一种IGCT-LCC换流阀的制作方法

一种igct-lcc换流阀
技术领域
1.本发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及一种igct-lcc换流阀。


背景技术：

2.目前，大部分高压直流(high voltage direct current，hvdc)输电系统都是采用电网换相换流器(line-commuted converter，lcc)构建而成。电网换相换流器(lcc)采用的是半控型晶闸管器件，由于无法关断直流电流而存在换相失败的固有问题。当交流电网电压扰动时，容易发生受端换相换流器换相失败，进而导致直流功率输送中断、送端出现过电压的现象。所谓换相(line-commuted converter)是借助于换流阀的开通和关断，使流经换流器的电流从一个电流路径转移到另一个电流路径。
3.现有技术通过将集成门极换向晶闸管(integrated gate commutated thyristors，igct)加入到lcc的桥臂中构建出的igct-lcc结构，能够在多种故障下主动关断lcc换流桥臂，从而缩短故障时间以降低直流系统对交流系统的扰动，有效地解决了lcc换相失败问题，进而提升了lcc直流系统适应弱交流系统的能力，非常适宜于已建直流工程的改造，且只需在故障时主动关断，降低了对器件的要求，具备工程可行性。
4.由于高压和特高压直流输电换流阀的每个桥臂由多达几十个igct级串联组成，在运行时，一个桥臂上的各个igct级被看做一个整体需要同时开通和关断，但是同一桥臂上的各个igct级往往存在开通及关断时间不一致的情况，而且先被开通和后被关断的igct级会优先受到电压冲击，容易造成先被开通和后被关断的igct级过电压击穿而损坏，一般的解决方案是在igct级中的igct器件两端并联由电阻和电容串联组成的缓冲回路，以此缓冲过电压，使各个igct级两端的电压得到均衡。
5.阻尼电容通常根据如下公式进行选取：
[0006][0007]
式中，c表示阻尼电容容值，ia表示igct最大关断电流，
△
t表示igct最大关断时间差，n表示串联igct的数量，ua表示igct最大承受电压，ku表示igct的最大不均压系数。
[0008]
由此可知，对于几十各串联的igct级，如果不采取其他保护措施，阻尼电容容值高达上百微法，既使将一个桥臂分成若干阀段，比如将每5个igct作为一个阀段，阻尼电容也会达到十几微法。对于电网换相换流阀，缓冲回路的损耗与阻尼电容容值成正比，常规的晶闸管换流阀阻尼电容一般在1.6uf-2.4uf之间，正常运行时缓冲回路损耗占换流阀总损耗的20％左右；如果阻尼电容容值达到10uf，缓冲回路损耗占换流阀总损耗的比例将高于50％，也就是由于阻尼电容容值大，导致阻尼电容占用换流阀的损耗非常大。


