CN108051685A - 一种模块化多电平换流阀的稳态试验电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模块化多电平换流阀的稳态试验电路和方法，稳态试验电路通过直流电源给辅助阀中的支撑电容充电和补能，而不需要采用单独的电源给试品阀中的支撑电容充电，简化了试验电路，同时也降低了试验成本。稳态试验方法中通过辅助阀和试品阀的瞬时功率可建立稳态试验电路的功率平衡方程，进而得到了辅助阀和试品阀之间的负载电抗器的电流直流偏置量，然后根据辅助阀和试品阀的输出电压相角差得到试品阀的电流交流分量，并且可结合辅助阀与试品阀输出电压的相角差所在范围，确定试品阀的运行工况，得到整流侧模块化多电平换流阀和逆变侧模块化多电平换流阀各自的运行工况，整个过程简单可靠，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流阀的稳态试验电路和方法。
背景技术
柔性直流输电相比于交流输电和传统直流输电，在运行性能上具有独特的优势。随着模块化多电平柔性直流输电换流阀技术的不断发展，柔性直流输电工程、柔性直流输电网络建设的脚步也不断加快。作为模块化多电平柔性直流输电的核心设备之一，柔性直流输电换流阀的性能决定着柔性直流输电***的运行可靠性和稳定性，因此，保证模块化多电平柔性直流输电换流阀(即模块化多电平换流阀)的可靠性成为保证柔性直流输电***可靠性的必要措施之一。
模块化多电平换流阀的最小功能单元是子模块，因此，柔性直流输电***的安全稳定运行，等效为每个子模块单元均能承受柔性直流输电***实际工况下的电气应力，并可以在此电气应力下稳定可靠运行。因此，对每一个子模块进行稳态试验是柔性直流输电子模块生产过程中必不可少的关键环节。现有技术中针对于模块化多电平换流阀的稳态试验往往设有两个直流电源，分别为充电直流电源和补能直流电源，两者均只具有一个输出接口。补能直流电源与辅助阀低压端子模块的支撑电容连接，用于给试验电路补充有功损耗；充电直流电源用于为试验回路中所有电容充电，使辅助阀和试品阀建立触发解锁的试验电压。由于辅助阀和试品阀中的子模块较多，试验回路的有功损耗较大，因此对补能直流电源的功率输出能力有很高的要求。因此，现有技术中关于模块化多电平换流阀的稳态试验电路成本高，且电路复杂。现有技术中辅助阀与试品阀输出电压的相角差调节困难，及时调节也不能实现平滑调节，负载电抗器需要承受冲击性的电气应力，使负载电抗器的电流达到试验要求，因此现有的模块化多电平换流阀的稳态试验不能准确的反映模块化多电平换流阀的运行工况。
发明内容
为了克服上述现有技术中试验电路成本高、电路复杂以及因稳态试验过程导致不能准确的反映模块化多电平换流阀运行工况的缺陷，本发明提供一种模块化多电平换流阀的稳态试验电路和方法，方法中先根据辅助阀和试品阀的瞬时功率确定稳态试验电路的功率平衡方程，然后根据稳态试验电路的功率平衡方程确定负载电抗器的电流直流偏置量，最后根据负载电抗器的电流直流偏置量完成模块化多电平换流阀的运行工况的稳态试验。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明提供一种模块化多电平换流阀的稳态试验电路，包括直流电源、辅助阀、试品阀和负载电抗器；
所述辅助阀、负载电抗器和试品阀依次串联，所述直流电源设有N个输出接口，所述辅助阀和试品阀均包括N个串联的子模块，所述N个输出接口分别与辅助阀中的支撑电容连接。
所述辅助阀中第一个子模块的高压端出线通过负载电抗器与试品阀中第一个子模块的高压端出线连接，所述辅助阀中第N个子模块的低压端出线与试品阀中的第N个子模块的低压端出线直接连接。
