高压直流换流阀饱和电抗器基本原理研究

赵冀川

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局,510000）

高压直流换流阀饱和电抗器基本原理研究

赵冀川

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局,510000）

介绍了高压直流输电换流阀饱和电抗器基本原理、构成及特点；分析了饱和电抗器的作用功能；对于电抗器的特性进行了详细的论述和研究，最后给出了基于某直流输电工程实际运行情况的高压直流换流阀饱和电抗器的铁损仿真实验。

高压直流；换流阀；饱和电抗器；特性分析；铁损磁滞仿真

1 饱和电抗器原理及特点

1.1 饱和电抗器原理

高压直流输电换流阀自主要共用是实现交直流变换，主要有饱和电抗器、晶闸管、阻尼电容、阻尼电阻等元器件构成。其核心部件是饱和电抗器。

饱和电抗器构造简单，类似于变压器，主要由铁芯、线圈组成，饱和电抗器主要利用铁磁质磁化曲线饱和非线性特性，根据铁磁质的磁导率为非常数特性关系工作。饱和电抗器内部构成完整磁通路，饱和电抗器是由C型铁芯、线圈、散热器、端子构成，铁芯是有很薄的硅钢片叠加制成。

上式中，电感量在理想状态下,满足：

1.2 饱和电抗器特点及作用

饱和电抗器主要作用在于保护晶闸管不被损坏，调节换流阀主要设备，对阻抗进行变换，实现能量的传输，它具有损耗小、平滑调节、调节范围广等特点。在超高压电网传输中，可用作调相调压器件，在输电系统中能够有效抑制系统过电压、功率振荡和抑制谐波，提高电能传输的稳定性，实现无功补偿，平衡负载，提高功率因数。在保护高压直流换流阀晶闸管作用中，主要是：

（1）晶闸管开通瞬间，具有较大的浪涌电流，而饱和电抗器可以增大阻抗，抑制浪涌电流快速增加；

（2）晶闸管开通初期及关断期，容易形成高频震荡，损坏换流阀，考验设备的应力作用，而饱和电抗器铁芯涡流电阻能够避免高频振荡电流的第1波谷电流过零，发挥阻尼作用；

（3）雷电时，形成过电压冲击，饱和电抗器承担大部分雷电峰值电压，降低晶闸管应力，起到保护品闸管安全运行的作用。

2 饱和电抗器的特性分析

2.1 伏安特性

图1 伏安特性曲线

伏安特性是饱和电抗器重要特性之一，饱和电抗器伏安特性曲线如图1所示。图1二维坐标中的横轴为磁场强度（交流电流有效值），纵轴为磁感应强度（交流电压有效值）。曲线也叫作交直流同时磁化曲线。在控制电流恒定时，曲线首先第一段长短随直流电流增大而趋于延长。这一阶段表明电源电压较低时，磁路磁通工作在磁激点附近，主要存在直流激磁。曲线的第2段处于恒流控制区，交流工作电流与直流控制电流成安匝关系，随电压变化可以忽略不计，此时电抗器感抗随着电压的升高而趋于降低。曲线第3段表示电抗器趋于并达到了饱和状态。伏安特性曲线图中，可发现，在磁感应强度（交流电压有效值）一定状态下，饱和电抗器具有良好的线性控制特性。

2.2 输入输出特性

根据饱和电抗器工作原理分析，在电抗器电感极限变化范围内，铁磁材料磁导率为非线性，饱和电抗器电感值也随之产生非线性变化。而接近磁饱和状态时，电抗器的输入输出特性（控制特性）接近线性。如图2所示，横坐标表示励磁电流值，纵坐标分别表示电抗标么值和输出工作电流标么值。在接入励磁电源后，调节直流绕组励磁电流并逐渐增大，电抗器的电抗值和输出工作电流随之变化的曲线。

图2 控制特性曲线

图4 中，随着励磁电流不断增加，电抗器铁芯逐渐趋于饱和，工作绕组的电抗值变小，工作电流逐渐变大。当励磁电流超增调到SA以后，输出电流上升速度变化不大，趋于恒稳，这时电抗器处于深度饱和状态。

2.3 谐波分析

电力系统中，评价供电质量的重要参数之一就是分析电网电压的谐波分量。由于电网中接入非线性负荷较多，其向电网注入高次谐波电流，容易引起电网电压波形畸变。而高次谐波对电力系统的安全和经济运行影响较大，必须加以抑制。

饱和电抗器工作过程中多呈现出非线性状态，交流工作电流中包含的奇次谐波和偶次谐波。其中奇次谐波成分较多，偶次谐波较少，饱和电抗器通路中，偶次谐波分量具有很好的通路，在实际应用试验及测量中，发现主要的奇次谐波为3次谐波，同时5， 7次偏多，这是由于电抗器采用铁磁材料，由于材料本身特性决定的。在电力系统应用中，可以通过增加LC滤波进行滤波，消除其次谐波的影响。另外在电抗器设计过程，电抗器绕组采用三角形连接方式，或者设计外延三角形或者曲折形状连接，能够有效消除电抗器自身谐波分量。在电抗器控制特性中，充分增大控制电流，增加电抗器饱和程度，也可减少谐波的影响。

3 仿真实验及分析

根据某直流输电工程实际运行情况，分别选取3种工况输送的电流为2.1，3.2， 4.99 kA值对高压直流换流阀饱和电抗器的铁损进行仿真实验和分析。如图3所示。

图3 饱和电抗器磁滞回线仿真

通过仿真实验，换流阀在晶闸管开通事时，饱和电抗器铁损的瞬时功率比晶闸管关断时的铁损瞬时功率大的多。逆变侧饱和电抗器的磁滞回线主要分布在第1和第3象限，这说明逆变侧饱和电抗器的开通损耗大于整流侧，而关断损耗则明显小于整流侧。在直流换流阀关断的状态下，直流换流阀承受电压跳变时引起的电流脉冲，会引起电抗器铁芯中产生磁滞回线。

4 结论

电力传输系统近年来得到长足发展，基于直流换流阀的应用越来越广泛。这得益于电抗器以及晶闸管技术的成熟应用。本文介绍了直流换向阀饱和电抗器的基本工作原理及结构特点，分析了其主要作用以及具备的特性，文章最后根据某直流输电工程实际运行情况，给出了高压直流换流阀饱和电抗器的铁损仿真实验。

[1] 纪锋，曹均正，陈鹏，等.高压直流输电系统逆变侧阀饱和电抗器电气应力研究[J].高电压技术，2014.40(8) :2579-2585.

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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