CN104714132A - 柔性直流输电变流器性能测试平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性直流输电变流器性能测试平台及其控制方法，其第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器的直流侧背靠背连接，交流侧三相分别对应连接，构成功率环流通路；试验电源与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联，提供稳态运行测试的损耗功率；短路发生装置与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联。本发明电网容量要求很低；同时，测试平台采用直流侧供电方式，因此整个平台仅采用一个实验电源。对于IEC标准所要求的短路和过流关断测试项目，由于该平台基本结构与实际工程基本相同，因此该平台可按照实际中柔性直流输电***双极短路故障设置短路和过流关断测试。

Description

柔性直流输电变流器性能测试平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种高压大功率电力电子变流器测试技术领域的***，具体是一种模块化多电平一种柔性直流输电变流器性能测试平台及其控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术是基于电压源换流VSC技术和门极可关断的全控型功率器件(IGBT，IEGT)的新型电力传输技术，与传统的直流输电技术相比较，具有能够连接弱交流***、向无源网络供电、提高风电等新能源接入电网的穿透功率等优点。随着近年来国内外柔性直流变流器技术的不断发展，其电压等级和输电容量也不断增大，已开始应用于我国主干网***，其稳定性和抗扰性能已足以影响电力***安全稳定运行。因此柔性直流输电工程均要求变流器在建设之前进行运行试验，根据IEC标准需要进行稳态运行试验、短路试验和过电流关断试验。由此可知试验平台的建设已成为柔性直流输电技术发展中不可缺少的部分。

对于柔性直流输电变流器的电压等级和容量通常无法直接利用电网进行全功率测试，单纯依赖试验平台提供几百兆瓦甚至上千兆瓦容量的试验电源其设备成本将达到或超过整个柔性直流输电工程，从工程建设和成本角度根本无法实现。因此需要设计特殊试验平台，在保证测试中变流器工况与实际工程相同的基础上，对试验电源容量要求较小并可降低设备成本。对此由吴亚楠，罗湘，高冲申请的专利“柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验装置[P].202230181U,2012”中提出一种由两个阀组件并联形式的稳态运行测试平台，通过改变两个阀组件的调制信号，使二者之间产生大功率环流，等效于实际工程中稳态运行时变流器桥臂电流。但该设备仅能进行稳态运行测试，文献中未提及IEC标准要求的短路和过流关断测试，并且该装置拓扑结构与实际工程应用中变流器结构差别较大，虽能够产生稳态运行时的等效桥臂电流，但其所采用控制策略需特殊设计，与实际运行设备不同，因此也无法对所采用变流器控制策略进行算法级测试。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种柔性直流输电变流器性能测试平台。

本发明以级数较少(优选为5至7级)的模块化多电平变流器为核心，采用第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器以背靠背形式连接，构成稳态运行测试平台，两台变流器分别工作于定功率控制方式和定交流电压控制方式，与实际工程中变流器控制方式相同，两变流器交流侧相互连接，二者之间形成功率环流，测试平台电网容量要求很低。同时，测试平台采用直流侧供电方式，因此整个***仅采用一个实验电源。对于IEC标准所要求的短路和过流关断测试项目，由于该平台基本结构与实际工程基本相同，因此该平台可按照实际中柔性直流输电***双极短路故障设置短路和过流关断测试。综上所述该测试平台可完成IEC所有运行试验测试以及控制算法级的测试项目。

根据本发明提供的一种柔性直流输电变流器性能测试平台，包括：第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器、试验电源、短路发生装置；

第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器的直流侧背靠背连接，交流侧三相分别对应连接，构成功率环流通路；

试验电源与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联，提供稳态运行测试的损耗功率；

短路发生装置与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联。

优选地，所述第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器，均主要由6只阀段经桥臂电抗器，两两串联后再相互并联连接构成。

优选地，所述试验电源主要由三相不控整流桥、直流稳压电容、输入交流断路器构成；

三相不控整流桥交流测输入端经输入交流断路器与电网连接；三相不控整流桥直流侧正极与直流稳压电容正极连接，为试验电源的直流输出侧正极；三相不控整流桥直流侧负极与直流稳压电容负极连接，为试验电源的直流输出侧负极；

