CN103033701A - 柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置及试验方法 - Google Patents

柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置及试验方法，该试验装置包括隔离变压器(TR1)、整流桥（REC1）和换流阀阀组，所述整流桥的交流输入端连接隔离变压器，其直流输出端连接换流阀阀组，该实验装置还包括一个BUCK-BOOST升降压电路，该升降压电路包括一个由IGBT与反并联二极管组成的IGBT模块、电阻（R）、直流母线支撑电容（C1）和负载电抗器(L1)，电阻（R）与IGBT模块串联后并联在所述整流桥（REC1）的直流输出端，所述直流母线支撑电容（C1）并联在电阻（R）与IGBT模块串联支路的两端，且通过负载电抗器(L1)连接换流阀阀组。通过构建与实际稳态运行工况相同的试验平台，进行换流阀稳态功率运行试验，对元件电流、电压和温升的检测，验证换流阀设计的正确性。

Description

柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及一种柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置及试验方法。
背景技术
由于柔性直流输电（VSC-HVDC）装置普遍具有高电压、强电流、大容量的特点，导致在试验环境中很难构建与实际运行工况相同的全载电路进行试验，因此，如何在试验环境中构建等效的试验电路，进行与实际运行工况强度相当的试验成为解决问题的关键。
基于模块化多电平换流阀的VSC-HVDC，是利用IGBT阀进行直流输电的一种新技术，子模块（SM）是构成换流阀的最小功率单元，它由IGBT组成的半桥和电容器并联组成，若干个子模块串联构成一个换流阀组件，它能够成比例体现换流阀的电气特性，是进行换流阀稳态运行试验的基本电气单元。
通常，一个VSC-HVDC换流阀工程项目包括数千个子模块，如果对所有子模块逐个进行稳态功率试验，这将是一项既费时又费力的工程，稳态功率试验的目的是对生产工艺环节进行测试，检查有无元件温升异常的地方，因此科学简单的柔性直流输电换流阀大功率稳态试验方法尤为重要，可以为柔性直流输电换流阀大批量生产奠定良好的基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置及试验方法，通过构建与实际运行工况相同的全载电路进行换流阀稳态功率运行试验，对元件电流、电压和温升的检测，验证换流阀设计的正确性。
为实现上述目的，本发明的装置方案是：一种柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置，包括隔离变压器(TR1)、整流桥（REC1）和换流阀阀组，所述整流桥的交流输入端连接隔离变压器，其直流输出端连接换流阀阀组，该实验装置还包括一个BUCK-BOOST升降压电路，该升降压电路包括一个由IGBT与反并联二极管组成的IGBT模块、电阻（R）、直流母线支撑电容（C1）和负载电抗器(L1)，电阻（R）与IGBT模块串联后并联在所述整流桥（REC1）的直流输出端，所述直流母线支撑电容（C1）并联在电阻（R）与IGBT模块串联支路的两端，且通过负载电抗器(L1)连接换流阀阀组。
该试验装置还设有断路器输入开关（KM）、三相调压器（TY）和滤波电抗器（LR），所述断路器输入开关（KM）连接三相电源，并与三相调压器（TY）、滤波电抗器（LR）和隔离变压器(TR1)依次串联。
所述换流阀阀组由一组串联的换流阀子模块（SM）组成，包括投入运行的换流阀子模块和冗余换流阀子模块。
所述换流阀子模块由子模块旁路开关（K1n）、两个IGBT模块(T1n和T1m)、晶闸管(Tn)、子模块电容(CSM1N)和电阻(R1n)组成，所述IGBT模块由一个IGBT器件和一个反并联的二极管组成，所述两个IGBT模块(T1n和T1m)串联，电阻(R1n)与子模块电容器(CSM1N)依次并联在两个IGBT模块(T1n和T1m)串联支路的两端，旁路开关（K1n）、晶闸管(Tn)依次并联在其中一个IGBT模块(T1m)的两端。
本发明的方法方案是：一种柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验方法，步骤如下:
(1)设定子模块电容电压并计算直流母线支撑电容电压，闭合试验装置交流侧输入断路器开关（KM1），试验装置开始启动；
