一种模块化多电平变流器试验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种模块化多电平变流器试验装置，其包括：调压器，其原边侧通过第一断路器连接到电网上，以对电网上的电压进行调压；第一和第二模块化多电平变流器，其中，第一和第二模块化多电平变流器的输入分别通过第二和第三断路器以及第一和第二变压器连接到所述调压器的副边侧，而所述第一和第二模块化多电平变流器的直流输出分别通过第一和第二直流隔离开关连接起来；以及直流试验回路，其通过第三直流隔离开关连接到所述模块化多电平变流器单元的直流输出上。本实用新型能够实现基于模块化多电平变流器的柔性直流输电、静止无功发生器、直流电源三种功能试验，拓宽了模块化多电平变流器的应用方向。
【专利说明】一种模块化多电平变流器试验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电源系统【技术领域】，尤其涉及一种电源系统中使用的模块化多电平变流器试验装置。
【背景技术】
[0002]模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)因其采用了大规模子模块(Sub-modular，SM)级联的多电平结构，可更为灵活地适应更高的电压等级和功率要求，近年来逐渐在柔性直流输电、静止无功发生器、直流电源领域中得到应用。MMC电平阶跃很小，具有很好的输出特性，也很容易构建大容量换流器，相比于传统的两电平和三电平换流器，MMC更适合用于高压、大功率的直流输电领域。
[0003]基于MMC的柔性直流输电技术相比于传统直流输电技术,没有换向失败的问题，可以实现有功、无功功率的快速解耦控制，同时谐波含量也得到了降低，在电网的非同步互联和电力市场支持、分布式发电并网、连接孤立小电网和无源负荷、以及向大城市中心负荷供电等方面有很好的应用前景。
[0004]目前针对模块化多电平变流器的试验装置功能都很单一，仅能实现柔性直流输电换流阀的等效稳态试验，而缺少从模块化多电平变流器自身具备的多应用方向、多功能拓展的技术特点来设计一套可同时兼顾柔性直流输电、静止无功发生器、直流电源三大功能的试验装置。
[0005]综上所述，现有技术存在以下问题:现在针对模块化多电平变流器的试验装置很少且功能都很单一，要么仅能实现柔性直流输电换流阀等效稳态功能试验，缺少从模块化多电平变流器自身具备的多应用方向、多功能拓展的技术特点来设计一套可同时兼顾柔性直流输电、静止无功发生器、直流电源三大功能的试验装置。
实用新型内容
[0006]本实用新型针对现有技术中模块化多电平变流器自身具备的多应用方向，多功能拓展的技术特点，提出了一种应用广泛的模块化多电平变流器试验装置，其包括:
[0007]调压器，其原边侧通过第一断路器连接到电网上，以对电网上的电压进行调压；
[0008]第一和第二模块化多电平变流器，其中，第一和第二模块化多电平变流器的输入分别通过第二和第三断路器以及第一和第二变压器连接到所述调压器的副边侧，而所述第一和第二模块化多电平变流器的直流输出分别通过第一和第二直流隔离开关连接起来；以及
[0009]直流试验回路，其通过第三直流隔离开关连接到所述模块化多电平变流器单元的直流输出上。
[0010]具体地，所述第一和第二模块化多电平变流器各自包括A、B、C三相上、下六个桥臂，A相上桥臂的输入侧连接到第一换相电抗器的输入端上，所述第一换相电抗器的输出端连接到至少两个相互串联的子模块上，其中，串联末端的子模块的输出端与B、C两相的上桥臂对应的子模块输出端并联作为模块化多电平变流器输出的直流电压正极侧，而A相下桥臂的输入侧连接到第二换相电抗器输入端上，所述第二换相电抗器的输出端连接到多个相互串联的子模块上，其中，串联末端的子模块的输出端与B、C两相的下桥臂对应的子模块的输出端并联作为模块化多电平变流器输出的直流电压负极侧。
[0011]具体地，所述B、C相的上桥臂拓扑结构与所述A相上桥臂拓扑结构相同，所述B、C相的下桥臂拓扑结构与所述A相下桥臂拓扑结构相同。
