CN107478957B - 用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑及试验方法，该拓扑包括由四个开关管组成的全桥电路，隔离单元、反压单元、旁路单元、直流电容模块和旁路开关K；所述全桥电路中第一开关管T1和第三开关管T3串联连接构成全桥电路的第一桥臂，全桥电路中第二开关管T2和第四开关管T4串联连接构成全桥电路的第二桥臂；所述隔离单元与直流电容串联连接后与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述反压单元和旁路单元也是与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述全桥电路的输出端并联一旁路开关K；应用该拓扑电路进行故障电流试验，提供了故障电流和施加反向电压相互独立的两种回路，有效评估设备的瞬态承受能力及器件寿命，减少***工程故障率，提升了***效率及可靠性。

Description

用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑及试验方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，具体为用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑及试验方法。

背景技术

根据国家十三五规划及智能电网的发展需求，柔性直流输电技术很好的解决了交流输电和传统直流输电的问题，是远距离大容量输电、电网互联、新能源接入的最佳方案和未来方向。

随着高压直流输电***电压及输送容量的提高，其关键设备——电压源换流阀的可靠性成为决定***安全的关键因素，特别是故障状态下，其承受各种极端电流、电压、热应力的能力，工程中出现严酷的故障电流多数为非过零工况(如图1所示)、过零工况(如图2所示)。换流阀在工程化应用前，检验设备的瞬态承受能力，改善换流阀可靠性尤为重要。

现有技术中，全桥功率模块进行故障电流试验的拓扑结构(如图3所示)主要由4个全控型电力电子器件T1、T2、T3、T4，4个二极管D1、D2、D3、D4，1个直流电容C，1个功率电阻R和1个旁路开关K组成。

故障电流试验时，流经模块的正向电流经过二极管D1→直流电容C→二极管D4形成回路；负向电流经过二极管D2→直流电容C→二极管D3形成回路。

故障电流试验与各电力电子器件开关状态如表1所示。

表1故障电流试验，全桥模块开关状态

功率模块内直流电容串接在故障回路中，第一，电容C影响了故障电流的特性，导致故障电流与实际工况发生偏移；第二，二极管瞬态承受能力达到几十kA，直流电容串接后会被故障电流充电，电压抬升的太高，受限于直流电容自身耐压的限制，很难进行大电流的故障试验，无法对故障时刻二极管的瞬态承受应力进行有效评估；第三，二极管经过瞬态电流，会使结层温度急剧升高，在高瞬态结温下，二极管的反向承受电压能力相对应的急剧下降。故障电流和电容电压的相互影响，很难在全桥功率模块上进行考核极限承受能力。

所以不断探索和研究新的故障电流试验拓扑电路是解决目前所存在问题的关键。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑及试验方法，提供了故障电流和施加反向电压相互独立的两个回路。

为了达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑，包括由第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4组成的全桥电路；所述全桥电路中第一开关管T1和第三开关管T3串联连接构成全桥电路的第一桥臂，全桥电路中第二开关管T2和第四开关管T4串联连接构成全桥电路的第二桥臂；还包括隔离单元、直流电容模块、反压单元、旁路单元和旁路开关K；所述隔离单元与直流电容模块串联连接后与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述反压单元和旁路单元也与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述全桥电路中构成第一桥臂的第一开关管T1和第三开关管T3的串联连接点和全桥电路中构成第二桥臂的第二开关管T2和第四开关管T4的串联连接点作为全桥电路的输出端，所述全桥电路的输出端并联一旁路开关K。

所述全桥电路中的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4内部带有反向的或外部反向并联有对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，所述全桥电路中的第一桥臂中第一开关管T1的发射极与第三开关管T3的集电极相连接，所述全桥电路中的第二桥臂中第二开关管T2的发射极与第四开关管T4的集电极相连接，所述第一桥臂中的第一开关管T1的集电极与第二桥臂中的第二开关管T2的集电极相连接，所述第一桥臂中的第三开关管T3的发射极与第二桥臂中的第四开关管T4的发射极相连接。

所述隔离单元采用半控型电力电子器件或全控型电力电子器件，用于投入或切除直流电容；所述直流电容模块是由第一直流电容C1和功率电阻R1并联组成。

当所述隔离单元采用全控型电力电子器件时，其内部带有反向的或外部反向并联有对应的第五二极管D5。

所述隔离单元采用全控型电力电子器件时，全控型电力电子器件的集电极与并联有功率电阻R1的第一直流电容C1的正极相连接，全控型电力电子器件的发射极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，所述第一直流电容C1的负极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接。

所述反压单元由全控型电力电子器件T6和第二直流电容C2串联组成，所述全控型电力电子器件T6的集电极与第二直流电容C2的正极串联连接，所述全控型电力电子器件T6的发射极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，所述第二直流电容C2的负极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接，所述反压单元起到施加反向电压的作用。

