HVDC整流侧阀饱和电抗器铁损仿真研究

建立了用以研究直流输送电流对饱和电抗器铁心损耗影响的,包含带反向恢复特性的晶闸管模型与非线性饱和电抗器模型的12脉动高压直流输电换流阀仿真模型,其中饱和电抗器模型是由非线性电阻模型与受控电流源并联构成的。以锦屏—苏南±800 kV/4 750 A高压直流输电工程整流侧使用的A5000换流阀为例,仿真了3组不同直流线路电流条件下饱和电抗器铁心损耗,仿真结果与现场实测数据相符。饱和电抗器的铁损不仅包括换流阀开通时产生的铁损,在换流阀关断以及断态时也会产生铁损。饱和电抗器铁损随直流电流的升高而增加。     

高压直流输电系统逆变侧阀饱和电抗器电气应力研究

为分析特高压直流输电工程中,逆变侧换流阀饱和电抗器的电气应力及损耗特性,建立了带反向恢复特性晶闸管模型和非线性饱和电抗器模型的高压直流输电逆变侧12脉动换流阀仿真模型。以锦屏—苏南±800kV/4 750 A直流输电工程使用的A5000换流阀为基础,计算了A5000换流阀工作在逆变状态时的电气应力和饱和电抗器损耗。结果表明,逆变侧换流阀承受较高的开通电压,电抗器的开通损耗远高于整流侧。但由于逆变侧换流阀承受较低的关断应力与断态应力,逆变侧的饱和电抗器损耗与整流侧总体相当。A5000换流阀可以在逆变状态下安全运行。     

直流输电换流阀阻尼系统特性研究

直流换流阀阻尼系统由饱和电抗器铁心电阻和晶闸管级阻尼电阻2部分组成。该文提出了饱和电抗器动态电感和铁心电阻分析计算方法,建立了铁心电阻与磁通密度的函数关系及饱和电抗器等值电路模型。通过对高频电压源激励下端口伏安特性理论计算结果与试验测试结果对比,验证了模型的正确性。提出了阻尼系统抑制振荡电流性能分析方法,给出了晶闸管第1个电流波谷值处于局部极限值的阻尼系统配置方案;分析了阻尼系统冲击电压下辅助限制过电压性能;提出了阻尼系统损耗计算方法,研究了换流阀不同运行状态下的损耗性能。     

基于试验数据的6250A换流阀逆向校核分析

±800k V/6250A特高压直流输电工程输电电流从5000A提升至6250A对换流阀关键零部件的热特性、电气特性等均提出了新的要求,给换流阀关键零部件的研制带来巨大的挑战。为保证6250A换流阀满足直流工程设计要求,提出了一种基于试验数据的6250A换流阀逆向校核方法。通过试验数据建立换流阀关键元器件电气仿真模型,保证模型的精确性;同时,开展组件研发试验,重点考核了在最严酷工况下换流阀所有性能是否具备充足的设计裕度;最后通过仿真和试验结果对比,逆向校核6250A换流阀可靠性,保证了直流工程顺利实施。     

HVDC阳极饱和电抗器阻尼弹性体降振降噪试验研究

高压直流输电换流阀中由阳极饱和电抗器引起的振动噪声问题直接关系到系统的稳定运行和环境友好性,目前对阳极饱和电抗器的阻尼弹性体降振降噪研究较为匮乏。以锦屏—苏南±800k V/4750A高压直流输电工程使用的阳极饱和电抗器为试验对象,取出阳极饱和电抗器中一对铁心并缠绕激励线圈,测量了一对铁心在不同激励下的振动噪声。同时为降低铁心的噪声,对铁心加装阻尼弹性体降噪,并采用相同的激励对阳极饱和电抗器铁心的振动噪声进行测量,分析比较测量结果,得出阻尼弹性体对铁心的降振降噪效果十分明显。此研究结果对阳极饱和电抗器以及高频设备降振降噪研究具有参考价值。     

特高压直流换流阀非周期触发暂态特性分析

±800 kV/4 750 A特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)换流阀通过了型式试验。饱和电抗器是换流阀中晶闸管的串联保护元件,深入研究其电气特性对于提高换流阀的可靠性有重要意义。分析了特高压换流阀在非周期触发工况下,晶闸管开通物理过程及电气应力;分析了饱和电抗器各电气参数、铁芯电感和铁芯等值电阻动态过程对开通应力的影响。研究了饱和电抗器与晶闸管协调配合工作的原则,提出了饱和电抗器电气参数设计方法。仿真结果显示,饱和电抗器在非周期开通过程中起到了很好的保护作用,浪涌电流峰值及电流变化率均在晶闸管耐受范围内。     

