一种用于直流系统黑启动的换流阀设计方法与流程

本发明涉及换流阀设计方法，具体涉及一种用于直流系统黑启动的换流阀设计方法。

背景技术：

在电网黑启动技术领域，国内外从黑启动电源的选择、黑启动阶段的规则策略、电网恢复路径优化等方面已开展了多年的理论研究，并以研究成果为基础成功进行了一系列的交流电网黑启动试验。而直流系统相较于交流系统的启动而言，具有输送功率大、启动和调整速度快、可控性强等特点，这些特点在黑启动初期可发挥较大作用，能够加快联网，增强送电能力。但是，在利用直流系统带动电网黑启动方面，尚处于起步阶段，亦都是基于换流设备是理想运行状态，并没有考虑换流设备对于黑启动时对电压、电流及损耗的承受能力。

换流器在电网黑启动时，将引起换相过冲增加，换流阀内晶闸管由于频繁开断导致损耗增加，避雷器转移能量增大等系列问题。鉴于水冷系统的效率，对损耗的限制将相对严格，因而直流输电换流阀的黑启动能力问题成为一个工程上亟需解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于直流系统黑启动的换流阀设计方法，提高电网的黑启动速度和稳定性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用于直流系统黑启动的换流阀设计方法，其改进之处在于，所述方法包括：

搭建换流阀系统仿真模型：利用换流阀系统仿真模型得到利用直流系统进行电网黑启动时换流阀内的电压、电流应力以及阻尼回路、晶闸管和避雷器的损耗；

配置换流阀避雷器参数：利用所述换流阀系统仿真模型，综合不同的阻尼回路损耗、晶闸管开通和关断损耗、换流阀换相过冲电压峰值，得到阻尼参数配置和水路配置的最优方案；

分析换流阀黑启动运行能力，并由仿真得到的换流阀避雷器漏电流波形判断换流阀在电网黑启动时，避雷器是否动作；由避雷器损耗判断换流阀是否可在黑启动情况下稳定运行。

其中，所述搭建换流阀系统仿真模型包括：

搭建6脉动换流单元：包括换流变压器、阻尼电阻、阻尼电容、直流均压电阻、晶闸管、阀电抗器、阀内杂散电容和阀避雷器；换流变压器通过换流阀系统的等效电抗器与三相整流 桥连接；三相整流桥的每一相均由上下两桥臂构成，每个桥臂均由换流阀构成；每个换流阀两端并联阀避雷器；所述换流阀包括阻尼回路、直流均压回路、晶闸管、饱和电抗器和阀内杂散电容；所述阻尼回路、直流均压回路和晶闸管并联后组成阻尼回路-直流均压回路-晶闸管并联支路，阻尼回路-直流均压回路-晶闸管并联支路与饱和电抗器串联与阀内杂散电容并联；

在建立好的换流阀系统仿真模型中输入参数，包括：晶闸管通态压降U_T、晶闸管斜率电阻R_T、晶闸管断态电阻R_D、晶闸管维持电流I_w、换流阀阻尼电容C_S、换流阀阻尼电阻R_S、直流均压电阻R_dc、饱和电抗器不饱和电感值L_m和杂散电容容值C_y。

