用晶闸管宏模型分析换流阀内电压分布特性
赵中原1，邱毓昌1，于永明2，王建生2
（1． 西安交通大学 电气工程学院，陕西省 西安市 710049；
2．西安高压电器研究所，陕西省 西安市 710077）
摘 要：晶闸管器件性能和缓冲电路参数会影响换流阀内电压分布特性。在晶闸管断态情况下进行换流阀电路参数选择，其结果明显具有局限性。用考虑二次效应、温度特性和反向恢复过程的晶闸管宏模型，对换流阀内的一个晶闸管模块与饱和电抗器的串联电路进行了动态仿真，分析了晶闸管器件参数分散性和缓冲电路参数对换流阀内电压分布特性的影响；同时还考虑了换流器换流时换流阀内电压振荡特性。
关键词：晶闸管宏模型；阳极饱和电抗器；晶闸管阀；缓冲电路
1 引言
高压直流输电技术在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同或相同额定频率交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用。目前，晶闸管器件大容量化技术不断提高，使高压直流输电系统用晶闸管串联数明显减少，增强了输电系统的可靠性[1]。
高压直流输电系统用晶闸管换流器要求在操作条件下都能稳定运行，这需要合理选择晶闸管电路参数来保证系统的稳定操作，并降低晶闸管换流器的能量损耗。对晶闸管断态情况下进行换流阀电路参数的优化选择，其结果明显具有局限性[2]。
本文用晶闸管宏模型考虑了器件的二次效应、温度特性和反向恢复过程。用此模型对换流阀内的一个晶闸管模块单元进行了动态仿真，研究了器件参数分散性和辅助电路参数对晶闸管器件端电压分布特性的影响。
2 晶闸管宏模型
文献[3]建立了一种考虑二次效应的非理想晶闸管宏模型，但其中关于晶闸管反向恢复特性的建模过于简单且不够准确。本文在文献[4]的基础上，考虑了器件的温度特性，建立了高压直流输电用晶闸管器件模型，通过加入一个反向恢复控制块，可很好地对晶闸管的反向恢复过程进行仿真。晶闸管宏模型的基本结构如图1所示。整个模型分为主块、控制块和反向恢复块三部分[4]。
（1）动静态特性
晶闸管动静特性包括开通控制、正反向漏电流、开通延迟、正向电压上升率和正反向击穿电压。
晶闸管的开通操作可以通过控制电压源E1的电压来实现。当晶闸管正向导通时，用二极管Dak描述晶闸管的非线性特性。Von反映通态压降。晶闸管的门极触发特性则通过二极管DG和电压源VGD来模拟。
控制块具有反映晶闸管的门极触发效应和正、反向击穿特性的功能。Fc是一个电流控制电流源，其电流为
式中 IGK为门极电流；IL为晶闸管的擎住电流；Ir 为晶闸管的反向电流；If为晶闸管的正向电流；a为经验系数，其值介于0和1之间。
D1和D2为理想二极管。V1是直流电压源，电压值为1V，用以提供正确的Vctrl电压值。通过VDG探测门极电流IGK的大小，来确定Fc电流源的符号，即Vctrl=0或1，从而控制器件导通或关断。
晶闸管的正反向漏电流用电阻RL来描述；晶闸管的正反向击穿电压通过VDbf、VDbr来反映；正向电压上升率通过Cr来模拟；晶闸管的开通延迟通过电容Con来反映。
为了正确模拟正、反向击穿电压温度特性，需对二极管参数进行修正[5]。对于给定的临界结点温度，二极管Dbr和Dbf的饱和电流温度系数 XT1和饱和电流IS修正如下：
式中 IH 为晶闸管维持电流；IS为二极管饱和电流；Tnom为额定温度；XT1为IS的温度系数。
（2）反向恢复特性
晶闸管属于双极性功率器件，具有低掺杂、大注入的基区。在晶闸管的关断过程中，基区的过剩载流子不能立即消失，需要通过迁移、扩散、复合等方式使其浓度降低，同时受外电路电感的影响而在器件中流过负电流，器件两端会承受负电压尖峰[4]。
在晶闸管反向恢复过程中，器件的反向恢复电荷为Qrr=f(IF,│di/dt│) 。按照器件产品手册中提供的反向恢复电荷曲线，可以对上式进行拟合，得到Qrr关于di/dt和di/dt的表达式。通过反向恢复块中的电流Iq控制主块中的电流控制电流源Fq，其中有Fq=Iq。
3 串联晶闸管电压分布特性
高压直流晶闸管阀是以晶闸管模块为构成单元的，它由许多晶闸管模块和饱和电抗器串联组成。为了实现晶闸管换流器能在操作条件下稳定运行，必须选择阀内电路参数来保证稳定操作和降低换流器的能量损耗。
要选择合理的电路参数来提高换流阀的运行可靠性，就要考虑晶闸管器件的动静态特性，即晶闸管模型能控制开通、具有反向恢复特性，还要考虑到由于器件制造上的差异而产生的参数分散性。
本文利用上述晶闸管宏模型，对ABB公司的一个晶闸管模块进行了开通和关断特性的仿真，仿真中考虑了器件参数分散特性和辅助电路参数对电压分布特性的影响。晶闸管模块通常包括1个阳极饱和电抗器和6个晶闸管器件及其相应的缓冲电容CS，电阻RS，断态分压电阻RB，配线电感LS（见图2）；换流阀内采用阳极饱和电抗器LA（其特性曲线见图3）来提高晶闸管器件抑制di/dt的能力，在模型中用一个非线性电感来表示[6]。
