特高压直流换流阀运行合成试验装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种特高压直流换流阀运行合成试验装置，包括两两之间相互连接的12脉波换流器回路、高电压回路与大电流回路，所述的高电压回路为待试阀提供反向恢复电压和正向电压，所述的大电流回路为待试阀提供通过的大电流，所述的12脉波换流器回路为待试阀提供所需的高电压、故障过电流和直流断续电流。与现有技术相比，本发明具有等效性好、适用范围广、经济性好以及试验精度高等优点。
【专利说明】特高压直流换流阀运行合成试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种特高压直流换流阀试验技术，尤其是涉及一种特高压直流换流阀运行合成试验装置。
【背景技术】
[0002]我国的能源资源和用电负荷分布极不平衡，东西部能源资源与用电负荷的逆向配置，决定了我国大范围优化配置一次能源资源的必要性。直流输电由于其技术特点，特别合适于大容量长距离输电，故建设直流输电工程，非常有利于资源的优化配置。随着全国联网及西电东送的发展，超高压直流输电工程以及直流背靠背连接工程不断建成投产。为进一步优化能源配置，特高压直流输电(UHVDC)应运而生。直流换流阀是直流输电工程中的关键设备，对换流阀进行运行试验可直接考核换流阀在各个运行条件下的运行性能，确保直流输电系统运行可靠性。对于大容量的特高压换流阀的运行试验，合成试验方法是目前普遍采用的理想方法，可大幅降低试验所需电源容量，从而降低成本，具有较高的等效性。
[0003]目前，世界上只有少数几家电力设备厂商如瑞典ABB公司、西门子公司、法国Areva公司和日本东芝公司等拥有高压直流换流阀合成试验装置，具备运行试验的能力。我国大功率电力电子试验技术起步迟，研究缺乏有效的分析方法及试验装置，导致我国在该领域技术研发能力和大功率试验能力不足，与国外的试验水平差距较大。1998年，中国电力科学研究院建立了大功率电力电子试验室，开始对高压换流阀的运行试验进行研究，得到了一系列的研究成果，建成了自己的直流换流阀合成试验装置。西安高压电器研究所也对直流换流阀的运行试验进行了研究，建立了一套合成试验回路，并对特高压直流换流阀的运行试验进行了探索。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种等效性好、适用范围广、经济性好以及试验精度高的特高压直流换流阀运行合成试验装置。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种特高压直流换流阀运行合成试验装置，其特征在于，包括两两之间相互连接的12脉波换流器回路、高电压回路与大电流回路，所述的高电压回路为待试阀提供反向恢复电压和正向电压，所述的大电流回路为待试阀提供通过的大电流，所述的12脉波换流器回路为待试阀提供所需的高电压、故障过电流和直流断续电流。 [0007]所述的12脉波换流器回路由两个6脉波整流桥串联而成，每个6脉波整流桥连接一组变压器，其中一组为Y/Y连接变压器，另一组为Y/△连接变压器，所述的待试阀安装在与Y/Y连接变压器连接的整流桥桥臂上。
[0008]所述的两个6脉波整流桥的三相电压差30°。
[0009]所述的高电压回路包括电容Ct、电感L1、晶闸管阀Vf、电容Cs、电感L2、稳压管、晶闸管阀V2、晶闸管阀V5和第一直流电压源，所述的晶闸管阀Vf与待试阀Vt正向并联，所述的晶闸管阀Vf正极与电容Ct 一端、电感L1 一端连接，所述的电感L1另一端通过稳压管分别与电容Cs —端、电感L2 —端连接，所述的电感L2另一端分别与晶闸管阀V2负极、晶闸管阀V5负极连接，所述的晶闸管阀V2正极与第一直流电压源正极连接，所述的第一直流电压源负极、晶闸管阀V5正极、电容Cs另一端、电容Ct另一端分别与晶闸管阀Vf负极连接。
