（电工理论与新技术专业论文）高压直流换流阀系统宽频电路建模方法与瞬态过程研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压直流换流阀系统宽频电路建模方法与 瞬态过程研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并 向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制 并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠 送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或 部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： i 日期： 导师签名： 日 期：坚! ! ：苎：2 d i 1 r p 气 l 2 ， 一 气 邑 l i 华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对高压直流换流站中各类过电压对换流阀电压分布的影响，结合国家自然科学 基金资助项目“高压直流换流阀系统参数提取及宽频等效电路模型的研究 ( 编号： 5 0 7 0 7 0 0 8 ) ，本文以换流阀电气结构、物理特性和工作原理为基础，建立了具有物理意 义的换流阀系统的宽频等效电路模型，并采用有限元法计算了建模所需的饱和电抗器、 晶闸管及其阻容回路的电路参数。为了使电路模型既有物理意义又能满足相应的频率特 性，提出了一种将传统物理建模和数学建模相结合的建模方法，计算获得的电路模型的 频率特性与实验结果相同，验证了电路模型的有效性。最后，本文对换流阀阀模块和阀 塔的过电压进行了仿真分析，并与实际测量结果进行了比较，仿真结果与实验结果的吻 合，再次验证了本文建模方法及参数提取提取方法的有效性。 关键词：换流阀，过电压，宽频电路模型，有限元法 a b s t r a c t s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o 5 0 7 0 7 0 0 8 ， b a s e do nt h ee l e c t r i c a ls t r u c t u r e , p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k so fc o n v e r t o rv a l v e , a p h y s i c a l - s i g n i f i c a n tw i d ef r e q u e n c ye q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li sp r o p o s e d f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) i su s e dt oc o m p u t et h ee l e m e n t a r yc i r c u i tp a r a m e t e r so ft h em a i nd e v i c eo f c o n v e r t o rs y s t e m i no r d e rt om a k et h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lp h y s i c a l s i g n i f i c a n ta n d c o r r e s p o n d i n gf i e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sm e e t e d , ac o m b i n i n gm o d e l i n gm e t h o di sp r o p o s e d t h em o d e li sp r o v e dt ob ea c c u r a t eb ya n a l y z i n gf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i t a t l a s t , t h es i m u l a t i o na n a l y s i so nc o n v e r t o rv a l v em o d ea n dt o w e ri sc a r r i e do n f o rv a l i d a t i o n , t h es i m u l a t e dc o m p u t e dr e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e m e