一種減少換流閥換相失敗的電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種減少換流閥換相失敗的電路，在換流閥的橋臂晶閘管處反向并聯(lián)二極管。所述二極管反向并聯(lián)于多個(gè)串聯(lián)晶閘管中的若干晶閘管之間。本發(fā)明采用在橋臂晶閘管處反向并聯(lián)二極管及部分晶閘管采用快速晶閘管，將換相過(guò)程中，應(yīng)關(guān)斷橋臂承受的反向電壓集中到部分晶閘管（最好是快速晶閘管）上，首先關(guān)斷部分晶閘管，實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋臂的關(guān)斷。橋臂關(guān)斷后，剩余晶閘管就有了足夠的關(guān)斷時(shí)間，可以順利關(guān)斷。由此實(shí)現(xiàn)橋臂的快速關(guān)斷，減小橋臂關(guān)斷所需的總的電壓時(shí)間面積，實(shí)現(xiàn)換流閥的快速換相，減少了換相失敗的發(fā)生。換流閥換相失敗是高壓直流輸電最常見(jiàn)的故障之一，有效地減少換相失敗故障的發(fā)生對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行具有重要意義。
【專利說(shuō)明】一種減少換流閥換相失敗的電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種減少換流閥換相失敗的電路。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，基于國(guó)家“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的電力工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，高壓直流輸電(HVDC)成為未來(lái)電力工業(yè)發(fā)展的重要方向。高壓直流輸電憑借其在遠(yuǎn)距離大容量輸電、電纜輸電和交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)，在近十年來(lái)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展與進(jìn)步，中國(guó)業(yè)已成為直流輸電第一大國(guó)。
[0003]高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電與交流電網(wǎng)互聯(lián)等方面發(fā)揮著不可替代的作用，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)具有重要的實(shí)際意義，因而如何預(yù)警與預(yù)防各種高壓直流輸電故障是目前亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。換流閥換相失敗是高壓直流輸電最常見(jiàn)的故障之一，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，每回直流每年發(fā)生幾次至十幾次換相失敗故障，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此，探索研究切實(shí)可行，行之有效的換相失敗預(yù)警與預(yù)防措施對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行意義重大，并具有現(xiàn)實(shí)的必要性與緊迫性。
[0004]目前主要采用的減少換相失敗的方法有:
[0005]1.利用無(wú)功補(bǔ)償維持換相電壓穩(wěn)定。采用無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)直流輸電系統(tǒng)尤其是聯(lián)于弱交流系統(tǒng)的直流系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，增大系統(tǒng)的有效短路比(ESCR)，用在換流站中可提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，減小換相失敗發(fā)生的幾率。
[0006]2.采用較大的平波電抗器限制暫態(tài)直流電流的上升。暫態(tài)時(shí)直流電流的上升容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗，當(dāng)逆變器發(fā)生一次換相失敗，逆變側(cè)的直流電壓為零時(shí)，相當(dāng)于直流線路末端短路，造成直流電流上升，如果直流電流上升較快，容易造成繼發(fā)性換相失敗，所以應(yīng)該采用較大的平波電抗器限制暫態(tài)直流電流上升。
[0007]3.增大超前觸發(fā)角β的整定值。增大超前觸發(fā)角β可以有效地減少逆變器發(fā)生換相失敗的可能性，但是β的增大是以減少直流系統(tǒng)傳輸?shù)墓β室约霸龃笙到y(tǒng)消耗的無(wú)功功率為代價(jià)的。若保持閥側(cè)電壓不變，增大β將導(dǎo)致逆變側(cè)直流電壓降低，在保持直流電流不變的情況下，直流傳輸?shù)墓β蕦?huì)減少。因此，增大超前觸發(fā)角β來(lái)避免換相失敗的方法是以犧牲直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的。