试验电源的直流输出侧与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联。

优选地，稳态运行测试时，与电网连接的输入交流断路器闭合；当短路测试开始时，首先断开与电网连接的输入交流断路器。

优选地，所述短路试验装置主要由晶闸管阀和可调电抗器串联组成，通过调节可调电抗器数值，能够限制双极短路试验中短路电流的上升率。

优选地，所述阀段由数量较少的功率单元依次串联构成，其中，所述数量较少是指数量大于等于5且小于等于7，所述依次串联是指不同功率单元的高压端和低压端之间依次相互连接。

优选地，所述功率单元采用半桥结构的模块化功率单元，或者采用全桥结构的模块化功率单元。

优选地，第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器之间交换有功功率，且分别工作于定功率控制方式、定交流电压控制方式；试验电源仅提供第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器稳态运行时的损耗功率。

根据本发明提供的一种上述的柔性直流输电变流器性能测试平台的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：闭合试验电源的输入交流断路器，缓慢升高试验电源电压至额定电压，其中，所述缓慢是指按照给定的斜率抬升试验电源电压；

步骤2：解锁第1模块化多电平变流器，运行于定交流电压控制方式，第1变流器交流侧电压输出设定值为第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器额定运行电压值；

步骤3：待第1模块化多电平变流器输出交流电压幅值和频率稳定后，解锁第2模块化多电平变流器，逐渐升高功率给定值，直到额定运行功率，完成IEC稳态运行试验以及定功率定交流电压控制策略检验；运行中所产生损耗由试验电源经第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器的并联直流侧补充；其中，所述逐渐升高功率给定值是指按照给定的斜率抬升功率给定值；

步骤4：待第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器工作至热稳定状态，断开试验电源的输入交流侧断路器，待输入交流侧断路器分闸位置返回后，触发短路发生装置中的晶闸管阀，造成第1模块化多电平变流器双极短路，第1模块化多电平变流器检测到其所包含的桥臂过电流后，闭锁第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器，使第1模块化多电平变流器所包含桥臂的阀段流过短路电流。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、试验平台中两模块化多电平变流器交流侧A、B、C相对应相互连接，稳态运行时，第1、第2模块化多电平变流器间交换有功功率，试验电源仅提供第1、第2模块化多电平变流器稳态运行时的损耗功率，试验平台对电源强度和容量要求低。

2、基于同一试验平台可完成IEC运行试验和控制变流器控制策略验证，与实际工程运行控制策略相同，无需特殊设计测试平台控制算法。

3、试验平台可适用于半桥结构和全桥结构的功率单元的模块化多电平变流器，试验对象覆盖面积相对广泛，平台利用率高。

4、试验平台仅需要一个实验电源，对变流器稳态运行时的功率损耗进行补能，短路试验所需短路电流由变流器功率单元中电容器提供。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是模块化多电平变流器试验平台拓扑结构原理图；

图2模块化多电平变流器原理图；

图3是阀段原理图；

图4是功率单元原理图；

图5是短路发生装置原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种柔性直流输电变流器性能测试平台。包括：两个三相模块化多电平变流器、两个直流滤波器、试验电源、短路发生装置。其中：第1和第2模块化多电平变流器交流侧A、B、C相分别相互连接，第1模块化多电平变流器正极和负极分别经直流滤波器L1和直流滤波器L2与第2模块化多电平变流器正极和负极连接。试验电源交流侧与电网连接，试验电源直流输出端正负极分别与第1变流器直流侧正负极连接。短路发生装置正极与第1模块化多电平正极连接，短路发生装置负极与第1模块化多电平负极连接。所述测试平台采用第1和第2模块化多电平变流器以背靠背形式连接，所述第1和第2模块化多电平变流器交流侧相互连接，二者之间形成功率环流，测试平台电网容量要求很低。同时，测试平台采用直流侧供电方式，因此整个***仅采用一个实验电源。对于IEC标准所要求的短路和过流关断测试项目，由于该平台基本结构与实际工程基本相同，因此该平台可按照实际中柔性直流输电***双极短路故障设置短路和过流关断测试。