[0012]具体地，所述子模块包括上下两个绝缘栅双极型晶体管模块组成的半桥结构和与所述半桥结构并联的直流储能电容以及直流均压电阻，其中，绝缘栅双极型晶体管模块包括绝缘栅双极型晶体管和与之反并联连接的二极管。
[0013]具体地，所述直流试验回路包括:串联连接的直流电阻负载和等效电抗。
[0014]本实用新型带来了以下有益效果:
[0015](I)实现了基于模块化多电平变流器的柔性直流输电、静止无功发生器、直流电源三种功能试验，极大地拓宽了模块化多电平变流器的应用方向；
[0016](2)基于模块化多电平变流器的试验电路在实现柔性直流输电和静止无功发生试验功能时，仅需电网提供少量电能补充试验装置损耗，最大程度减少了试验装置的电能消耗；
[0017](3)基于模块化多电平变流器的试验电路在实现直流电源试验功能时，可以通过开关组合分别完成单个模块化多电平变流器的直流电源试验以及两个模块化多电平变流器的直流电源并联试验，有效扩大了直流电源试验装置的容量。
[0018]本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
[0020]图1是根据本实用新型实施例的模块化多电平变流器试验装置电路图；
[0021]图2是根据本实用新型实施例的模块化多电平变流器拓扑图；
[0022]图3是根据本实用新型实施例的模块化多电平变流器子模块拓扑图；
[0023]图4是根据本实用新型第一实施例的模块化多电平变流器的背靠背柔性直流输电试验的等效电路图；
[0024]图5是根据本实用新型第二实施例的模块化多电平变流器的点对点静止无功发生器试验的等效电路图。
【具体实施方式】
[0025]以下将结合附图来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。[0026]如图1所示，其中显示了根据本实用新型实施例的模块化多电平变流器试验装置电路图。它包括:调压器ΤΜ0，三个断路器QFO，QFl，QF2、两个变压器TMl，TM2，两个模块化多电平变流器MMC1，MMC2，以及一个直流试验回路。其中，直流试验回路包括:三个直流隔离开关QS1，QS2，QS3，直流电阻负载R和等效电抗L。
[0027]断路器QFO的输入端接至三相电网，QFO的输出端接至调压器TMO的原边侧，调压器TMO的副边侧接至断路器QFl输入端，断路器QFl的输出端接至变压器TMl的原边侧，变压器TMl的副边侧接至模块化多电平变流器MMCl的交流侧，模块化多电平变流器MMCl直流侧接至直流隔离开关QSl的输入端。同时，调压器TMO的副边侧接至断路器QF2的输入端，断路器QF2的输出端接至变压器TM2的原边侧，而变压器TM2的副边侧接至模块化多电平变流器MMC2的交流侧。模块化多电平变流器MMC2的直流侧接至直流隔离开关QS2的输入端，直流隔离开关QSl与直流隔离开关QS2的输出端并联后接至直流隔离开关QS3的输入端，直流隔离开关QS3的输出端接至直流电阻负载R与等效电抗L两端，直流电阻负载R与等效电抗L串联。
[0028]两个模块化多电平变流器MMCl和MMC2的拓扑结构相同，如图2所示。这里为了简化起见，仅以MMCl为例来详细介绍其组成。其中，模块化多电平变流器MMCl包括A、B、C三相上、下共六个桥臂和六个换相电抗器Lla、L2a、Lib、L2b、Lie、L2c。其中，A相上桥臂的输入侧连接到第一换相电抗器Lla的输入端上,第一换相电抗器Lla的输出端连接到η(η ^ I)个相互串联的子模块SM上，其中，串联末端的子模块SMn的输出端与B、C两相的上桥臂对应的子模块SMn的输出端并联作为模块化多电平变流器MMCl输出的直流电压正极侧，而A相下桥臂输入侧连接到第二换相电抗器L2a输入端上，第二换相电抗器L2a的输出端连接到η (η > I)个相互串联的子模块上，其中，串联末端的子模块SMn的输出端与B、C两相的下桥臂对应的子模块的输出端并联作为模块化多电平变流器输出的直流电压负极侧。在本实用新型中，B、C相的上桥臂拓扑结构与A相上桥臂拓扑结构相同，B、C相的下桥臂拓扑结构与A相下桥臂拓扑结构相同。
