一種模塊化多電平換流器過電壓計算方法

2023-05-19 13:50:11

專利名稱：一種模塊化多電平換流器過電壓計算方法
技術領域：
本發明涉及高壓直流輸電系統計算，具體涉及一種模塊化多電平換流器過電壓計算方法。
背景技術：
模塊化多電平換流器是一種以可關斷器件為基礎的新型換流器。在公開發表的「模塊化多電平電壓源換流器的數學模型」(王姍姍等.模塊化多電平電壓源換流器的數學模型.中國電機工程學報，31卷24期，2011.)中介紹了這種模塊化多電平換流器的發展歷程和數學模型。與傳統的線電壓換相換流器(Line Commutated Converter, LCC)相比具有以下特點1)電力電子器件由半控型器件(如晶閘管)升級為全控型器件(如門極可關斷晶閘管(GTO )、絕緣柵雙極電晶體(IGBT ) ); 2 )換流器流通電流方向由單向導通變為雙嚮導通；3)換流閥內部儲能元件由感性元件變為容性元件。這些特點使模塊化多電平換流器與傳統線換相換流器相比具有不同的過電壓機理和特性。目前針對線換相換流器過電壓的分析，均考慮換流器中存在的大量感性元件對暫態過電壓的阻尼作用，採用埠電容集中表示換流器的容性效應，或者採用簡單的平板電容假設進一步考慮屏蔽系統電容。由於模塊化多電平換流器的結構與線換相換流器存在本質不同，簡單的採用線換相換流器過電壓分析方法計算模塊化多電平換流器的過電壓將降低計算結果的準確度，特別是暫態過電壓的情況，甚至會導致錯誤的計算結果。換流器過電壓分析需要找到換流器所承受的最大過電壓。專利「高壓直流輸電系統換流站絕緣配合設計方法」(CN 101694939B)和專利申請「模塊化多電平變流器柔性直流輸電系統的絕緣配置方法」(CN 102185307A)介紹的方法反映了現有的換流器過電壓分析方法。該過電壓分析方法為了完成換流器的過電壓分析，需要考慮換流器所在系統的各個元件，甚至是多個輸電系統，建模工作量巨大。同時，為考察到換流器可能出現的最大過電壓，需要根據經驗選擇多種故障工況和運行方式，並進行過電壓分析、比較和判斷，計算量巨大且任務繁瑣。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種模塊化多電平換流器過電壓計算方法。所述方法採用電磁場理論計算換流器雜散參數並建立過電壓計算模型，採用電路理論計算換流器電氣節點對地和電氣節點間過電壓，基於金屬氧化物避雷器保護特性進行過電壓的分類分析，包括模塊化多電平換流器雜散參數提取、模塊化多電平換流器過電壓模型建立、根據避雷器保護特性計算換流器最大過電壓步驟。本發明的目的是採用下述技術方案實現的一種模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其改進之處在於，所述方法採用電磁場理論計算換流器雜散參數並建立過電壓計算模型，採用電路理論計算換流器電氣節點對地和電氣節點間過電壓，基於金屬氧化物避雷器保護特性對過電壓進行分類分析，包括模塊化多電平換流器雜散參數提取、模塊化多電平換流器過電壓模型建立、根據避雷器保護特性計算換流器最大過電壓步驟；一.模塊化多電平換流器雜散參數提取，包括下述子步驟1.1建立模塊化多電平換流器的三維離散模型根據換流器的母線、屏蔽罩、子模塊、橫梁的空間位置和幾何尺寸，建立換流器的幾何三維模型，並離散為節點模型；1. 2建立模塊化多電平換流器的電磁離散模型以換流器三維離散模型的節點、邊、面或體上的電磁量作為未知變量，建立給定激勵下離散化的麥克斯韋方程，其形式為線性代數方程；1. 3求解模塊化多電平換流器的電磁離散模型根據線性代數方程中係數矩陣的稀疏性進行電磁離散模型求解；1. 4提取模塊化多電平換流器雜散電感參數，根據電磁離散模型的分析結果，通過磁場矢量的積分計算換流器母線的單位長分布電感Lvs。；1. 5提取模塊化多電平換流器雜散電容參數，根據電磁離散模型的分析結果，通過電場矢量的積分計算換流器母線的單位長分布電容Cvs。；二.模塊化多電平換流器過電壓模型建立，包括下述子步驟2.1建立模塊化多電平換流器過電壓模型拓撲；2. 2輸入模塊化多電平換流器主參數主參數包括子模塊數N、子模塊額定電壓Usm、子模塊電容Csm、IGBT通態壓降UrcBT, on和斷態壓降Uigbt,、反並聯二極體通態壓降Ufto,m和斷態壓降Ura^ff、晶閘管觸發電壓U`t和換流電感Ll6g ；2. 3輸入模塊化多電平換流器雜散參數用戶將模塊化多電平換流器的雜散電容參數Cvs。和雜散電感參數Lvs。、交流母線對地電容Cba。和直流母線對地電容Cbd。輸入模型；2. 4輸入模塊化多電平換流器控制和保護參數控制和保護參數包括換流器最大投入子模塊數Nmax和最小投入子模塊數Nmin、換流器額定直流電壓Udc和換流器閉鎖電壓
