特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型的建模方法与流程

本发明属于电力系统电磁暂态分析领域，特别涉及一种用于特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型的建模方法。

背景技术：

直流换流阀塔是直流输电系统的核心设备，由众多晶闸管及相关元器件串联而构成，在运行时受交、直流系统条件变化的影响，会遭受不同类型的过电压。为了保证直流系统能够安全稳定运行，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。过电压下阀塔层间瞬态电压作为一个重要的考虑因素，建立合理的换流阀宽频模型，以便于在各类电压形式下尤其是速变型电压下对其进行分析也是必不可少的。

随着特高压直流系统的电压等级不断提高以及输送容量不断提升，换流阀体积更为庞大，整个换流阀系统的拓扑结构更加复杂。特高压直流换流阀系统由饱和电抗器、晶闸管、阻容吸收回路、均压电阻回路、控制模型、冷却系统、电晕屏蔽罩、悬吊绝缘子等多个部分构成，不同器件在各种正常工况及过电压工况下要承受大小各异的电压分布。在阀组件、阀层、阀塔、四周墙壁、关键设备本体及相互间存在大量的寄生电容，由于这些寄生电容的存在，不同位置的相同零部件电压分布会存在差异。

因此，在对换流阀进行宽频建模的过程中，既需要考虑阀内关键元器件的高频特性，又需要考虑屏蔽罩寄生电容参数造成的电压不均的影响。

现有的换流阀塔宽频等效模型，多基于单个器件的宽频等效模型搭建过电压下阀塔层间瞬态电压分析模型，并考虑屏蔽罩间寄生电容参数对电压分布的影响，但是由于换流阀内元器件很多，并且传统的寄生电容参数提取方法具有很高的时间复杂度和空间复杂度，导致建模和仿真时间过长，仿真效率偏低，对阀塔层间瞬态电压的分析造成了极大地不便。如文献1(方超.高压直流换流阀模块宽频特性测量与建模方法研究[D].华北电力大学,2013)和文献2(L.Qi；Q.Shuai；X.Cui；C.Fang；H.Sun；w.guang；C.Gao,"Parameters Extraction and Wideband Modeling of±1100kV Converter Valve,"in IEEE Transactions on Power Delivery,vol.PP,no.99,pp.1-1)

因此，现有技术中存在以下问题和缺陷：

1、现有技术中的特高压直流换流阀塔层间瞬态电压分析的宽频等效模型只基于单个器件的宽频等效模型，没有基于关键元器件的工作参数集考虑阀内关键元器件的高频特性的影响。

2、现有技术采用的传统的寄生电容参数提取方法具有很高的时间复杂度和空间复杂度，导致建模和仿真时间过长，仿真效率偏低，对阀塔层间瞬态电压的分析造成了极大地不便。

为了提高直流换流阀塔层间瞬态电压仿真分析的效率，并同时考虑阀内关键元器件的高频特性，以及屏蔽罩寄生电容参数带来的影响，亟待提出一种既能实现高速建模仿真并具有很高等效性，又能保证极高的精确度和具有实际物理意义的，适用于各种形式的过电压作用下特高压直流换流阀塔层间瞬态电压分析的宽频等效建模方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种既能实现高速建模仿真并具有很高等效性，又能保证极高的精确度和具有实际物理意义的，适用于各种形式的过电压作用下特高压直流换流阀塔层间瞬态电压分析的宽频等效模型的建模方法。

本发明提出了一种特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型的建模方法，其特征在于，所述宽频等效模型用于分析所述直流换流阀塔层间的瞬态电压，所述方法具体包括以下步骤：以一个阀层为单元，获取所述一个阀层内关键元器件的工作参数集，根据所述工作参数集建立阀层内关键元器件集总参数等效模型；根据阀层端子电容建立阀层端子电容模型；将所述阀层内关键元器件集总参数等效模型和所述阀层端子电容模型按照阀塔的实际电气连接状况进行连接，得到用于特高压直流换流阀塔层间瞬态电压分析的宽频等效模型。

本发明中一个阀层内关键元器件的工作参数集包括：饱和电抗器的主电感、饱和电抗器的铁耗的等效电阻、晶闸管级阻容回路电阻、晶闸管结电容。

本发明中阀层端子电容包括各阀层对地等效寄生电容、阀层两端等效寄生电容、阀层间等效寄生电容。

本发明中阀层内关键元器件集总参数等效模型的建立是通过对换流阀内关键元器件及其基本电气参数所构成的模型进行阻抗频率特性分析并简化而得到的；阀层端子电容是通过对阀层内关键元器件集总参数等效模型在高频段时所表现出的阻抗特性分析获得阀塔各个屏蔽罩间的电位关系，并使用ANSYS商业有限元软件计算获得。

