均压的电容因素不显著，因此均压系数较小，一般在1.01～1.08范围内，随着频率的增大，也即高于1000赫兹时，导致不均压的电容因素显著，因此均压系数会增大，呈现随频率增大而增大的趋势；(4)分析平均晶闸管级耐受电压与电压变化率的关系；通过第(2)步的分析获得晶闸管能够承受的电压变化率与裕度电压后，结合第(3)步给出的两种均压系数K(f)，因此，在第(2)步的基础上，将裕度电压再除以均压系数K(f)，就可以获得平均每一个晶闸管级在换流阀承受冲击时允许承受的电压与电压变化率的关系，只有这样，才能确保由于均压的特性，最靠近冲击端的晶闸管承受的最高电压在其耐受电压能力范围内；(5)分析平均晶闸管级耐受电压与频率的关系；设定晶闸管上承受电压特性为u＝U₀(1-cos(2πft))，其上电压变化率的特性为其中晶闸管上承受电压峰值为2U₀，电压变化率的峰值为2πfU₀；即晶闸管上电压峰值、电压变化率的峰值、频率三者是存在对应关系，只要知道任意两个就可以计算得到另外一个，因此根据第(4)步获得的平均晶闸管级耐受电压与电压变化率的关系，就可以获得平均每一个晶闸管级在换流阀承受冲击时允许承受的电压与频率的关系；(6)分析阀实例级耐受电压与电压变化率的关系；在第(5)步的基础上，以换流阀实例级为分析对象，即考虑一级晶闸管、饱和电抗器、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容、晶闸管静态均压电阻、阀端杂散电容的电路模型，由于前面第(3)步已经将换流阀在空间位置上的不均压特性考虑进去，因此从第(4)(5)步的分析已经是面向每一个晶闸管级，此时以一级晶闸管所相关的电路模型分析则是非常恰当，此处考虑饱和电抗器的电路模型如第(1)步给出的描述，此时由于晶闸管级上允许承受的电压与电压变化率或者电压与频率的关系已经给出，因此按照电路原理，可以计算得到不同频率下流过晶闸管级、晶闸管阻尼电阻、晶闸管阻尼电容和晶闸管动态均压电阻的总电流，将此电流乘以饱和电抗器在对应不同频率下的阻抗特性，就可以计算得到阀实例级两端的电压，对电压进行求导就可以得到阀实例级两端的电压变化率的关系，这两者一一对应；(7)分析阀实例级耐受电压与频率的关系；在第(6)步的计算结果中，同时可以得到阀实例级两端耐受电压与频率的关系；(8)分析换流阀两端耐受电压与电压变化率的关系；在第(6)步的计算结果基础上，将阀实例级两端的电压乘以换流阀中晶闸管的数目，可以得到换流阀两端耐受电压与电压变化率的关系曲线；(9)分析换流阀两端耐受电压与频率的关系；在第(7)步的计算结果基础上，将阀实例级两端的电压乘以换流阀中晶闸管的数目，可以得到换流阀两端耐受电压与频率的关系曲线；(10)循环(6)-(10)；在第(9)步得到的关系曲线中，计算换流阀操作、雷电、陡波冲击对应的频率与换流阀应承受的三种冲击的电压强度，逐一对比，或者在第(8)步得到的关系曲线中，计算换流阀操作、雷电、陡波冲击对应的电压变化率与换流阀应承受的三种冲击的电压强度，逐一对比，如果计算得到的关系曲线都能够比换流阀应承受的操作、雷电、陡波冲击电压强度要高，那么饱和电抗器就能确保在晶闸管阻态下能够安全工作；如果未能比换流阀应承受的操作、雷电、陡波冲击电压强度高，那么就要从第(6)步中重新修改饱和电抗器的电气性能参数，循环迭代直至第(10)步中能够满足要求结束。