高壓直流換流閥飽和電抗器基本原理研究

趙冀川

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局,510000）

高壓直流換流閥飽和電抗器基本原理研究

趙冀川

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局,510000）

介紹了高壓直流輸電換流閥飽和電抗器基本原理、構(gòu)成及特點(diǎn)；分析了飽和電抗器的作用功能；對(duì)于電抗器的特性進(jìn)行了詳細(xì)的論述和研究，最后給出了基于某直流輸電工程實(shí)際運(yùn)行情況的高壓直流換流閥飽和電抗器的鐵損仿真實(shí)驗(yàn)。

高壓直流；換流閥；飽和電抗器；特性分析；鐵損磁滯仿真

1 飽和電抗器原理及特點(diǎn)

1.1 飽和電抗器原理

高壓直流輸電換流閥自主要共用是實(shí)現(xiàn)交直流變換，主要有飽和電抗器、晶閘管、阻尼電容、阻尼電阻等元器件構(gòu)成。其核心部件是飽和電抗器。

飽和電抗器構(gòu)造簡(jiǎn)單，類(lèi)似于變壓器，主要由鐵芯、線(xiàn)圈組成，飽和電抗器主要利用鐵磁質(zhì)磁化曲線(xiàn)飽和非線(xiàn)性特性，根據(jù)鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率為非常數(shù)特性關(guān)系工作。飽和電抗器內(nèi)部構(gòu)成完整磁通路，飽和電抗器是由C型鐵芯、線(xiàn)圈、散熱器、端子構(gòu)成，鐵芯是有很薄的硅鋼片疊加制成。

上式中，電感量在理想狀態(tài)下,滿(mǎn)足：

1.2 飽和電抗器特點(diǎn)及作用

飽和電抗器主要作用在于保護(hù)晶閘管不被損壞，調(diào)節(jié)換流閥主要設(shè)備，對(duì)阻抗進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，它具有損耗小、平滑調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)范圍廣等特點(diǎn)。在超高壓電網(wǎng)傳輸中，可用作調(diào)相調(diào)壓器件，在輸電系統(tǒng)中能夠有效抑制系統(tǒng)過(guò)電壓、功率振蕩和抑制諧波，提高電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，平衡負(fù)載，提高功率因數(shù)。在保護(hù)高壓直流換流閥晶閘管作用中，主要是：

（1）晶閘管開(kāi)通瞬間，具有較大的浪涌電流，而飽和電抗器可以增大阻抗，抑制浪涌電流快速增加；

（2）晶閘管開(kāi)通初期及關(guān)斷期，容易形成高頻震蕩，損壞換流閥，考驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)力作用，而飽和電抗器鐵芯渦流電阻能夠避免高頻振蕩電流的第1波谷電流過(guò)零，發(fā)揮阻尼作用；

（3）雷電時(shí)，形成過(guò)電壓沖擊，飽和電抗器承擔(dān)大部分雷電峰值電壓，降低晶閘管應(yīng)力，起到保護(hù)品閘管安全運(yùn)行的作用。

2 飽和電抗器的特性分析

2.1 伏安特性

圖1 伏安特性曲線(xiàn)

伏安特性是飽和電抗器重要特性之一，飽和電抗器伏安特性曲線(xiàn)如圖1所示。圖1二維坐標(biāo)中的橫軸為磁場(chǎng)強(qiáng)度（交流電流有效值），縱軸為磁感應(yīng)強(qiáng)度（交流電壓有效值）。曲線(xiàn)也叫作交直流同時(shí)磁化曲線(xiàn)。在控制電流恒定時(shí)，曲線(xiàn)首先第一段長(zhǎng)短隨直流電流增大而趨于延長(zhǎng)。這一階段表明電源電壓較低時(shí)，磁路磁通工作在磁激點(diǎn)附近，主要存在直流激磁。曲線(xiàn)的第2段處于恒流控制區(qū)，交流工作電流與直流控制電流成安匝關(guān)系，隨電壓變化可以忽略不計(jì)，此時(shí)電抗器感抗隨著電壓的升高而趨于降低。曲線(xiàn)第3段表示電抗器趨于并達(dá)到了飽和狀態(tài)。伏安特性曲線(xiàn)圖中，可發(fā)現(xiàn)，在磁感應(yīng)強(qiáng)度（交流電壓有效值）一定狀態(tài)下，飽和電抗器具有良好的線(xiàn)性控制特性。

