[发明专利]热路模拟方法及采用该方法的换流阀组件热路模拟方法

说明书

本发明提供一种热路模拟方法及采用该方法的换流阀组件热路模拟方法，热路模拟方法包括：1)建立热路中的物理量与电路中物理量的对应关系：温度对应电压，热流量对应电流，热阻对应电阻；2)依据上述对应关系，采用电路模型来建立待模拟设备的热路模型，包括：根据待模拟设备的散热方式，建立待模拟设备的整体散热模型；根据待模拟设备中与散热相关的各个元件或单元的散热特性，所述各个元件或单元的热路模型。本发明利用电路模型来建立阀组件热路模型以进行热路模拟，为热路模拟提供了一种崭新的思路。

技术领域

本发明涉及一种热路模拟方法，特别是直流输电换流阀组件热路模拟方法，属于高压直流输电技术中散热设计领域。

背景技术

高压直流输电(HVDC)换流阀目前主要采用晶闸管串联形式组成，其核心元器件晶闸管作为一种功率半导体器件，工作状态密切依赖于其芯片(硅)的温度，即结温。当结温升高时，硅的介电能力减弱、载流子寿命增加、耐疲劳能力降低，在HVDC换流阀中相应地表现为耐压能力降低、反向恢复电荷增加、反向恢复过冲增强、使用寿命降低。总之，直流输电换流阀晶闸管的结温既影响直流输电换流阀的运行可靠性，又影响其使用寿命。

在晶闸管运行过程中，晶闸管芯片的温升主要由芯片自身工作产生的损耗引起。因此，HVDC晶闸管阀中普遍配有专门的水冷散热器将损耗带走，以控制结温在可靠的工作范围以内，如稳态运行结温限制在90℃以下。控制稳态结温主要依靠提高散热效率、降低晶闸管自身和散热器的热阻以及它们之间的接触热阻。

综上，在晶闸管水冷散热器设计和冷却系统设计时需要对晶闸管的结温进行计算和预测，目前采用的方法主要有试验法、计算法和有限元仿真。试验法的主要问题是晶闸管结温的测量，一般通过测量晶闸管壳温，再根据热传导理论推算晶闸管结温，试验环境和测温点的选择对结果影响较大。目前采用的计算法的主要问题是计算单个晶闸管和散热器，没有考虑阀组件散热结构和水路对晶闸管结温计算的影响。有限元仿真方法的优点是可以得到阀组件的温度分布云图，结果直观，但是其模型复杂，参数获取困难，仿真结果存在不确定性。

发明内容

本发明提供了一种热路模拟方法及采用该方法的换流阀组件热路模拟方法，用于稳态运行时晶闸管结温计算和仿真的阀组件热路模型，解决现有技术建模复杂，参数获取困难的问题。

本发明的目的是采用下述方案实现的：

一种热路模拟方法，包括如下步骤：

1)建立热路中的物理量与电路中物理量的对应关系：温度对应电压，热流量对应电流，热阻对应电阻；

2)依据上述对应关系，采用电路模型来建立待模拟设备的热路模型，包括：根据待模拟设备的散热方式，建立待模拟设备的整体散热模型；根据待模拟设备中与散热相关的各个元件或单元的散热特性，建立各个元件或单元的热路模型。

热路中的物理量与电路中物理量的对应关系还包括：热容对应电容。

本发明利用电路模型来建立阀组件热路模型以进行热路模拟，为热路模拟提供了一种崭新的思路，而且这样能够直接借助现有的电路模拟软件(如PSPICE等仿真软件)，不用再设计其他专用软件。

本发明还提供了一种换流阀组件热路模拟方法，包括如下步骤：

1)建立热路中的物理量与电路中物理量的对应关系：温度对应电压，热流量对应电流，热阻对应电阻；

2)依据上述对应关系，采用电路模型来建立阀组件的热路模型：阀组件热路模型由晶闸管热路、水冷散热器热路和阻尼电阻热路串联组成；晶闸管热路由模拟晶闸管散热量的电流源和模拟晶闸管热阻的电阻组成；水冷散热器热路由模拟散热器进水温度的电压源、散热器冷却水温升的电流控制电压源和模拟散热器热阻的电阻组成；阻尼电阻热路由模拟阻尼电阻散热量的电流源和模拟阻尼电阻热阻的电阻组成。