`[0029]试验操作中，通过变化每个桥臂上子模块的数量η，可以灵活地改变模块化多电平变流器的输出电压以及功率等级。另外，每个桥臂上η个子模块为冗余结构，这种拓扑结构使得本实用新型中的模块化多电平变流器的正负直流母线能够适合高压直流输电场合，并且还使得本实用新型具有较强的容错能力，从而实现故障运行。
[0030]此外，实际中如果各个桥臂之间能量不均，则会造成各相之间存在电压差，从而造成各个桥臂之间的环流。这里，采用换相电抗器可有效地抑制上述环流，并通过控制该环流调节各个模块的电压，避免上下桥臂间产生较大的电压波动。另外，换相电抗器还可以防止试验过程中由过电压引起的电流冲击，实现相位电流不平衡自动调节，达到平衡电流、节约能耗、平衡网路电流作用。
[0031]如图3所示，其中显示了根据本实用新型实施例的模块化多电平变流器子模块SM的拓扑结构图。根据本实用新型，该子模块SM采用了上下两个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)模块组成的半桥结构。其中，上 IGBT 模块由绝缘栅双极型晶体管Tl和与之反并联连接的二极管Dl构成，下IGBT模块由绝缘栅双极型晶体管T2和与之反并联连接的二极管D2构成。而储能电容C和直流均压电阻Re并联连接在上述半桥结构两端。[0032]第一实施例
[0033]如图4所示，其中显示了根据本实用新型第一实施例的模块化多电平变流器的背靠背柔性直流输电试验的等效电路图。
[0034]如果闭合断路器QFO、QFl和QF2，闭合直流隔离开关QS1、QS2，断开直流隔离开关QS3，则可构成基于模块化多电平变流器的背靠背柔性直流输电试验装置，其中断路器QF1、变压器TMl和模块化多电平变流器MMCl构成换流站1，断路器QF2、变压器TM2和模块化多电平变流器MMC2构成换流站2。
[0035]模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2的交流侧分别通过变压器TMl和变压器TM2并联连接在调压器TMO的副边侧，模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2的直流侧采用背靠背连接。模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2均可实现有功功率输送，既可以作为功率发送端，也可以作为功率接收端。
[0036]在本实施例中，采用模块化多电平变流器MMCl作为功率发送端、模块化多电平变流器MMC2作为功率接收端，实现有功功率由模块化多电平变流器MMCl向模块化多电平变流器MMC2的输送，并且在调压器TMO的副边侧进行功率回馈，电网仅需提供少量电能补充试验装置损耗，最大程度减少了试验装置的电能消耗。
[0037]第二实施例
[0038]如图5所示，其中显示了根据本实用新型第二实施例的模块化多电平变流器的点对点静止无功发生器试验的等效电路图。
[0039]如果闭合断路器QFO、QFl和QF2，断开直流隔离开关QS1、QS2和QS3，则可构成基于模块化多电平变流器的点对点静止无功发生器试验装置，其中断路器QF1、变压器TMl和模块化多电平变流器MMCl构成静止无功发生器1，断路器QF2、变压器TM2和模块化多电平变流器MMC2构成静止无功发生器2。
[0040]模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2均可发送无功功率，模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2作为两套静止无功发生器交流侧分别通过变压器TMl和变压器TM2并联连接在调压器TMO的副边侧。
[0041]在本实施例中，设置为模块化多电平变流器MMCl发送容性无功、模块化多电平变流器MMC2发送等额的感性无功，在调压器TMO的副边侧实现无功功率回馈补偿，电网仅需提供少量电能补充试验装置损耗，最大程度减少了试验装置的电能消耗。
[0042]第三实施例