[0010]所述的大电流回路包括集成门极换流晶闸管IGCT、电感L3、电容C3和第二直流电压源，所述的集成门极换流晶闸管IGCT的阳极通过电感L3分别与电容C3 —端和第二直流电压源正极连接，第二直流电压源负极与电容C3另一端连接，所述的集成门极换流晶闸管IGCT阴极与待试阀Vt正极连接。
[0011]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0012]I)为满足各个试验的等效性，新型回路设置了 3部分的回路，即高电压回路，12脉动换流器回路和IGCT控制的大电流回路，对于各项试验时，选取其中的两部分回路进行试验。
[0013]2)采用“半波电流引入”的方式进行合成试验，试验中引入了高电压回路LC振荡产生的半波正弦电流，可以通过调节电感L1和电容Cs的值来方便的调节电流下降率。试品阀两端并联有杂散电容Ct，可用来模拟换流阀开通时的电流上升率。高电压回路中的电感L2设置为可调，可以通过调节电感L2的值来方便的调节反向电压上升率。
[0014]3)高电压回路中，在试品阀两端并联了辅助阀Vf。进行最大暂时运行试验时，在试品阀阻断期间触发导通Vf，从而达到使试品阀承受的电压翻转的目的，而不需要在阻断期间再导通试品阀，使得试验更接近于实际运行工况，提高了等效性。而ABB回路在试品阀阻断期间对试品阀进行了触发导通，与换流阀实际运行情况有所不符。
[0015]4)进行高电压运行试验和过电流运行试验时，采用了 12脉波换流器作为大电流源。相比于ABB公司采用背靠背6脉动换流器，12脉波换流器产生的直流电流波形更加平滑，在交流侧的交流电流波形也更接近正弦波，相比于6脉波整流桥，消除了交流侧的5次和7次谐波，减低了谐波的干扰。
[0016]在进行断续直流电流试验时，12脉波换流器可以每个晶闸管导通的120°的时间内产生4个断续电流波，而6脉动整流桥只能产生2个断续电流波，12脉波换流器比6脉动整流器更接近于实际断续电流情况。
[0017]5)试验回路的经济性好。12脉波换流器回路作为电流源时，采用零功率运行方式，电流源回路的功率低。例如进行连续运行试验时，直流负载电阻设为0.025Ω，整流桥的触发角α设置为81°，则输出电流等于5.09kA，电流源的功率仅为648kW。另外，采用该运行方式的控制难度低，而ABB公司的6脉动换流器背靠背运行方式控制难度较大，容易发生换相失败。
[0018]6)最小交流电压试验时，12脉动换流器回路以背靠背方式运行，作为试验的电压源，而IGCT控制的大电流回路作为电流源。具有以下优点:电压源产生的试验波形与实际工况下的波形基本一致，等效很高；电流源由于采用可关断器件IGCT，可控制其导通的持续时间，试验的灵活性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的具体电路图；[0020]图2为本发明最大连续运行试验的电压电流波形及触发信号时序图；
[0021]图3为连续运行试验的电压波形图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0023]实施例
[0024]如图1所示，一种特高压直流换流阀运行合成试验装置，包括两两之间相互连接的12脉波换流器回路1、高电压回路3与大电流回路2，所述的高电压回路3为待试阀提供反向恢复电压和正向电压，所述的大电流回路2为待试阀提供通过的大电流，所述的12脉波换流器回路I为待试阀提供所需的高电压、故障过电流和直流断续电流。
[0025]所述的12脉波换流器回路I由两个6脉波整流桥串联而成，与特高压直流输电工程采用的换流单元相同，每个6脉波整流桥连接一组变压器，其中一组为Y/Y连接变压器，另一组为Υ/Λ连接变压器，所述的待试阀安装在与Y/Y连接变压器连接的整流桥桥臂上。所述的两个6脉波整流桥的三相电压差30°。
