柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置及試驗方法
2023-12-02 09:57:11
專利名稱：柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置及試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置及試驗方法。
背景技術：
由於柔性直流輸電(VSC-HVDC)裝置普遍具有高電壓、強電流、大容量的特點，導致在試驗環境中很難構建與實際運行工況相同的全載電路進行試驗，因此，如何在試驗環境中構建等效的試驗電路，進行與實際運行工況強度相當的試驗成為解決問題的關鍵。基於模塊化多電平換流閥的VSC-HVDC，是利用IGBT閥進行直流輸電的一種新技術，子模塊(SM)是構成換流閥的最小功率單元，它由IGBT組成的半橋和電容器並聯組成，若干個子模塊串聯構成一個換流閥組件，它能夠成比例體現換流閥的電氣特性，是進行換流閥穩態運行試驗的基本電氣單元。通常，一個VSC-HVDC換流閥工程項目包括數千個子模塊，如果對所有子模塊逐個進行穩態功率試驗，這將是一項既費時又費力的工程，穩態功率試驗的目的是對生產工藝環節進行測試，檢查有無元件溫升異常的地方，因此科學簡單的柔性直流輸電換流閥大功率穩態試驗方法尤為重要，可以為柔性直流輸電換流閥大批量生產奠定良好的基礎。
發明內容
本發明的目的是提供一種柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置及試驗方法，通過構建與實際運行工況相同的全載電路進行換流閥穩態功率運行試驗，對元件電流、電壓和溫升的檢測，驗證換流閥設計的正確性。為實現上述目的，本發明的裝置方案是一種柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置，包括隔離變壓器(TRl)、整流橋(RECl)和換流閥閥組，所述整流橋的交流輸入端連接隔離變壓器，其直流輸出端連接換流閥閥組，該實驗裝置還包括一個BUCK-B00ST升降壓電路，該升降壓電路包括一個由IGBT與反並聯二極體組成的IGBT模塊、電阻(R)、直流母線支撐電容(Cl)和負載電抗器(LI)，電阻(R)與IGBT模塊串聯後並聯在所述整流橋(RECl)的直流輸出端，所述直流母線支撐電容(Cl)並聯在電阻(R)與IGBT模塊串聯支路的兩端，且通過負載電抗器(LI)連接換流閥閥組。該試驗裝置還設有斷路器輸入開關(KM)、三相調壓器(TY)和濾波電抗器(LR)，所述斷路器輸入開關(KM)連接三相電源，並與三相調壓器(TY)、濾波電抗器(LR)和隔離變壓器(TRl)依次串聯。所述換流閥閥組由一組串聯的換流閥子模塊(SM)組成，包括投入運行的換流閥子模塊和冗餘換流閥子模塊。所述換流閥子模塊由子模塊旁路開關(Kin)、兩個IGBT模塊(Tin和Tlm)、晶閘管(Tn)、子模塊電容(Csmin)和電阻(Rln)組成，所述IGBT模塊由一個IGBT器件和一個反並聯的二極體組成，所述兩個IGBT模塊(Tin和Tlm)串聯，電阻(Rln)與子模塊電容器(Csmin)依次並聯在兩個IGBT模塊(Tin和Tlm)串聯支路的兩端，旁路開關(Kin)、晶閘管(Tn)依次並聯在其中一個IGBT模塊(Tlm)的兩端。本發明的方法方案是一種柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗方法，步驟如下(I)設定子模塊電容電壓並計算直流母線支撐電容電壓，閉合試驗裝置交流側輸入斷路器開關(KM1)，試驗裝置開始啟動；(2)當直流母線支撐電容電壓達到計算出的電壓值時，控制直流母線經負載電抗器向各串聯的換流閥子模塊的電容充電，直到各子模塊電容電壓均達到設定電壓值時，試驗裝置啟動完畢；(3)試驗裝置啟動完畢後，對各串聯換流閥子模塊的IGBT發觸發脈衝，由各串聯的換流閥子模塊電容經負載電抗器向直流母線放電。之後，試驗裝置不斷重複換流閥子模塊電容充放電過程，電路進入穩態運行狀態；(4)當試驗運行過程中檢測到換流閥閥組中的一個換流閥子模塊故障時，閉合該故障子模塊的旁路開關斷開，將該故障子模塊旁路，同時，將一個冗餘換流閥子模塊的旁路開關斷開，將其投入運行；(5)閉鎖換流閥子模塊IGBT的觸發脈衝，輸出洩放迴路IGBT觸發脈衝，將直流母線電容能量釋放完畢，試驗結束；或者，斷開輸入斷路器開關(KM1)，通過LC迴路將系統能量釋放完畢，試驗結束。(6)當一組換流閥子模塊測試完成之後，可更換下一組待測試的換流閥子模塊，重新執行步驟(I) (5)。所述直流母線支撐電容電壓的計算方法為Ude=U。