n t so nr e a lc o n v e r t o rv a l v e s y s t e m ，a n dt h er e s u l ti l l u s t r a t et h a tt h em o d e l i n gm e t h o di sv a l i da n dt h ee x t r a c t i o no fc i r c u i t p a r a m e t e r si sp r e c i s e h u a n gj i - h u a n g ( t h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c u ix i a n g k e yw o r d s ：c o n v e r t o rv a l v e , o v e r - v o l t a g e , w i d e - f r e q u e n c yc i r c u i tm o d e l , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d f 1 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 课题研究背景l 1 1 1 研究目的和意义l 1 1 2 换流阀瞬态过程及过电压分析2 1 1 3 电磁场数值计算及有限元概述3 1 2 本课题国内外研究现状3 1 3 本文研究特色及主要研究内容4 第二章换流阀电气结构与电路模型6 2 1 换流阀电气结构6 2 1 1 阀模块基本结构。6 2 1 2 阀塔基本结构而7 2 2 换流阀电气性能及元件特性7 2 2 1 阀电气性能7 2 2 2 阀元件性能8 2 3 换流阀物理结构及等效电路模型8 2 3 1 饱和电抗器物理结构及等效电路模型8 2 3 2 晶闸管物理结构及等效电路模型1 0 2 4 换流阀的耐压性能l l 2 4 1 典型过电压类型1 1 2 4 2 过电压耐压水平1 l 2 5 ，j 、坌吉1 2 第三章应用有限元法提取换流阀主要元件的电路参数1 3 3 1 有限元理论及有限元软件。1 3 3 1 1 有限元法理论基础。l3 3 1 2 有限元法基本思想1 4 3 。1 3 有限元软件a n s y s 简介1 5 3 2 电容参数1 6 3 2 1 电容参数计算原理1 6 3 2 2 有限元法的求解过程1 8 3 2 3 分布电容归算至等效集总电容。2 0 3 3 电感参数2 2 2 华北电力大学硕士学位论文 3 3 1 电感参数计算原理2 2 3 3 2 有限元法的求解过程2 3 3 3 3 分布电感归算至等效集总电感2 4 3 4 电阻参数2 5 3 4 1 涡流损耗等效电阻计算2 5 3 4 2 铜损等效电阻计算2 7 3 5 换流阀主器件频率特性测量与分析2 8 3 6d 、l 者3l 第四章换流阀过电压分析3 2 4 1p s c a d e m t d c 仿真软件介绍3 2 4 2 换流阀过电压测量布置3 2 4 2 1 阀模块过电压测量3 3 4 2 2 阀塔过电压测量3 3 4 3 换流阀过电压仿真与实测对比分析3 4 4 3 1 阀模块过电压仿真与实测对比分析。3 5 4 3 2 阀塔过电压仿真与实测对比分析4 0 4 4 不同过电压类型下换流阀电压分布4 3 4 5 ，j 、2 吉4 6 第五章结论与展望4 7 参考文献4 8 j l j 谢! ；l 在学期间发表论文情况和参加科研情况5 2 3 、j 一 j 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 我国电力工业正处在一个快速发展的时期，“西电东送 、“全国联网 的电网 发展战略使高压直流输电技术的重要性突现。上世纪8 0 年代末以来，作为一种大 容量远距离输电技术并基于其在电力系统联网方面的明显优点，高压直流输电 ( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 在我国西电东送、区域间联网工程中的应用日 益广泛。据统计，我国已投入运行的+ 5 0 0 k v 高压直流输电工程主要有葛洲坝一南 桥、葛洲坝一上海、天生桥一广州、三峡一常州、三峡一广州、三峡一上海、贵州 一广州i 、贵州一广州i i 等。另外，8 0 0 k v 特高压直流输电工程主要有云南一广 州、向家坝一上海、锦屏一苏南等。而且，1 0 0 0 k v 特高压直流输电的可行性论 证也已展开，并可能成为我国未来大区域电网互联的手段之一【l 】。 建设特高压直流输电系统的关键问题之一是确定线路及换流站设备的耐压及 绝缘水平。随着系统电压等级的升高，绝缘费用在系统建设总投资中所占的比重越 来越大，因而正确解决绝缘配合问题显得更为重要。解决绝缘配合问题的关键之一 是充分掌握过电压产生、过电压幅值与分布规律及其限制措施。 