高壓直流換流閥飽和電抗器基本原理研究

趙冀川

（中國南方電網有限責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

（中國南方電網有限責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、構成及特點；分析了飽和電抗器的作用功能；對于電抗器的特性進行了詳細的論述和研究，最后給出了基于某直流輸電工程實際運行情況的高壓直流換流閥飽和電抗器的鐵損仿真實驗。

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

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現交直流變換，主要有飽和電抗器、晶閘管、阻尼電容、阻尼電阻等元器件構成。其核心部件是飽和電抗器。

飽和電抗器構造簡單，類似于變壓器，主要由鐵芯、線圈組成，飽和電抗器主要利用鐵磁質磁化曲線飽和非線性特性，根據鐵磁質的磁導率為非常數特性關系工作。飽和電抗器內部構成完整磁通路，飽和電抗器是由C型鐵芯、線圈、散熱器、端子構成，鐵芯是有很薄的硅鋼片疊加制成。

上式中，電感量在理想狀態下,滿足：

1.2 飽和電抗器特點及作用

飽和電抗器主要作用在于保護晶閘管不被損壞，調節換流閥主要設備，對阻抗進行變換，實現能量的傳輸，它具有損耗小、平滑調節、調節范圍廣等特點。在超高壓電網傳輸中，可用作調相調壓器件，在輸電系統中能夠有效抑制系統過電壓、功率振蕩和抑制諧波，提高電能傳輸的穩定性，實現無功補償，平衡負載，提高功率因數。在保護高壓直流換流閥晶閘管作用中，主要是：

（1）晶閘管開通瞬間，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）晶閘管開通初期及關斷期，容易形成高頻震蕩，損壞換流閥，考驗設備的應力作用，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波谷電流過零，發揮阻尼作用；

（3）雷電時，形成過電壓沖擊，飽和電抗器承擔大部分雷電峰值電壓，降低晶閘管應力，起到保護品閘管安全運行的作用。

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

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如圖1所示。圖1二維坐標中的橫軸為磁場強度（交流電流有效值），縱軸為磁感應強度（交流電壓有效值）。曲線也叫作交直流同時磁化曲線。在控制電流恒定時，曲線首先第一段長短隨直流電流增大而趨于延長。這一階段表明電源電壓較低時，磁路磁通工作在磁激點附近，主要存在直流激磁。曲線的第2段處于恒流控制區，交流工作電流與直流控制電流成安匝關系，隨電壓變化可以忽略不計，此時電抗器感抗隨著電壓的升高而趨于降低。曲線第3段表示電抗器趨于并達到了飽和狀態。伏安特性曲線圖中，可發現，在磁感應強度（交流電壓有效值）一定狀態下，飽和電抗器具有良好的線性控制特性。

2.2 輸入輸出特性

根據飽和電抗器工作原理分析，在電抗器電感極限變化范圍內，鐵磁材料磁導率為非線性，飽和電抗器電感值也隨之產生非線性變化。而接近磁飽和狀態時，電抗器的輸入輸出特性（控制特性）接近線性。如圖2所示，橫坐標表示勵磁電流值，縱坐標分別表示電抗標么值和輸出工作電流標么值。在接入勵磁電源后，調節直流繞組勵磁電流并逐漸增大，電抗器的電抗值和輸出工作電流隨之變化的曲線。

圖2 控制特性曲線

圖4 中，隨著勵磁電流不斷增加，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。當勵磁電流超增調到SA以后，輸出電流上升速度變化不大，趨于恒穩，這時電抗器處于深度飽和狀態。

2.3 諧波分析

電力系統中，評價供電質量的重要參數之一就是分析電網電壓的諧波分量。由于電網中接入非線性負荷較多，其向電網注入高次諧波電流，容易引起電網電壓波形畸變。而高次諧波對電力系統的安全和經濟運行影響較大，必須加以抑制。

飽和電抗器工作過程中多呈現出非線性狀態，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，在實際應用試驗及測量中，發現主要的奇次諧波為3次諧波，同時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。在電力系統應用中，可以通過增加LC濾波進行濾波，消除其次諧波的影響。另外在電抗器設計過程，電抗器繞組采用三角形連接方式，或者設計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 仿真實驗及分析

根據某直流輸電工程實際運行情況，分別選取3種工況輸送的電流為2.1，3.2， 4.99 kA值對高壓直流換流閥飽和電抗器的鐵損進行仿真實驗和分析。如圖3所示。

圖3 飽和電抗器磁滯回線仿真

通過仿真實驗，換流閥在晶閘管開通事時，飽和電抗器鐵損的瞬時功率比晶閘管關斷時的鐵損瞬時功率大的多。逆變側飽和電抗器的磁滯回線主要分布在第1和第3象限，這說明逆變側飽和電抗器的開通損耗大于整流側，而關斷損耗則明顯小于整流側。在直流換流閥關斷的狀態下，直流換流閥承受電壓跳變時引起的電流脈沖，會引起電抗器鐵芯中產生磁滯回線。

4 結論

電力傳輸系統近年來得到長足發展，基于直流換流閥的應用越來越廣泛。這得益于電抗器以及晶閘管技術的成熟應用。本文介紹了直流換向閥飽和電抗器的基本工作原理及結構特點，分析了其主要作用以及具備的特性，文章最后根據某直流輸電工程實際運行情況，給出了高壓直流換流閥飽和電抗器的鐵損仿真實驗。

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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