所述子模块包括支撑电容C、均压电阻R、IGBT1、IGBT2、与IGBT1反并联的二极管D1、与IGBT2反并联的二极管D2、旁路晶闸管T和旁路开关K；
所述支撑电容C与均压电阻R并联，所述IGBT1和IGBT2通过均压电阻R反向并联，所述旁路晶闸管T和旁路开关K均与IGBT2并联。
令一方面，本发明还提供一种采用模块化多电平换流阀的稳态试验电路实现稳态试验的方法，包括：
根据稳态试验电路的功率平衡方程确定负载电抗器的电流直流偏置量；
根据负载电抗器的电流直流偏置量确定模块化多电平换流阀的运行工况；
所述稳态试验电路的功率平衡方程通过辅助阀和试品阀的瞬时功率进行构建。
所述稳态试验电路的功率平衡方程如下式：
∫T(p1+p2)dt＝0
其中，T表示工频周期，p1表示辅助阀的瞬时功率，p2表示试品阀的瞬时功率，且满足：
其中，Udc表示辅助阀和试品阀输出电压的峰值，且Udc＝N·Usm，Usm表示子模块中支撑电容的额定电压，N表示辅助阀和试品阀均包中子模块的个数；U1表示辅助阀输出电压交流分量的有效值，U2表示试品阀输出电压交流分量的有效值；ω表示工频角频率；u1表示辅助阀的输出电压，且u2表示试品阀的输出电压，且δ表示辅助阀与试品阀输出电压的相角差；Idc表示负载电抗器的电流直流偏置量；i表示负载电抗器的电流，且满足表示负载电抗器电流交流分量的相位角，Iac表示负载电抗器电流交流分量的有效值，且j表示虚数单位，X表示负载电抗器的电抗，A1、B1、C1、A2、B2和C2均表示中间量，且满足：
其中，λ1和λ2均表示电压调制比，且k表示电流调制比，
所述根据稳态试验电路的功率平衡方程确定负载电抗器的电流直流偏置量包括：
根据稳态试验电路的功率平衡方程确定如下式的辅助阀和试品阀的直流功率平衡方程：
其中，p1_dc表示辅助阀瞬时功率的直流功率，p2_dc表示试品阀瞬时功率的直流功率；
根据辅助阀和试品阀的直流功率平衡方程得到如下式的负载电抗器的电流直流偏置量：
所述根据负载电抗器的电流直流偏置量确定模块化多电平换流阀的运行工况包括：
根据Idc和Iac调节X、δ，得到试品阀的电流交流分量和电流直流分量；
分以下两种情况确定模块化多电平换流阀的运行工况：
1)当0≤δ≤90°时，试品阀的电流直流分量为负，试品阀电流交流分量与电流直流分量叠加即为试品阀的电流，是带负偏置的交流电流，此时试品阀的运行工况为整流侧模块化多电平换流阀的运行工况；
2)当-90°≤δ≤0时，试品阀的电流直流分量为正，试品阀电流交流分量与电流直流分量叠加即为试品阀的电流，是带正偏置的交流电流，试品阀的运行工况为逆变侧模块化多电平换流阀的运行工况。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的模块化多电平换流阀的稳态试验电路包括直流电源、辅助阀、试品阀和负载电抗器，其中辅助阀、负载电抗器和试品阀依次串联，直流电源设有N个输出接口，辅助阀和试品阀均包括N个串联的子模块，N个输出接口分别与辅助阀中的支撑电容连接，通过直流电源给辅助阀中的支撑电容充电和补能，而不需要采用单独的电源给试品阀中的支撑电容充电，简化了试验电路，同时也降低了试验成本；
本发明提供的采用模块化多电平换流阀的稳态试验电路实现稳态试验的方法中，通过辅助阀和试品阀的瞬时功率可建立稳态试验电路的功率平衡方程，进而得到了辅助阀和试品阀之间的负载电抗器的电流直流偏置量，然后根据辅助阀和试品阀的输出电压的相角差得到负载电抗器的电流交流分量，最后结合辅助阀与试品阀输出电压的相角差的所在范围，确定试品阀的运行工况，得到整流侧模块化多电平换流阀和逆变侧模块化多电平换流阀各自的运行工况，整个过程简单可靠，实用性强；