换流阀心1 是直流输电系统的核心设备，它是由多个器件串联而构成，其三相桥式电 路在运行中要承受来自交、直流系统的操作过电压、雷电过电压以及陡波过电压【3 一钉。 由于高频下换流变压器和平波电抗器的高阻抗特性及其穿墙套管的存在，上升沿较陡的 过电压传播到换流阀时，其作用相当于操作过电压。换流站内换流变压器阀侧短路故障 以及平波电抗器阀侧短路故障时，将产生波前很陡的过电压，类似雷电过电压；另外， 换流站内的一个换流阀在最大电压下触发时，将在另一个上出现接近冲击电压的波形。 晶闸管上出现的冲击过电压，尽管电压的幅值不很高，这些电压的快速前沿部分产生的 容性电流将可能使阀晶闸管误导通。因此，研究各种过电压下换流阀内的电压分布特性 是十分必要的。 本课题的研究意义和目的在于准确建立换流阀的宽频等效电路模型【5 引，并分析换 流阀在过电压下主要器件及关键电气节点的过电压分布，通过实验测量、模型建立、参 数提取、仿真计算等方面来对高压直流换流阀系统的瞬态过电压问题展开深入研究，最 终对阀系统设计的绝缘和均压提供重要的参考意见。 华北电力大学硕士学位论文 1 1 2 换流阀瞬态过程及过电压分析 在直流系统中过电压阳1 的产生有不同的原因：除了在交流系统中常见的冲击过 电压、操作过电压、对地闪络时健全相的异常电压外，还要加上换流站母线或换流 器故障，以及起动、停止时所造成的特有振荡现象【1 0 j 2 1 。因此，过电压发生的原因 要比交流系统多。同时，过电压的倍数、波形和持续时间，随着线路的组成、换流 站设备、阻尼回路、系统运行方式等有很大变化，所以非常复杂。但是人们根据电 路理论、模拟试验、运行经验所得出的结果，已可以把各种过电压的大致因果表示 出来。利用这些研究成果，能够以尽可能小的绝缘投资达到一定的绝缘故障率；又 根据不同的过电压情况分别采取恰当的保护措施。 直流输电系统中的过电压可以分为外部过电压和内部过电压。外部过电压是指 雷电过电压，它和交流线路中发生的雷击波相同【n j5 1 。直流线路上的直击雷和反击 雷除了在直流线路上产生雷电过电压外，还将沿线传入直流开关场，直流开关场直 击雷也将产生雷电过电压。这些雷电波通过电磁耦合和静电耦合传导进入换流阀内 部，对阀设备造成一定的影响。另外，当换流器内部发生短路故障时，充电的极电 容和直流滤波器电容通过平波电抗器向未短接的部分放电，如果回路自然频率等于 雷电波频率，则会在这些设备上产生雷电过电压。 内部过电压按其基本波形分析如下： 1 ) 波形基本为直流电压的过电压。在整流侧不加控制环节作全电压起动，而 逆变侧开断时，由于平波电抗器和系统的杂散电容( 或线路电容) 的作用， 回路内将流过振荡电流。这种情况类似把阶跃电压加到串联的l c 电路上， 使线路有被充电至高电压的可能。虽属振荡电压，但由于换流器的单向导 电性，已经充好的电压难于向反方向放电，所以这种过电压对于整流器来 说，基本上表现为反向直流电压。 2 ) 波形基本为交流工频电压的过电压。主要包括甩直流负荷过电压、交流系 统的事故过电压和换流器异常动作过电压。 3 ) 波形基本为操作波的过电压。主要分为来自交流电网的操作过电压和直流 线路的操作过电压。对于来自交流电网的操作过电压，只有相间的操作过 电压才能从交流系统以全幅值传送到换流桥，它通过变压器( 按变比) 出 现在不导通的阀上。对于来之直流线路的操作过电压主要来自双极直流架 空线路。当单极导线接地时，会在健全极上感应出过电压，此时，在线路 上会产生行波，这些行波在线路故障点及两端之间反复反射，造成相当高 的过电压。 4 ) 陡波过电压。主要是换流站母线接地故障引起的陡波过电压和阀在跨接有 2 华北电力大学硕士学位论文 过电压时突然触发。每个换流桥有三根交流母线和两根直流母线，当其中 一根母线对地短路时，由于存在杂散电感和电容，在母线电压达到其稳定 值前会产生暂态的电压振荡，产生过电压。对于阀跨接过电压，由于种种 扰动，导致某个可控硅阀有高电压时突然触发导通，它就把这个高电压以 陡波的波前时间传递到其它阻断的可控硅阀上，使它们承受陡波过电压。 1 1 3 电磁场数值计算及有限元概述 从上个世纪六十年代以来，伴随着电子计算机技术的飞速发展，大量的电磁场 数值计算方法不断涌现，并得到广泛的应用。 目前在工程技术领域常用的电磁场数值分析方法可分为两大类，一是场域元 法，是指整个场域都需要进行剖分的一种数值计算方法，如有限元法、有限差分法、 等参元法等。另一类数值方法是边界元法和等效元法，边界元法的剖分对象为场域 边界和不同介质的分界面，其理论基础为等效原理。 有限差分法式应用最早的一种方法。2 0 世纪5 0 年代以来，有限差分法以其数 学概念清楚、形成系数矩阵十分方便等特点，在电磁场数值分析领域内得到了广泛 的应用。但有限差分法的规则网格不能满意地模拟几何形状复杂的问题，而在电工 设备中的电磁场却往往是以包含复杂的几何形状和不同材料的物理参数为特征，因 此有限差分法在电磁场分析中的应用逐渐被有限元法替代。 