其中，所述配置换流阀避雷器参数包括：

根据单片避雷器阀片的U-I特性及换流阀操作过电压保护水平SIPL，计算换流阀避雷器所需串并联片数N_arr；

计算串并联后的换流阀避雷器U-I特性；

在换流阀系统仿真模型中输入避雷器U-I参数。

其中，所述串并联片数N_arr用下式计算：

$N_{arr}=\frac{U_{SIWZ}}{U_{R\left(s\right)}}$

其中，U_SIWZ为换流阀操作冲击保护水平，U_R(s)为避雷器阀片在额定运行电流下的残压值。

其中，所述换流阀避雷器U-I特性由避雷器厂家提供的单片避雷器阀片的U-I特性乘以阀片串联数得到。

其中，所述分析换流阀黑启动运行能力包括：

仿真换流阀关断时换相过冲电压；

计算避雷器泄漏电流及损耗；

计算阻尼回路损耗；

计算晶闸管频繁开断情况下的损耗；

计算晶闸管运行结温。

其中，所述避雷器泄露电流i_a由避雷器U-I特性得到；

避雷器损耗用下述表达式表示：

$P_a=50{\∫}_0^T{V}_a{i}_{a}dt;$

其中，V_a为避雷器两端电压，i_a为避雷器泄露电流；T为工频周期，取0.02s。

其中，阻尼回路损耗由阻尼电阻损耗P_RS和阻尼电容损耗P_CS两部分相加构成：

$P_{RS}=2{\mathrm{\πf}}^2{U}_{V0}^2{C}_{AC}^2{R}_{AC}\{\frac{4\mathrm{\π}}{3}-\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{7\mathrm{\μ}}{4}+\frac{7}{8}sin2\mathrm{\α}+\frac{7}{8}sin(2\mathrm{\α}+2\mathrm{\μ})\}$

$P_{CS}=\frac{7U_{V0}^2\×f\×C_{HF}}{4}\[{\sin }^2\left(\mathrm{\α}\right)+{\sin }^2(\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})\]$

其中：T为工频周期，取0.02s；C_AC为换流阀两端有效阻尼电容值；R_AC为与C_AC串联的有效阻尼电阻值；C_AC为一个阀的阻尼电容的设计值除以该阀的晶闸管数；R_AC为一个阀的阻尼电阻的设计值乘以该阀的晶闸管数；C_HF为阀两端的所有容性均压网络支路有效总电容；U_V0为阀侧线电压；f为系统频率；μ为换相角；α为触发角。

其中，晶闸管频繁开断情况下的损耗表达式如下：

$P=50{\∫}_0^T(V_{T0}+r_{T}i)idt$

其中：V_T0为晶闸管通态门槛电压；r_T为晶闸管通态斜率电阻；i为故障电流瞬时值；T为工频周期，取0.02s。

其中，所述晶闸管运行结温的表达式如下：

T_j1＝T_c+P_thy×R_thjc

其中：T_j1为晶闸管结温(℃)；T_c为最不利晶闸管的散热器入口处的最高冷却液温度；P_thy为最大连续过负荷晶闸管损耗；R_thjc为晶闸管结到该处冷却液的热阻。

本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1.用电磁暂态仿真的方法获得阀避雷器、阻尼回路电压、电流波形，并利用在一个周期内积分的方法计算得到直流系统黑启动过程中避雷器损耗、阻尼回路损耗和晶闸管开关损耗,直观有效。

2.利用搭建换流阀系统模型参数设置，可在短时内多次更改阻尼参数，综合不同的阻尼回路损耗及换相过冲电压峰值，可以较为快捷地找到阻尼参数配置和水路配置的最优方案。

3.由仿真得到的阀避雷器漏电流波形可直观、快速地判断换流阀在黑启动时，避雷器是否频繁动作；由避雷器损耗即可分析换流阀是否可在黑启动情况下稳定运行。

附图说明

图1是本发明提供的用于直流系统黑启动的换流阀设计方法的流程图；

图2是本发明提供的换流阀系统仿真模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提供一种适用于直流系统黑启动的换流阀设计方法，其流程图如图1所示，包括：

换流阀系统模型搭建步骤：利用搭建换流阀系统仿真模型的方法得到利用直流系统进行电网黑启动时换流阀内的电压、电流应力以及阻尼回路、晶闸管和避雷器的损耗。

换流阀避雷器参数配置步骤：利用搭建好的仿真模型，综合不同的阻尼回路损耗、晶闸管开通和关断损耗、换流阀换相过冲电压峰值，找到阻尼参数配置和水路配置的最优方案。

换流阀黑启动运行能力分析步骤：由仿真得到的阀避雷器漏电流波形可直观地换流阀在电网黑启动时，避雷器是否动作；由避雷器损耗即可判断换流阀是否可在黑启动情况下稳定运行。

1)换流阀系统仿真模型搭建，换流阀系统仿真模型如图2所示，包括下述子步骤：

①搭建6脉动换流单元：包括换流变压器、阻尼电阻、阻尼电容、直流均压电阻、晶闸管、阀电抗器、阀内杂散电容和阀避雷器；换流变压器通过换流阀系统的等效电抗器与三相整流桥连接；三相整流桥的每一相均由上下两桥臂构成，每个桥臂均由换流阀构成；每个换流阀两端并联阀避雷器；所述换流阀包括阻尼回路、直流均压回路、晶闸管、饱和电抗器和阀内杂散电容；所述阻尼回路、直流均压回路和晶闸管并联后组成阻尼回路-直流均压回路-晶闸管并联支路，阻尼回路-直流均压回路-晶闸管并联支路与饱和电抗器串联与阀内杂散电容并联；