所述全控型电力电子器件T6内部带有反向的或外部反向并联有对应的第六二极管D6。

所述旁路单元采用半控型电力电子器件或全控型电力电子器件，当采用半控型电力电子器件时，半控型电力电子器件的阳极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，半控型电力电子器件的阴极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接，所述旁路单元为故障电流提供低阻抗正向通路。

所述用于直流输电故障电流试验的功率模块拓扑的试验方法，

功率模块的运行分为稳态运行和故障电流试验运行两种状态，故障电流运行试验包含电流非过零和过零两种工况；

稳态运行，隔离单元处于通态，第一直流电容C1投入使用，反压单元和旁路单元处于断态；

故障电流试验运行，故障电流试验运行，全桥电路中的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、隔离单元全部关断，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、反压单元、旁路单元全部投入使用；

故障电流为非过零类型，正向故障电流经过第一二极管D1→旁路单元→第四二极管D4形成回路；反向故障电流经过第二二极管D2→旁路单元→第三二极管D3形成回路；

故障电流为过零类型，正向故障电流≥0时，故障电流经过第一二极管D1→旁路单元→第四二极管D4形成回路，正向故障电流＜0时，反压单元导通，为第一二极管D1、第四二极管D4提供反压；反向故障电流≥0时，故障电流经过第二二极管D2→旁路单元→第三二极管D3形成回路，反向故障电流＜0时，反压单元导通，为第二二极管D2、第三二极管D3提供反压。

本发明具有以下有益的技术优势：

本发明与现有技术相比，新拓扑电路进行故障电流试验，提供了故障电流和施加反向电压相互独立的两种回路，在研发设计方面，可在不同极限工况下进行试验，评估设备的极限承受能力，有助于合理优化设计，最大效率的使用器件；在实际工程方面，可根据实际故障电流工况，模拟进行功率模块的应力考核，确保设备投入工程前，有效评估设备的瞬态承受能力及器件寿命，减少***工程故障率，提升了***效率及可靠性。

附图说明

图1为非过零的故障电流波形。

图2为过零的故障电流波形。

图3为现有技术中全桥功率模块拓扑。

图4为本发明的全桥模块拓扑框图。

图5为本发明的全桥模块拓扑电路实例。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图4所示，本发明的用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑框图，所述一种用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑，包括由第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4组成的全桥电路，以及隔离单元、反压单元、旁路单元、直流电容模块和旁路开关K。

所述全桥电路中第一开关管T1和第三开关管T3串联连接构成全桥电路的第一桥臂，全桥电路中第二开关管T2和第四开关管T4串联连接构成全桥电路的第二桥臂；所述隔离单元与直流电容模块串联连接后与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述反压单元和旁路单元也是与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述全桥电路中第一桥臂的第一开关管T1和第三开关管T3的串联连接点和全桥电路中第二桥臂的第二开关管T2和第四开关管T4的串联连接点作为全桥电路的输出端，所述全桥电路的输出端并联一旁路开关K。

如图5所示为本发明的用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑电路实例，全桥电路中的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4内部反向并联有对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，其中第一桥臂中第一开关管T1的发射极与第三开关管T3的集电极相连接，第二桥臂中第二开关管T2的发射极与第四开关管T4的集电极相连接，第一桥臂中的第一开关管T1的集电极与第二桥臂中的第二开关管T2的集电极相连接，第一桥臂中的第三开关管T3的发射极与第二桥臂中的第四开关管T4的发射极相连接。

本实施例隔离单元采用内部带有反并联的第五二极管D5的全控型电力电子器件T5，直流电容模块由第一直流电容C1和功率电阻R1并联组成，全控型电力电子器件T5的集电极与并联有功率电阻R1的第一直流电容C1的正极相连接，全控型电力电子器件T5的发射极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，直流电容C1的负极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接。

反压单元由内部带有反并联的第六二极管D6的全控型电力电子器件T6和第二直流电容C2串联组成，全控型电力电子器件T6的集电极与第二直流电容C2的正极串联连接，全控型电力电子器件T6的发射极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，第二直流电容C2的负极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接，反压单元起到施加反向电压的作用。

本实施例旁路单元采用半控型电力电子器件SCR，半控型电力电子器件SCR的阳极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，半控型电力电子器件SCR的阴极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接，旁路单元为故障电流提供低阻抗正向通路。

本发明试验方法如下：

全桥功率模块的运行分为稳态运行和故障电流试验运行两种状态，故障电流运行试验包含电流非过零(如图1所示)和电流过零(如图2所示)两种类型。

稳态运行，全控型电力电子器件T5导通，第一直流电容C1和第五二极管D5投入使用，全控型电力电子器件T6和半控型电力电子器件SCR关断。

故障电流试验运行，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5全部关断，全控型电力电子器件T6、第二直流电容C2、半控型电力电子器件SCR、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4全部投入使用。