二十世纪6 0 年代末，p s i l v e s t e r 和m v k c h a r i 把有限元法引入到电磁计算中， 这是电磁场数值分析中的一个重要转折点。有限元法以变分原理为基础，用剖分插 值的办法建立各自由度间的相互关系，把泛函的极值问题转化为一组多元代数方程 来求解。它能使复杂结构、复杂边界情况的边值问题得到解答。最近2 0 年，由于 数值处理技术的提高，例如采用不完c h o l e s k y 分解法、i c c g 法、自适应网格剖分 等方法，使得有限元法在电场数值计算中越来越占据主导地位。其突出特点在于： ( 1 ) 场域离散化过程保持了明显的物理意义：( 2 ) 解题能力强，这主要表现在能 够处理边界几何形状复杂、场域中存在多种媒质问题，对于第二和第三类边界不必 作单独处理，能够自动满足不同媒质分界面上的边界条件，离散点分布具有随意性， 计算精度高，程序通用性强；( 3 ) 从数学上讲，有限元法拓宽了微分方程的求解方 法，推动了泛函分析、计算方法的发展。因此，自有限元法诞生以来，在各个学科 与工程领域内，该方法得到了极其广泛的重视和应用，产生了大量有价值的研究成 果。 1 2 本课题国内外研究现状 3 华北电力大学硕士学位论文 国内外对高压直流换流站电磁兼容和瞬态过程的研究主要集中在二十世纪七十年 代至九十年代。近年来，国外a b b 公司、西门子公司和a r e v a 公司等对换流站电磁 兼容问题进行了长期的理论、仿真和试验研究，取得了丰富的成果，并广泛地应用于其 承担的直流输电工程中。西门子公司对+ 5 0 0 k v 换流站电磁兼容问题进行了长期研究。 在电路建模与仿真方面，他们对整流或逆变回路进行建模，通过电路仿真方法预测计算 晶闸管及其回路在触发或关断瞬间产生的瞬态电压和瞬态电流，在频谱分析的基础上， 计算获得这些瞬态电压和瞬态电流以传导方式外泄到交流侧乃至到交流线路和外泄到 直流侧乃至到直流线路上的瞬态电压和瞬态电流。 目前，国内学者在换流阀系统的建模方面侧重于晶闸管模型的构造n 卜捌，而对 于阳极电抗器、平波电抗器、换流变压器等几乎没有开展过任何研究工作。西安交 通大学邱毓昌教授乜3 。2 鲫提出了考虑二次效应、温度特性和反向恢复过程的晶闸管宏 模型，对换流阀内的一个晶闸管模块与饱和电抗器的串联电路进行了动态仿真，并 利用该模型分析了晶闸管器件参数分散性和缓冲电路参数对换流阀内电压分布特 性的影响，但是该模型仅局限于低频应用。 因此，在这个基础上啪侧，国内部分学者对换流阀系统进行了宽频建模。3 钔， 使得模型在宽频范围内应用更广。主要采用的建模思想基于矢量匹配法( v e c t o r f i t t i n g ) ，矢量匹配法是一种高效稳定的数学建模方法，该方法在进行有理函数逼近 时具有很大的优越性。建模步骤如下：首先利用网络分析仪对系统中某一设备( 比如 单个阀片) 进行测量，得到一定频段范围内阻抗特性。由于网络分析仪测得的阻抗频率 特性数据为一系列频率相关的离散点，一般的处理方法是将该数据直接进行频域计算， 然后进行卷积，得到所需要的时域波形。而对于大系统而言，该处理方法对计算机的存 储和处理能力要求较高，且耗时较长。通常的处理方法是，将测得的离散数据进行有理 函数逼近( 在此采用v f 法进行有理函数逼近) ，找出其极点和留数，并对这些极点和 留数进行分类处理，根据不同类别计算出r l c 串并联等效电路的参数值，从而综合出 该网络的模型。矢量匹配法的优点：完全的数学方法，考虑了频关参数的影响，所建立 的r l c 串并联电路用于电路仿真比较准确，并且应用频率范围更宽。缺点在于：r l c 串并联电路的元件数与有理函数逼近的阶数有关，一个简单的器件可能会用几十个元件 的串并联来表示，并且所建立的等效电路的元件没有物理意义，在实际的电路设计和分 析中无法进行灵敏度分析。 1 3 本文研究特色及主要研究内容 基于以上研究现状，本文旨在提出一种新的建模方法，该方法以物理建模为基 础，通过考查器件的电气特性、物理结构及尺寸、工作原理及环境，详细分析器件 的电磁场特性，建立其等效电路模型并进行参数提取。该电路模型主要由i 串并 4 ， 华北电力大学硕士学位论文 联电路构成，电路中任何一个等效电阻、电感和电容都具有明确的与实物一一对应的物 理意义。在具有明确物理意义的等效电路模型基础上添加相应的频变相关支路，完善模 型的准确性。 本文物理建模方法的主要优点： 1 ) 电路直观、明了、简洁； 2 ) 每一个元件均有明确的物理意义，在设计时，可以通过元件的灵敏度分析改变 设计，从而满足设计要求； 3 ) 综合了传统数学建模方法和物理建模方法的优点，模型不但具有物理意义，利 于灵敏度分析，而且还考虑到了频率特性，这样的模型更准确、更有实际意 义、更加利于后续的仿真和分析。 