±1100 kV/5455 A特高压直流换流阀饱和电抗器散热设计与研究

饱和电抗器是换流阀中保护晶闸管的关键部件,运行时饱和电抗器铁心产生的损耗导致铁心温度升高,严重情况下会导致饱和电抗器失效,从而威胁换流阀的安全运行。为降低饱和电抗器铁心温度,确保特高压直流工程可靠性,必须研究铁心散热性能并优化饱和电抗器结构。首先,研究了壳式饱和电抗器内部结构,分析了铁心散热的机理;然后,通过对饱和电抗器内外部结构的优化,为±1 100 kV/5 455 A特高压直流工程设计开发了一款螺旋结构的饱和电抗器,运行时外壳周围形成多重散热风道,优化了散热效果;最后,基于光纤测温原理,在饱和电抗器样机内部铁心表面预埋测温光纤,并在合成试验平台上对饱和电抗器进行长期连续额定负荷运行工况下的铁心测温试验。结果表明:螺旋式饱和电抗器相比于普通壳式饱和电抗器铁心温度大大降低,满足特高压直流工程对饱和电抗器运行可靠性的要求。     

锦屏—苏南±800kV特高压直流工程晶闸管换流阀

换流阀是特高压直流输电工程中主要关键设备,其设计的可靠性直接影响直流系统的安全可靠运行。文中介绍了锦屏—苏南±800 kV特高压直流工程晶闸管换流阀主要技术参数。主要从电压应力、电流应力、水冷系统、晶闸管参数4个方面和先前投运的向家坝—上海±800 kV特高压直流工程晶闸管换流阀进行了对比分析。验证了锦屏—苏南特高压直流工程晶闸管换流阀整体性能比向家坝—上海±800 kV直流工程有所提升,可以长期安全可靠运行;同时也为后续±800 kV特高压直流工程换流阀的设计和制造奠定了良好的基础。     

新一代±800 kV/8 GW特高压直流换流阀用饱和电抗器温升试验及比对分析

为研究特高压直流输电工程换流阀用饱和电抗器的温升特性,掌握内部铁芯温度分布规律,分析了现有换流阀用饱和电抗器损耗及铁芯温升计算模型,提出了基于预埋光纤温度传感器的特高压直流换流阀用饱和电抗器温升试验方法,实现了对电抗器内部全部铁芯的直接温度测量。依托新一代±800 kV/8 GW特高压直流工程,设计了高频电源等效铁芯损耗加载以及合成回路阀组件运行试验加载2种试验条件,分别测量了4种型号的换流阀饱和电抗器关键点温度,比对分析了铁芯温度分布特性。试验结果表明,2种试验加载方式下,饱和电抗器内部靠近进出水口位置铁芯温度低于其他位置的铁芯温度,各型号饱和电抗器温升特性规律基本一致;在换流阀运行条件下,各电抗器铁芯最高温度均小于90 ℃,外壳表面温度均小于75 ℃,满足工程要求。     

晶闸管换流阀反向恢复特性建模及阻容参数优化设计

晶闸管换流阀作为特高压直流输电的核心设备,其阻容参数设计关系到换流阀的性能乃至整个直流输电工程的安全可靠。基于晶闸管反向恢复电流的指数衰减模型,建立了换流阀关断时刻的数学模型,求解出晶闸管换流阀的反向恢复电压计算公式,总结出阻容参数对反向恢复电压过冲的影响规律。同时考虑关断时刻电压下降率、开通时刻电流上升率以及阻尼损耗等性能指标的限制,提出一种换流阀阻容参数的优化设计方法。在PSCAD/EMTDC中搭建12脉动换流器模型,对阻容参数的优化设计结果进行了仿真验证。     