本发明中根据所述阀层端子电容建立阀层端子电容模型，是基于阀塔屏蔽罩各个导体之间的电位关系，将所述一个阀层中各个屏蔽罩导体间的寄生电容等效至所述一个阀层的两端，建立阀层端子电容模型。

结合以上两部分内容即可获得适用于特高压直流换流阀塔层间瞬态电压分析的宽频等效模型。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型同时考虑了阀内关键元器件的高频特性，以及屏蔽罩寄生电容参数带来的影响，在各类过电压下都能够精确反映阀塔层间瞬态电压；

2.本发明建立的宽频等效模型以一个阀层为单元，通过对换流阀内关键元器件及其基本电气参数所构成的模型进行阻抗频率特性分析并简化，建立阀层内关键元器件集总参数等效模型，极大地缩短了建模和仿真时间，提高了仿真分析的效率；

3.本发明建立的宽频等效模型以一个阀层为单元，通过阀塔屏蔽罩各个导体之间的电位关系，将阀层中各个屏蔽罩导体间的寄生电容等效至阀层的两端，建立阀层端子电容模型。相比于传统的部分电容方法仍是将每个导体看作孤立导体，进而分析整个多导体系统的电容效应，本发明对于寄生电容参数的提取大大缩短了提取的时间和计算复杂度。

附图说明

图1为阀模块结构示意图

图2为饱和电抗器等效模型

图3为晶闸管级电气连接示意图

图4为简化前的阀层内关键元器件集总参数等效模型

图5为简化后的阀层内关键元器件集总参数等效模型

图6为本发明的阀层内关键元器件集总参数等效模型与文献1模型的阻抗频率特性对比结果

图7为阀塔屏蔽罩三维模型

图8为阀模块等效模型

图9为阀模块屏蔽罩电压关联系数-频率特性曲线图

图10为本发明提出的特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型

图11为本发明提出的特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型与文献2模型仿真结果对比图

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

本发明提出的一种特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型的建模方法，该宽频等效模型用于分析特高压直流换流阀塔层间的瞬态电压。详细说明如下：

如图10所示的一种适用于特高压直流换流阀塔层间瞬态电压分析的宽频等效模型，本发明提出的宽频等效模型由阀层内关键元器件集总参数等效模型和阀层端子电容模型共同组成。其中模块VL即为阀层内关键元器件集总参数等效模型。

所述的阀层内关键元器件集总参数包括饱和电抗器的主电感Lm、饱和电抗器的铁耗的等效电阻Rm、晶闸管级阻容回路电阻Rd、晶闸管结电容Cthy。

所述的阀层端子电容包括各阀层对地等效寄生电容Cig(i＝1,2,..,6)、阀层两端等效寄生电容Cii+1(i＝1,2,..,5)、阀层间等效寄生电容Cij(i＝1,2,..,4；j＝i+2,i+3,..,6)。

以下，以本发明的一个实施例进行说明，对±1100kV特高压换流阀塔建立其层间瞬态电压分析的宽频等效模型。±1100kV换流阀为二重阀，共有7层，顶层和底层分别是大均压环和屏蔽罩。中间5层每一层阀结构均由并列放置的两个换流阀模块构成，每个阀模块的三维模型结构如图1所示。每个阀模块由两个阀组件构成，阀组件由绝缘结构支撑件、晶闸管压装结构、饱和电抗器、阻尼电阻单元、阻尼电容单元、门极单元、导线及水管相互连接组成，其中包括2个饱和电抗器和9个晶闸管级。饱和电抗器串联在晶闸管元件阳极端，其基本模型如图2所示。如图3所示为±1100kV换流阀内部晶闸管级的电气连接示意图。考虑到层间瞬态电压分析的特点，希望本发明提出的模型能够在满足足够精确度的情况下尽可能降低所建立模型的复杂度，因此这里以一个阀层为单元进行建模工作。