[0008]4.系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)降低換流變壓器漏抗。換流變壓器漏抗的降低將增大熄弧角，減少換相失敗的發(fā)生。變壓器漏抗是變壓器短路阻抗的一部分，當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí)，換流變壓器副邊短路，故障電流主要由變壓器短路阻抗限制。若換流變壓器的短路阻抗過(guò)小，將產(chǎn)生過(guò)大的故障電流。因而，降低換流變壓器漏抗也有一定的限度。
[0009]5.采用適當(dāng)?shù)挠|發(fā)脈沖控制方式。目前工程中常用的換流閥觸發(fā)脈沖控制方式有:換流閥等間隔觸發(fā)脈沖控制方式與逆變器定熄弧角控制。換流閥等間隔觸發(fā)脈沖控制方式:由于等間隔觸發(fā)脈沖控制方式不直接依賴于同步電壓，能獨(dú)立地產(chǎn)生等相位間隔觸發(fā)信號(hào)，使系統(tǒng)在逆變器交流側(cè)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)仍有較強(qiáng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力，減少了逆變器換相失敗的可能性。但當(dāng)交流母線電壓下降時(shí)，觸發(fā)脈沖難以做出相應(yīng)調(diào)整，仍有較大的換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。逆變器定熄弧角控制:逆變器實(shí)測(cè)式定熄弧角控制將實(shí)際測(cè)定的各閥熄弧角與其整定值進(jìn)行比較，若某個(gè)閥的熄弧角小于其整定值，則通過(guò)處理回路立即增大下一個(gè)閥的超前觸發(fā)角β，使逆變器運(yùn)行在恒定熄弧角以維持足夠的換相裕度，以減少換相失敗發(fā)生的概率，提高運(yùn)行可靠性。但由于閥的實(shí)際熄弧時(shí)間還會(huì)受到下一對(duì)閥換相的影響，當(dāng)交流電壓大幅下降時(shí)，仍難以避免換相失敗。
[0010]綜上所述，無(wú)功補(bǔ)償和平波電抗器會(huì)增大高壓直流輸電系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行成本，且只能一定程度的減小換相失敗發(fā)生的幾率。兩種觸發(fā)脈沖控制方式，各有利弊，仍然無(wú)法杜絕換相失敗故障的發(fā)生。增大超前觸發(fā)角β又會(huì)犧牲傳輸功率，增大系統(tǒng)無(wú)功消耗，降低了高壓直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，有必要探索一種經(jīng)濟(jì)有效的防治措施，在保證高壓直流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，盡可能的降低換相失敗故障的幾率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種減少換流閥換相失敗的電路，該電路能實(shí)現(xiàn)橋臂的快速關(guān)斷，減小橋臂關(guān)斷所需的總的電壓時(shí)間面積，實(shí)現(xiàn)換流閥的快速換相，減少換相失敗的發(fā)生。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0013]一種減少換流閥換相失敗的電路，在換流閥的橋臂晶閘管處反向并聯(lián)二極管。
[0014]所述二極管反向并聯(lián)于多個(gè)串聯(lián)晶閘管中的若干晶閘管之間。
[0015]所述換流閥的橋臂晶閘管中一部分晶閘管為快速晶閘管。
[0016]本發(fā)明中反向并聯(lián)二極管的設(shè)置與現(xiàn)有的二極管反向并聯(lián)設(shè)置不同(例如中國(guó)專利申請(qǐng):200580024917.4,201210455692.X,201210507352.7)，其區(qū)別是，現(xiàn)有的二極管反向并聯(lián)于單個(gè)晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間，等同于逆導(dǎo)型晶閘管，而本發(fā)明中，是將二極管反向并聯(lián)于多個(gè)串聯(lián)晶閘管中的若干晶閘管之間。其出發(fā)點(diǎn)是不一樣的，逆導(dǎo)型晶閘管的目的是改善晶閘管的開(kāi)關(guān)特性，使之具有耐高壓、耐高溫、關(guān)斷時(shí)間短、通態(tài)電壓低等優(yōu)良特性。而本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是將外加的反向電壓通過(guò)反向并聯(lián)的二極管集中于少數(shù)未反向并聯(lián)二極管的晶閘管上，使之承受更大的反向電壓，促進(jìn)其反向關(guān)斷過(guò)程，節(jié)約關(guān)斷時(shí)間，節(jié)約換流閥換相時(shí)間。并不能簡(jiǎn)單的采用逆導(dǎo)晶閘管代替本發(fā)明的設(shè)計(jì)，本發(fā)明的使用范圍是換流閥的應(yīng)用，在換流閥中，其橋臂是要能夠承受反向電壓的，而逆導(dǎo)型晶閘管并不能承受反向電壓，當(dāng)反壓時(shí)，其反向并聯(lián)的二極管是導(dǎo)通的，并不滿足換流閥的要求。