Ublock 三.根據避雷器保護特性計算模塊化多電平換流器最大過電壓，包括下述子步驟3.1確定避雷器的參考電壓Uref ；3. 2計算模塊化多電平換流器的工頻過電壓根據直接保護換流器避雷器的伏安特性曲線，確定避雷器工頻過電壓保護水平，計算換流器過電壓模型的節點對地工頻過電壓和節點間工頻過電壓；3. 3計算模塊化多電平換流器的操作過電壓根據直接保護換流器避雷器的伏安特性曲線，確定避雷器操作過電壓保護水平，計算換流器過電壓模型的節點對地操作過電壓和節點間操作過電壓；3. 4計算模塊化多電平換流器的雷電過電壓根據直接保護換流器避雷器的伏安特性曲線，確定避雷器雷電過電壓保護水平，計算換流器過電壓模型的節點對地雷電過電壓和節點間雷電過電壓；3. 5確定模塊化多電平換流器最大過電壓通過排序確定模塊化多電平換流器的最大節點對地工頻過電壓及出現位置，同時確定最大節點間工頻過電壓及出現位置。其中，所述步驟1.1中，三維離散模型中的離散單元包括等參元和超參元。
其中，所述步驟1. 2中，電磁量包括電場量和磁場量；電場量包括電場強度E，單位V/m ；電位移矢量D，單位C/m2和標量電位小，單位V ;磁場量包括磁場強度H，單位A/m ;磁通密度矢量B，單位T和矢量磁位A，單位Wb/m。其中，所述步驟1. 3中，當係數矩陣為稀疏矩陣的模型，求解方法為迭代法；當係數矩陣為非稀疏矩陣的模型，求解方法為分解法。其中，所述步驟1. 4中，磁場矢量積分包括磁場矢量H的面積分多S2IiH *(13、矢量磁位A的線積分# M ^dl或磁通密度矢量B的面積分# ^dS,其中，y為換流器母線在步驟1.1中空間位置的材料磁導率，線r為換流器母線在步驟1.1中的空間位置，且r構成了面Q的邊界線；當換流器母線中流通的電流為I時，換流器母線的單位長分布電感Lvsc根據式①計算；
權利要求
1. 一種模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述方法採用電磁場理論計算換流器雜散參數並建立過電壓計算模型，採用電路理論計算換流器電氣節點對地和電氣節點間過電壓，基於金屬氧化物避雷器保護特性對過電壓進行分類分析，包括模塊化多電平換流器雜散參數提取、模塊化多電平換流器過電壓模型建立、根據避雷器保護特性計算換流器最大過電壓步驟； 一.模塊化多電平換流器雜散參數提取，包括下述子步驟 ·1.1建立模塊化多電平換流器的三維離散模型根據換流器的母線、屏蔽罩、子模塊、橫梁的空間位置和幾何尺寸，建立換流器的幾何三維模型，並離散為節點模型；1. 2建立模塊化多電平換流器的電磁離散模型以換流器三維離散模型的節點、邊、面或體上的電磁量作為未知變量，建立給定激勵下離散化的麥克斯韋方程，其形式為線性代數方程；1. 3求解模塊化多電平換流器的電磁離散模型根據線性代數方程中係數矩陣的稀疏性進行電磁離散模型求解；1. 4提取模塊化多電平換流器雜散電感參數，根據電磁離散模型的分析結果，通過磁場矢量的積分計算換流器母線的單位長分布電感Lvs。； ·1.5提取模塊化多電平換流器雜散電容參數，根據電磁離散模型的分析結果，通過電場矢量的積分計算換流器母線的單位長分布電容Cvs。； 二.模塊化多電平換流器過電壓模型建立，包括下述子步驟 ·2.1建立模塊化多電平換流器過電壓模型拓撲； · 2.2輸入模塊化多電平換流器主參數主參數包括子模塊數N、子模塊額定電壓Usm、子模塊電容Csm、IGBT通態壓降Ukbt, 和斷態壓降UiraUff、反並聯二極體通態壓降Ufto, 和斷態壓降Ura^ff、晶閘管觸發電壓Ut和換流電感Lleg ； ·2.3輸入模塊化多電平換流器雜散參數用戶將模塊化多電平換流器的雜散電容參數Cvsc和雜散電感參數Lvs。、交流母線對地電容Cba。和直流母線對地電容Cbd。輸入模型； ·2.4輸入模塊化多電平換流器控制和保護參數控制和保護參數包括換流器最大投入子模塊數Nmax和最小投入子模塊數Nmin、換流器額定直流電壓Udc和換流器閉鎖電壓Ublock ； 三.根據避雷器保護特性計算模塊化多電平換流器最大過電壓，包括下述子步驟 · 3.1確定避雷器的參考電壓Uref ； · 3. 2計算模塊化多電平換流器的工頻過電壓根據直接保護換流器避雷器的伏安特性曲線，確定避雷器工頻過電壓保護水平，計算換流器過電壓模型的節點對地工頻過電壓和節點間工頻過電壓； ·3. 3計算模塊化多電平換流器的操作過電壓根據直接保護換流器避雷器的伏安特性曲線，確定避雷器操作過電壓保護水平，計算換流器過電壓模型的節點對地操作過電壓和節點間操作過電壓； ·3. 4計算模塊化多電平換流器的雷電過電壓根據直接保護換流器避雷器的伏安特性曲線，確定避雷器雷電過電壓保護水平，計算換流器過電壓模型的節點對地雷電過電壓和節點間雷電過電壓； ·3.5確定模塊化多電平換流器最大過電壓通過排序確定模塊化多電平換流器的最大節點對地工頻過電壓及出現位置，同時確定最大節點間工頻過電壓及出現位置。