阀层内关键元器件集总参数等效模型的建立过程如下：

±1100kV换流阀每个阀层由两个阀模块组成，由共计8台饱和电抗器和36个晶闸管级串联构成。根据如图2、3分别所示的饱和电抗器和晶闸管的模型结构，分别将8台饱和电抗器和36个晶闸管级按照实际的电气连接情况进行串联，即可获得一个阀层的模型。由于该模型整体上是串联结构，可以按照工程上常用的对该模型进行简化，即饱和电抗器模型中电阻和电感值乘以8，电容值除以8；晶闸管级模型中电阻和电感值乘以36，电容值除以36，将两者串联后即可获得如图4所示的阀层内关键元器件集总参数等效模型。

当阀塔遭受冲击电压时，由于各类冲击电压的主频段的频率都很高，可以达到几百千赫兹甚至上兆赫兹。因此可以在高频段范围内对图4中的模型进行进一步简化。对于饱和电抗器部分，线圈电阻Rcu和漏感L0串联的阻抗值远小于主电感Lm与铁耗等效电阻Rm并联的阻抗值，因此可以将线圈电阻Rcu和漏感L0进行短路处理。饱和电抗器等效为主电感Lm和铁耗的等效电阻Rm并联。对于晶闸管级部分，阻容回路电容值为uF级别，在较高频率下其阻抗值远小于与之串联的阻容回路电阻的阻抗值，因此可以将阻容回路中电容进行短路；此时电阻R1和R2并联，且电阻R2的电阻值要远大于R1，所以可以将电阻R2进行开路处理，最后阻容回路可用电阻R1进行等效；均压电阻Rdc的阻值高达51千欧，这里作开路处理。晶闸管级等效为阻容回路电阻Rd与晶闸管结电容Cthy并联。由以上分析，可以将图4所示模型进行进一步的简化，得到其在高频段的冲击电压作用下的等效模型，如图5所示即为进一步简化后的阀层内关键元器件集总参数等效模型。

在Simulink中建立如图5所示的阀层内关键元器件集总参数等效模型，并通过仿真获得其阻抗频率特性。将其阻抗频率特性与文献1中基于高压直流换流阀模块内元件物理机制的宽频建模方法所建立的阀层宽频模型等效模型的阻抗频率特性进行对比，对比结果如图6所示，两者在高频段内的阻抗十分接近，从而验证了图5所示的阀层内关键元器件集总参数等效模型的正确性。

阀层端子电容的提取过程如下：

考虑一个n+1导体系统，各个导体按0→n顺序编号，其相应的电位分别为选取0号导体为电位参考点，即编号为1,2,..,k的k个导体是一个金属组件的单元导体，它们相互之间存在着电气连接。编号为k+1,k+2,..,n共n-k个导体的电位悬浮。

关联导体1,2,..,k中任意一个导体的电位可以由首尾两个导体的电位线性表示，写成矩阵形式为：

或者简记为：

其中和分别表示电位列向量和R定义为关联导体1,2,..,k的关联系数矩阵，它仅与导体间的物理连接方式相关，而与各个导体的实际电位无关。利用关联系数矩阵可以实现关联导体的解耦。

基于上式，整个多导体系统的电位列向量可进行如下变换：

简记为：

假设整个多导体系统的电容矩阵为β，β也可以按照关联导体和悬浮导体进行类下式的分块：

其中A为与关联导体相关的k×k阶电容矩阵，B为与关联导体和悬浮导体相关的k×(n-k)阶电容矩阵，C为与悬浮导体相关的(n-k)×(n-k)阶电容矩阵。

基于以上各式，系统储存的静电能量可表示为：

可以看到，在将多导体系统的电位列向量缩减为(n-k+2)维之后，系统原本n×n阶的电容矩阵β在关联系数矩阵的作用下降阶为(n-k+2)×(n-k+2)阶的电容矩阵γ：

基于多导体系统的静电场能量可以提取线圈组件端子以及悬浮导体的电容参数。对于前述的n+1导体系统中的导体进行重新编号：原本编号为1,2,..,k的k个关联导体看做一个二端口网络，其两个端子分别编号为1和2，对应的端子电位分别为和原本编号为k+1,k+2,..,n的n-k个导体重新编号为3,4,..,m，对应的电位分别编号为(其中m＝n-k+2)。根据上式，系统储存的静电能量可表示为：