[0017]現(xiàn)有的分析中，多將換流閥的橋臂等效為一個(gè)晶閘管，而實(shí)際情況是，橋臂是多個(gè)晶閘管的串聯(lián)，這樣簡(jiǎn)化之后就難以想到通過(guò)反向并聯(lián)二極管將部分晶閘管短路，集中反向電壓，促進(jìn)橋臂關(guān)斷，節(jié)約換相時(shí)間。
[0018]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用在橋臂晶閘管處反向并聯(lián)二極管及部分晶閘管采用快速晶閘管，將換相過(guò)程中，應(yīng)關(guān)斷橋臂承受的反向電壓集中到部分晶閘管(最好是快速晶閘管)上，首先關(guān)斷部分晶閘管，實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋臂的關(guān)斷。橋臂關(guān)斷后，剩余晶閘管就有了足夠的關(guān)斷時(shí)間，可以順利關(guān)斷。由此實(shí)現(xiàn)橋臂的快速關(guān)斷，減小橋臂關(guān)斷所需的總的電壓時(shí)間面積，實(shí)現(xiàn)換流閥的快速換相，減少了換相失敗的發(fā)生。換流閥換相失敗是高壓直流輸電最常見(jiàn)的故障之一，有效地減少換相失敗故障的發(fā)生對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行具有重要意義。[0019]本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)橋臂的快速關(guān)斷，減小橋臂關(guān)斷所需的總的電壓時(shí)間面積，實(shí)現(xiàn)換流閥的快速換相，減少了換相失敗的發(fā)生。
[0020]本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)原有設(shè)備改造較少，是切實(shí)可行，行之有效的換流閥拓?fù)涓倪M(jìn)方法，能夠以較小的改造成本，極大地減少換相失敗的發(fā)生，對(duì)相關(guān)工程應(yīng)用具有重要意義。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是逆變側(cè)六脈動(dòng)換流閥接線圖；
[0022]圖2是逆變側(cè)六脈動(dòng)換流閥換相過(guò)程示意圖；
[0023]圖3是晶閘管關(guān)斷過(guò)程波形圖；
[0024]圖4是換流閥優(yōu)化設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D；
[0025]圖5是換流閥拓?fù)鋬?yōu)化仿真模型圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]主要原理如下:
[0028]首先介紹換相失敗的發(fā)生機(jī)理，如圖1所示為逆變側(cè)六脈動(dòng)換流閥接線圖，Id為直流電流，Ld為平波電抗器，以V6和V5導(dǎo)通，并由V5向Vl換相為例，解釋換相失敗的發(fā)生機(jī)理，示意圖如圖2所示，其中μ為換相重疊角，β為超前觸發(fā)角，Y為熄弧角。
[0029]在由V5向Vl換相的過(guò)程中，Vl兩端為03與e。，承受正壓ea。。要實(shí)現(xiàn)V5向Vl換相，必須滿足e。< ea,因此換相必須在自然換相點(diǎn)Ctl之前完成。由于V5在關(guān)斷后需要一個(gè)載流子恢復(fù)過(guò)程，為保證剛關(guān)閉的橋臂能夠完全恢復(fù)到阻斷狀態(tài)，需要足夠大的熄弧角Y。若熄弧角Y過(guò)小，過(guò)了自然換相點(diǎn)Ctl后，V5尚未完全恢復(fù)阻斷狀態(tài)，便又承受正向電壓eM，此時(shí)V5會(huì)重新導(dǎo)通，使Vl承受反壓而關(guān)斷，發(fā)生換相失敗故障。換相失敗多發(fā)生逆變側(cè)換流閥，而整流側(cè)換流閥在電流關(guān)斷后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受反壓，不易發(fā)生換相失敗故障。
[0030]其次介紹晶閘管的特性，晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器。晶閘管正常工作時(shí)的特性如下:
[0031](I)當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。
[0032](2)當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。
[0033](3)晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。
[0034](4)若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。