技术实现要素：

[0009]
本发明的目的在于提供一种igct-lcc换流阀，用以解决现有技术存在的为了避免
换流阀同一桥臂上的各个igct级开通或关断时间不一致而发生igct级受到过电压冲击的现象，而在igct器件两端并联电容容值较大的阻尼电容，但是会导致换流阀损耗大的问题。
[0010]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种igct-lcc换流阀，包括换流器，换流器包括至少四个桥臂，每个桥臂包括串联连接的至少三个igct级，每个igct级都包括有igct器件以及与igct器件并联连接的缓冲电路，每个igct级还包括有与igct器件并联的避雷器和旁路开关，旁路开关用于在与其并联的igct器件故障时闭合。
[0011]
有益效果：本发明通过在每级igct器件两端并联避雷器，用来限制igct关断过程产生的过电压，作为rc缓冲电路抑制关断过程产生的过电压的补充，不仅能够起到过电压保护的作用，而且可以减小阻尼电容容值，从而减小换流阀损耗。同时，在igct器件两端并联旁路开关，当某个igct器件故障不能开通或关断时，通过闭合该旁路开关将该故障igct器件旁路，从而保护避雷器，同时也避免对其他正常igct造成影响。
[0012]
进一步地，每个igct级还包括有与igct器件并联连接的静态均压电阻。
[0013]
有益效果：通过将静态均压电阻并联在igct器件两端，为串联的igct级均衡电压，避免igct级因过电压击穿而损坏。
[0014]
进一步地，缓冲电路由电阻和电容串联组成。
[0015]
有益效果：由r1和ci串联组成的rc缓冲回路，能够在换流阀动作时使串联的igct级均压，同时抑制各igct级关断过程产生的过电压。
[0016]
进一步地，igct器件为rb-igct器件。
[0017]
有益效果：本发明选用的rb-igct器件是具有反向阻断能力的igct，而且具备开关速度快、通态损耗低、阻断电压高、功率容量大和可靠性高的优点。
附图说明
[0018]
图1是本发明的rb-igct换流阀直流系统逆变侧拓扑图；
[0019]
图2是本发明的基于rb-igct的电网换相换流阀拓扑图；
[0020]
图3是本发明的rb-igct级示意图；
[0021]
图4是rb-igct开通关断波形图；
[0022]
图5是rb-igct反向关断波形图。
具体实施方式
[0023]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明技术原理及实际应用进行进一步详细说明。
[0024]
igct-lcc换流阀实施例：
[0025]
本发明通过在每级igct两端并联一个避雷器，不仅能够起到过电压保护的作用，而且可以减小阻尼电容容值，从而减小换流阀损耗。进一步，为了保护避雷器，在rb-igct两端并联一个旁路开关，在某个rb-igct故障不能开通时，通过闭合旁路开关，将该故障rb-igct旁路，从而保护避雷器，同时也避免了对其他正常的rb-igct造成影响。
[0026]
本实施例的igct-lcc换流阀的逆变侧采用单个6脉动换流器串联，每个桥臂包括串联连接的至少三个igct级，每个igct级都包括有igct器件以及与igct器件并联连接的缓冲电路，如图1所示，图中u
dc
表示直流电压，l
dc
表示平波电抗器，表示换相电感，u
abc
表示三
相交流电源，ia、ib、ic分别表示三相交流电流，s
1-s6分别表示6个桥臂，每个桥臂是由n个相同的逆阻型igct(即rb-igct)级，即igct1～igctn串联构成的电网换相换流阀，如图2所示。
[0027]
由于工程实际中基于rb-igct的电网换相换流阀中的每个桥臂往往由几个至几十个rb-igct器件串联组成，且多个rb-igct器件的开通和关断时间不一致，容易造成后被开通和先被关断的rb-igct器件被过电压击穿而损坏。因此，在开通和关断时都要进行过电压保护，具体的保护方式分别如下：
[0028]
对于开通不一致而造成过电压的情况，由于rb-igct开通时间较短，一般为2μs左右，现有技术通常采用击穿二极管(break over diode，bod)或逻辑电路实现过电压保护。
[0029]
例如，方法一，将击穿二极管和晶闸管串联，当晶闸管两端电压超过bod转折电压后，bod器件将对晶闸管进行元件级可靠保护，避免晶闸管被击穿，使晶闸管触发导通。该方法可以根据需要把晶闸管阳极的高电压(峰值高达8kv)引入tcu板。
[0030]
方法二，tcu实时采集经过分压以后的晶闸管两端电压，一旦正向电压或du/dt达到保护水平，tcu将触发晶闸管并向vbe发送该保护动作信号，保护晶闸管的安全。该方式引入tcu的电压只有几百伏，所需的绝缘距离很小，电路板体积较小，比较紧凑，而且保护水平能够连续平滑调节，非常灵活。
[0031]
对于关断不一致而造成过电压的情况，本实施例通过在rb-igct两端并联rc缓冲电路和避雷器，作为动态均压、抑制过电压的措施，增加并联避雷器，能够减小rc缓冲电路的电容值，从而能够大幅度地减小换流阀的损耗。
[0032]
但是，当在每一个rb-igct两端并联避雷器作为过电压保护时，如果有一级rb-igct故障无法开通，则在该桥臂开通时，与故障rb-igct并联的避雷器会承受过电压而动作，从而建立电流通路，那么避雷器就会周期性地吸收能量，容易造成避雷器能量越限而损坏甚至爆炸，进而影响整个换流阀的正常运行，因此，本实施例在rb-igct两端并联一个旁路开关，在某个rb-igct故障不能开通时，通过闭合旁路开关，将该故障rb-igct旁路，从而保护避雷器，同时避免对其他正常的rb-igct造成影响。
[0033]
基于以上考虑，本实施例的每个rb-igct级均包括有一个rb-igct以及分别与rb-igct并联连接的rc缓冲电路、金属氧化物避雷器(moa)、旁路开关和静态均压电阻r
dc1
，如图3所示。其中，rc缓冲回路由r1和ci串联组成，其作用是在动态时使串联的rb-igct均压，同时抑制rb-igct关断过电压；金属氧化物避雷器moa1的作用是限制rb-igct关断过电压，作为rc缓冲电路抑制关断过电压的补充，用以减小rc缓冲电路电容值，减小换流阀损耗；旁路开关k1的作用是防止在rb-igct不能正常触发时避雷器吸收能量越限；静态均压电阻rdc1的作用是为串联的rb-igct为串联的igct级均衡电压，避免igct级因过电压击穿而损坏。
[0034]
对于一个桥臂中串联的n个rb-igct器件，在一个周期内存在四个工作模式，即开通、通态、关断和断态，图4所示左侧为开通波形，右侧为关断波形，其中，关断模式包括反向关断和正向关断两种模式，其中，反向关断模式与晶闸管关断相同，电流在反向电压作用下关断，图5所示为vd＜0时的rb-igct反向关断波形；正向关断模式则通过门极主动关断。
[0035]
基于rb-igct的电网换相换流阀的工作原理为：当系统正常运行时，rb-igct处于反向关断模式；当系统出现换相失败时，rb-igct则工作在正向关断模式，此时可以主动关断rb-igct使换流阀被迫换相，从而抑制换相失败的情况发生。基于该工作原理，本实施例在电网换相换流阀运行过程中实时检测各个rb-igct级两端的电压，当检测到本应处于关
断状态的rb-igct级却处于导通状态时，向该rb-igct级下发关断指令，确保换流阀换相成功。
[0036]
本实施例中选用的避雷器为金属氧化物避雷器，作为其他实施方式，可根据实际需要选用管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器中的任一种或几种。