深刻了解5 0 0 k v 换流站换流阀系统【3 5 】结构及工作原理，掌握阀系统实验测 量、物理建模方法、参数提取、仿真计算，并在此基础上确定了换流阀系统的过电 压分布【3 6 1 ，及各主要器件的耐压水平，最终通过对换流阀系统的绝缘和耐压水平的 研究，给出重要的参考意见。全文共分五章，各章的具体内容如下： 第一章阐述了高压直流换流阀瞬态过程研究的重要性，分析了各类过电压的产一 生及对h v d c 系统的影响，介绍了电磁场数值计算及有限元方法，综述了国内外 j 对换流阀物理建模及瞬态过程的研究现状，指出了本文的研究思路及基本方法。 一 第二章详细介绍了换流阀的基本结构及电气特性，并在此基础上分析得到换流 阀各主要器件的等效电路模型和模型各参数的物理意义，最后分析换流阀的主要过 电压类型及耐压水平。 ：，；一： 第三章介绍了有限元理论及有限元分析软件，并以换流阀中的主设备饱和电抗 器为例仔细研究并提取其电容参数和电感参数。电容主要包括饱和电抗器绕组的匝 间主电容、绕组对铁芯电容及端口母排间寄生电容。电感主要是铁芯主电感、线匝 之间的互感以及漏电感。最后通过对我国某5 0 0 k v 换流站的饱和电抗器【3 7 】和晶闸 管的端口特性( 阻频特性和相频特性) 测量，验证了第二章所介绍的等效电路模型 及本章参数提取的准确性。 第四章在第三章的基础上，通过电力系统仿真软件p s c a d e m t d c ，分别搭建 阀模块和阀塔的等效电路模型，并进行过电压仿真分析。主要考察对象：阀模块主 要电气节点的对地电压分布和主要器件( 饱和电抗器、晶闸管) 的电压降；阀塔各 层对地电压分布和阀臂电压降。将仿真计算结果与实地测量结果一一对比，得到计 算结果和测量结果基本吻合，从而再次验证本文的模型及参数提取的准确性和有效 性。 第五章对全文的研究和完成工作进行了全面的总结，阐明了作者的主要研究成 果，指出了尚需深入研究的内容。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章换流阀电气结构与电路模型 在直流输电系统中，为实现换流所需的三相桥式换流器的桥臂，被称为换流阀，它 是换流站的基本单元设备，也是最主要的工作设备。目前在绝大多数直流输电工程中均 采用晶闸管阀，其投资约占全站设备投资的i 4 。换流阀除了具有整流和逆变的功能外， 在整流站还具有开关的功能，可利用其快速可控性对直流输电的启动和停运进行快速操 作。本章主要介绍换流阀的电气结构及工作特性，并在此基础上推导具有物理意义的等 效电路拓扑结构，最后分析了影响换流阀的主要的过电压及耐压水平。 2 1 换流阀电气结构 2 1 1 阀模块基本结构 晶闸管换流阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、阻尼回路以及组装成阀组件 ( 或阀层) 所需的阳极电抗器、均压元件等通过某种形式的电气连接后组装而成的换流 桥的一个桥臂。换流阀的最基本的单位是可控硅级( t h y r i s t o rl e v e l ) ，它是由一个晶闸管 和与之并联的r c 阻尼回路构成：一般情况下，5 个可控硅级与l 台饱和电抗器串联构 成一个阀组件( v a l v es e c t i o n ) ：2 个阀组件串联组成一个阀模块( v a l v em o d u l e ) ，如图2 1 所示。图中电晕屏蔽罩采用分体结构，一个阀模块共6 块电晕屏蔽板，其中左右两侧的 屏蔽板( 大) 分别与饱和电抗器以及其下方的两块屏蔽板( 小) 连接，中间两块屏蔽板 ( 小) 分别与晶闸管散热片连接，如图2 1 中的电气连接中用虚线表示。 一电晕屏蔽罩连接 一横粱连接内部电气连接 图2 1 阀模块电气连接示意图 6 一 ，- 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 阀塔基本结构 阀塔通常布置在阀厅内，也有布置在室外的。户内阀的布置可以是悬挂式的，也可 以是支撑式。图2 2 为一个典型的户内悬挂式换流阀。阀塔基本结构：3 个阀模块串联 构成一个桥臂( v a l v e ) ；由4 个桥臂，也即1 2 个阀模块串联，并与4 个屏蔽板共同构成 一座阀塔( v a l v et o w e r ) ，又称四重阀，共6 层( 不含上下屏蔽板) ，如图2 3 所示。 图2 = 2 户内悬挂塔 图2 3 阀塔( 四重阀) 结构示意图 2 2 换流阀电气性能及元件特性 2 2 1 阀电气性能 1 2 脉动换流阀主要的电气特性是只能在一个方向导通，这个方向定为正向。电 流仅在一个周期的1 1 3 期间内流过一个阀。不导通的阀应能耐受正向及反向阻断电 压，阀电压的最大值由避雷器保护水平确定。当阀上的电压为正时，得到一个控制 脉冲阀就会从闭锁状态转向导通状态，一直到流过阀的电流减小到零为止，阀始终 处于导通状态，不能自动关断。一旦流过阀的电流到零，阀即关断。阀要有一定的 过电流能力，通过健全阀的最大过电流发生在阀两端间的直接短路，而过电流的幅 值主要由系统短路容量和换流变短路阻抗决定。