一种柔性直流输电子模块稳态试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及一种柔性直流输电的试验装置及其试验方法，具体涉及一种柔性直流输电子模块稳态试验装置及其试验方法。

背景技术：

基于模块化多电平换流器的新一代柔性直流输电技术，采用级联型拓扑与模块化设计，容易实现更高的电平数，以至于不采用pwm调制，也能够得到接近正弦的输出相电压，不需要配置滤波器，大大降低了输出电压变化率、开关频率和电磁干扰水平。目前该技术正逐渐取代了两电平/三电平换流器在高压大容量柔性直流领域中的应用。

子模块是构成柔性直流核心部件——模块化多电平换流器的基本功能单元，是实现交直流变换的关键。在换流器研制过程中，必须对子模块进行电气应力和热应力校核，以及供电、通讯、控制、保护等全功能测试，校核所有设计是否满足预期，并排除其内部故障，从而为整个换流器的可靠运行提供基础保障。为完成测试试验，需要搭建合适的试验电路，等效再现柔性直流输电系统稳态运行时子模块的工作状态，同时试验电路应尽量简化、便于实现。

技术实现要素：

为满足现有技术的需要，本发明的目的是提供一种柔性直流输电子模块稳态试验装置。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种柔性直流输电子模块稳态试验装置，其改进之处在于，所述试验装置包括直流电源e、第一空气开关k1、第二空气开关k2、充电限流电阻r、充电电阻旁路开关kp、试品子模块、负载电抗器l、第一电负载电容器c1和第二负载电容器c2；

所述直流电源e的正极与第一空气开关k1的一端连接；所述第一空气开关k1的另一端与充电电阻旁路开关kp的一端连接；所述的充电限流电阻r与充电电阻旁路开关kp并联形成电阻-开关并联支路；所述的电阻-开关并联支路与试品子模块直流出口高压端连接，所述直流电源e的负极与试品子模块直流出口低压端连接；

所述试品子模块交流出口高压端与负载电抗器l串联；所述第一负载电容器c1的低压端与第二负载电容器c2的高压端连接形成负载电容串联支路，所述负载电容串联支路的高压端通过第二空气开关k2与试品子模块直流出口高压端连接，所述负载电容串联支路的低 压端与试品子模块交流出口低压端连接，即负载电容串联支路与试品子模块直流出口相互并联。

进一步地，所述的直流电源c1的负极、试品子模块直流出口低压端、试品子模块交流出口低压端和第二负载电容器c2低压端均接地。

进一步地，所述试品子模块包括由两个绝缘栅双极型晶体管igbt-二极管对t1-d1与t2-d2串联构成的半桥结构电路，以及与其并联的直流电容器c0；所述试品子模块直流电容器c0两端引出线为直流出口，与子模块直流电容器c0低压端连接的igbt-二极管t2-d2对两端引出线为交流出口。

进一步地，所述试验装置的充电限流电阻r充电完毕后被充电限流电阻旁路开关kp旁路，正常运行时不产生损耗；正常运行时，试品子模块的直流电容器c0、负载电抗器l、第一电负载电容器c1和第二负载电容器c2构成谐振回路；直流电源e用于补偿试品子模块的损耗以维持试验电路正常运行。

本发明提供一种柔性直流输电子模块稳态试验装置的试验方法，其改进之处在于，所述试验方法包括下述步骤：

①闭合第一空气开关k1与第二空气开关k2，直流电源e经过充电限流电阻r向试品子模块的直流电容器c0、第一负载电容器c1和第二负载电容器c2充电；

②当试品子模块直流电容器和负载电容器电压达到预设值时，闭合充电限流电阻旁路开关kp，断开第二空气开关k2；

③采用正弦脉宽调制策略交替触发试品子模块中igbt器件t1与t2，试品子模块的直流电容器c0与igbt-二极管对上等效再现其电气应力，进行电气应力校核；所述电气应力包括电压应力与电流应力；

依据电压应力与电流应力，计算igbt-二极管对的损耗与运行结温，进行热应力校核。

进一步地，igbt-二极管对的损耗包括通态损耗、开关损耗和反向恢复损耗；对于igbt，其通态损耗pcon,t和开关损耗psw,t和分别如下式所示：

式中：

vt0和rt分别是igbt通态特性一阶曲线拟合参数；

at，bt和ct分别是igbt开关特性二阶曲线拟合参数；

itavg和itrms分别是igbt导通电流的平均值和有效值；

fs是正弦脉宽调制的开关频率；

对于二极管，其通态损耗pcon,d和反向恢复损耗psw,d和分别如下式所示：

式中：

vd0和rd分别是igbt通态特性一阶曲线拟合参数；

ad，bd和cd分别是igbt开关特性二阶曲线拟合参数；

idavg和idrms分别是二极管导通电流的平均值和有效值。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1、采用本发明提出的柔性直流输电子模块稳态试验装置结构非常简单，只需要采用一个试品子模块，不需要辅助子模块配合。