高压直流换流阀用饱和电抗器性能研究

随着高压直流输电换流阀自主化的推进,换流阀饱和电抗器逐步实现了国产化并在工程中应用。为了进一步研究换流阀饱和电抗器的性能,文中结合某型式的±500 kV换流阀饱和电抗器,对饱和电抗器的水压耐受能力、直流损耗、饱和特性、温升水平、故障电流耐受能力及冲击电压下的阻抗特性等进行了研究,并将国产和进口饱和电抗器的各项性能进行了对比。结果显示,目前国产饱和电抗器的性能与进口电抗器并无差异,且部分性能指标优于进口电抗器,这既是国内厂家依托工程逐步提高的结果,也表明该型式的国产饱和电抗器的整体性能已达到国际先进水平,研究结果对后续特高压换流阀饱和电抗器的研制具有指导和借鉴意义。     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

±800kV换流阀组件内关键部位电位分布测量与分析

随着±500 k V直流输电工程在中国电网上的可靠运行,直流输电的节能性、可靠性、稳定性得到验证;随着多项±800 k V特高压直流输电工程的顺利建成,中国在特高压直流输电线路的建设和工程运行中积累了丰富的经验。直流输电发展趋势向着超高电压、大电流(3 000~4 500 A)方向发展,超高电压、大电流的直流输电换流阀的制造主要依靠国外技术。为了研制超高电压、大电流的直流输电换流阀,就必须研究超高电压、大电流的直流输电换流阀的结构、技术参数,借鉴先进技术,取长补短,研制拥有自主知识产权的新型超高电压、大电流的直流输电换流阀,满足市场需要。研究±800 k V换流阀组件内电位分布的特性,为换流阀设计提供可靠、准确的设计依据;研究测量电位分布的的方法及测试技术,为进一步研究换流阀的电位分布积累基础数据。     

巴西美丽山Ⅱ期直流工程用饱和电抗器铁心损耗优化与特性分析

巴西美丽山II期直流工程在工作频率、换流器拓扑、环境温度等方面与国内直流工程存在较大差异,若直接套用国内工程用饱和电抗器存在铁心损耗大、温升过高等问题。此外,饱和电抗器运行时温度较高一直是影响换流阀可靠性的潜在隐患。因此,亟需开展饱和电抗器的损耗优化研究,保证工程长期运行的可靠性。以巴西直流工程为切入点,开展了饱和电抗器铁心损耗研究,给出了一种通过调整铁心气隙减小铁心损耗的优化方法,分析了损耗降低机理,研制了饱和电抗器样机,结合仿真和试验分析手段,研究了调整电感值后饱和电抗器电气特性,验证了该方法的有效性。该优化方法不会影响饱和电抗器的外部结构和阀塔的整体结构设计,因此具有工程兼容性高、成本低的优点。同时,提供的优化思路不仅适用于巴西直流工程,也为不同直流工程用饱和电抗器的可行性分析提供理论指导,支持特高压直流工程换流阀前期设计以及技术改造。     

±1100kV特高压直流换流阀饱和电抗器样机的失效模式与加速寿命试验方法

饱和电抗器是保护晶闸管的重要设备,其失效将威胁换流阀的安全运行。为提高特高压直流换流阀的可靠性,必须研究饱和电抗器的失效模式及其平均使用寿命。首先,研究了特高压直流换流阀饱和电抗器在额定运行工况下承受的电气和热应力;然后,分析了饱和电抗器在各种应力条件下的失效模式,并且找出了决定饱和电抗器失效的主要应力形式和部件;最后,基于环氧树脂的热加速寿命试验预计了饱和电抗器的平均使用寿命。结果表明:环氧树脂是饱和电抗器的薄弱环节,铁芯发热造成环氧树脂的温升是限制饱和电抗器寿命的主要因素;±1 100 k V换流阀饱和电抗器的平均使用寿命约为48 a,满足国家电网公司对饱和电抗器产品的可靠性要求。     

高压直流输电换流阀晶闸管级单元综合测试系统设计与实现

晶闸管换流阀是高压直流输电系统的核心设备,该设备运行状态直接影响了直流输电系统的运行可靠性。因此,在直流输电工程投运前及设备检修期间,电网设备运维单位有必要对换流阀晶闸管级单元进行例行测试。由于直流输电系统中晶闸管级单元数量庞大且晶闸管试验项目繁多,采用分离试验的方式,工作量巨大,因此设计并实现针对换流阀晶闸管级单元的综合测试系统具有重要工程价值。对晶闸管级单元的工作原理进行分析,结合IEC60700-1标准,提出换流阀晶闸管级单元的试验内容、原理及方法,并将开发的测试系统应用于±800 k V特高压直流输电工程换流站的晶闸管换流阀试验,测试结果证明该测试系统设计合理,满足工程应用需求。     