nSM/2，其中，Udc為直流母線支撐電容電壓，U。換流閥子模塊電容電壓，nSM為試驗投入運行的換流閥子模塊個數。步驟(3)中對換流閥子模塊的脈衝調製採用的是移相脈寬調製方式。本發明達到的有益效果本發明通過搭建一個與實際穩態運行工況相類似的試驗平臺，換流閥閥組中還設有一組冗餘子模塊，當檢測到運行中的子模塊故障時，可以通過旁路開關將故障子模塊旁路，並將一個相應的冗餘子模塊投入運行，實現了多子模塊高電壓、大電流以及穩定熱強度條件下的功率環穩態性能測試，可滿足對多個子模塊同時進行測試的要求。並且本發明只是通過一個升降壓電路實現對電容的充放電，觀察子模塊電流和電壓的變化，控制方式簡單、操作靈活，可良好復現子模塊實際穩態運行工況。
圖1是本發明試驗裝置原理圖；圖2是本發明換流閥子模塊電路結構圖；圖3是本發明試驗裝置電容電壓波形圖；圖4是本發明試驗裝置負載電抗器電流波形具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。本發明裝置實施例
如圖1，本發明的試驗裝置包括輸入斷路器開關KM、三相調壓器TY、濾波電抗器LR、隔離變壓器TR、整流橋REC1、BUCK-B00ST升降壓電路以及換流閥組，該換流閥組由n+k個換流閥子模塊SMfSM(n+k)串聯組成，其中包括k個冗餘子模塊，實際投運的子模塊個數為n個，該換流閥組並聯在整流橋的直流輸出端，BUCK-B00ST升降壓電路包括IGBT模塊T、與該IGBT模塊T串聯的電阻R1、直流母線支撐電容Cl和負載電抗器LI，直流母線支撐電容Cl並聯在IGBT模塊T與電阻Rl串聯支路的兩端，整流橋RECl通過負載電抗器LI連接換流閥組。該裝置的換流閥子模塊包括兩個串聯的半橋結構以及子模塊電容器，半橋結構包括旁路開關Kin、電阻Rln、晶閘管Tn、兩個IGBT模塊Tln和Tlm，IGBT模塊由一個IGBT器件和一個反並聯的二極體組成，IGBT模塊Tln和Tl串聯，電阻Rln與子模塊電容器Csmin依次並聯在Tln和Tlm串聯支路的兩端，旁路開關Kin、晶閘管Tn依次並聯在Tlm的兩端，各換流閥子模塊通過各自的旁路開關串聯在一起，投入運行的各換流閥子模塊的旁路開關斷開，其餘冗餘子模塊的旁路開關閉合，當其中某個投入運行的子模塊故障時，將該子模塊的旁路開關閉合，將該子模塊旁路，並將一個冗餘子模塊的旁路開關斷開，將其投入運行，保證試驗運行的子模塊個數不變。 本發明方法實施例A.設定換流閥子模塊電容電壓，並根據公式Udc = U。
nSM/2計算直流母線電容電壓，其中，ud。為直流母線電容電壓，U。為子模塊電容電壓，nSM為實際投入運行的串聯子模塊個數；B.試驗啟動時，先由交流輸入端實現軟啟，當直流母線電容電壓達到Ud。以後，通過控制使試驗裝置由直流母線經負載電抗器向各串聯子模塊電容充電，按BOOST升壓方式運行，並監測各子模塊電容電壓，直到各子模塊電容電壓為U。，則啟動完畢；C.由串聯子模塊經負載電抗器向直流母線放電，發出IGBT觸發脈衝，使電路按BUCK降壓方式運行，之後試驗裝置不斷重複上述BUCK-B00ST運行方式，模擬子模塊實際穩態運行工況。D.實驗結束後，閉鎖IGBT的觸發脈衝，輸出洩放迴路IGBT觸發脈衝，將直流母線電容能量釋放完畢，或者在實驗結束後，斷開輸入斷路器開關(KM1)，使裝置工作於洩放模式，通過LC迴路將系統能量釋放完畢；E.測試完成之後可直接將所有被測子模塊下架，更換下一批待測試子模塊，重新執行步驟(A) (E)，直到將所有的子模塊都測試完畢。本發明試驗裝置在穩態運行時，被測換流閥閥組工作在移相脈寬調製方式下，換流閥閥組的兩端得到如圖3所示的電壓波形，包括子模塊電容電壓波形以及系統直流母線電容電壓波形，通過對各子模塊IGBT的脈衝控制，可以改變對子模塊電容的充放電過程，同時控制流過各子模塊的電流，實現多子模塊同時進行穩態大功率測試的目的，並得到如圖4所示的電流波形，本發明通過調整三相調壓器的輸出，可滿足不同數量子模塊的測試要求。以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的技術人員閱讀本申請後，參照上述實施例對本發明進行種種修改或變更的行為，均在申請權利申請要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置，包括隔離變壓器(TRl)、整流橋(RECl)和換流閥閥組，所述整流橋的交流輸入端連接隔離變壓器，其直流輸出端連接換流閥閥組，其特徵在於，該實驗裝置還包括一個BUCK-BOOST升降壓電路，該升降壓電路包括一個由IGBT與反並聯二極體組成的IGBT模塊、電阻(R)、直流母線支撐電容(Cl)和負載電抗器(LI)，電阻(R)與IGBT模塊串聯後並聯在所述整流橋(RECl)的直流輸出端，所述直流母線支撐電容(Cl)並聯在電阻(R)與IGBT模塊串聯支路的兩端，且通過負載電抗器(LI)連接換流閥閥組。