②在搭建好的换流阀系统仿真模型中输入参数：晶闸管通态压降U_T、晶闸管斜率电阻 R_T、晶闸管断态电阻R_D、晶闸管维持电流I_w、换流阀阻尼电容C_S、换流阀阻尼电阻R_S、直流均压电阻R_dc、饱和电抗器不饱和电感值L_m、杂散电容容值C_f。

2)避雷器参数配置步骤，包括下述子步骤：

①根据单片避雷器阀片的U-I特性及换流阀操作过电压保护水平SIPL，计算阀避雷器所需串并联片数N_arr；所述串并联片数N_arr用如下表达式表示：

$N_{arr}=\frac{U_{SIWZ}}{U_{R\left(s\right)}}$

其中，U_SIWZ为换流阀操作冲击保护水平，U_R(s)为避雷器阀片在额定运行电流下的残压值。

②计算串并联后的阀避雷器U-I特性；所述换流阀避雷器U-I特性由避雷器厂家提供的单片避雷器阀片的U-I特性乘以阀片串联数得到。

③在换流阀系统模型中输入避雷器U-I参数。

3)换流阀黑启动运行能力分析步骤，包括下述子步骤：

①换流阀关断时换相过冲电压仿真、计算；

②计算避雷器泄漏电流及损耗；避雷器泄露电流i_a由避雷器U-I特性得到；

避雷器损耗用下述表达式表示：

$P_a=50{\∫}_0^T{V}_a{i}_{a}dt;$

其中，V_a为避雷器两端电压，i_a为避雷器泄露电流；T为工频周期，取0.02s。

③计算阻尼回路损耗；阻尼回路损耗由阻尼电阻损耗P_RS和阻尼电容损耗P_CS两部分相加构成：

$P_{RS}=2{\mathrm{\πf}}^2{U}_{V0}^2{C}_{AC}^2{R}_{AC}\{\frac{4\mathrm{\π}}{3}-\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{7\mathrm{\μ}}{4}+\frac{7}{8}sin2\mathrm{\α}+\frac{7}{8}sin(2\mathrm{\α}+2\mathrm{\μ})\}$

$P_{CS}=\frac{7U_{V0}^2\×f\×C_{HF}}{4}\[{\sin }^2\left(\mathrm{\α}\right)+{\sin }^2(\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})\]$

其中：T为工频周期，取0.02s；C_AC为换流阀两端有效阻尼电容值；R_AC为与C_AC串联的有效阻尼电阻值；C_AC为一个阀的阻尼电容的设计值除以该阀的晶闸管数；R_AC为一个阀的阻尼电阻的设计值乘以该阀的晶闸管数；C_HF为阀两端的所有容性均压网络支路有效总电容；U_V0为阀侧线电压；f为系统频率；μ为换相角；α为触发角。

④计算晶闸管频繁开断情况下的损耗；晶闸管频繁开断情况下的损耗表达式如下：

$P=50{\∫}_0^T(V_{T0}+r_{T}i)idt$

其中：V_T0为晶闸管通态门槛电压；r_T为晶闸管通态斜率电阻；i为故障电流瞬时值；T为工频周期，取0.02s。

⑤计算晶闸管运行结温；晶闸管运行结温的表达式如下：

T_j1＝T_c+P_thy×R_thjc

其中：T_j1为晶闸管结温(℃)；T_c为最不利晶闸管的散热器入口处的最高冷却液温度；P_thy为最大连续过负荷晶闸管损耗；R_thjc为晶闸管结到该处冷却液的热阻。

利用搭建换流阀系统仿真模型的方法得到利用直流系统进行电网黑启动时阀内的电压、电流应力以及阻尼回路、晶闸管、避雷器损耗。综合不同的阻尼回路、晶闸管损耗及换相过冲电压峰值，可以找到阻尼参数配置的最优方案。通过晶闸管损耗合理设计换流阀水冷系统，并由仿真得到的阀避雷器漏电流波形可直观地换流阀在黑启动运行时，避雷器是否频繁动作；由避雷器损耗即可判断换流阀是否可在黑启动情况下稳定运行。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。