CN113655324B - 一种换流阀运行试验拓扑平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流阀运行试验拓扑平台，陪试换流阀为混合拓扑结构，具备为试品换流阀提供可调节的单相或三相交流电压，同时可适应不同直流电压等级的要求，换流变压器为带中性点的三相变压器，可连接单相试品换流阀或三相试品换流阀，试品换流阀通过直流侧隔离开关的通断，可实现功率模块的直流侧不控充电、直流侧可控充电、交流侧不控充电、交流侧可控充电，以及试品换流阀桥臂中电流的直流分量和交流分量的独立控制，以模拟试品换流阀现场实际工程中的运行工况，通过调节直流电源的输出，可适应不同柔性直流输电工程功率模块运行时电容电压的需求。该试验拓扑平台解决了满足不同换流阀的试验需求，提高换流阀试验的效率和节约换流阀的生产成本的技术问题。

Description

一种换流阀运行试验拓扑平台

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种换流阀运行试验拓扑平台。

背景技术

基于MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)的柔性直流输电***，其换流阀具有占地面积小、无需交流滤波器、有功功率和无功功率的独立解耦控制、支持孤岛及风电场的黑启动、大电网互联等多方面的优点，在解决多区域并网、远距离电能输送以及新能源并网方面有很大的优势。目前基于MMC的柔性直流输电***包括使用半桥功率模块作为基本组成单元的换流阀、使用全桥功率模块组成的换流阀以及基于半桥功率模块和全桥功率模块组成的混合拓扑换流阀，基于全半桥混合拓扑的换流阀，由于全桥功率模块和半桥功率模块的结构以及外特性的不一致，导致混合换流阀在充电和控制过程中与纯半桥或纯全桥有所不同，在交流侧不控充电阶段全桥功率模块电容电压是半桥功率模块电容电压的两倍，导致功率模块电容电压的严重不一致，因此，对于换流阀试验平台提出了更多功能和更高要求，即换流阀试验平台能够对纯全桥功率模块拓扑的换流阀、纯全桥功率模块拓扑的换流阀以及混合拓扑的换流阀均可完成功能和性能试验，同时对于不同功能功率模块级联级数不一致，需要试验拓扑具备直流电压的灵活调节能力，满足不同功能的换流阀的试验要求。一个具备通用性和灵活性的换流阀试验平台能够显著提高换流阀试验的效率和节约换流阀的生产成本，同时能够极大的提高换流阀在实际工程中的可靠性和稳定性，因此，提供一种能够适用于不同换流阀试验的平台，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种换流阀运行试验拓扑平台，用于满足不同换流阀的试验需求，提高换流阀试验的效率和节约换流阀的生产成本。

有鉴于此，本发明提供了一种换流阀运行试验拓扑平台，包括陪试换流阀、直流侧隔离开关、直流电源回路和换流变压器；

所述陪试换流阀为三相混合换流阀，所述换流变压器为带中性点的三相变压器；

所述陪试换流阀的交流侧通过所述换流变压器与试品换流阀的交流侧连接；

所述陪试换流阀的交流侧为三相电，所述试品换流阀的交流侧为三相电或单相电；

所述陪试换流阀和所述试品换流阀分别通过所述直流侧隔离开关与所述直流电源回路连接。

可选地，所述陪试换流阀由三相六桥臂换流阀组成，每个桥臂由桥臂电抗和混合功率模块串联组成。

可选地，所述直流电源回路包括交流侧电源、交流断路器、旁路充电电阻隔离开关、充电电阻、交流调压器、交流侧三相变压器、整流二极管和滤波电容；

所述交流侧电源通过所述交流断路器与所述充电电阻连接，所述旁路充电电阻隔离开关与所述充电电阻并联，所述充电电阻另一端与所述交流调压器连接，所述交流调压器与所述交流侧三相变压器连接，所述交流侧三相变压器与整流二极管连接，所述滤波电容与所述整流二极管并联。

可选地，所述直流侧隔离开关包括第一直流侧隔离开关、第二直流侧隔离开关、第三直流侧隔离开关和第四直流侧隔离开关；

所述第一直流侧隔离开关连接所述陪试换流阀的正端和所述整流二极管的阴极，所述第二直流侧隔离开关连接所述陪试换流阀的负端和所述整流二极管的阳极，所述第三直流侧隔离开关连接所述试品换流阀的正端和所述整流二极管的阴极，所述第四直流侧隔离开关连接所述试品换流阀的负端和所述整流二极管的阳极。