2.2 輸入輸出特性

根據(jù)飽和電抗器工作原理分析，在電抗器電感極限變化范圍內(nèi)，鐵磁材料磁導(dǎo)率為非線(xiàn)性，飽和電抗器電感值也隨之產(chǎn)生非線(xiàn)性變化。而接近磁飽和狀態(tài)時(shí)，電抗器的輸入輸出特性（控制特性）接近線(xiàn)性。如圖2所示，橫坐標(biāo)表示勵(lì)磁電流值，縱坐標(biāo)分別表示電抗標(biāo)么值和輸出工作電流標(biāo)么值。在接入勵(lì)磁電源后，調(diào)節(jié)直流繞組勵(lì)磁電流并逐漸增大，電抗器的電抗值和輸出工作電流隨之變化的曲線(xiàn)。

圖2 控制特性曲線(xiàn)

圖4 中，隨著勵(lì)磁電流不斷增加，電抗器鐵芯逐漸趨于飽和，工作繞組的電抗值變小，工作電流逐漸變大。當(dāng)勵(lì)磁電流超增調(diào)到SA以后，輸出電流上升速度變化不大，趨于恒穩(wěn)，這時(shí)電抗器處于深度飽和狀態(tài)。

2.3 諧波分析

電力系統(tǒng)中，評(píng)價(jià)供電質(zhì)量的重要參數(shù)之一就是分析電網(wǎng)電壓的諧波分量。由于電網(wǎng)中接入非線(xiàn)性負(fù)荷較多，其向電網(wǎng)注入高次諧波電流，容易引起電網(wǎng)電壓波形畸變。而高次諧波對(duì)電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響較大，必須加以抑制。

飽和電抗器工作過(guò)程中多呈現(xiàn)出非線(xiàn)性狀態(tài)，交流工作電流中包含的奇次諧波和偶次諧波。其中奇次諧波成分較多，偶次諧波較少，飽和電抗器通路中，偶次諧波分量具有很好的通路，在實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)及測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)主要的奇次諧波為3次諧波，同時(shí)5， 7次偏多，這是由于電抗器采用鐵磁材料，由于材料本身特性決定的。在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，可以通過(guò)增加LC濾波進(jìn)行濾波，消除其次諧波的影響。另外在電抗器設(shè)計(jì)過(guò)程，電抗器繞組采用三角形連接方式，或者設(shè)計(jì)外延三角形或者曲折形狀連接，能夠有效消除電抗器自身諧波分量。在電抗器控制特性中，充分增大控制電流，增加電抗器飽和程度，也可減少諧波的影響。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

根據(jù)某直流輸電工程實(shí)際運(yùn)行情況，分別選取3種工況輸送的電流為2.1，3.2， 4.99 kA值對(duì)高壓直流換流閥飽和電抗器的鐵損進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析。如圖3所示。

圖3 飽和電抗器磁滯回線(xiàn)仿真

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，換流閥在晶閘管開(kāi)通事時(shí)，飽和電抗器鐵損的瞬時(shí)功率比晶閘管關(guān)斷時(shí)的鐵損瞬時(shí)功率大的多。逆變側(cè)飽和電抗器的磁滯回線(xiàn)主要分布在第1和第3象限，這說(shuō)明逆變側(cè)飽和電抗器的開(kāi)通損耗大于整流側(cè)，而關(guān)斷損耗則明顯小于整流側(cè)。在直流換流閥關(guān)斷的狀態(tài)下，直流換流閥承受電壓跳變時(shí)引起的電流脈沖，會(huì)引起電抗器鐵芯中產(chǎn)生磁滯回線(xiàn)。

4 結(jié)論

電力傳輸系統(tǒng)近年來(lái)得到長(zhǎng)足發(fā)展，基于直流換流閥的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這得益于電抗器以及晶閘管技術(shù)的成熟應(yīng)用。本文介紹了直流換向閥飽和電抗器的基本工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了其主要作用以及具備的特性，文章最后根據(jù)某直流輸電工程實(shí)際運(yùn)行情況，給出了高壓直流換流閥飽和電抗器的鐵損仿真實(shí)驗(yàn)。

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Study on the basic principle of the high voltage DC converter valve

Zhao Jichuan
（China Souther Grid Corp, Transmission Companies,Guangzhou,510000）

This paper introduces the HVDC converter valve saturation reactor basic principle,structure and characteristics;analyzes the function of saturable reactor;the reactor characteristics are discussed and studied,finally the simulation experiment of a high voltage DC loss of HVDC project based on the actual operation of the converter valves are saturable reactor.

HVDC;commutation valve;saturated reactor;characteristic analysis;simulation of hysteresis loss