2.根據權利要求1所述的柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置，其特徵在於，該試驗裝置還設有斷路器輸入開關(KM)、三相調壓器(TY)和濾波電抗器(LR)，所述斷路器輸入開關(KM)連接三相電源，並與三相調壓器(TY)、濾波電抗器(LR)和隔離變壓器(TRl)依次串聯。
3.根據權利要求1所述的柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置，其特徵在於，所述換流閥閥組由一組串聯的換流閥子模塊(SM)組成，包括投入運行的換流閥子模塊和冗餘換流閥子模塊。
4.根據權利要求3所述的柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置，其特徵在於，所述換流閥子模塊由子模塊旁路開關(Kin)、兩個IGBT模塊(Tin和Tim)、晶閘管(Τη)、子模塊電容(Csmin)和電阻(Rln)組成,所述IGBT模塊由一個IGBT器件和一個反並聯的二極體組成，所述兩個IGBT模塊(Tin和Tlm)串聯，電阻(Rln)與子模塊電容器(Csmin)依次並聯在兩個IGBT模塊(Tin和Tlm)串聯支路的兩端，旁路開關(Kin)、晶閘管(Tn)依次並聯在其中一個IGBT模塊(Tlm)的兩端。
5.一種如權利要求1所述的試驗裝置的試驗方法，其特徵在於，步驟如下 (1)設定子模塊電容電壓並計算直流母線支撐電容電壓，閉合試驗裝置交流側輸入斷路器開關(KM1)，試驗裝置開始啟動； (2)當直流母線支撐電容電壓達到計算出的電壓值時，控制直流母線經負載電抗器向各串聯的換流閥子模塊的電容充電，直到各子模塊電容電壓均達到設定電壓值時，試驗裝置啟動完畢； (3)試驗裝置啟動完畢後，對各串聯換流閥子模塊的IGBT發觸發脈衝，由各串聯的換流閥子模塊電容經負載電抗器向直流母線放電。之後，試驗裝置不斷重複換流閥子模塊電容充放電過程，電路進入穩態運行狀態； (4)當試驗運行過程中檢測到換流閥閥組中的一個換流閥子模塊故障時，閉合該故障子模塊的旁路開關斷開，將該故障子模塊旁路，同時，將一個冗餘換流閥子模塊的旁路開關斷開，將其投入運行； (5)閉鎖換流閥子模塊IGBT的觸發脈衝，輸出洩放迴路IGBT觸發脈衝，將直流母線電容能量釋放完畢，試驗結束；或者，斷開輸入斷路器開關(KMl )，通過LC迴路將系統能量釋放完畢，試驗結束。
(6)當一組換流閥子模塊測試完成之後，可更換下一組待測試的換流閥子模塊，重新執行步驟(1) (5)。
6.根據權利要求5所述的試驗方法，其特徵在於，所述直流母線支撐電容電壓的計算方法為Udc=U。*nSΜ/2，其中，Ude為直流母線支撐電容電壓，U。換流閥子模塊電容電壓，nSM為試驗投入運行的換流閥子模塊個數。
7.根據權利要求5所述的試驗方法，其特徵在於，步驟(3)中對換流閥子模塊的脈衝調製採用的是移相脈寬調製方式。
全文摘要
本發明涉及一種柔性直流輸電換流閥穩態大功率運行試驗裝置及試驗方法，該試驗裝置包括隔離變壓器(TR1)、整流橋(REC1)和換流閥閥組，所述整流橋的交流輸入端連接隔離變壓器，其直流輸出端連接換流閥閥組，該實驗裝置還包括一個BUCK-BOOST升降壓電路，該升降壓電路包括一個由IGBT與反並聯二極體組成的IGBT模塊、電阻(R)、直流母線支撐電容(C1)和負載電抗器(L1)，電阻(R)與IGBT模塊串聯後並聯在所述整流橋(REC1)的直流輸出端，所述直流母線支撐電容(C1)並聯在電阻(R)與IGBT模塊串聯支路的兩端，且通過負載電抗器(L1)連接換流閥閥組。通過構建與實際穩態運行工況相同的試驗平臺，進行換流閥穩態功率運行試驗，對元件電流、電壓和溫升的檢測，驗證換流閥設計的正確性。
文檔編號G01R31/00GK103033701SQ20121050735
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者姚為正, 劉剛, 孫健, 姚釗, 夏克鵬, 李海鯤 申請人:許繼集團有限公司, 國家電網公司