降阶后的电容矩阵γ可以通过下面两个步骤得到：

1)令电位行、列向量中第i个电位为其余电位置0，计算此时多导体系统的静电能量：

重复上述过程即可得到电容矩阵γ的对角线元素。

2)令电位行、列向量中第i，j个电位分别为其余电位置0，计算此时多导体系统静电能量：

重复上述过程即可得到电容矩阵γ的非对角线元素。

根据以上电位关联导体等效端子电容的理论推导和提取方法说明，可以对阀层端子电容进行提取。

±1100kV换流阀的屏蔽罩采用分体均压式的设计方式，如图7所示，有七层屏蔽罩结构，其中中间五层等距分布，角屏蔽罩共20个，短屏蔽罩共20个，顶部对称分布有两根大均压环，底部对称分布有两个大屏蔽罩；斜母排6个，横母排5个。屏蔽罩的各个导体并非孤立导体，而是通过电位钳制以及连接母排存在电位相互关联关系。每个阀层由两个阀模块，每个阀模块外侧共连接4块屏蔽罩，其中角屏蔽罩共2个，短屏蔽罩共2个。两个角屏蔽罩分别与所在阀模块中第一个饱和电抗器的始端电位和最后一个饱和电抗器的末端电位相等，两个短屏蔽罩分别与所在阀模块内的第7和13个晶闸管的首端电位相等。而对于相邻的两个阀模块之间，前一个阀模块的末端角屏蔽罩与后一个阀模块的首端角屏蔽罩通过横母排和斜母排进行连接，因此两者电位相等。顶层均压环和底层屏蔽罩分别与第一个与最后一个角屏蔽罩等电位。由此可知，阀塔屏蔽罩42个导体间存在电位关联关系。

由阀层内关键元器件集总参数等效模型的建立和分析过程，将阀模块等效为如图8所示的阀模块等效模型，其中节点1、2之间是首端两个饱和电抗器和6个晶闸管级的等效模型，节点2、3是中间6个晶闸管级的等效模型，其中节点3、4之间是末端两个饱和电抗器和6个晶闸管级的等效模型，则该阀模块中的四个屏蔽罩的电位分别与图中节点1-4相等。

设节点1-4的电位分别为V1、V2、V3、V4。实际情况下，当阀模块两端加载冲击电压时，由于屏蔽罩寄生电容的存在将导致V1-V2与V3-V4不相等。这里先忽略寄生电容的影响，认为在每个阀模块中这两部分的电压相等。

定义阀模块屏蔽罩电压关联系数s为

s＝(V1-V2)/(V1-V4)

由此可得出阀模块中四个屏蔽罩的电位与阀模块首尾个屏蔽罩的电位关联关系如下：

这里认为同一阀层中的两个阀模块端电压相等，则推广到阀层中，阀层中八个屏蔽罩的电位与阀层首尾个屏蔽罩的电位关系表达式为：

最终得出得出阀塔屏蔽罩42个导体间的电位关联矩阵如下：

由模型理论相关知识可知，V1-V2、V1-V4两者的值分别与阀模块节点1、2之间等效模型的阻抗值Z12与节点1、4之间等效模型的阻抗值Z14成正比。

S＝|Z12|/|Z14|

在Simulink中分别仿真获得节点1、2之间等效模型与节点1、4之间等效模型的阻抗频率特性，并将两者的阻抗值相除，获得如图9所示的s-f(阀模块屏蔽罩电压关联系数-频率)特性曲线。当在阀模块两端加载频率较高的冲击电压时，阀模块屏蔽罩电压关联系数的取值应该取图中高频段的数值，这里取s为0.49。由此即可获得阀塔屏蔽罩导体电位关联系数矩阵。

在Solidworks建模软件中建立直流换流阀塔屏蔽罩三维模型；将模型导入ANSYS有限元软件，按照获得阀塔屏蔽罩导体电位关联系数矩阵，计算阀塔屏蔽罩导体的相应电位值并分别赋相应的电位，计算获得6阶的等效端子电容矩阵。

结合以上两部分内容，将所获得的阀层内关键元器件集总参数等效模型和阀层端子电容按照阀塔的实际电气连接状况进行串联和并联，最终得到如图10所示的特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型。其中VL表示阀层内关键元器件集总参数等效模型，其模型结构已在图4中给出。

如图11所示，仿真了在陡波冲击电压下本发明所建立的模型与文献2中模型的各层对地电压波形的结果对比，两者基本重合，由此可知本发明的准确性非常高。

本发明具体应用时可以采用仿真软件(如PSCAD、Simulink等)搭建模型，进行相关的仿真分析。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。