本发明采用的直流电源属于高压小电流的直流电源，在运行阶段补充稳态试验电路的有功损耗(理想情况下，稳态试验电路有功损耗为零，即直流电源无电流输出)，远低于稳态试验电路的试验容量，最大限度的降低了对直流电源的容量要求，避免了采用大容量的试验电源，经济性较高；
本发明提供的技术方案可以从严检验子模块的设计和接线的正确性，保证子模块的可靠运行能力，从而保证柔性直流换流站的安全稳定运行；
本发明提供的技术方案能够再现子模块的工程运行的电气应力(电压应力和电流应力)和热应力，验证子模块在实际工况电气应力下运行的安全可靠性，为子模块各器件选型和子模块原理设计的提供验证依据。
附图说明
图1是本发明实施例1中模块化多电平换流阀的稳态试验电路结构图；
图2是本发明实施例2中模块化多电平换流阀的稳态试验方法流程图；
图3是本发明实施例2中试品阀/辅助阀输出的电压波形示意图；
图4是本发明实施例2中模块化多电平换流阀的稳态试验电路的等值电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供一种模块化多电平换流阀的稳态试验电路，该稳态试验电路的具体结构如图1所示，图1中的DC为直流电源，R为均压电阻，C为支撑电容，D1和D2为二极管，K为旁路开关，T为旁路晶闸管，L为负载电抗器，本发明实施例1提供的稳态试验电路包括直流电源、辅助阀、试品阀和负载电抗器；
其中辅助阀、负载电抗器和试品阀依次串联，直流电源DC设有N个输出接口，辅助阀和试品阀均包括N个串联的子模块，直流电源DC的N个输出接口与辅助阀中N个子模块中的N个支撑电容分别连接。
辅助阀中第一个子模块的高压端出线通过负载电抗器与试品阀中第一个子模块的高压端出线连接，辅助阀中第N个子模块的低压端出线与试品阀中的第N个子模块的低压端出线直接连接。
如图1，辅助阀和试品阀中的子模块包括支撑电容C、均压电阻R、IGBT1、IGBT2、与IGBT1反并联的二极管D1、与IGBT2反并联的二极管D2、旁路晶闸管T和旁路开关K；
其中的支撑电容C与均压电阻R并联，IGBT1和IGBT2通过均压电阻R反向并联，旁路晶闸管T和旁路开关K均与IGBT2并联。当IGBT1导通且IGBT2关断时，支撑电容C接入稳态试验电路，IGBT1关断且IGBT2导通时，支撑电容C切出稳态试验电路。
子模块中的支撑电容C和负载电抗器之间的能量交换过程不存在功率的有功消耗，且支撑电容C和负载电抗器之间能量交换保持动态平衡，使得辅助阀(试品阀)通过负载电抗器向试品阀(辅助阀)传输的交流功率以直流功率的方式从试品阀(辅助阀)传输到辅助阀(试品阀)。
实施例2
本发明实施例2提供一种采用模块化多电平换流阀的稳态试验电路实现稳态试验的方法，该方法的具体流程图如图2所示，具体过程如下：
S101：根据稳态试验电路的功率平衡方程确定负载电抗器的电流直流偏置量；
S102：根据S101得到的负载电抗器的电流直流偏置量确定模块化多电平换流阀的运行工况。
上述S101中的稳态试验电路的功率平衡方程通过辅助阀和试品阀的瞬时功率进行构建，具体根据辅助阀和试品阀的瞬时功率得到如下式的稳态试验电路的功率平衡方程：
∫T(p1+p2)dt＝0
其中，T表示工频周期，p1表示辅助阀的瞬时功率，p2表示试品阀的瞬时功率，且满足：
其中，Udc表示辅助阀和试品阀输出电压的峰值，且Udc＝N·Usm，Usm表示子模块中支撑电容的额定电压，N表示辅助阀和试品阀均包中子模块的个数；根据辅助阀和试品阀的出处电压特性，辅助阀和试品阀均可等效为一个可控交流电压源和一个直流电压源串联组成的复合电源，其等值电路如附图4所示，U1表示辅助阀输出电压交流分量的有效值，U2表示试品阀输出电压交流分量的有效值；ω表示工频角频率；u1表示辅助阀的输出电压，且u2表示试品阀的输出电压，且δ表示辅助阀与试品阀输出电压的相角差；Idc表示负载电抗器的电流直流偏置量，试品阀/辅助阀输出的电压波形示意图如图3所示；i表示负载电抗器的电流，且满足表示负载电抗器电流交流分量的相位角，Iac表示负载电抗器电流交流分量的有效值，且j表示虚数单位，X表示负载电抗器的电抗，A1、B1、C1、A2、B2和C2均表示中间量，且满足：