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 阀元件性能 阀元件特性主要表现为晶闸管特性。主要表征在以下几个方面：阳极伏安特性、 门级特性、断态反向重复峰值电压、额定平均电流、断态临界电压上升率d u d t 、 通态临界电流上升率d i d t 、开通时间、关断时间。换流阀性能的优劣与晶闸管元 件特性直接相关。为了减少串联晶闸管元件数，降低相应损耗和成本，应要求元件 耐压水平高，电流定值大，即要求提高单个元件的开关功率容量。除了减少元件串 联数外，阀设计还应降低串联回路中电压分布不均匀系数，并更好利用晶闸管元件 的电流能力，。以及阀内晶闸管元件各种参数的分散性为最小。 2 3 换流阀物理结构及等效电路模型 换流阀中最主要的元件是饱和电抗器和与之串联的一系列晶闸管及其阻容回路。 2 3 1 饱和电抗器物理结构及等效电路模型 与晶闸管串联的饱和电抗器口8 1 承受陡波冲击的大部分过电压和雷击过电压，并 可限制晶闸管开通时电流的上升率。其结构设计和参数设定对阀电气特性至关重 要。饱和电抗器结构如图2 - 4 所示，由四匝线圈和两组铁芯绕制而成，每组铁芯共 七层，层间有垫片。 图2 _ 4 饱和电抗器结构示意图 图2 - 5 饱和电抗器物理模型 8 华北电力大学硕士学位论文 该饱和电抗器物理模型如图2 5 所示。图中， 为端r 2 1 电压，f 为流入端v 1 的电 流，线圈匝数，九为经过铁芯的主磁通，丸。为铁芯与空气交链的漏磁通。建立相 应的电路与磁路方程如下： = 丸+ 痧l e a l t 吵= m = ( 九+ ) 将磁路欧姆定律= f g = n i g 代入式( 2 2 ) ，则有： ( 2 1 ) ( 2 2 ) y = = ( 朋g 肼+ m ) = ( l + k ) f ( 2 3 ) 根据电磁感应定律和基尔霍夫电压定律，得到： 甜= 呢+ e = + 警= 蚝+ 警+ 警 由式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) ，得： “= 呢+ l 等+ 妄 ( 2 - 4 ) 考虑到涡流损耗等效电阻和杂散电容( 匝间电容和匝和铁芯间电容) ，建立如图2 - 6 所示电路模型。如图所示，各参数物理意义：屯铜损等效电阻，k 漏电感，c 线匝 和铁芯间电容，r 涡流损耗等效电阻，l 主电感，e 匝间电容，g 母排间杂散电容。 屯k 图2 - 6 饱和电抗器电路模型 9 c l 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 晶闸管物理结构及等效电路模型 晶闸管是换流阀的核心部件，其运行的可靠性和稳定性直接关系到h v d c 的效 率和安全。下面从单个晶闸管和阀组件晶闸管来研究其等效电路模型。 2 3 2 1 单个晶闸管等效电路模型 单个晶闸管结构如图2 7 所示，由p n p n 四层半导体结构构成，具有三个极： 阳极、阴极和门极。阳极极板和阴极极板间作为主要工作电路，门极和阴极间作为 控制电路。晶闸管的工作条件：晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电 压，晶闸管都处于关断状态；晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压 的情况下晶闸管才导通；晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论 门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用；晶闸管在导通 情况下，当主回路电压( 或电流) 减小到接近于零时，晶闸管关断。本文研究的晶 闸管处于关断状态的，基于晶闸管的结构和工作特性，可将晶闸管等效为电容元件， 考虑到阴阳极板间的介质损耗及杂散电感口引，建立如图2 8 所示的晶闸管电路模型。 图2 7 晶闸管结构示意图 图2 - 8 晶闸管等效电路模型 单个晶闸管模型如图2 - 8 所示，c k 为阴阳极间的主电容，为损耗等效电阻 ( 一般比较小) ，为杂散电感。 2 3 2 2 阀组件晶闸管及其辅助回路等效电路模型 每一个晶闸管的两端都并联一个缓冲电路来阻尼换向电压冲击，并均匀串联电 压分布，该缓冲回路一般是由电阻和电容串联构成的，所以也称为阻容回路。由一 个晶闸管、两个阻容回路及一个直流电阻并联，构成了可控硅级的主要结构，如图 2 9 所示。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 4 换流阀的耐压性能 2 4 1 典型过电压类型 图2 - 9 可控硅级等效电路 影响换流阀的过电压主要分为三类：陡波过电压、雷击过电压、操作过电压。，、一， 陡波过电压的产生主要以下两种原因： 1 ) 对地短路。