可选地，在使用换流阀运行试验拓扑平台对所述试品换流阀进行交流侧可控充电时，执行以下步骤：

闭合所述第一直流侧隔离开关和所述第二直流侧隔离开关；

闭合所述交流断路器，使得所述陪试换流阀从直流侧进行不控充电；

在不控充电完成后切除所述充电电阻，启动所述陪试换流阀可控充电；

在所述陪试换流阀功率模块电容电压充电至额定值后，解锁所述陪试换流阀，使得所述陪试换流阀控制交流侧电压到达1p.u，所述试品换流阀通过交流侧进行可控充电；

所述试品换流阀功率模块电容电压充电至额定值时，所述试品换流阀交流侧可控充电完成。

可选地，在使用换流阀运行试验拓扑平台对所述试品换流阀进行直流侧可控充电时，执行以下步骤：

闭合所述第一直流侧隔离开关、所述第二直流侧隔离开关、所述第三直流侧隔离开关和第四直流侧隔离开关；

闭合所述交流断路器，使得所述陪试换流阀和所述试品换流阀从直流侧进行不控充电；

在所述陪试换流阀和所述试品换流阀不控充电完成后，闭合所述旁路充电电阻隔离开关，使得所述陪试换流阀和所述试品换流阀从直流侧进行可控充电。

可选地，在使用换流阀运行试验拓扑平台对所述试品换流阀进行解锁运行试验时，执行以下步骤：

解锁所述陪试换流阀，使得所述陪试换流阀控制交流电压，将交流电压抬升至目标电压；

解锁所述试品换流阀，依据工程需求控制所述试品换流阀中的直流分量和交流分量，使得流过所述试品换流阀的电流应力和实际工程一致；

在解锁运行试验完成后，先闭锁所述试品换流阀，再闭锁所述陪试换流阀。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供了一种换流阀运行试验拓扑平台，陪试换流阀为混合拓扑结构，具备为试品换流阀提供可调节的单相或三相交流电压，同时可适应不同直流电压等级的要求，换流变压器为带中性点的三相变压器，可连接单相试品换流阀或三相试品换流阀，试品换流阀通过直流侧隔离开关的通断，在直流侧和交流侧可实现功率模块的直流侧不控充电、直流侧可控充电、交流侧不控充电、交流侧可控充电，以及试品换流阀桥臂中电流的直流分量和交流分量的独立控制，以模拟试品换流阀现场实际工程中的运行工况，通过调节直流电源的输出，可适应不同柔性直流输电工程功率模块运行时电容电压的需求，因此，本发明提供的换流阀运行试验拓扑平台能够满足不同换流阀的试验需求，提高换流阀试验的效率和节约换流阀的生产成本。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中提供的一种换流阀运行试验拓扑平台的电路结构示意图(试品为三相拓扑结构)；

图2为本发明实施例中提供的一种换流阀运行试验拓扑平台的电路结构示意图(试品为单相拓扑结构)；

图3为本发明实施例中提供的半桥功率模块结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的全桥功率模块结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的交流侧可控充电流程示意图；

图6为本发明实施例中提供的直流侧可控充电流程示意图；

图7为本发明实施例中提供的试品换流阀MMC2进行解锁运行试验的流程图；

图8为本发明实施例中提供的试品换流阀交流侧可控充电结果波形图；

图9为本发明实施例中提供的试品换流阀直流侧可控充电结果波形图；

图10为本发明实施例中提供的试品换流阀交流侧单相电压示意图；

图11为本发明实施例中提供的试品换流阀中桥臂电流控制波形示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1和图2，本发明中提供了一种换流阀运行试验拓扑平台的实施例，包括陪试换流阀MMC1、直流侧隔离开关、直流电源回路和换流变压器T3；

