一种换流阀晶闸管开通电流确定方法及系统与流程

本技术涉及电力系统电磁暂态仿真，尤其是涉及一种换流阀晶闸管开通电流确定方法及系统。

背景技术：

1、换流阀用饱和电抗器是晶闸管换流阀的重要保护部件。在晶闸管开通初期，饱和电抗器的铁心处于未饱和状态，对外呈现较大的电感，以限制晶闸管电流变化率；随着晶闸管电流增大，铁心逐渐进入饱和区域，电抗器的增量电感随之下降，以减小其对正常导通电流的阻碍。晶闸管开通过程中的初期最大电流变化率是评价晶闸管开通电流应力的重要参数，初期最大电流变化率过大可能使晶闸管芯片内部电流分布不均，因此，准确计算含饱和电抗器的晶闸管开通电流，对于饱和电抗器参数匹配、晶闸管开通电流应力校核以及换流阀设计具有重要意义。壳式换流阀用饱和电抗器通常包括同一绕组以及共同磁耦合于该绕组的多个铁心单元；受各铁心单元空间位置、冷却边界、绝缘结构及内部散热路径等因素影响，不同铁心单元之间往往存在局部温度差异，而软磁材料的磁化特性随温度变化，因此各铁心单元在晶闸管开通过程中的磁化状态并不相同。

2、现有换流阀用饱和电抗器的计算模型通常将整个电抗器等效为线圈电阻、空心电感、非线性铁心电感和铁损等效电阻的组合，或者采用分段函数、指数函数等形式描述电感随绕组电流的变化；即使在模型中引入温度对磁化特性的影响，也多是基于平均温度为全部铁心建立统一的磁化模型。然而，上述模型建立在整体等效参数或统一磁化特性的基础上，难以反映各铁心单元局部温度差异所引起的磁化历程、饱和时刻及磁通变化差异，导致晶闸管开通电流的计算结果偏离实际，影响晶闸管开通电流应力校核的准确性。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种换流阀晶闸管开通电流确定方法及系统，以解决上述问题。

2、第一方面，本技术实施例提供一种换流阀晶闸管开通电流确定方法，应用于换流阀用饱和电抗器，所述换流阀用饱和电抗器包括同一绕组以及共同磁耦合于所述同一绕组的多个铁心单元，所述方法包括：获取与所述多个铁心单元的空间位置分别对应的局部温度；根据各所述铁心单元的局部温度，将所述多个铁心单元划分为至少两个局部温度磁状态计算单元，并根据各所述局部温度磁状态计算单元对应的温度，确定各所述局部温度磁状态计算单元的磁化特性参数；其中，处于不同温度的局部温度磁状态计算单元具有不同的磁化特性参数；在当前离散计算时步内，以绕组电流与所述同一绕组的匝数之积作为各所述局部温度磁状态计算单元的共同安匝激励，根据各所述局部温度磁状态计算单元的磁化特性参数，分别确定各所述局部温度磁状态计算单元的磁通密度；根据各所述局部温度磁状态计算单元的磁通密度、所代表的铁心单元数量、有效截面积以及磁通与所述同一绕组的交链关系，确定当前离散计算时步的绕组总磁链；根据所述绕组总磁链的变化量以及含有所述同一绕组的放电回路的端口电压平衡关系，确定当前离散计算时步的绕组电流；依次推进各离散计算时步，根据各离散计算时步确定的绕组电流，确定晶闸管开通电流。

3、在上述方案中，将多个铁心单元按局部温度划分为至少两个局部温度磁状态计算单元，使处于不同温度的计算单元具有不同的磁化特性参数，并在共同安匝激励下分别确定各计算单元的磁通密度，再由各计算单元的磁通汇总形成绕组总磁链并参与绕组电流的确定，因此不同铁心单元之间由局部温度差异引起的磁化历程、饱和时刻及磁通变化差异在开通电流确定过程中得到保留，克服了整体等效建模及统一磁化特性建模将上述差异抹平的缺陷，提高了局部温度分布不均匀工况下晶闸管开通电流的确定准确度；另一方面，各局部温度磁状态计算单元的磁通密度并非由预先给定的电流单向算出，而是与绕组电流在每一离散计算时步内相互耦合确定，绕组电流既通过共同安匝激励决定各计算单元的磁化状态，又由绕组总磁链的变化量结合放电回路的端口电压平衡关系确定，因此求得的绕组电流真实反映铁心非线性磁化对放电回路端口电压的反作用，避免了以预设等效电感或以给定电流计算磁场时局部磁状态与开通过程脱钩所引起的偏差；再一方面，各计算单元所代表的铁心单元数量、有效截面积及磁通交链关系均参与绕组总磁链的确定，因此方案能够适用于铁心单元数量不同、各单元交链程度不同乃至磁通交链方向不一致的换流阀用饱和电抗器结构，仅通过调整计算单元的划分及相应结构参数即可实施，对实际壳式多铁心电抗器具有普遍的适用性。