当处于高电位的换流变阀侧出口到换流阀之间对地短路时，换 流器杂散电容上的极电压将直接作用在闭锁的一个阀上，对阀产生陡波过 电压。而直流滤波器和极电容上的电压将通过平波电抗器加到未导通的阀 上，造成雷电波或操作波过电压。 2 ) 部分换流器中换流阀全部导通和误投旁通对。当两个或多个换流器串联时， 如果某一个换流器全部阀都导通或误投旁通对，则剩下未导通的换流器将 耐受全部极电压，造成陡波过电压。 雷电过电压主要来自换流站直流侧和直流线路两方面。当换流器内部发生短路 故障时，充电的极电容和直流滤波器电容通过平波电抗器向未短接的部分放电，如 果回路自然频率为雷电波频率，则会在这些设备上产生雷电过电压。直流线路上的 直击雷和反击雷除在直流线路上产生雷电过电压外，还将沿线路传入换流器内部。 在换流器内部产生操作过电压的原因主要有两类： 1 ) 交流侧操作过电压。交流侧操作过电压可以通过换流变传到换流器。 2 ) 短路故障。在换流器内部发生短路故障时，由于直流滤波电容器的放电和 交流电流的涌入，通常会在换流器本身和直流中性点等设备上产生操作过 电压。最典型的短路点是换流变阀侧出口至换流阀之间对地短路。 2 4 2 过电压耐压水平 华北电力大学硕士学位论文 通常，阀的过电压耐受能力是由每个晶闸管的耐压水平通过多个元件串联叠加 来实现的，故在一定的元件耐压水平参数下，阀的耐压能力由晶闸管的串联元件数 决定。 阀臂中数个可控硅级与一个饱和电抗器串联，该电抗器将承担陡波冲击的大部 分过电压和雷电冲击的部分过电压。 操作过电压是决定串联可控硅级数的主要因素。由于多个元件串联和各元件对 端部杂散电容及元件特性的不均匀性，尽管有均压回路，但仍然会存在电压分布不 均匀。 为了阀的安全可靠运行，在进行换流阀设计时应考虑元件的故障率和冗余度。 所谓冗余晶闸管级是指在阀中满足最低耐压水平所要求的最少串联晶闸管级数上 再多串联的晶闸管级数，以补偿在运行中由于故障而损坏的晶闸管级数。其冗余度 定义如下： z = 志 沼6 ) 式中，f 为阀中串联晶闸管级总数：，为阀中串联晶闸管级冗余数。 2 5 小结 本章主要对高压直流换流阀设备结构、电气特性、工作原理及主要过电压类型 和耐压水平做了介绍，并在此基础上推导得到换流阀主要设备的等效电路拓扑结 构。与传统的数学模型相比，本文建立的电路模型更具有实际意义，更加直观，给 每一个元件都赋予了物理意义。可以更加有效的进行元件的灵敏度分析，满足元件 的设计要求。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章应用有限元法提取换流阀主要元件的电路参数 3 1 有限元理论及有限元软件 3 1 1 有限元法理论基础 求解电磁场的问题，实际上是求解偏微分方程的边值问题h 0 。1 。求解边值问题 的方法可分为解析法和数值法两大类。解析法有直接法、镜像法和保角变换法等； 数值法有有限差分法和有限元法等；此外还有实验法和图解法。通常人们往往希望 获得解析解。但是只有在少数简单或特殊情况下才能得到解析解。当边界形状比较 复杂，解析解就比较困难或者不太可能。随着电子计算机的发展和普及，数值法中 的有限元法以其灵活的单元剖分和算法统一通用的优点迅速应用到工程电磁计算 领域，并收到很好的效果。 电磁场理论可由麦克斯韦方程组描述。麦克斯韦方程组实际上由四个定律组 成，他们分别是安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯通量定律和磁通连续性 定律。分别表示如下： 扣饥= 亚( j + 争d s ( 3 - 1 ) 匝e 饥= 一儿罢凼 ( 3 2 ) 呱d d s - m 矿 ( 3 3 ) 吼b d s = 0 将式( 3 1 ) 一( 3 4 ) 写成微分形式，则有： v h ：j + 塑 研 v e ：一a b 研 v d = p 1 3 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 v b = 0 ( 3 - 8 ) 对于静态电磁场问题，为了使求解问题得到简化，通常可以定义矢量磁位和标 量电位，即分别定义如下： b = v a e = 一v 矽 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 按照式( 3 9 ) 和式( 3 1 0 ) 定义的矢量磁位和标量电位。经过推导，分别得到 如下以矢量磁位表达的磁场偏微分方程( 3 1 1 ) 和以标量电位表达的电场偏微分方 程( 3 1 2 ) ： r n a = 一h j v 2 缈：一旦 占 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中，和s 分别为介质的磁导率和介电常数；v 2 为拉普拉斯算子，在直角坐标系中 为： v 2 = c 参+ 参+ 虿0 2 ， ( 3 1 3 ) 显然式( 3 1 1 ) 中的三个分量方程和式( 3 1 2 ) 具有相同的形式，彼此对称。 