陪试换流阀MMC1为三相混合换流阀，换流变压器T3为带中性点的三相变压器；

陪试换流阀MMC1的交流侧通过换流变压器T3与试品换流阀MMC2的交流侧连接；

陪试换流阀MMC1的交流侧为三相电，试品换流阀MMC2的交流侧为三相电或单相电；

陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2分别通过直流侧隔离开关与直流电源回路连接。

需要说明的是，本发明实施例中，陪试换流阀MMC1为三相混合换流阀，即MMC1每个桥臂换流阀由全桥功率模块和半桥功率模块按照一定比例配置，具体配置比例依据直流侧电压需求进行调节。试品换流阀MMC2可为纯半桥换流阀、纯全桥换流阀或全半桥混合拓扑换流阀，试品换流阀级联级数依据实际工程确定，试品换流阀MMC2经换流变压器T3和陪试换流阀MMC1连接，换流变压器T3的MMC1侧为三相，MMC1由图3所示的半桥功率模块和图4所示的全桥功率模块组成，陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2直流侧经直流侧隔离开关和直流电源回路进行连接。陪试换流阀MMC1由三相六桥臂换流阀组成，其中，每个桥臂由桥臂电抗和混合功率模块串联组成，实现试品换流阀MMC2交流侧电压控制以及与试品换流阀之间的功率平衡。

试品换流阀MMC2由功率模块和桥臂电抗串联组成，可以是三相换流阀，也可以是单相拓扑换流阀。试品换流阀MMC2的功率模块可以是纯半桥功率模块、纯全桥功率模块或全半桥功率模块混合拓扑结构，具体的功率模块级联级数和全半桥比例配置可根据工程需要设定。换流变压器T3为带中性点的三相变压器，可连接单相试品换流阀或三相试品换流阀，当试品换流阀为单相拓扑时，该试验平台仍然支持被试品的交直流充电、运行试验。

本发明实施例中提供的换流阀运行试验拓扑平台，陪试换流阀为混合拓扑结构，具备为试品换流阀提供可调节的单相或三相交流电压，同时可适应不同直流电压等级的要求，换流变压器为带中性点的三相变压器，可连接单相试品换流阀或三相试品换流阀，试品换流阀通过直流侧隔离开关的通断，在直流侧和交流侧可实现功率模块的直流侧不控充电、直流侧可控充电、交流侧不控充电、交流侧可控充电，以及试品换流阀桥臂中电流的直流分量和交流分量的独立控制，以模拟试品换流阀现场实际工程中的运行工况，通过调节直流电源的输出，可适应不同柔性直流输电工程功率模块运行时电容电压的需求，因此，本发明提供的换流阀运行试验拓扑平台能够满足不同换流阀的试验需求，提高换流阀试验的效率和节约换流阀的生产成本。

在一个实施例中，如图1和图2所示，直流电源回路包括交流侧电源S、交流断路器Ks、旁路充电电阻隔离开关K0、充电电阻R、交流调压器T1、交流侧三相变压器T2、整流二极管和滤波电容C，交流侧电源S通过交流断路器Ks与充电电阻R连接，旁路充电电阻隔离开关K0与充电电阻R并联，充电电阻R另一端与交流调压器T1连接，交流调压器T1与交流侧三相变压器T2连接，交流侧三相变压器T2与整流二极管连接，滤波电容C与整流二极管并联，交流侧三相变压器T2交流侧经整流二极管和滤波电容C给向陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2提供可调节的直流电压，以及补充陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2的运行损耗。直流侧隔离开关包括第一直流侧隔离开关K1、第二直流侧隔离开关K2、第三直流侧隔离开关K3和第四直流侧隔离开关K4，第一直流侧隔离开关K1连接陪试换流阀MMC1的正端DC1+和整流二极管的阴极，第二直流侧隔离开关K2连接陪试换流阀MMC1的负端DC1-和整流二极管的阳极，第三直流侧隔离开关K3连接试品换流阀MMC2的正端DC2+和整流二极管的阴极，第四直流侧隔离开关K4连接试品换流阀MMC2的负端DC2-和整流二极管的阳极。直流侧隔离开关K1、K2、K3、K4的开断实现陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2与直流电源回路的开断，以及可实现试品换流阀MMC2充电方式切换的功能，K1和K2为直流电源回路和陪试换流阀MMC1连接的开关，K3和K4为试品换流阀MMC2直流侧和直流电源连接的开关，通过对直流侧隔离开关的组合可实现试品换流阀MMC2段直流侧充电和交流侧充电的功能切换。