4、进一步地，所述确定当前离散计算时步的绕组电流，包括：将所述绕组电流设置为当前离散计算时步的待求解变量，为所述绕组电流设置电流候选值，并以所述电流候选值与所述同一绕组的匝数之积作为所述共同安匝激励，确定各所述局部温度磁状态计算单元在相应磁路约束下的磁化状态以及磁通密度，并确定所述绕组总磁链；根据各所述局部温度磁状态计算单元的磁化状态与相应磁路约束之间的偏差、以及由所述绕组总磁链的变化量确定的所述饱和电抗器的端口电压与所述放电回路的端口电压平衡关系之间的偏差，对所述电流候选值进行校正；重复上述校正过程，直至各所述局部温度磁状态计算单元的磁化状态满足相应磁路约束、且所述端口电压满足所述端口电压平衡关系，将满足时的电流候选值确定为当前离散计算时步的绕组电流。

5、在上述方案中，通过将绕组电流设置为待求解变量，并根据磁化状态与磁路约束之间的偏差、以及饱和电抗器端口电压与放电回路端口电压平衡关系之间的偏差对电流候选值反复校正，绕组电流在满足全部铁心单元非线性磁化约束的同时满足放电回路的电气约束，克服了将绕组电流预设为已知激励时磁化过程与电气过程相互脱节的缺陷，使求得的开通电流真实反映局部温度磁状态经总磁链对端口电压的反作用，提高开通电流及饱和前最大电流变化率的确定准确度；另一方面，通过以磁路约束偏差与端口电压平衡偏差共同驱动校正、并以两类偏差同时满足作为收敛依据，求解过程在磁化侧与电气侧具有明确的收敛判据，避免单向计算或两侧收敛标准不一致所导致的发散及振荡，保证非线性求解在各离散计算时步内稳定收敛，且校正机制不依赖于具体的迭代算法与残差构造形式，便于结合不同数值求解手段实施。

6、进一步地，各所述局部温度磁状态计算单元分别保存自身的磁化历史状态；所述分别确定各所述局部温度磁状态计算单元的磁通密度，包括：在当前离散计算时步内，将各所述局部温度磁状态计算单元在上一离散计算时步的磁化状态作为各自的磁化历史状态，在所述共同安匝激励下，根据所述磁化历史状态以及相应局部温度磁状态计算单元的磁化特性参数，确定各所述局部温度磁状态计算单元在当前离散计算时步的磁化状态，进而确定相应的磁通密度；将所述当前离散计算时步的磁化状态更新为相应局部温度磁状态计算单元的磁化历史状态，以供下一离散计算时步使用；其中，各所述局部温度磁状态计算单元的磁化历史状态随所述离散计算时步的推进彼此独立地演化。

7、在上述方案中，通过为各局部温度磁状态计算单元分别保存并独立演化磁化历史状态，每一计算单元在当前时步的磁化状态由自身在上一时步的磁化状态与当前共同安匝激励共同决定，铁心磁化的路径依赖性在求解过程中得到完整体现，不同温度铁心单元在磁化历程、进入饱和的时刻以及磁通变化上的差异沿时间轴被持续保留，避免整体等效模型以单一磁状态代表全部铁心所造成的磁化历史信息丢失，提高饱和前后开通电流及电流变化率的确定准确度；另一方面，通过将当前时步的磁化状态滚动更新为下一时步的磁化历史状态，各计算单元仅需保存自身当前一份磁化历史即可支持后续时步的确定，无需存储全部历史轨迹，且各单元的磁化历史演化互不耦合、可相互独立推进，便于按计算单元并行实施，兼顾存储开销与求解效率。

8、进一步地，所述将所述多个铁心单元划分为至少两个局部温度磁状态计算单元，包括：比较各所述铁心单元的局部温度，将局部温度相同或局部温度差异满足预设相近条件的多个铁心单元归并入同一局部温度磁状态计算单元；根据归并入同一局部温度磁状态计算单元的多个铁心单元的局部温度，确定该局部温度磁状态计算单元的代表温度，并以所述代表温度作为该局部温度磁状态计算单元对应的温度；其中，每个局部温度磁状态计算单元统一代表所归并的多个铁心单元参与所述绕组总磁链的确定。