3.1 开通期间电路参数和时间分散性对串联晶闸管电压分布特性的影响
为了考察实际运行中开通时间分散性对电压分布特性的影响[7]，现假设晶闸管模块中晶闸管X6开通延迟，其它器件没有触发分散性，仿真结果如图4所示，其中时间延迟△Ton=1.0μs 。分析结果表明，开通时间慢的晶闸管器件X6要承受较高的过电压（图4中的u (6)）。
缓冲电路电阻RS增加，引起具有开通缓慢特性晶闸管X6过电压u (6) 的上升，即具有加速电压分布不均匀趋势（见图5）。但缓冲电阻的增加可以抑制缓冲电容放电电流，减少开通损耗（见图6）。
从图5还可以看出，开通期间缓冲电容CS变化对过电压分布影响甚微；降低开通延迟△Ton和减少配线电感LS可以改善电压分布特性。
3.2 关断期间电路参数和反向恢复电荷分散性对串联晶闸管电压分布特性的影响
如果晶闸管模块中一个晶闸管反向恢复电荷比其它晶闸管反向恢复电荷小，那么这个晶闸管要比其它器件先断开。在此假设晶闸管X6反向恢复电荷最小，仿真结果见图7。
仿真结果表明，先关断的晶闸管X6比其它晶闸管承受更高过电压u(6)。这是其它晶闸管的反向电流向早关断晶闸管X6的缓冲电路分流的原因。图8表示缓冲电容CS和缓冲电阻RS的变化对不平衡电压△u的影响。结果显示关断期间缓冲电容CS的增加降低了反向恢复电荷分散性的影响，有利于提高关断分压特性。
3.3 串联晶闸管换流时电压振荡特性分析
当晶闸管阀进行换流时，换流漏电感中存储的反向恢复过程产生能量，被缓冲电路电容CS吸收，同时又被缓冲电阻RS消耗。在此过程中形成了R－L－C谐振现象，此种情况下晶闸管要承受过电压，仿真电路见图9。
此仿真电路中的一个晶闸管桥臂由7个晶闸管模块即42个晶闸管串联组成，其运行条件是：线电压110kV、电源频率60Hz、换流漏电感13.2mH、直流负荷3500A、触发角90°。触发角90°也即零功率运行，是晶闸管阀承受换流振荡电压最苛刻的条件。
图10为换流器换流时缓冲电路参数对电压特性的影响曲线，其中β为换流电压振荡系数，取换流时晶闸管阀端电压与系统线电压比值中绝对值最大者。结果表明，随着缓冲电容、电阻的增加，换流电压振荡系数具有减小的趋势。为了降低系统绝缘水平要求，通常取β=1.3～ 1.35 。
4 结论
晶闸管是换流阀内的关键器件，其导通和关断的成败直接关系到设备乃至电网的安全运行。本文通过构造晶闸管宏模型，对换流阀内串联晶闸管的开通和关断特性进行了仿真，并研究了换流器换流时晶闸管端部电压振荡特性。
仿真结果分析表明，由开通时间分散而引起的电压分布不均匀性，随着缓冲电路电阻、配线电感的增加而增加；关断期间由反向恢复电荷分散产生的电压分布特性，可以通过缓冲电容来减缓；换流时的电压振荡特性，可以通过缓冲电阻和电容组合来改善。综合考虑以上几种情况可以对晶闸管阀电路参数进行最优化设计。
参考文献
[1] 赵中原，方志，邱毓昌，等（Zhao Zhongyuan，Fang Zhi，Qiu Yuchang et al）．高压直流换流站技术现状与发展（Present status and development trends for HVDC converter station）[J]．中国电力（Electric Power），2002，35(3)：8-51．
[2] 赵中原，邱毓昌，方志，等（Zhao Zhongyuan，Qiu Yuchang，Fang Zhi et al）．换流阀内雷电冲击电压的分布及影响因素（Voltage distribution in a HVDC thyristor valve under lightning impulse tests and influencing factors）[J]．高电压技术（High Voltage Engineering），2002，28(3)：1-3．
[3] Liang Y C．A versatile switch model for power electronics SPICE2 simulations [J]．IEEE Trans on Ind．Electron.，1989，36(1)：86-88．
[4] 温家良，刘正之，傅鹏（Wen Jialiang，Liu Zhengzhi，Fu Peng）．一种简化晶闸管宏模型及其在暂态分析中的应用（A simplified macro-model of thyristor and its application in the transient analysis）[J]．电力电子技术（Power Electronics），2002，36(2)：66-68．
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