[0035]下面重點(diǎn)介紹晶閘管關(guān)斷過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，如圖3所示。
[0036]由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。陽(yáng)極電流將逐步衰減到零，然后在反方向會(huì)流過(guò)反向恢復(fù)電流，經(jīng)過(guò)最大值Iffl后，再反方向衰減。同樣，在恢復(fù)電流快速衰減時(shí)，由于外電路電感的作用，會(huì)在晶閘管兩端引起反向的尖峰電壓uKKM。最終反向恢復(fù)電流衰減至接近于零，晶閘管恢復(fù)其對(duì)反向電壓的阻斷能力。從正向電流降為零，到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間，就是晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時(shí)間U。反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束后，由于載流子復(fù)合過(guò)程比較慢，晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間，這叫做正向阻斷恢復(fù)時(shí)間U。在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。所以實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。晶閘管的電路換向關(guān)斷時(shí)間t,定義為與U之和，即
[0037]tq = trr+tgr
[0038]普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約為幾百微秒。
[0039]本發(fā)明通過(guò)反向并聯(lián)二極管，將換相過(guò)程中，應(yīng)關(guān)斷橋臂承受的反向電壓集中到部分晶閘管(最好是快速晶閘管)上，首先關(guān)斷部分晶閘管，實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋臂的關(guān)斷。橋臂關(guān)斷后，剩余晶閘管就有了足夠的關(guān)斷時(shí)間，可以順利關(guān)斷。采用這種方法有效地減少了橋臂所需的關(guān)斷時(shí)間，減少了換相失敗的發(fā)生，如圖4所示，并在Saber軟件中搭建模型，如圖5所
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[0040]未反向并聯(lián)二極管時(shí)，當(dāng)由V6-V5通路換到V6-V1通路時(shí)，首先Vl觸發(fā)導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓由e。升為，V6-V5通路的電流逐漸向V6-V1通路轉(zhuǎn)移。至某一時(shí)刻，電流轉(zhuǎn)移
完畢，V5橋臂流過(guò)的正向電流降為零，B點(diǎn)電壓由升為ea，V5橋臂的晶閘管串聯(lián)承受ea-ec的反向電壓用于關(guān)斷過(guò)程。
[0041]為減少橋臂關(guān)斷時(shí)間，如圖4所示反向并聯(lián)二極管。當(dāng)由V6-V5通路換到V6-V1通路時(shí)，首先Vl觸發(fā)導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓由e。升為。此時(shí)，并聯(lián)二極管正向?qū)?，V5橋臂
的FST晶閘管承受的反向電壓，用于關(guān)斷過(guò)程。V6-V5通路的電流逐漸向V6-V1通路
轉(zhuǎn)移。至某一時(shí)刻，電流轉(zhuǎn)移完畢，V5橋臂流過(guò)的正向電流降為零，B點(diǎn)電壓由-升為
ea，V5橋臂的FST晶閘管(快速晶閘管)串聯(lián)承受ea-e。的反向電壓用于關(guān)斷過(guò)程。由于FST晶閘管自身的快速開(kāi)關(guān)特性以及在換相過(guò)程中承受更大的反向電壓，因而可以更快的完成關(guān)斷過(guò)程。FST晶閘管順利關(guān)斷后，V5橋臂開(kāi)路，其余晶閘管及并聯(lián)二極管有更多的時(shí)間完成關(guān)斷過(guò)程。由此實(shí)現(xiàn)了換流閥的快速換相，減少了換相失敗的發(fā)生。
[0042]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種減少換流閥換相失敗的電路，其特征是，在換流閥的橋臂晶閘管處反向并聯(lián)二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的減少換流閥換相失敗的電路，其特征是，所述二極管反向并聯(lián)于多個(gè)串聯(lián)晶閘管中的若干晶閘管之間。
【文檔編號(hào)】H02M1/06GK103457504SQ201310430659
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】劉民, 云玉新, 姚金霞 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院