下面结合图1-图5和具体实施例对本试验***设计方案作详细描述：

结合图1，本发明提供的测试平台包括第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器、直流滤波器L1、直流滤波器L2、试验电源，短路发生装置。其中：第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器的交流侧A、B、C相分别相互连接，第1模块化多电平变流器正极和负极分别经直流滤波器L1、直流滤波器L2与第2模块化多电平变流器正极和负极连接。试验电源交流侧与电网连接，试验电源直流输出端正负极分别与第1模块化多电平变流器直流侧正负极连接。短路发生装置正极(“+”)与第1模块化多电平正极连接，短路发生装置负极(“-”)与第一模块化多电平负极连接。

所述的第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器如图2所示，均包含由6个阀段(包括第1、2、3、4、5、6阀段)和6个桥臂电抗器(包括桥臂电抗器L11、L12、L13、L14、L15、L16)组成标准三相多电平变流器结构，具体为：第1-3阀段低压端分别与桥臂电抗器L11、L12、L13一端连接，第1-3阀段高压端并联后作为变流器直流侧正极；第4-6阀段高压端分别与桥臂电抗器L14、L15、L16一端连接，第4-6阀段低压端并联后作为变流器直流侧负极；电抗器L11另一端与电抗器L14另一端连接为模块化多电平变流器交流侧A相，电抗器L12另一端与电抗器L15另一端连接为模块化多电平变流器交流侧B相，电抗器L13另一端与电抗器L16另一端连接为模块化多电平变流器交流侧C相。

其中所述的阀段如图3所示，由5个功率单元(包括第1、2、3、4、5功率单元)串联组成。第1-5功率单元的高压端和低压端分别依次串联，第1功率单元的高压端为阀段高压端，第5个功率单元的低压端为阀段的低压端。所述依次串联是指不同功率单元的高压端和低压端之间依次相互连接，第1功率单元的低压端连接第2功率单元的高压端，第2功率单元的低压端连接第3功率单元的高压端，第3功率单元的低压端连接第4功率单元的高压端，第4功率单元的低压端连接第5功率单元的高压端。

其中所述功率单元如图4所示，为全桥结构。全桥结构功率单元由四只全控功率器件(包含反并联二极管)G1、G2、G3、G4和电容器组成。率器件G1的E极与率器件G2的C极连接，再与电容器C并联，功率器件G3的E极与功率器件G4的C极连接，再与电容器并联，功率器件G1和G2的连接点为功率单元高压端P，功率器件G3、G4的连接点为功率单元低压端N。

所述两个直流滤波器L1、L2为直流电抗器。

所述试验电源如图1中试验电源模块所示，由二极管(D1～D6)三相不控整流桥、直流稳压电容C1和输入交流断路器CB1组成，二极管三相不控整流桥交流侧输入端A0、B0、C0经输入交流断路器CB1与电网A、B、C三相连接，二极管三相不控整流桥直流侧正极与直流稳压电容C1正极连接，为试验电源的正极；二极管三相不控整流桥直流侧负极与直流稳压电容C1负极连接，为试验电源的负极。

所述短路发生装置如图5所示，由晶闸管阀组V4和可调电抗器L0组成，V4阴极与L0一端连接，L0另一端为短路发生装置的负极(-)，V1阳极为短路发生装置的正极(+)。

本实施例控制方法包括以下步骤：

步骤1：闭合试验电源交流断路器CB1，以1kV/s的斜率缓慢升高试验电源电压至额定22kV。

步骤2：解锁定交流电压侧第1模块化多电平变流器，运行于定交流电压控制方式，交流电压输出设定值为变流器额定运行电压值11kV；

步骤3：待定交流电压变流器输出交流电压幅值和频率稳定后，解锁定功率侧第2变流器，以2MW/s的斜率逐渐升高功率给定值，直到额定运行功率30MW，完成IEC稳态运行试验以及定功率定交流电压控制策略检验。运行中所产生损耗由试验电源模块经直流侧补充。