一种方形壳体式新型饱和电抗器研制与工程应用

饱和电抗器作为晶闸管换流阀的核心部件，主要用于抑制电流变化率、在高频电压冲击下分摊硅堆电压以及均衡换流阀电压分布的作用。西门子技术饱和电抗器结构复杂、水路接口多，随运行时间增加，工程中已多次出现漏水、二次电缆磨损、铁心硅钢片脱落、母排发热等问题，严重影响了直流系统安全稳定运行。文中以解决上述问题为目标，提出了一种用于工程改造替换进口电抗器的方形壳体式饱和电抗器设计方案，从饱和电抗器的关键参数设计、结构设计、水路设计和试验4方面，介绍了新型饱和电抗器的技术特点、性能指标和试验情况。该型饱和电抗器已在中国贵广和向上等直流工程中实现进口电抗器的批量替换，性能稳定，运行情况良好。同时也为后续新的高压直流工程换流阀设计提供了一种新的电抗器方案。     

特高压直流工程换流阀用晶闸管实际运行工况关断时间研究

为保证直流工程控制保护系统试验中换相失败判断的准确性,需模拟换流阀实际运行工况下晶闸管关断特性应力,从而获取实际直流工程中晶闸管最小关断时间。该文以±1100k V/5500A昌吉-古泉特高压直流工程为研究对象,分析实际工程晶闸管阀关断过程应力,基于LC谐振和冲击电压复合的等效测试方法,建立了晶闸管关断特性测试平台;通过工程控保联调试验,获取几种易引发换相失败故障的晶闸管阀电压、电流应力,并则算出单级晶闸管应力,在真实物理平台开展测试。测试结果表明,晶闸管在极端运行工况下,最小关断时间为385μs (7°)左右,准确修正了RTDS仿真模型中阀最小关断角度,支撑了直流工程控制保护系统联调试验的顺利进行,为直流工程现场调试奠定了技术基础。     

±800 kV特高压直流输电用6英寸大功率晶闸管换流阀

现如今,中国有多条±800 kV特高压直流输电项目正在建设或正在规划之中。较高的输电电压及其较高的稳态、瞬态过压而产生的晶闸管换流阀绝缘设计难点已在云南—广东±800 kV/5 000 MW直流输电工程中得到了研究和解决,但是在向家坝—上海特高压直流输电±800 kV/6 400 MW工程中,必须采用更大功率的晶闸管,才能满足额定电流4 000 A的要求。为了满足实际工程需要,基于硅片的新一代6英寸大功率晶闸管应运而生,同时,为了满足更高直流电流的要求,在晶闸管换流阀设计中,应用了相关新的设计技术。笔者介绍了向家坝—上海特高压直流输电工程中复龙站晶闸管换流阀设计,包括阀的结构、电气设计、机械设计、阀内部电器件选择等,另外,对6英寸晶闸管的特点作了介绍。复龙站换流阀型式试验已分别在德国西门子、中国西安高压电器研究院有限责任公司完成,试验结果表明,基于6英寸晶闸管的向家坝—上海±800 kV特高压直流输电工程复龙站换流阀设计可靠,可保证向家坝—上海输电工程复龙站换流阀的长期、可靠运行。     

一种晶闸管换流阀技术改造及工程应用

当前特高压直流输电容量越来越大,±800 k V/5 000 A特高压直流输电工程的额定容量已经达到8 000 MW,规划建设的后续±1 100 k V特高压直流工程容量可达11 000 MW,传输容量在受端电网所占容量比重也越来越高。在当前受端电网"弱交强直"的基本局面下,特高压直流输电工程运行的可靠性尤为重要。国家电网公司在运直流输电工程存在多种换流阀方案,近年来,某国外品牌技术路线特高压换流阀在运行过程中出现多次事故,给电网安全稳定运行带来极大影响,因此亟需对该方案换流阀进行技术改造,以提升其运行的稳定性和可靠性。结合工程实际,详细阐明改造方案,围绕其关键问题——晶闸管触发检测单元设计的缺陷,给出改造意见,并对相配套的阻尼电阻和阀模块绝缘配合重新进行设计,为验证改造方案的可行性,给出验证结果及型式试验结论。工程投运结果表明,改造后换流阀可靠性得到提高。