9、在上述方案中，通过将局部温度相同或温度差异满足预设相近条件的多个铁心单元归并入同一局部温度磁状态计算单元，需要独立求解的磁状态数量少于铁心单元的实际数量，在保证各计算单元之间温度差异得以保留的前提下压缩求解规模，降低每一离散计算时步内磁状态确定的计算量，提高晶闸管开通电流的确定效率；另一方面，通过以归并后多个铁心单元的局部温度确定代表温度、并由计算单元统一代表所归并铁心单元参与绕组总磁链的确定，归并引入的磁化特性偏差被限制在预设相近条件所界定的范围之内，总磁链的汇总仍能反映铁心单元数量及截面积的加权贡献，使计算效率的提升不以牺牲开通电流确定准确度为代价。

10、进一步地，所述多个铁心单元的结构参数、冷却边界及局部温度关于所述多个铁心单元的排布中部近似对称；所述将所述多个铁心单元划分为至少两个局部温度磁状态计算单元，包括：对于处于关于所述排布中部对称的位置的多个铁心单元，当所述多个铁心单元的局部温度相同或局部温度差异满足预设相近条件时，将所述多个铁心单元归并入同一局部温度磁状态计算单元；当所述多个铁心单元的局部温度差异不满足所述预设相近条件时，将所述多个铁心单元分别划入不同的局部温度磁状态计算单元；将处于所述排布中部的铁心单元单独划分为一个局部温度磁状态计算单元。

11、在上述方案中，通过利用多个铁心单元在结构参数、冷却边界及局部温度上关于排布中部的近似对称性，将处于对称位置且温度相近的铁心单元归并入同一局部温度磁状态计算单元，并将处于排布中部的铁心单元单独划分，使计算单元的划分与电抗器实际温度场的空间分布规律相吻合，在进一步压缩独立求解磁状态数量的同时，保证温度最高的中部区域被独立刻画，兼顾开通电流确定的效率与对温度梯度的分辨能力；另一方面，通过对处于对称位置但温度差异不满足预设相近条件的铁心单元不予归并、分别划入不同计算单元，避免机械套用结构对称性而抹平实际存在的局部温度差异，使对称归并始终以温度相近为前提，防止因归并失当引入附加的磁化特性偏差，保证划分结果与真实温度分布一致。

12、进一步地，所述获取与所述多个铁心单元的空间位置分别对应的局部温度，包括：建立与所述饱和电抗器的实际结构对应的热传导模型，所述热传导模型至少包括所述多个铁心单元、所述同一绕组、绝缘结构以及冷却边界；根据预先确定的所述多个铁心单元的铁心损耗以及所述同一绕组的绕组损耗，在所述热传导模型的相应区域设置热源，并根据所述饱和电抗器的实际冷却条件设置所述冷却边界的散热条件；对所述热传导模型进行稳态热求解，获得稳态温度场；从所述稳态温度场中提取各所述铁心单元的代表区域温度，得到各所述铁心单元的局部温度。

13、在上述方案中，通过建立涵盖多个铁心单元、绕组、绝缘结构及冷却边界的热传导模型，并将铁心损耗与绕组损耗作为热源进行稳态热求解，各铁心单元的局部温度由电抗器的实际结构、损耗分布及冷却条件共同决定，所得局部温度真实反映空间位置、绝缘结构与散热路径差异形成的温度分布，为按温度确定磁化特性参数提供与实际工况一致的输入，保证开通电流确定结果反映真实温度差异的影响；另一方面，通过从稳态温度场中提取各铁心单元的代表区域温度得到局部温度，无需在电抗器内部逐点布置温度测量环节即可获得全部铁心单元的局部温度，克服铁心内部温度难以直接测量的工程限制，降低局部温度获取的实施成本与难度。

14、进一步地，所述磁通与所述同一绕组的交链关系通过有效交链系数表征；各所述局部温度磁状态计算单元对应的有效交链系数根据相应局部温度磁状态计算单元的磁通与所述同一绕组的实际交链比例以及交链方向确定；所述有效交链系数的绝对值不大于1，所述有效交链系数的正负与相应磁通相对于所述同一绕组的磁链正方向的交链方向相对应；对于所述磁通与所述同一绕组非完全交链的局部温度磁状态计算单元，所述有效交链系数根据所述同一绕组实际包围相应磁路的有效匝数与所述同一绕组的匝数之比确定，或者根据相应局部温度磁状态计算单元的磁通对所述同一绕组的实际磁链贡献与完全交链磁链之比确定。

15、在上述方案中，通过以有效交链系数表征各局部温度磁状态计算单元的磁通与同一绕组的实际交链比例及交链方向，并将交链比例与方向差异计入绕组总磁链的汇总，漏磁导致的部分交链以及磁通交链方向不一致的情形均能在总磁链中得到真实反映，避免按全部磁通完全同向交链的理想化假设所造成的总磁链高估或错向累加，提高绕组总磁链及开通电流的确定准确度；另一方面，通过对非完全交链的计算单元提供有效匝数之比或实际磁链贡献之比两种有效交链系数确定途径，使方案可依据电抗器的结构数据条件或磁场分析条件灵活实施，既适用于仅掌握绕组几何结构参数的情形，也适用于具备静磁场分析手段的情形，扩大方案对不同结构设计阶段与数据条件的适用范围。