(2)当直流母线支撑电容电压达到计算出的电压值时，控制直流母线经负载电抗器向各串联的换流阀子模块的电容充电，直到各子模块电容电压均达到设定电压值时，试验装置启动完毕；
(3)试验装置启动完毕后，对各串联换流阀子模块的IGBT发触发脉冲，由各串联的换流阀子模块电容经负载电抗器向直流母线放电。之后，试验装置不断重复换流阀子模块电容充放电过程，电路进入稳态运行状态；
(4)当试验运行过程中检测到换流阀阀组中的一个换流阀子模块故障时，闭合该故障子模块的旁路开关断开，将该故障子模块旁路，同时，将一个冗余换流阀子模块的旁路开关断开，将其投入运行；
(5)闭锁换流阀子模块IGBT的触发脉冲，输出泄放回路IGBT触发脉冲，将直流母线电容能量释放完毕，试验结束；或者，断开输入断路器开关（KM1），通过LC回路将***能量释放完毕，试验结束。
(6)当一组换流阀子模块测试完成之后，可更换下一组待测试的换流阀子模块，重新执行步骤（1）~（5）。
所述直流母线支撑电容电压的计算方法为：Udc=Uc·nSM/2，其中，Udc为直流母线支撑电容电压，Uc换流阀子模块电容电压，nSM为试验投入运行的换流阀子模块个数。
步骤（3）中对换流阀子模块的脉冲调制采用的是移相脉宽调制方式。
本发明达到的有益效果：本发明通过搭建一个与实际稳态运行工况相类似的试验平台，换流阀阀组中还设有一组冗余子模块，当检测到运行中的子模块故障时，可以通过旁路开关将故障子模块旁路，并将一个相应的冗余子模块投入运行，实现了多子模块高电压、大电流以及稳定热强度条件下的功率环稳态性能测试，可满足对多个子模块同时进行测试的要求。
并且本发明只是通过一个升降压电路实现对电容的充放电，观察子模块电流和电压的变化，控制方式简单、操作灵活，可良好复现子模块实际稳态运行工况。
附图说明
图1是本发明试验装置原理图；
图2是本发明换流阀子模块电路结构图；
图3是本发明试验装置电容电压波形图；
图4是本发明试验装置负载电抗器电流波形图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明装置实施例：
如图1，本发明的试验装置包括输入断路器开关KM、三相调压器TY、滤波电抗器LR、隔离变压器TR、整流桥REC1、BUCK-BOOST升降压电路以及换流阀组，该换流阀组由n+k个换流阀子模块SM1~SM(n+k)串联组成，其中包括k个冗余子模块，实际投运的子模块个数为n个，该换流阀组并联在整流桥的直流输出端，BUCK-BOOST升降压电路包括IGBT模块T、与该IGBT模块T串联的电阻R1、直流母线支撑电容C1和负载电抗器L1，直流母线支撑电容C1并联在IGBT模块T与电阻R1串联支路的两端，整流桥REC1通过负载电抗器L1连接换流阀组。
该装置的换流阀子模块包括两个串联的半桥结构以及子模块电容器，半桥结构包括旁路开关K1n、电阻R1n、晶闸管Tn、两个IGBT模块T1n和T1m，IGBT模块由一个IGBT器件和一个反并联的二极管组成，IGBT模块T1n和T1串联，电阻R1n与子模块电容器CSM1N依次并联在T1n和T1m串联支路的两端，旁路开关K1n、晶闸管Tn依次并联在T1m的两端，各换流阀子模块通过各自的旁路开关串联在一起，投入运行的各换流阀子模块的旁路开关断开，其余冗余子模块的旁路开关闭合，当其中某个投入运行的子模块故障时，将该子模块的旁路开关闭合，将该子模块旁路，并将一个冗余子模块的旁路开关断开，将其投入运行，保证试验运行的子模块个数不变。
本发明方法实施例：
A.设定换流阀子模块电容电压，并根据公式Udc＝Uc·nSM/2计算直流母线电容电压，其中，Udc为直流母线电容电压，Uc为子模块电容电压，nSM为实际投入运行的串联子模块个数；
B.试验启动时，先由交流输入端实现软启，当直流母线电容电压达到Udc以后，通过控制使试验装置由直流母线经负载电抗器向各串联子模块电容充电，按BOOST升压方式运行，并监测各子模块电容电压，直到各子模块电容电压为Uc，则启动完毕；
C.由串联子模块经负载电抗器向直流母线放电，发出IGBT触发脉冲，使电路按BUCK降压方式运行，之后试验装置不断重复上述BUCK-BOOST运行方式，模拟子模块实际稳态运行工况。
D.实验结束后，闭锁IGBT的触发脉冲，输出泄放回路IGBT触发脉冲，将直流母线电容能量释放完毕，或者在实验结束后，断开输入断路器开关（KM1），使装置工作于泄放模式，通过LC回路将***能量释放完毕；