步骤4：待变流器工作至热稳定状态，断开试验电源交流侧断路器CB1，待交CB1分闸位置返回后，触发短路发生装置中的晶闸管阀V4，造成变流器双极短路，第一模块化多电平变流器检测到桥臂过电流后(电流瞬时值超过2.5kA)，闭锁第一和第二多电平变流器，使第一模块多电平变流器桥臂第1-6阀段流过短路电流。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种柔性直流输电变流器性能测试平台,其特征在于，包括：第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器、试验电源、短路发生装置；

第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器的直流侧背靠背连接，交流侧三相分别对应连接，构成功率环流通路；

试验电源与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联，提供稳态运行测试的损耗功率；

短路发生装置与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电变流器性能测试平台，其特征在于，所述第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器，均主要由6只阀段经桥臂电抗器，两两串联后再相互并联连接构成。

3.根据权利要求1所述的柔性直流输电变流器性能测试平台，其特征在于，所述试验电源主要由三相不控整流桥、直流稳压电容、输入交流断路器构成；

三相不控整流桥交流测输入端经输入交流断路器与电网连接；三相不控整流桥直流侧正极与直流稳压电容正极连接，为试验电源的直流输出侧正极；三相不控整流桥直流侧负极与直流稳压电容负极连接，为试验电源的直流输出侧负极；

试验电源的直流输出侧与第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器直流侧并联。

4.根据权利要求3所述的柔性直流输电变流器性能测试平台，其特征在于，稳态运行测试时，与电网连接的输入交流断路器闭合；当短路测试开始时，首先断开与电网连接的输入交流断路器。

5.根据权利要求1所述的柔性直流输电变流器性能测试平台，其特征在于，所述短路试验装置主要由晶闸管阀和可调电抗器串联组成，通过调节可调电抗器数值，能够限制双极短路试验中短路电流的上升率。

6.根据权利要求2所述的柔性直流输电变流器性能测试平台，其特征在于，所述阀段由数量较少的功率单元依次串联构成，其中，所述数量较少是指数量大于等于5且小于等于7，所述依次串联是指不同功率单元的高压端和低压端之间依次相互连接。

7.根据权利要求6所述的柔性直流输电变流器性能测试平台，其特征在于，所述功率单元采用半桥结构的模块化功率单元，或者采用全桥结构的模块化功率单元。

8.根据权利要求1所述的柔性直流输电变流器性能测试平台，其特征在于，第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器之间交换有功功率，且分别工作于定功率控制方式、定交流电压控制方式；试验电源仅提供第1模块化多电平变流器、第2模块化多电平变流器稳态运行时的损耗功率。

9.一种权利要求1至8中任一项所述的柔性直流输电变流器性能测试平台的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：闭合试验电源的输入交流断路器，缓慢升高试验电源电压至额定电压，其中，所述缓慢是指按照给定的斜率抬升试验电源电压；

步骤2：解锁第1模块化多电平变流器，运行于定交流电压控制方式，第1模块化多电平变流器交流侧电压输出设定值为第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器额定运行电压值；

步骤3：待第1模块化多电平变流器输出交流电压幅值和频率稳定后，解锁第2模块化多电平变流器，逐渐升高功率给定值，直到额定运行功率，完成IEC稳态运行试验以及定功率定交流电压控制策略检验；运行中所产生损耗由试验电源经第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器的并联直流侧补充；其中，所述逐渐升高功率给定值是指按照给定的斜率抬升功率给定值；

步骤4：待第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器工作至热稳定状态，断开试验电源的输入交流侧断路器，待输入交流侧断路器分闸位置返回后，触发短路发生装置中的晶闸管阀，造成第1模块化多电平变流器双极短路，第1模块化多电平变流器检测到其所包含的桥臂过电流后，闭锁第1模块化多电平变流器和第2模块化多电平变流器，使第1模块化多电平变流器所包含桥臂的阀段流过短路电流。