我们可以对这两个方程进行数值求解。本文采用有限元法，解得到矢量磁位和标量 电位，然后经过后处理得到电磁场对应的各种物理量，如电容、磁感应强度、储能 等等。 3 1 2 有限元法基本思想 有限元法是一种把变分原理和剖分插值相结合的用来求解偏微分方程的数值 计算方法。其特点在于：不是直接求解微分方程，而是求解与之等价的变分方程； 把变分问题离散化，用有限个节点上的函数值来近似连续的直解函数，得到一组以 节点函数值为未知数的联立方程组，然后用计算机来求解方程组。它的优点是：单 元剖分灵活( 可剖成三角形也可剖成四边形等) ，其边可以是直线也可以是曲线， 边界处理方便；对精度要求高的地方可以局部加密，还可以用高阶插值提高精度， 并具有算法统一和通用的特点。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 基于这些优点，有限元法被广泛应用于电磁场实际问题的求解。一般来说，对 于各种各样的电磁问题，有限元法的基本计算过程可归纳如下： 1 ) 确定实际问题所定义的区域、激励和边界条件，根据具体情况决定具体问 题的描述方程。利用几何结构及激励的对称性找出区域的对称轴，从而缩 小计算区域，这样做可以达到节省计算时间和提高计算精度的目的。 2 ) 对整个计算区域离散化，即将区域用节点和有限元( 通常为三角形或四边形 单元) 表示。各个有限元的顶点由这些节点确定，有限元之间相互不重叠， 整个区域都被这些单元完全覆盖，节点和有限元都按次序编号。每个单元 都对应于一个激励值和一种材料( 可用介电常数和磁导率表示) 。 3 ) 对每个有限元依次进行局部处理，即根据待殊的形函数求得某个有限元的 局部激励矩阵和局部系数矩阵。在进行局部计算时，坐标都已由整体坐标 转化为局部坐标，同时由于形函数的选取，这些局部矩阵的各元素已可以 用代数法求出，并由相应有限元的几何坐标、激励和材料特性决定。 4 ) 将某个单元的局部激励矩阵和局部系数矩阵的各个元素相加到整体激励矩 阵和整体系效矩阵中，从而形成求解节点势函数值的矩阵方程。在实际计 算机编程过程中，这一步骤与第( 3 ) 步有机地衔接在一起，即处理某一个单 元的局部元素时，同时把结果加到整体元素之中，这样对每个有限元处理 完时，也就立刻得到了整体矩阵。把由边界条件确定的节点势函数值代入 矩阵方程，可以消减方程的阶数，从而减少计算量。 5 ) 对如此形成的矩阵方程用线性代数的方法加以求解，便能够得到各个节点 的势函数值。常用的线性代数方程解法有消去法和叠代法等等，这里不做 介绍。而势函数在整个计算区域的分布函数可以用插值的方法来描述。对 于一阶有限元法来说，采用线性插值；对高阶有限元法来说，采用高阶插 值。由于对应于每个单元之上的势函数分布可由该单元的几何坐标和顶点 的势函数确定，而且由于整体区域都被这些为数众多的有限元所覆盖，实 际上整体区域的分布，便由每个单元上势函数的分布叠加而成。 6 ) 利用有限元法的势函数分布进行求解后处理。求解标量电位和矢量磁位的 分布并不是最后的目的，还需要根据具体要求找出所解问题的各种工程参 数。这就需要一个由分布势函数到各种工程参数的过程，该过程对工程分 析和设计至关重要，常常是研究人员致力于改进的一个主要方向，这一过 程通常称为解后处理过程。 3 1 3 有限元软件a n s y s 简介 a n s y s ( a n a l y s i ss y s t e m ) m 1 是2 0 世纪7 0 年代由美国a n s y s 公司研制开发的 1 5 华北电力大学硕士学位论文 工程分析软件。使用的方法是传统的有限元法，融力学、电磁学、热学、流体和声 学为一体的大型多物理场有限元计算软件。主要分为结构分析、电磁场分析、热分 析和流体分析几个模块。 a n s y s 软件主要特点：将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已 经成为解决现代工程问题必不可少的工具。 a n s y s 主要包括三个部分：前处理模块、求解模块、后处理模块。前处理为计 算准备期，主要任务是：参数定义、实体建模、网格划分。求解模块主要任务是完 成对已经生成的有限元模型进行相关分析和有限元求解。在该过程中，用户应定义 相关的分析类型、分析选项、激励选项和荷载数据选项。计算结束后进入后处理模 块，在该模块中用户可将计算结果以彩色等值线显示、云图显示、梯度显示、矢量 显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可 以将结果以图表、曲线形式显示或输出。 3 2 电容参数 本文所研究的电容参数主要包括：饱和电抗器匝间杂散电容e ，饱和电抗器匝 和铁芯间电容c ，饱和电抗器的输入和输出端口处的矩形片导体( 称为“母排 ) 间电容c 6 ，晶闸管主电容c