16、进一步地，所述依次推进各离散计算时步，包括：自所述放电回路的开关闭合起推进各所述离散计算时步，在推进过程中，将获取的所述局部温度所对应的磁化特性参数作为各所述局部温度磁状态计算单元的固定输入，确定各所述离散计算时步的磁化状态及绕组电流，不对所述局部温度进行更新；在所述绕组电流达到第一电流峰值时终止推进，得到自所述开关闭合起至所述第一电流峰值止的晶闸管开通电流。

17、在上述方案中，通过在自开关闭合起至第一电流峰值止的推进过程中将局部温度对应的磁化特性参数作为固定输入且不对局部温度进行更新，求解过程无需同步确定铁心损耗、温升及冷却过程，避免建立磁化与发热之间的热反馈回路，在保留局部温度差异对磁化状态及开通电流影响的同时减少待求状态量与热学参数，降低计算复杂度，提高暂态开通电流确定的求解效率与收敛稳定性；另一方面，通过以绕组电流达到第一电流峰值作为推进终止条件，求解区间被限定在晶闸管开通初期电流应力最集中的过程之内，无需对峰值之后的电流衰减过程进行无效计算，使计算资源的投入与晶闸管开通电流应力校核所关注的时间区间精确匹配，进一步提高确定效率。

18、进一步地，确定所述绕组电流达到第一电流峰值，包括：比较相邻离散计算时步的绕组电流，当所述绕组电流随离散计算时步的变化首次由逐时步增大转变为不再增大时，判定所述绕组电流在对应的相邻离散计算时步之间达到第一电流峰值；所述方法还包括：根据自所述开关闭合起至所述第一电流峰值止的晶闸管开通电流，确定饱和前最大电流变化率以及所述第一电流峰值对应的电流值；其中，所述饱和前最大电流变化率为在排除所述开关闭合的初始影响且所述多个铁心单元进入饱和之前的电流上升区间内，所述晶闸管开通电流的单位时间电流增量的最大值。

19、在上述方案中，通过比较相邻离散计算时步的绕组电流并以电流变化首次由逐时步增大转变为不再增大判定第一电流峰值，峰值位置的确定不依赖于对电流波形的整体拟合或人工观察，仅依据离散计算时步推进中已获得的电流序列即可客观判定，与逐时步推进的求解过程自然衔接，保证终止时机的确定具有一致性与可重复性；另一方面，通过将饱和前最大电流变化率界定为排除开关闭合初始影响且铁心单元进入饱和之前的电流上升区间内单位时间电流增量的最大值，所得指标排除了开关闭合瞬间的边界效应以及铁心饱和后电感下降对电流变化率的干扰，客观表征铁心尚未明显进入饱和过渡时晶闸管所承受的最大电流上升应力，使其可直接用于晶闸管芯片电流分布均匀性的校核以及饱和电抗器参数匹配的评估。

20、第二方面，本技术实施例提供一种换流阀晶闸管开通电流确定系统，应用于换流阀用饱和电抗器，所述换流阀用饱和电抗器包括同一绕组以及共同磁耦合于所述同一绕组的多个铁心单元，所述系统包括：

21、温度获取模块，用于获取与所述多个铁心单元的空间位置分别对应的局部温度；

22、单元配置模块，用于根据各所述铁心单元的局部温度，将所述多个铁心单元划分为至少两个局部温度磁状态计算单元，并根据各所述局部温度磁状态计算单元对应的温度，确定各所述局部温度磁状态计算单元的磁化特性参数；其中，处于不同温度的局部温度磁状态计算单元具有不同的磁化特性参数；

23、磁状态确定模块，用于在当前离散计算时步内，以绕组电流与所述同一绕组的匝数之积作为各所述局部温度磁状态计算单元的共同安匝激励，根据各所述局部温度磁状态计算单元的磁化特性参数，分别确定各所述局部温度磁状态计算单元的磁通密度；

24、总磁链确定模块，用于根据各所述局部温度磁状态计算单元的磁通密度、所代表的铁心单元数量、有效截面积以及磁通与所述同一绕组的交链关系，确定当前离散计算时步的绕组总磁链；

25、电流确定模块，用于根据所述绕组总磁链的变化量以及含有所述同一绕组的放电回路的端口电压平衡关系，确定当前离散计算时步的绕组电流；

26、时步推进模块，用于依次推进各离散计算时步，根据各离散计算时步确定的绕组电流，确定晶闸管开通电流。

27、本技术的其他特征和优点将在随后的说明书中进行阐述。