采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置及方法与流程

本发明涉及柔性直流输电和电力电子应用技术领域，特别涉及采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置及方法。

背景技术：

基于mmc电压源换流器的柔性直流输电系统具有向无源系统或者弱交流系统供电、有功和无功快速独立控制、易于构成多端网络和环境友好等优异性能，并且mmc-hvdc系统的输送电压谐波含量极低，无需再配置额外的滤波器，使得基于mmc的柔性直流输电在输电领域有着广泛的应用前景。而mmc-hvdc的核心部件功率单元模块是整个柔性直流输电换流阀的最小单元，功率单元模块组成阀段，由阀段组成换流阀的6个桥臂。

换流阀的可靠性直接决定了柔性直流输电系统的可靠性。为了保证在柔性直流输电系统的各种工况中，换流阀能够可靠运行，iec标准规定了对换流阀阀段进行的型式试验，其中包含了稳态运行试验。这是柔性直流输电工程设计环节中不可缺少的重要环节，是整个柔直系统后期安全稳定持久运行的重要保证。

根据实际运行工况的要求和iec标准的规定，在试验过程中，换流阀两端的电压一般包括直流电压分量和交流电压分量，在典型的设计下，直流电压分量相当于阀段额定电压的一半，而交流电压分量的幅值约等于阀段额定电压的一半。为了给阀段供电，同时产生所需要的直流电压分量，目前公开的所有方法都依靠高压直流电源或额外的换流阀，明显增加了试验成本。

公开号为cn105372586a的中国专利“一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置”中的方法需要额外的高压直流整流电源及额外的一个补能桥臂，明显增大了试验装置的成本，而且因为系统不对称，控制复杂。

公开号为cn106546852a的中国专利“一种mmc换流阀稳态运行试验电路及其控制方法”，则需要额外的两个柔直桥臂进行补能，同时也需要高压直流整流电源进行供电，明显增大了试验成本。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置及方法，充分利用串联在回路中的电容来承担换流阀端间的直流电压分量，依靠普通变压器对试验系统进行充电、补能，不需要配置直流电源，不需要额外的补能阀。所需的变压器，可以简单用一个小功率的单相变压器实现，或者一个调压器来实现，主回路简单可靠。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置，包括试品阀1、试品阀2、电容cl、变压器t1、环流抑制电抗l01、开关k01和交流试验电源s0。

所述的试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端分别接在环流抑制电抗l01的两边，变压器t1的副边绕组与电容cl串联后，一端接地，另外一端接环流抑制电抗l01的任何一端，变压器t1的原边绕组与开关k01串接之后与交流试验电源s0相连接。

所述的变压器t1可以采用调压器，在试验过程中通过调压器的缓慢调压对试验电路进行充电。

在变压器t1和开关k01中间还可以串联有充电电阻r，并且在充电电阻r上还并联有旁路开关k02，在试验过程中通过充电电阻和旁路开关对试验电路进行充电。

还可以采用两个环流抑制电抗l01和l02使两个试品阀平衡布置，连接方式为：试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端与环流抑制电抗l01、l02串联，变压器t1的副边绕组与电容cl串联后，一端接地，另外一端连接在环流抑制电抗l01、l02的中点上。

采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置的试验方法，包括：

(1)在试品阀中的单元电容电压还没有建立起来时，需要对它们进行充电，有两种充电方法可选：利用调压器t1进行充电和利用充电电阻r和充电电阻旁路开关k02进行充电两种充电方法；

(2)采用交流试验电源，在充电过程中对电容和试品阀进行交替充电的方法；

(3)利用电容cl承担试品阀端间的直流电压分量的方法：因为外部连接了交流变压器，其两端电压为工频交流电，因此，串联在变压器副边的电容将承担试品阀端间的直流电压分量，而交流变压器产生试品阀端间的交流电压分量；

(4)在试验过程中，需要调整试品阀的端间直流电压分量时，要缓慢调整试品阀的调制信号，确保其端间的直流电压分量在缓慢变化，这样串联电容cl上的电压能够跟随试品阀的端间电压直流分量，避免在变压器绕组中因为电压差产生涌流，因此在试品阀直流电压分量变化过程中，电容cl上的电压也同时变化，保持试品阀与电容cl上的总电压与电源电压平衡，从而也实现了交流电源对试品阀的补能；

(5)试验过程中，控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；控制补能阀的调制信号，使得补能阀、试品阀1、试品阀2中的电容电压平衡，并满足试验要求。