故障电流为非过零类型，正向故障电流经过第一二极管D1→旁路单元→第四二极管D4形成回路；反向故障电流经过第二二极管D2→旁路单元→第三二极管D3形成回路。

故障电流为过零类型，正向故障电流≥0时，故障电流经过第一二极管D1→旁路单元→第四二极管D4形成回路，正向故障电流＜0时，反压单元导通，为第一二极管D1、第四二极管D4提供反压；反向故障电流≥0时，故障电流经过第二二极管D2→旁路单元→第三二极管D3形成回路，反向故障电流＜0时，反压单元导通，为第二二极管D2、第三二极管D3提供反压，电压值由第二直流电容C2决定。

表2故障电流试验，全桥模块开关状态

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑，包括由第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4组成的全桥电路；所述全桥电路中第一开关管T1和第三开关管T3串联连接构成全桥电路的第一桥臂，全桥电路中第二开关管T2和第四开关管T4串联连接构成全桥电路的第二桥臂；其特征在于：还包括隔离单元、直流电容模块、反压单元、旁路单元和旁路开关K；所述隔离单元与直流电容模块串联连接后与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述反压单元和旁路单元也与全桥电路的两个桥臂并联连接；所述全桥电路中构成第一桥臂的第一开关管T1和第三开关管T3的串联连接点和全桥电路中构成第二桥臂的第二开关管T2和第四开关管T4的串联连接点作为全桥电路的输出端，所述全桥电路的输出端并联一旁路开关K；

所述全桥电路中的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4内部带有反向的或外部反向并联有对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，所述全桥电路中的第一桥臂中第一开关管T1的发射极与第三开关管T3的集电极相连接，所述全桥电路中的第二桥臂中第二开关管T2的发射极与第四开关管T4的集电极相连接，所述第一桥臂中的第一开关管T1的集电极与第二桥臂中的第二开关管T2的集电极相连接，所述第一桥臂中的第三开关管T3的发射极与第二桥臂中的第四开关管T4的发射极相连接；

所述隔离单元采用半控型电力电子器件或全控型电力电子器件，用于投入或切除直流电容；所述直流电容模块是由第一直流电容C1和功率电阻R1并联组成；

所述反压单元由全控型电力电子器件T6和第二直流电容C2串联组成，所述全控型电力电子器件T6的集电极与第二直流电容C2的正极串联连接，所述全控型电力电子器件T6的发射极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，所述第二直流电容C2的负极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接，所述反压单元起到施加反向电压的作用。

2.根据权利要求1所述的用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑，其特征在于：当所述隔离单元采用全控型电力电子器件时，其内部带有反向的或外部反向并联有对应的第五二极管D5。

3.根据权利要求1所述的用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑，其特征在于：所述隔离单元采用全控型电力电子器件时，全控型电力电子器件的集电极与并联有功率电阻R1的第一直流电容C1的正极相连接，全控型电力电子器件的发射极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，所述第一直流电容C1的负极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接。

4.根据权利要求1所述的用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑，其特征在于：所述全控型电力电子器件T6内部带有反向的或外部反向并联有对应的第六二极管D6。

5.根据权利要求1所述的用于直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑，其特征在于：所述旁路单元采用半控型电力电子器件或全控型电力电子器件，当采用半控型电力电子器件时，半控型电力电子器件的阳极与全桥电路中第一桥臂中第一开关管T1的集电极相连接，半控型电力电子器件的阴极与全桥电路中第一桥臂中第三开关管T3的发射极相连接，所述旁路单元为故障电流提供低阻抗正向通路。

6.一种用于权利要求1至5任一项所述的直流输电故障电流试验的全桥模块拓扑的试验方法，其特征在于：

全桥模块的运行分为稳态运行和故障电流试验运行两种状态，故障电流运行试验包含电流非过零和过零两种工况；

稳态运行，隔离单元处于通态，第一直流电容C1投入使用，反压单元和旁路单元处于断态；

故障电流试验运行，故障电流试验运行，全桥电路中的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、隔离单元全部关断，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、反压单元、旁路单元全部投入使用；

故障电流为非过零类型，正向故障电流经过第一二极管D1→旁路单元→第四二极管D4形成回路；反向故障电流经过第二二极管D2→旁路单元→第三二极管D3形成回路；

故障电流为过零类型，正向故障电流≥0时，故障电流经过第一二极管D1→旁路单元→第四二极管D4形成回路，正向故障电流＜0时，反压单元导通，为第一二极管D1、第四二极管D4提供反压；反向故障电流≥0时，故障电流经过第二二极管D2→旁路单元→第三二极管D3形成回路，反向故障电流＜0时，反压单元导通，为第二二极管D2、第三二极管D3提供反压。

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