其中，λ1和λ2均表示电压调制比，且k表示电流调制比，
S101中，根据稳态试验电路的功率平衡方程确定负载电抗器的电流直流偏置量，具体过程如下：
1)根据稳态试验电路的功率平衡方程确定辅助阀和试品阀的直流功率平衡方程，具体过程如下：
①C1＝C2＝0时，两个交流源传递的交流有功功率与直流源传递的功率相互抵消，辅助阀和试品阀的充电功率分别在工频周期内积分为零，且因为于是有：
其中，p1_dc表示辅助阀瞬时功率的直流功率，p2_dc表示试品阀瞬时功率的直流功率，p1_ac表示辅助阀的基频交流功率，p2_ac表示试品阀的基频交流功率；
进一步得到：
得到如下式的负载电抗器的电流直流偏置量：
②在满足C1＝C2＝0的条件下，有C＝0，即辅助阀和试品阀的瞬时功率之和在任意时刻保持平衡，即为0，从而保证每个子模块电容电压的平均值保持不变；
③辅助阀和试品阀还以基频和2倍频进行功率交换，这两部分功率交换是引起子模块电容电压波动的直接原因。
上述S102中，根据负载电抗器的电流直流偏置量确定模块化多电平换流阀的运行工况，具体过程如下：
1、根据Idc和Iac调节X、δ，得到试品阀的电流交流分量和电流直流分量，试品阀的电流交流分量和电流直流分量可再现工程稳态运行时换流阀的电流交流分量和电流直流分量，达到对换流阀进行稳态试验的目的；
2、分以下两种情况确定模块化多电平换流阀的运行工况：
1)当0≤δ≤90°时，试品阀的电流直流分量为负，试品阀电流交流分量与电流直流分量叠加即为试品阀的电流，是带负偏置的交流电流，此时试品阀的运行工况反应整流侧模块化多电平换流阀的运行工况，即试品阀的运行工况为整流侧模块化多电平换流阀的运行工况；
2)当-90°≤δ≤0时，试品阀的电流直流分量为正，试品阀电流交流分量与电流直流分量叠加即为试品阀的电流，是带正偏置的交流电流，此时试品阀的运行工况反应整流侧模块化多电平换流阀的运行工况，即试品阀的运行工况为逆变侧模块化多电平换流阀的运行工况。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种模块化多电平换流阀的稳态试验电路，其特征在于，包括直流电源、辅助阀、试品阀和负载电抗器；
所述辅助阀、负载电抗器和试品阀依次串联，所述直流电源设有N个输出接口，所述辅助阀和试品阀均包括N个串联的子模块，所述N个输出接口分别与辅助阀中的支撑电容连接。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流阀的稳态试验电路，其特征在于，所述辅助阀中第一个子模块的高压端出线通过负载电抗器与试品阀中第一个子模块的高压端出线连接，所述辅助阀中第N个子模块的低压端出线与试品阀中的第N个子模块的低压端出线直接连接。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流阀的稳态试验电路，其特征在于，所述子模块包括支撑电容C、均压电阻R、IGBT1、IGBT2、与IGBT1反并联的二极管D1、与IGBT2反并联的二极管D2、旁路晶闸管T和旁路开关K；
所述支撑电容C与均压电阻R并联，所述IGBT1和IGBT2通过均压电阻R反向并联，所述旁路晶闸管T和旁路开关K均与IGBT2并联。
4.一种采用如权利要求1-3任一所述的模块化多电平换流阀的稳态试验电路实现稳态试验的方法，其特征在于，包括：
根据稳态试验电路的功率平衡方程确定负载电抗器的电流直流偏置量；