所述的利用调压器t1进行充电的方法为：

步骤一、开始时，将调压器t1调到输出为零电压，闭合k01；

步骤二、然后缓慢上升调压器t1输出电压，由于试品阀、串联电容cl、变压器副边绕组是串联连接，如果试品阀由半桥单元组成，在交流电源的正半波对试品阀充电，而交流电源的负半波对串联电容cl充电；如果试品阀由全桥单元组成，交流电源的正负半波，电流都对单元进行充电；如果试品阀由半桥单元和全桥单元混合组成，在交流电源的正半波，电流对所有单元充电，而交流电源的负半波，电流对其中的全桥单元和串联电容充电；

步骤三、等待调压器上升到规定电压，充电结束，这时的试品阀上的桥臂电容电压和等于交流电源的峰值电压加上串联电容cl上的电压，可以开始试验。

所述的利用充电电阻r和充电电阻旁路开关k02进行充电的方法为：

步骤一、首先闭合k01，开始对试品阀和串联电容cl充电；

步骤二、由于试品阀、串联电容cl、变压器副边绕组是串联连接，如果试品阀由半桥单元组成，在交流电源的正半波对试品阀充电，而交流电源的负半波对串联电容cl充电；如果试品阀由全桥单元组成，交流电源的正负半波，电流都对单元进行充电；如果试品阀由半桥单元和全桥单元混合组成，在交流电源的正半波，电流对所有单元充电，而交流电源的负半波，电流对其中的全桥单元和串联电容充电；

步骤三、等待充电结束单元电压稳定后，闭合充电电阻旁路开关k01；这时的试品阀上的桥臂电容电压和等于交流电源的峰值电压加上串联电容cl上的电压，可以开始试验。

所述的试验方法还包括以下方法：在试验过程中，试品阀1、试品阀2和环流抑制电抗l01中流过了所需的试验电流；试验电流的产生依靠试品阀1和试品阀2的调试信号不同产生；典型的试验情况下，试品阀1和试品阀2的调制波都给定为正弦信号，两者幅值、频率相等，相差一个小的角度；因此，试品阀1和试品阀2中间的环流抑制电抗器上，将承受两者电压的差值，因而产生一个相同频率的正弦环流；而两个试品阀之间微小的电容电压差将导致环流抑制电抗器上的直流分量；正弦环流和直流分量合成了所需的试验电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置及方法，充分利用串联在回路中的电容来承担换流阀端间的直流电压分量，依靠普通变压器对试验系统进行充电、补能，不需要配置直流电源，不需要额外的补能阀。所需的变压器，可以简单用一个小功率的单相变压器实现，或者一个调压器来实现，主回路简单可靠。

2、本发明的采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置及方法，可以采用利用充电电阻r和充电电阻旁路开关k02进行充电和利用调压器t1进行充电两种充电方法，采用调压器充电能够在充电过程中对充电电流进行稳定调节。

3、本发明的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置及方法，在试验过程中，需要调整试品阀的端间直流电压分量时，缓慢调整试品阀的调制信号，确保其端间的直流电压分量在缓慢变化，这样串联电容cl上的电压能够跟随试品阀的端间电压直流分量，避免在变压器绕组中因为电压差产生涌流，因此在试品阀直流电压分量变化过程中，电容cl上的电压也同时变化，保持试品阀与电容cl上的总电压与电源电压平衡，从而也实现了交流电源对试品阀的补能。

附图说明

图1是本发明的换流阀稳态运行试验装置拓扑结构图；

图2是本发明的采用调压器控制充电过程的运行试验装置拓扑结构图；

图3是本发明的采用充电电阻控制充电过程的运行试验装置拓扑结构图；

图4是本发明的两个试品阀完全对称的运行试验装置拓扑结构图；

图5是本发明的半桥功率单元模块电路原理图；

图6是本发明的全桥功率单元模块电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置，包括试品阀1、试品阀2、电容cl、变压器t1、环流抑制电抗l01、开关k01和交流试验电源s0。

所述的试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端分别接在环流抑制电抗l01的两边，变压器t1的副边绕组与电容cl串联后，一端接地，另外一端接环流抑制电抗l01的任何一端，变压器t1的原边绕组与开关k01串接之后与交流试验电源s0相连接。

如图2所示，所述的变压器t1可以采用调压器，在试验过程中通过调压器的缓慢调压对试验电路进行充电。

如图3所示，在变压器t1和开关k01中间还可以串联有充电电阻r，并且在充电电阻r上还并联有旁路开关k02，在试验过程中通过充电电阻和旁路开关对试验电路进行充电。

如图4所示，还可以采用两个环流抑制电抗l01和l02使两个试品阀平衡布置，连接方式为：试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端与环流抑制电抗l01、l02串联，变压器t1的副边绕组与电容cl串联后，一端接地，另外一端连接在环流抑制电抗l01、l02的中点上。