[0026]所述的高电压回路包括电容Ct、电感L1、晶闸管阀Vf、电容Cs、电感L2、稳压管、晶闸管阀V2、晶闸管阀V5和第一直流电压源，所述的晶闸管阀Vf与待试阀Vt正向并联，所述的晶闸管阀Vf正极与电容Ct 一端、电感L1 一端连接，所述的电感L1另一端通过稳压管分别与电容Cs —端、电感L2 —端连接，所述的电感L2另一端分别与晶闸管阀V2负极、晶闸管阀V5负极连接，所述的晶闸管阀V2正极与第一直流电压源正极连接，所述的第一直流电压源负极、晶闸管阀V5正极、电容Cs另一端、电容Ct另一端分别与晶闸管阀Vf负极连接。
[0027]所述的高电压回路仍然采用LC振荡来产生相应的电压波形，通过控制辅助阀的开通，在试品阀上产生反向恢复电压与正向电压。Ct代表实际工程中的杂散电容,L1为实际运行中的换相电感。另外，试品阀上并联了一个辅助的晶闸管阀Vf，进行最大暂时运行试验时，可导通该辅助晶闸管阀Vf，从而在试品阀阻断期间内，试品阀承受的电压两次翻转。
[0028]所述的大电流回路包括集成门极换流晶闸管IGCT、电感L3、电容C3和第二直流电压源，所述的集成门极换流晶闸管IGCT的阳极通过电感L3分别与电容C3 —端和第二直流电压源正极连接，第二直流电压源负极与电容C3另一端连接，所述的集成门极换流晶闸管IGCT阴极与待试阀Vt正极连接。
[0029]电流回路采用了大功率集成门极换流晶闸管IGCT，通过控制IGCT的导通关断来产生相应的电流。在该电流回路中串联一个可调电感，用以调节电流的上升率di/dt。
[0030]集成门极换流晶闸管IGCT是在晶闸管和门极可关断晶闸管GTO的基础上发展而成的一种大功率半导体开关器件，其门极驱动电路和IGCT芯片通过印刷电路板结合在一起，最小程度地降低了门极驱动回路电感(限制在nH的水平)从而实现IGCT的硬关断和门极换流技术。IGCT不但拥有GTO的稳定关断能力、低通态损耗和容量大的优点，还具有IGBT的高速开关性能，其开关速度达GTO的10倍以上，而且无需复杂的缓冲电路，是理想的MW级功率开关器件，因而具有很好的应用前景。从最近几年的应用情况看，IGCT有望成为高压大容量领域中的首选开关器件。目前，IGCT的最大可控关断电流可达5-6kA，可以满足换流阀合成运行试验的要求。
[0031]由于各类试验等级和试验项目的要求不同，合成试验回路的元件参数，包括电压源的大小，应能够实现可调。例如代表实际运行中的换相电感L1和代表实际回路的杂散电容Ct均通过归算得出。电容器Cs的值也与电压源引入电流的时间以及晶闸管电流变化率有关，应能实现可调。
[0032]电感L1是一个重要参数，代表直流换流阀实际运行中的换相电感。根据锦屏-苏南+800kV特高压直流输电工程的技术参数，可计算得换相电抗为5.1 Ω，换相电感约为16mH。
[0033]本发明换流阀合成试验回路的原理分析
[0034]合成试验回路的基本原理是由大电流回路及高电压回路分别提供所需的大电流及高电压。新型合成试验回路分为三个部分，各个试验项目根据其特点选择其中的两部分进行合成试验。最大连续运行试验、最大暂时运行试验、断续直流试验以及故障过电流试验由12脉动换流器回路为试品阀提供大电流，由高电压回路提供高电压。最小触发角试验和最小关断角试验选用12脉动换流器回路以及大电流回路来为试品阀提供所需的电压、电流波形。
[0035]以下以最大连续运行试验为例对新型合成试验回路的原理进行介绍，选用12脉动换流器回路以及高电压回路进行试验，其重点在于高电压回路的时序控制。
[0036]最大连续运行负载试验考察换流阀持续耐受的最大负载电流及其正反向电压的能力，这需要试验回路产生周期性的电流与电压来模拟其工况。试验回路的被试阀的电压电流波形如图2所示。被试阀串接在12脉动换流桥的桥臂上，流过12脉动换流桥桥臂的电流用来模拟换流阀的负载电流，电压回路模拟产生换流阀两端的负载电压。
[0037]A.控制策略分析
[0038]a) t0时刻，Vt开始关断(因换流桥的正常开通关断)，电流开始减小，至t2时换流桥完全关断。