根据负载电抗器的电流直流偏置量确定模块化多电平换流阀的运行工况；
所述稳态试验电路的功率平衡方程通过辅助阀和试品阀的瞬时功率进行构建。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平换流阀的稳态试验方法，其特征在于，所述稳态试验电路的功率平衡方程如下式：
∫T(p1+p2)dt＝0
其中，T表示工频周期，p1表示辅助阀的瞬时功率，p2表示试品阀的瞬时功率，且满足：
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其中，Udc表示辅助阀和试品阀输出电压的峰值，且Udc＝N·Usm，N表示辅助阀和试品阀均包中子模块的个数，Usm表示子模块中支撑电容的额定电压；U1表示辅助阀输出电压交流分量的有效值，U2表示试品阀输出电压交流分量的有效值；ω表示工频角频率；u1表示辅助阀的输出电压，且u2表示试品阀的输出电压，且δ表示辅助阀与试品阀输出电压的相角差；Idc表示负载电抗器的电流直流偏置量；i表示负载电抗器的电流，且满足 表示负载电抗器电流交流分量的相位角，Iac表示负载电抗器电流交流分量的有效值，且j表示虚数单位，X表示负载电抗器的电抗，A1、B1、C1、A2、B2和C2均表示中间量，且满足：
其中，λ1和λ2均表示电压调制比，且k表示电流调制比，
6.根据权利要求4所述的模块化多电平换流阀的稳态试验方法，其特征在于，所述根据稳态试验电路的功率平衡方程确定负载电抗器的电流直流偏置量包括：
根据稳态试验电路的功率平衡方程确定如下式的辅助阀和试品阀的直流功率平衡方程：
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其中，p1_dc表示辅助阀瞬时功率的直流功率，p2_dc表示试品阀瞬时功率的直流功率；
根据辅助阀和试品阀的直流功率平衡方程得到如下式的负载电抗器的电流直流偏置量：
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7.根据权利要求4所述的模块化多电平换流阀的稳态试验方法，其特征在于，所述根据负载电抗器的电流直流偏置量确定模块化多电平换流阀的运行工况包括：
根据Idc和Iac调节X、δ，得到试品阀的电流交流分量和电流直流分量；
分以下两种情况确定模块化多电平换流阀的运行工况：
1)当0≤δ≤90°时，试品阀的电流直流分量为负，试品阀电流交流分量与电流直流分量叠加即为试品阀的电流，是带负偏置的交流电流，此时试品阀的运行工况为整流侧模块化多电平换流阀的运行工况；
2)当-90°≤δ≤0时，试品阀的电流直流分量为正，试品阀电流交流分量与电流直流分量叠加即为试品阀的电流，是带正偏置的交流电流，试品阀的运行工况为逆变侧模块化多电平换流阀的运行工况。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111505419A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-08-07 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 用于SiC MMC阀段对冲试验电路及其控制方法、***、设备 |
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2017
- 2017-12-28 CN CN201711463775.2A patent/CN108051685A/zh active Pending
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