所述试验装置的试品阀段由一个或多个功率单元模块级联而成，其中每个功率单元子模块可以是半桥单元子模块，如图5所示，也可以是全桥单元子模块，如图6所示。半桥单元子模块中包括两个igbt及二极管、电容器、放电电阻、功率单元模块主控板等组成；全桥单元子模块中包括四个igbt及二极管、电容器、放电电阻、功率单元模块主控板等组成。通过控制触发子模块内部igbt的导通和关断来控制功率单元子模块的投入和切出，能够让阀端输出所需电压。

采用电容承担偏置电压的换流阀稳态运行试验装置的试验方法，包括：

(1)在试品阀中的单元电容电压还没有建立起来时，需要对它们进行充电，有两种充电方法可选：利用调压器t1进行充电和利用充电电阻r和充电电阻旁路开关k02进行充电两种充电方法；

(2)采用交流试验电源，在充电过程中对电容和试品阀进行交替充电的方法；

(3)利用电容cl承担试品阀端间的直流电压分量的方法：因为外部连接了交流变压器，其两端电压为工频交流电，因此，串联在变压器副边的电容将承担试品阀端间的直流电压分量，而交流变压器产生试品阀端间的交流电压分量；

(4)在试验过程中，需要调整试品阀的端间直流电压分量时，要缓慢调整试品阀的调制信号，确保其端间的直流电压分量在缓慢变化，这样串联电容cl上的电压能够跟随试品阀的端间电压直流分量，避免在变压器绕组中因为电压差产生涌流，因此在试品阀直流电压分量变化过程中，电容cl上的电压也同时变化，保持试品阀与电容cl上的总电压与电源电压平衡，从而也实现了交流电源对试品阀的补能；

(5)试验过程中，控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；控制补能阀的调制信号，使得补能阀、试品阀1、试品阀2中的电容电压平衡，并满足试验要求。

所述的利用调压器t1进行充电的方法为：

步骤一、开始时，将调压器t1调到输出为零电压，闭合k01；

步骤二、然后缓慢上升调压器t1输出电压，由于试品阀、串联电容cl、变压器副边绕组是串联连接，如果试品阀由半桥单元组成，在交流电源的正半波对试品阀充电，而交流电源的负半波对串联电容cl充电；如果试品阀由全桥单元组成，交流电源的正负半波，电流都对单元进行充电；如果试品阀由半桥单元和全桥单元混合组成，在交流电源的正半波，电流对所有单元充电，而交流电源的负半波，电流对其中的全桥单元和串联电容充电；

步骤三、等待调压器上升到规定电压，充电结束，这时的试品阀上的桥臂电容电压和等于交流电源的峰值电压加上串联电容cl上的电压，可以开始试验。

所述的利用充电电阻r和充电电阻旁路开关k02进行充电的方法为：

步骤一、首先闭合k01，开始对试品阀和串联电容cl充电；

步骤二、由于试品阀、串联电容cl、变压器副边绕组是串联连接，如果试品阀由半桥单元组成，在交流电源的正半波对试品阀充电，而交流电源的负半波对串联电容cl充电；如果试品阀由全桥单元组成，交流电源的正负半波，电流都对单元进行充电；如果试品阀由半桥单元和全桥单元混合组成，在交流电源的正半波，电流对所有单元充电，而交流电源的负半波，电流对其中的全桥单元和串联电容充电；

步骤三、等待充电结束单元电压稳定后，闭合充电电阻旁路开关k01；这时的试品阀上的桥臂电容电压和等于交流电源的峰值电压加上串联电容cl上的电压，可以开始试验。

所述的试验方法还包括以下方法：在试验过程中，试品阀1、试品阀2和环流抑制电抗l01中流过了所需的试验电流；试验电流的产生依靠试品阀1和试品阀2的调试信号不同产生；典型的试验情况下，试品阀1和试品阀2的调制波都给定为正弦信号，两者幅值、频率相等，相差一个小的角度；因此，试品阀1和试品阀2中间的环流抑制电抗器上，将承受两者电压的差值，因而产生一个相同频率的正弦环流；而两个试品阀之间微小的电容电压差将导致环流抑制电抗器上的直流分量；正弦环流和直流分量合成了所需的试验电流。

所述试验装置中，试品阀1、试品阀2、环流抑制电抗l01中流过试验所需的运行电流，包括交流分量和直流分量。试验过程中，控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；调节变压器的副边电压，使得试品阀的内部直流电压满足试验要求。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。