[0043]本实用新型的第三实施例提供了 一种模块化多电平变流器的直流电源试验电路。
[0044]如图1所示，如果闭合断路器QF0、QF1和QF2，闭合直流隔离开关QS1、QS2和QS3。模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2均可作为连续可调的直流电源，模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2作为两套相同的直流电源，其交流侧分别通过变压器TMl和变压器TM2并联连接在调压器TMO的副边侧，其直流侧并联在直流电阻负载R与等效电抗L两端。
[0045]在本实施例中，模块化多电平变流器MMCl与模块化多电平变流器MMC2直流侧生成相同的直流电流，其并联后消耗在直流电阻负载R与等效电抗L上。
[0046]作为本实用新型的进一步实施方式，在直流电源试验电路中，如果闭合断路器QFO和断路器QF1，断开断路器QF2，闭合直流隔离开关QSl和直流隔离开关QS3，断开直流隔离开关QS2，模块化多电平变流器MMCl直流侧接在直流电阻负载R与等效电抗L两端，则可构成模块化多电平变流器MMCl的直流电源试验电路；
[0047]作为本实用新型的进一步实施方式，在直流电源试验电路中，如果闭合断路器QFO和断路器QF2，而断开断路器QF1，闭合直流隔离开关QS2和直流隔离开关QS3，而断开直流隔离开关QSl，模块化多电平变流器MMC2直流侧接在直流电阻负载R与等效电抗L两端，则可构成模块化多电平变流器MMC2的直流电源试验电路。
[0048]虽然本实用新型所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种模块化多电平变流器试验装置，其特征在于，所述装置包括: 调压器，其原边侧通过第一断路器连接到电网上，以对电网上的电压进行调压； 第一和第二模块化多电平变流器，其中，第一和第二模块化多电平变流器的输入分别通过第二和第三断路器以及第一和第二变压器连接到所述调压器的副边侧，而所述第一和第二模块化多电平变流器的直流输出分别通过第一和第二直流隔离开关连接起来；以及 直流试验回路，其通过第三直流隔离开关连接到所述模块化多电平变流器单元的直流输出上。
2.如权利要求1所述的模块化多电平变流器试验装置，其特征在于，所述第一和第二模块化多电平变流器各自包括A、B、C三相上、下六个桥臂，A相上桥臂的输入侧连接到第一换相电抗器的输入端上，所述第一换相电抗器的输出端连接到至少两个相互串联的子模块上，其中，串联末端的子模块的输出端与B、C两相的上桥臂对应的子模块输出端并联作为模块化多电平变流器输出的直流电压正极侧，而A相下桥臂的输入侧连接到第二换相电抗器输入端上，所述第二换相电抗器的输出端连接到多个相互串联的子模块上，其中，串联末端的子模块的输出端与B、C两相的下桥臂对应的子模块的输出端并联作为模块化多电平变流器输出的直流电压负极侧。
3.如权利要求2所述的模块化多电平变流器试验装置，其特征在于，所述B、C相的上桥臂拓扑结构与所述A相上桥臂拓扑结构相同，所述B、C相的下桥臂拓扑结构与所述A相下桥臂拓扑结构相同。
4.如权利要求2所述的模块化多电平变流器试验装置，其特征在于，所述子模块包括上下两个绝缘栅双极型晶体管模块组成的半桥结构和与所述半桥结构并联的直流储能电容以及直流均压电阻，其中，绝缘栅双极型晶体管模块包括绝缘栅双极型晶体管和与之反并联连接的二极管。
5.如权利要求1-4中任一项所述的模块化多电平变流器试验装置，其特征在于，所述直流试验回路包括:串联连接的直流电阻负载和等效电抗。
【文档编号】G01R31/40GK203444031SQ201320467141
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月1日 优先权日:2013年8月1日
【发明者】邓明, 吴强, 张志学, 唐剑钊, 刘华东, 谭胜武, 张敏, 何伯钧, 秦灿华, 龚芬 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司