[0039]b) &时刻，触发导通V3,电压回路开始起作用，此时电容Cs处于充满正向电压的状态，换流阀中叠加通过一个正弦半波，持续至t3时刻。
[0040]c) t2时刻整流桥关断，电压回路导入的正弦半波处于最大值。
[0041]d)t3时刻,试品阀电流过零关断，同时触发导通V4,试品阀开始承受反向电压。
[0042]e)t4时刻，触发导通VjP V5，使电容Cs的电压从负向重新振荡为正向电压，同时试品阀开始承受正向电压。
[0043]f)t5时刻，触发导通V2，引入直流电源，其作用为补偿Cs上的电压降，使Cs的电压在下一个周期之前保持在U0,同时Vt上的正向电压也有略微提高。在Cs的电压补偿至U0后，由于电流振荡反向，V2关断，直流电源被隔离。
[0044]g) t6时刻，经过一个周期，触发导通被试阀Vt，实际运行中由杂散电容产生的初始浪涌电流由并联电容器Ct通过Vt放电模拟产生，然后立刻触发V1使试验大电流通过被试阀Vt。
[0045]电压电流如此周期性循环，考察换流阀正常连续运行的能力。本项试验的控制难点在于电压回路的电流引入时间的确定，即辅助阀V3第一个触发脉冲时间的确定。试验回路的工作原理要求电流回路的大电流过零时，电压回路引入电流刚好达到最大值。
[0046]B.电路原理分析
[0047]①&?t3时刻的电路原理分析如下:[0048]电路中存在两个导通回路:换流桥回路和Cs-V3-L1-Vt回路。至t2时，V1关断，换流桥回路关断，被隔离；至t3时，电流振荡过零，V3和Vt关断。Cs-V3-L1-Vt回路时一个无阻尼的LC 二阶振荡电路，初始条件Ucs (O) = U0 ；i(0) =0，电路的微分方程为
【权利要求】
1.一种特高压直流换流阀运行合成试验装置，其特征在于，包括两两之间相互连接的12脉波换流器回路、高电压回路与大电流回路，所述的高电压回路为待试阀提供反向恢复电压和正向电压，所述的大电流回路为待试阀提供通过的大电流，所述的12脉波换流器回路为待试阀提供所需的高电压、故障过电流和直流断续电流。
2.根据权利要求1所述的特高压直流换流阀运行合成试验装置，其特征在于，所述的12脉波换流器回路由两个6脉波整流桥串联而成，每个6脉波整流桥连接一组变压器，其中一组为Y/Y连接变压器，另一组为Y/ Δ连接变压器，所述的待试阀安装在与Y/Y连接变压器连接的整流桥桥臂上。
3.根据权利要求2所述的特高压直流换流阀运行合成试验装置，其特征在于，所述的两个6脉波整流桥的三相电压差30°。
4.根据权利要求2所述的特高压直流换流阀运行合成试验装置，其特征在于，所述的高电压回路包括电容Ct、电感L1、晶闸管阀Vf、电容Cs、电感L2、稳压管、晶闸管阀V2、晶闸管阀V5和第一直流电压源，所述的晶闸管阀Vf与待试阀Vt正向并联，所述的晶闸管阀Vf正极与电容Ct 一端、电感L1 一端连接,所述的电感L1另一端通过稳压管分别与电容Cs —端、电感L2 —端连接，所述的电感L2另一端分别与晶闸管阀V2负极、晶闸管阀V5负极连接，所述的晶闸管阀V2正极与第一直流电压源正极连接，所述的第一直流电压源负极、晶闸管阀V5正极、电容Cs另一端、电容Ct另一端分别与晶闸管阀Vf负极连接。
5.根据权利要求4所述的特高压直流换流阀运行合成试验装置，其特征在于，所述的大电流回路包括集成门极换流晶闸管IGCT、电感L3、电容C3和第二直流电压源，所述的集成门极换流晶闸管IGCT的阳极通过电感L3分别与电容C3 —端和第二直流电压源正极连接，第二直流电压源负极与电容C3另一端连接，所述的集成门极换流晶闸管IGCT阴极与待试阀Vt正极连接。
【文档编号】G01R31/327GK103744017SQ201410015973
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】吴振跃, 鲁成栋, 肖登明, 谭东现, 邓云坤 申请人:上海交通大学