基于MMC换流阀仅进行不控充电无法实现将功率模块电容电压充至运行的额定电压，功率模块电压与额定电压差值较大时换流阀进行解锁会给***造成较大的扰动和对换流阀造成较大的电流冲击，因此在换流阀试验回路拓扑中设定了对试品换流阀进行可控充电控功能的验证，同时为了模拟换流阀实际运行状态下带直流偏置的桥臂电流，在试品换流阀试控制中采用交流无功功率和直流功率控制，使得流经试品换流阀中的电流的交流分量和直流分量可依据实际工程进行调节。使用本发明实施例中提供的换流阀运行试验拓扑平台对试品换流阀MMC2进行运行试验时，试品换流阀MMC2可控充电和桥臂电流控制流程为：

(1)试品换流阀MMC2交流可控充电试验的步骤如图5所示，包括：

a.闭合第一直流侧隔离开关K1和第二直流侧隔离开关K2；

b.闭合交流断路器Ks，使得陪试换流阀MMC1从直流侧进行不控充电；

c.在不控充电完成后切除充电电阻R，启动陪试换流阀MMC1可控充电；

d.在陪试换流阀MMC1功率模块电容电压充电至额定值后，解锁陪试换流阀MMC1，使得陪试换流阀MMC1控制交流侧电压到达1p.u，试品换流阀MMC2通过交流侧进行可控充电；

e.试品换流阀MMC2功率模块电容电压充电至额定值时，试品换流阀MMC2交流侧可控充电完成。

(2)试品换流阀MMC2进行直流侧可控充电试验的步骤如图6所示，包括：

a.闭合第一直流侧隔离开关K1、第二直流侧隔离开关K2、第三直流侧隔离开关K3和第四直流侧隔离开关K4；

b.闭合交流断路器Ks，使得陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2从直流侧进行不控充电；

c.在陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2不控充电完成后，闭合旁路充电电阻隔离开关K0，使得陪试换流阀MMC1和试品换流阀MMC2从直流侧进行可控充电。

进行直流侧可控充电时需要考虑陪试换流阀MMC1解锁后试品换流阀MMC2会从交流侧进行第二次可控充电，这种充电状态与实际工程相符，实际工程中两端换流阀存在交流侧断路器的合闸时间差。

(3)试品换流阀MMC2进行解锁运行试验的步骤如图7所示，包括：

a.解锁陪试换流阀MMC1，使得陪试换流阀MMC1控制交流电压，将交流电压抬升至目标电压；

b.解锁试品换流阀MMC2，依据工程需求控制试品换流阀MMC2中的直流分量和交流分量，使得流过试品换流阀MMC2的电流应力和实际工程一致；

c.在解锁运行试验完成后，先闭锁试品换流阀MMC2，再闭锁陪试换流阀MMC1。

为了验证本发明实施例中提供的换流阀运行试验拓扑平台具备的试验功能，本发明中还搭建了相应的仿真模型进行仿真验证，其中，陪试换流阀MMC1控制交流侧电压，试品换流阀MMC2控制有功功率和无功功率，控制功能与上述发明实施例描述相符验证，仿真模型参数如表1所示。

表1

换流阀	MMC1	MMC2
			额定容量/MW	10	10
模块额定电压/kV	2.0	2.0
			直流电压/kV	30	30
级数	14	14
			半桥模块个数	2	2
全桥模块个数	12	12

试品换流阀交流侧可控充电结果如图8所示，图8中，VS_Hsm为半桥功率模块电容电压，Vc_Fsm为全桥功率模块电容电压，在不控充电时，由于全桥和半桥功率结构不一致，导致全桥功率模块充电速度是半桥的两倍，在启动可控充电后全桥功率模块和半桥功率模块电容电压逐渐一致，电容电压达到平衡。

直流侧可控充电如图9所示，直流侧充电全半桥功率模块电容电压一致，在可控充电完成后电容电压抬升，陪试换流阀控制交流侧电压抬升时试品换流阀进入可控充电状态，功率模块电容电压会进一步抬升。

陪试换流阀解锁后控制交流侧电压，为试品换流阀提供交流电压参考实现交流功率转换，试品换流阀交流侧单相电压如图10所示，交流电压随着陪试换流阀控制逐渐升高到额定值。

试品换流阀中桥臂电流控制如图11所示，桥臂电流的直流分量可通过控制直流侧有功功率调节或者直流电压调节实现，桥臂电流的交流分量可通过控制换流器有功功率、无功功率实现。