E.测试完成之后可直接将所有被测子模块下架，更换下一批待测试子模块，重新执行步骤（A）~（E），直到将所有的子模块都测试完毕。
本发明试验装置在稳态运行时，被测换流阀阀组工作在移相脉宽调制方式下，换流阀阀组的两端得到如图3所示的电压波形，包括子模块电容电压波形以及***直流母线电容电压波形，通过对各子模块IGBT的脉冲控制，可以改变对子模块电容的充放电过程，同时控制流过各子模块的电流，实现多子模块同时进行稳态大功率测试的目的，并得到如图4所示的电流波形，本发明通过调整三相调压器的输出，可满足不同数量子模块的测试要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更的行为，均在申请权利申请要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置，包括隔离变压器(TR1)、整流桥（REC1）和换流阀阀组，所述整流桥的交流输入端连接隔离变压器，其直流输出端连接换流阀阀组，其特征在于，该实验装置还包括一个BUCK-BOOST升降压电路，该升降压电路包括一个由IGBT与反并联二极管组成的IGBT模块、电阻（R）、直流母线支撑电容（C1）和负载电抗器(L1)，电阻（R）与IGBT模块串联后并联在所述整流桥（REC1）的直流输出端，所述直流母线支撑电容（C1）并联在电阻（R）与IGBT模块串联支路的两端，且通过负载电抗器(L1)连接换流阀阀组。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置，其特征在于，该试验装置还设有断路器输入开关（KM）、三相调压器（TY）和滤波电抗器（LR），所述断路器输入开关（KM）连接三相电源，并与三相调压器（TY）、滤波电抗器（LR）和隔离变压器(TR1)依次串联。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置，其特征在于，所述换流阀阀组由一组串联的换流阀子模块（SM）组成，包括投入运行的换流阀子模块和冗余换流阀子模块。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置，其特征在于，所述换流阀子模块由子模块旁路开关（K1n）、两个IGBT模块(T1n和T1m)、晶闸管(Tn)、子模块电容(CSM1N)和电阻(R1n)组成，所述IGBT模块由一个IGBT器件和一个反并联的二极管组成，所述两个IGBT模块(T1n和T1m)串联，电阻(R1n)与子模块电容器(CSM1N)依次并联在两个IGBT模块(T1n和T1m)串联支路的两端，旁路开关（K1n）、晶闸管(Tn)依次并联在其中一个IGBT模块(T1m)的两端。
5.一种如权利要求1所述的试验装置的试验方法，其特征在于，步骤如下:
（1）设定子模块电容电压并计算直流母线支撑电容电压，闭合试验装置交流侧输入断路器开关（KM1），试验装置开始启动；
（2）当直流母线支撑电容电压达到计算出的电压值时，控制直流母线经负载电抗器向各串联的换流阀子模块的电容充电，直到各子模块电容电压均达到设定电压值时，试验装置启动完毕；
（3）试验装置启动完毕后，对各串联换流阀子模块的IGBT发触发脉冲，由各串联的换流阀子模块电容经负载电抗器向直流母线放电。之后，试验装置不断重复换流阀子模块电容充放电过程，电路进入稳态运行状态；
（4）当试验运行过程中检测到换流阀阀组中的一个换流阀子模块故障时，闭合该故障子模块的旁路开关断开，将该故障子模块旁路，同时，将一个冗余换流阀子模块的旁路开关断开，将其投入运行；
（5）闭锁换流阀子模块IGBT的触发脉冲，输出泄放回路IGBT触发脉冲，将直流母线电容能量释放完毕，试验结束；或者，断开输入断路器开关（KM1），通过LC回路将***能量释放完毕，试验结束。
（6）当一组换流阀子模块测试完成之后，可更换下一组待测试的换流阀子模块，重新执行步骤（1）~（5）。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述直流母线支撑电容电压的计算方法为：Udc=Uc·nSM/2，其中，Udc为直流母线支撑电容电压，Uc换流阀子模块电容电压，nSM为试验投入运行的换流阀子模块个数。
7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，步骤（3）中对换流阀子模块的脉冲调制采用的是移相脉宽调制方式。
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