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  发布时间:2009-09-23 阅读: 下载次数:  
ITER 项目AC/DC整流器仿真及故障抑制能力校验

The Verification for AC/DC Rectifier Simulation and Fault Control Ability in ITER Project

                                                                    
[摘   要]本文介绍了ITER 项目AC/DC整流器设计的基本要求及其关键技术。并阐述了故障抑制能力的设计理念。通过仿真分析,得出了整流器最严重故障情况下的电压、电流波形。之后根据器件供应商试验、仿真校验,最终确定整流器每臂并联器件数目。在保证设备安全可靠的前提下,实现最经济的设计。
Abstract: The paper introduces the basic requirements and the key technique of AC/DC rectifier design in ITER project. The design philosophy of fault control is expatiated. The wave of voltage and current under the most serious failure is obtained by simulation analysis. According to the test and simulation verification provided by the suppliers, the number of the shunt connection device is confirmed. The most economic design is realized on the premise of the assurance of safety and reliability.
1 引言
  ITER项目AC/DC变流器系统的主要功能根据它们连接的线圈系统的不同而不同。首先,1个变流器必须给TF线圈提供连续的可控的电流。其次,总共18个变流器需要给CS和PF线圈提供可控的电压和/或电流,用于等离子启动和等离子电流形状和位置的控制。最后,9个变流器需要给校正线圈提供可控电流用于误差磁场校正。
  由AC/DC变流器供电的负载的主要要求由下表给出
表1 对AC/DC变流器的要求


2  主变流器设计原则
  主变流器(MC)的设计原则如下: 每一个单元置的控制。最后,9个变流器需要给校正线圈提供可控电流用于误差磁场校正。
  由AC/DC变流器供电的负载的主要要求由下表给出
2  主变流器设计原则
  主变流器(MC)的设计原则如下: 每一个单元适合与其他单元串联和/或并联;一个单元,包括2个并联的6脉冲晶闸管桥,作为一个12-脉冲变流器运行。在参考方案中,一个单元的2个晶闸管桥通常并联;尽管如此,每一个单元的设计允许2个晶闸管桥的离线串/并联重新设置,以便于相同的单元能在一半电流时提供2倍电压。
    MC额定配置为±2kV空载电压,±45kA连续运行;整流器变压器额定功率为95MVA。MC变流器直接连接到69kV电网。总共12个变流器用来给ITER的CS和PF线圈电路提供可控的电压和电流。 Mc变流器的基本结构如图1所示。
图1 主变流器结构图
3 变流器设计关键
  变流器的高可靠性是一个重要的问题,因为一个变流器失败可能间接导致环形负载聚集,将导致等离子击穿。并且,ITER装置发生故障的期间会带来高额的成本费用。
    应用故障抑制能力(FSC),旁路和每个臂一个冗余晶闸管,可满足高可靠性设计目标。FSC原则允许清除由最频繁的内部故障(背靠背连接的反并联的桥之间的环路电流和直流侧的短路电流)引起的过流,靠门级脉冲抑制而不用熔断熔丝。熔丝与每一个晶闸管串联,仅在一个晶闸管故障时起作用。
  故障抑制后,剩余的未故障的晶闸管能承受额定的直流电压。FSC概念比传统变流器策略需要更高数量的晶闸管;这个数量要能满足保持不平衡因数Kimb<1.3的条件所限制,不管是正常运行还是故障情况。
Kimb = Np × Ith max /Itot
其中:Np    :每个臂并联晶闸管数量
Ith max:过负荷最严重的晶闸管电流
Itot        :桥臂总电流
    FSC概念改善了系统的可靠性;事实上大多数故障由控制来清除,所以有可能避免触发交流电路断路器,而在故障后立即开始正常的运行。在一个晶闸管故障的情况下,熔丝断开后,由于留有一个冗余的晶闸管,所以设备仍能继续正常运行。
  变流器的各种故障情况在仿真中得以校验。
4 仿真
4.1 输入数据及系统结构
  电网工作电压400kV,短路容量11700MVA, 步降变压器预期为从400kV到69kV。每个容量300MVA,电路阻抗12%。
  三个69kV独立母线系统为AC/DC变流变压器供电。每个结构参数如图2 所示:
图2 整流变压器示意图
  仿真依据中心螺线管和极向线圈的AC/DC变流器参数完成,草图如图 2 (额定电流±45kA,空载电压±2kV)。变压器两个原边绕组,每个额定电压69kV,额定功率47MVA ,每个副边绕组额定电压1.48kV ,额定容量47MVA 。两变压器副边U’V’W’ 和 U”V”W”移相30° 来接成12脉运行。这里假设采用Yd0 和Yy11绕组连接。变压器短路阻抗为16%。
    AC/DC 变流器两个正向部分(F’ 和F”) 经过两个相间电抗器 (176μH),结成12脉并联运行,同方向提供负荷直流电流。