2.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟1.1中，三維離散模型中的離散單元包括等參元和超參元。
3.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟1. 2中，電磁量包括電場量和磁場量；電場量包括電場強度E,單位V/m ;電位移矢量D,單位C/m2和標量電位0，單位V ;磁場量包括磁場強度H，單位A/m ;磁通密度矢量B，單位T和矢量磁位A,單位Wb/m。
4.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟1. 3中，當係數矩陣為稀疏矩陣的模型，求解方法為迭代法；當係數矩陣為非稀疏矩陣的模型，求解方法為分解法。
5.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟1.4中,磁場矢量積分包括磁場矢量H的面積分糹￡2 U H MS'矢量磁位A的線積分糹rA *dl或磁通密度矢量B的面積分f fiB dS，其中，y為換流器母線在步驟1.1中空間位置的材料磁導率，線r為換流器母線在步驟1.1中的空間位置，且r構成了面Q的邊界線；當換流器母線中流通的電流為I時，換流器母線的單位長分布電感Lvs。根據式①計算；
6.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟1. 5中，電場矢量積分包括電場強度E的面積分f ￡2 e E dS、電位移矢量D的面積分Φ nD ^dS和標量電位$的法向梯度面積分gcAV;其中，e為換流器母線在步驟1.1中空間位置的材料介電常數，面Q為換流器母線的外表面，n為面Q的外法線方向；當換流器母線對地電壓為U時，換流器母線的單位長分布電容Cvs。根據式②計算
7.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟2.1中，用戶根據模塊化多電平換流器內部元件連接關係建立反映主電路結構的模型拓撲I ;根據換流器內部電場效應在模型拓撲I的基礎上添加分布電容支路，形成模型拓撲II;根據換流器內部磁場效應在模型拓撲II的基礎上添加分布電感支路，形成最終模塊化多電平換流器過電壓模型拓撲；模塊化多電平換流器內部元件包括絕緣柵雙極型電晶體IGBT、反並聯二極體、晶閘管、電阻器、電容器和電抗器。
8.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟3.1中，根據模塊化多電平換流器的持續運行電壓U。、最大直流峰值電壓PCOV和避雷器的荷電率；參考國家標準GB311. 3-2007《絕緣配合第3部分高壓直流換流站絕緣配合程序》、電力行業標準DL/T605-1996《高壓直流換流站絕緣配合導則》和國家電網公司標準Q/GDW144-2006《 ±800kV特高壓直流換流站過電壓保護和絕緣配合導則》，確定直接保護模塊化多電平換流器避雷器的參考電壓Uref。
9.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟.3.2中，工頻過電壓保護水平為1. 2p. u. 1. 3p. u.的Uref0
10.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟.3.3中，操作過電壓保護水平為1. 6p. u. 1. 9p. u.的UMf。
11.如權利要求1所述的模塊化多電平換流器過電壓計算方法，其特徵在於，所述步驟.3.4中，雷電過電壓保護水平為1. 9p.1T2. 4p. u.的Uref0
全文摘要
本發明涉及一種模塊化多電平換流器過電壓計算方法，所述方法採用電磁場理論計算換流器雜散參數並建立過電壓計算模型，採用電路理論計算換流器電氣節點對地和電氣節點間過電壓，基於金屬氧化物避雷器保護特性對過電壓進行分類分析，包括模塊化多電平換流器雜散參數提取、模塊化多電平換流器過電壓模型建立、根據避雷器保護特性計算換流器最大過電壓步驟；過電壓計算模型避免了使用等效電容或平板電容假設提取雜散參數所產生的計算誤差，提高了過電壓計算的準確度，確定了直接保護模塊化多電平換流器避雷器的保護水平，簡化了模塊化多電平換流器過電壓計算的分類，降低了過電壓分析的難度和工作量，確保了設備的安全性，提高了過電壓分析的效率。
文檔編號G01R19/165GK103063903SQ20121052664
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者李泓志, 湯廣福, 楊傑, 馬巍巍, 季蘭蘭 申請人:國網智能電網研究院, 中電普瑞電力工程有限公司, 上海市電力公司, 國家電網公司