换流阀用阳极饱和电抗器的电-磁-热特性研究
高压直流输电正值蓬勃发展阶段，晶闸管作为直流输电系统换流阀的核心开关元件，其容易因脉冲电流变化太快而损坏，与晶闸管串联的阳极饱和电抗器（AnodeSaturableReactor,ASR）凭借其电磁特性在换流阀导通瞬间自发地提供大电感，将电流变化率控制在合适水平内从而有效保护晶闸管。而在复杂运行工况下的ASR会间断地产生幅值很大的铁芯损耗，损耗所产热量在低热导的绝缘体下难以有效散去，设计选材的不当或热量的长期累积都可能导致本体发热不均匀，加速材料热老化和减少器件寿命。 ASR的电气、损耗、发热等特性之间联系紧密，目前大多数团队对这三个特性的研究较为孤立和单一，存在考虑因素不全面、模型精度有限等不足，且受限于计算量和仿真难度，绝大部分团队仅研究单个铁芯的特性而放弃对整个ASR开展三维仿真分析，忽略了其结构不对称对各特性的影响。为此，综合考虑整个ASR的电-磁-热特性对于器件的状态评估、优化设计具有重要意义。本文基于ASR关键电气性能研究，以实际激励下的损耗定量计算为桥梁，通过多物理场耦合有限元法来研究其发热特性。 首先，本文将考虑气隙影响的等效电感模型、基于波穿透理论建立的等效电阻模型相结合，建立ASR完整等效电路数学模型。分别在有限元仿真平台和Simulink电路仿真平台上对ASR本体模型进行冲击放电测试下的仿真，揭示ASR本体电磁特性及其在实际激励下的响应，验证等效电路模型的正确性。进一步分析含ASR的换流阀在开通时的电流应力、在关断时的电压应力，校验所建模型在系统中的有效性。 其次，明确铁芯损耗产生机理，结合由电气特性分析所得的脉冲激励，充分考虑铁芯损耗非连续、不均等的特点，分别建立了结合磁滞效应和涡流电阻的铁损计算模型、IGSE铁损计算模型、EEL铁损计算模型这3种瞬时铁损模型，解决了难以在非正弦激励下准确计算ASR铁损的问题，以及难以有效获得瞬时损耗的难题。将3种计算模型分别应用到实际ASR铁芯中进行仿真计算，并搭建实验平台进行实验对比验证。 最后，基于所搭建的模型来计算实际激励下ASR的铁芯损耗，并以此结果为热源，采用能极大减少计算量的等效水冷模型，对整个ASR开展三维电-磁-热多物理场耦合瞬态仿真分析，揭示其温度的空间分布与影响因素。提出不同截面积铁芯组合的结构优化方案，在电气性能不变的前提下，各铁芯之间最大温差减少至原温差的8.3%，环氧树脂的最高温度降低3℃，进一步分析不同热导率的绝缘材料对电抗器整体温度的影响，为ASR性能校验和参数设计提供借鉴。
换流阀;饱和电抗器;铁芯损耗;温升特性;有限元分析
华东交通大学
硕士
电气工程
袁佳歆;曾晗
2023
中文
TM474
2023-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）