由于平台灵活性较高，交流侧电压、直流侧电压可以在运行中从零到额定大范围变化，便于试品换流阀的功能和性能试验。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种换流阀运行试验拓扑平台，其特征在于，包括陪试换流阀、直流侧隔离开关、直流电源回路和换流变压器；

所述陪试换流阀为三相混合换流阀，所述换流变压器为带中性点的三相变压器；

所述陪试换流阀的交流侧通过所述换流变压器与试品换流阀的交流侧连接；

所述陪试换流阀的交流侧为三相电，所述试品换流阀的交流侧为三相电或单相电；

所述陪试换流阀和所述试品换流阀分别通过所述直流侧隔离开关与所述直流电源回路连接。

2.根据权利要求1所述的换流阀运行试验拓扑平台，其特征在于，所述陪试换流阀由三相六桥臂换流阀组成，每个桥臂由桥臂电抗和混合功率模块串联组成。

3.根据权利要求2所述的换流阀运行试验拓扑平台，其特征在于，所述直流电源回路包括交流侧电源、交流断路器、旁路充电电阻隔离开关、充电电阻、交流调压器、交流侧三相变压器、整流二极管和滤波电容；

所述交流侧电源通过所述交流断路器与所述充电电阻连接，所述旁路充电电阻隔离开关与所述充电电阻并联，所述充电电阻另一端与所述交流调压器连接，所述交流调压器与所述交流侧三相变压器连接，所述交流侧三相变压器与整流二极管连接，所述滤波电容与所述整流二极管并联。

4.根据权利要求3所述的换流阀运行试验拓扑平台，其特征在于，所述直流侧隔离开关包括第一直流侧隔离开关、第二直流侧隔离开关、第三直流侧隔离开关和第四直流侧隔离开关；

所述第一直流侧隔离开关连接所述陪试换流阀的正端和所述整流二极管的阴极，所述第二直流侧隔离开关连接所述陪试换流阀的负端和所述整流二极管的阳极，所述第三直流侧隔离开关连接所述试品换流阀的正端和所述整流二极管的阴极，所述第四直流侧隔离开关连接所述试品换流阀的负端和所述整流二极管的阳极。

5.根据权利要求4所述的换流阀运行试验拓扑平台，其特征在于，在使用换流阀运行试验拓扑平台对所述试品换流阀进行交流侧可控充电时，执行以下步骤：

闭合所述第一直流侧隔离开关和所述第二直流侧隔离开关；

闭合所述交流断路器，使得所述陪试换流阀从直流侧进行不控充电；

在不控充电完成后切除所述充电电阻，启动所述陪试换流阀可控充电；

在所述陪试换流阀功率模块电容电压充电至额定值后，解锁所述陪试换流阀，使得所述陪试换流阀控制交流侧电压到达1p.u，所述试品换流阀通过交流侧进行可控充电；

所述试品换流阀功率模块电容电压充电至额定值时，所述试品换流阀交流侧可控充电完成。

6.根据权利要求4所述的换流阀运行试验拓扑平台，其特征在于，在使用换流阀运行试验拓扑平台对所述试品换流阀进行直流侧可控充电时，执行以下步骤：

闭合所述第一直流侧隔离开关、所述第二直流侧隔离开关、所述第三直流侧隔离开关和第四直流侧隔离开关；

闭合所述交流断路器，使得所述陪试换流阀和所述试品换流阀从直流侧进行不控充电；

在所述陪试换流阀和所述试品换流阀不控充电完成后，闭合所述旁路充电电阻隔离开关，使得所述陪试换流阀和所述试品换流阀从直流侧进行可控充电。

7.根据权利要求6所述的换流阀运行试验拓扑平台，其特征在于，在使用换流阀运行试验拓扑平台对所述试品换流阀进行解锁运行试验时，执行以下步骤：

解锁所述陪试换流阀，使得所述陪试换流阀控制交流电压，将交流电压抬升至目标电压；

解锁所述试品换流阀，依据工程需求控制所述试品换流阀中的直流分量和交流分量，使得流过所述试品换流阀的电流应力和实际工程一致；

在解锁运行试验完成后，先闭锁所述试品换流阀，再闭锁所述陪试换流阀。

Images