2、试验过程中无功功率仅在试品子模块电容器、负载电抗器和负载电容串联支路中周期性交换，有功功率仅源于试品子模块、负载电抗器和负载电容器的运行总损耗。由于试品子模块的损耗占总损耗的绝大部分，因而该电路直流电源只需要提供很小的输出容量即可满足高电压、大电流测试需求。

3、被测试品子模块所耐受的电气应力和热应力可在该试验电路中等效再现，完成换流器基本功能单元的设计校核。

附图说明

图1是本发明提供的柔性直流输电子模块稳态试验装置电路拓扑图；

图2是本发明提供的试品子模块半导体器件电流波形图；其中(a)为igbt器件t1的电流波形图；(b)为二极管d1的电流波形图；(c)为igbt器件t2的电流波形图；(d)为二极管d1的电流波形图；

图3是本发明提供的试品子模块半导体器件交流出口电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它 们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明的目的是提供一种柔性直流输电子模块稳态试验装置，其电路拓扑图如图1所示，该试验电路直流电源e、第一空气开关k1、第二空气开关k2、充电限流电阻r、充电电阻旁路开关kp、试品子模块、负载电抗器l、第一电负载电容器c1和第二负载电容器c2；

所述直流电源e的正极与第一空气开关k1的一端连接；所述第一空气开关k1的另一端与充电电阻旁路开关kp的一端连接；所述的充电限流电阻r与充电电阻旁路开关kp并联形成电阻-开关并联支路；所述的电阻-开关并联支路与试品子模块直流出口高压端连接，所述直流电源e的负极与试品子模块直流出口低压端连接；所述试品子模块交流出口高压端与负载电抗器l串联；所述第一负载电容器c1的低压端与第二负载电容器c2的高压端连接形成负载电容串联支路，所述负载电容串联支路的高压端通过第二空气开关k2与试品子模块直流出口高压端连接，所述负载电容串联支路的低压端与试品子模块交流出口低压端连接，即负载电容串联支路与试品子模块直流出口相互并联。

所述直流电源c1的负极、试品子模块直流出口低压端、试品子模块交流出口低压端和第二负载电容器c2低压端均接地。

所述试品子模块包括由两个绝缘栅双极型晶体管igbt-二极管对t1-d1与t2-d2串联构成的半桥结构电路，以及与其并联的直流电容器c0；所述试品子模块直流电容器c0两端引出线为直流出口，与子模块直流电容器c0低压端连接的igbt-二极管t2-d2对两端引出线为交流出口。

结合图1详细介绍本发明子模块稳态试验装置的试验方法：首先闭合第一空气开关k1与第二空气开关k2，直流电源e经过充电限流电阻r向试品子模块电容器c0、第一负载电容器c1、第二负载电容器c2充电，当试品子模块直流电容器和负载电容器电压达到预设值时，闭合充电限流电阻旁路开关kp，断开第二空气开关k2；其次，以一定的调制策略交替触发试品子模块中igbt器件t1与t2，试品子模块直流电容器与igbt-二极管对上等效再现其电气应力，进行电气应力校核，试品子模块的电压与电流波形如图2和图3所示；最后， 依据图2和图3所示的电压应力与电流应力，计算igbt-二极管对的损耗与运行结温，进行热应力校核。

igbt-二极管对的损耗主要有通态损耗、开关损耗和反向恢复损耗组成。对于igbt来说，其通态损耗pcon,t和开关损耗psw,t和分别可下式进行计算。

式中：

vt0和rt分别是igbt通态特性一阶曲线拟合参数；

at，bt和ct分别是igbt开关特性二阶曲线拟合参数；

itavg和itrms分别是igbt导通电流的平均值和有效值；

fs是正弦脉宽调制的开关频率。

对于二极管来说，其通态损耗pcon,d和反向恢复损耗psw,d和分别可下式进行计算。

式中：

vd0和rd分别是igbt通态特性一阶曲线拟合参数；

ad，bd和cd分别是igbt开关特性二阶曲线拟合参数；

idavg和idrms分别是二极管导通电流的平均值和有效值。

该试验电路中只有一个阻性元件充电限流电阻r，充电完毕后被充电限流电阻旁路开关kp旁路，正常运行时不产生损耗。正常运行时，试品子模块直流电容器、负载电抗器和负载电容器构成谐振回路，谐振时交换的无功功率很大，然而回路中等效电阻很小，产生的损耗也很小；而试品子模块两个igbt-二极管对，会在导通和开关过程中产生较高的损耗。因此，直流电源主要用于补偿试品子模块的损耗以维持试验电路正常运行，所提供的功率很小。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员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。