            图3 整流器单元结构图
4.2 故障仿真
  针对整流器可能出现的各种故障做了大量仿真分析,得出了各种故障情况下的电流、电压波形。
  这里以最严重的误触发故障为例进行分析。
4.2.1 误触发故障-封锁脉冲情况
  假设条件:
· 电网电压考虑为105% 额定值
·AC/DC变流器两个正向部分(F’ 和 F”) 同时工作在22.5kA 额定电流(12脉运行)
· 触发角 α 为零 (最大直流电压)

·直流负荷由直流电流源代替(45kA)
·当 1F’开始导通时,臂 5R’ (图3)误触发
·当一个桥的故障电流达到1.1倍额定电流(22.5kA)时,封锁脉冲
·误触发后80ms,AC/DC变流器由整流变压器的原边断路器断开交流供电得到如下典型故障电流波形:
  一个周波故障电流,有正向再生电压作用:
    每个臂都有N个晶闸管并联,电流在N个晶闸管之间均流。不平衡因数假定为1.3 (保守估计), 即假定最大过负荷晶闸管故障电流为: 1.3×(桥臂总故障电流 / N)。

不同N值下,臂5R’ 的最大过负荷晶闸管故障电流峰值列于下表:

4.2.2 误触发故障-脉冲不封锁情况
假设条件:
  故障发生后,两个桥的各桥臂脉冲不封锁,继续运行在原来的触发角 (α=0) 。误触发后80ms,AC/DC变流器由整流变压器原边断路器断开交流供电,同时封锁脉冲。其他条件与上同。
  得到下面两种典型故障电流、电压波形:
(1)4 个周波故障电流,有反向再生电压作用
在不同的N值下,臂3F’ 最大过负荷的晶闸管故障电流四个峰值,列表如下:

(2)4个周波故障电流,没有再生电压作用


图 6   Y桥误触发晶闸管
阳极-阴极电压、电流(1∶100)

在不同的N值情况下,臂5R’的最大过负荷晶闸管的故障电流四个峰值,列表如下:

5 晶闸管故障电流承受能力校验
  ABB 半导体公司针对上述不同的故障情况,依据仿真电流、电压采样值,按如下三种方式试验、定义晶闸管故障抑制能力。
5.1 有正向再生电压作用下故障抑制能力校验
参考波形如图7
● 最初结温Tj =110 ℃ ,晶闸管加半波正弦电流,时间15ms ,峰值定义为“可承受电流”Isuppr.。
● 当电流减小为零,在3.5ms 间隔后(试验电流起始后18.5ms),电压开始作用于晶闸管,电压为从零开始的50Hz正弦波。
● 作用的正向电压峰值等于50% 的 VDRM(最大正向重复电压)。
● 得出在Isuppr. 值限制下, 结温最大值 175 ℃ ,当正向电压作用时,晶闸管结温150 ℃。
图7 有正向再生电压作用下参考波形


       每臂7个晶闸管并联时结温仿真波形如图8:


●假定初始值Tj =90 ℃ 、 N=7
●结温最大值为 Tj = 155℃,正向电压作用于晶闸管时结温为120℃。这些值低于上述参考波形的值。
●正向电压峰值1930V, 低于50% 的VDRM (0.5x 5200=2600V)
    因此 ,结论是这种故障下,N=7时的故障抑制能力已被核实。
每臂7个晶闸管并联时结温仿真波形如图8:
●假定初始值Tj =90 ℃ 、 N=7
●结温最大值为 Tj = 155℃,正向电压作用于晶闸管时结温为120℃。这些值低于上述参考波形的值。
●正向电压峰值1930V, 低于50% 的VDRM (0.5x 5200=2600V)
    因此 ,结论是这种故障下,N=7时的故障抑制能力已被核实。
图8  每桥臂7个晶闸管并联时温升仿真波形
5.2  有反向再生电压作用下故障抑制能力校验
  如图9所示, 臂 3F’的晶闸管受反向电压的影响,要求其能够阻断该电压,否则晶闸管将损坏。这要求结温在反向电压作用时“充分”的低。
参考情况
● 初始结温Tj =90℃ ,晶闸管加半波正弦电流,时间10ms。
● 晶闸管在有反向电压作用时,能够承受结温低于220℃。

图9 有反向再生电压作用下参考波形
     每臂7个晶闸管并联时变流器电路仿真波形:
● 假定结温初始值Tj =90℃ 、 N=7,
● 反向电压作用时的结温最大值为 Tj = 175℃,低于上面参考情况。
     结论是这种情况下整流桥臂可承受故障电流并有很大裕量。


图8 每桥臂7个晶闸管并联时温升仿真波形
5.3 无再生电压作用下故障抑制能力校验
  根据ABB 针对晶闸管5STP52U5200 (VDRM=5200V)的典型试验,没有正向或反向电压作用时,晶闸管可以在不损坏的条件下承受低于 350℃的结温。
  考虑图6中臂5R’的故障电流, ABB计算了最大过负荷晶闸管的最大结温如下:

从上表可看出:
● N=9 时  臂 5R’的晶闸管能够承受故障电流并有很大裕量。
● N=8 时 臂 5R’的晶闸管能够承受故障电流,在起始结温低于70℃ 是有一定的裕量。
● N=7 时 臂 5R’的晶闸管不能够承受故障电流,在起始结温高于70℃ 情况下。
6 分析与结论
  当AC/DC变流器两个正向部分全负荷工作,反向部分一个臂误触发时,计算了封锁脉冲和不封锁脉冲(四个周期断开交流断路器)两种不同情况下的故障电流。
  根据ABB针对5STP 52U5200的分析,结论是7个(另外加一个冗余)管子并联可以满足其中两种情况。
  如果没有封锁脉冲,误触发的桥臂承受4个周波无过零电流(图6)。在这种情况下,ABB估计8支(加一个冗余)管并联来避免结温升高至危险值是必要的。  
  

但还需考虑以下情况:
●误触发的晶闸管结温会明显低于70℃ (由ABB假定) ,因为故障前它没有导通 。
●故障电流会低一些,因为忽略了变压器和变流器之间连接电感(布局连接目前未知)。
● 仅考虑了整流变压器、步降变压器和电网参数,整流变压器二次侧等值电抗大约为每相25μH; 因此,故障电流减小5-10%很容易实现(因为每相预计还会有1.25-2.5μH 的阻抗) 。
●保守的估计了电网电压为105%额定值。
●电子保护的冗余可以大大减小脉冲封锁失败的危险。
●即时发出断开断路器命令来防止脉冲失败,可以使故障电流减小到三个周期。
● 四象限运行,非背靠背连接时,会大大减小故障电流水平。因为这种情况下,大的直流电抗会在故障电路内。
因此,每臂7支管并联(另加一个冗余)能够满足故障抑制能力的要求。
  该设计过程充分考虑了各种故障情况,对最严重的结果做分析,并严格的考察了晶闸管承受能力,是能够满足设备可靠性的最优设计。


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