专利名称：柔性直流输电mmc阀稳态运行试验的功率环试验方法
技术领域：
本发明属于电力系统和电力电子领域，具体讲涉及一种柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验方法。
背景技术：
随着柔性直流输电(VSC-HVDC)技术在电力系统中的逐步应用，其核心部件—— 大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)阀的可靠性成为电力系统安全的关键因素之一。由于 VSC-HVDC装置普遍具有高电压、强电流、大容量的特点，导致在试验环境中很难构建与实际运行工况相同的全载电路进行试验。因此，如何在试验环境中构建等效的试验电路，进行与实际运行工况强度相当的试验成为解决问题的关键。基于模块化多电平换流器(MMC)的VSC-HVDC，是利用IGBT阀进行直流输电的一种新技术。子模块(SM)是构成MMC的最小功率单元，它由IGBT组成的半桥(或者H桥)与电容器并联组成。若干个子模块串联构成一个MMC阀组件，它能够成比例体现MMC阀的电气特性，是进行MMC阀稳态运行试验的基本电气单元，其电气结构如图1(a)和(b)所示。MMC阀稳态运行试验是为了考察MMC阀在长期实际运行工况下对最大电流、电压和温度等关键应力的耐受能力，以验证MMC阀设计的正确性。
发明内容
本发明提供了一种柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验方法，该试验方法实现使被试阀组件耐受同实际工况相当的稳态运行电压、电流与热强度，并且，该试验方法简单、灵活，试验参数调节方式简便，可满足MMC阀稳态运行试验的要求。本发明的目的是采用下述技术方案实现的柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验方法，其改进之处在于，所述功率环试验方法用的装置为MMC阀稳态运行试验的功率环试验装置，所述装置包括两个阀组件1和2、充电电源E1、补能电源E2、负载电抗器L、充电限流电阻Rc以及隔离开关Kl和K2 ；所述阀组件1和2分别含η和m个子模块，且η > m ；所述子模块包括并联的半桥结构与子模块电容器；或所述子模块包括并联的H桥结构与子模块电容器；所述子模块电
Csm1ii Csm2iii ；所述半桥结构和H桥结构均包括开关Kln或L、电阻Rln或Ra^晶闸管Tln或T2m、 IGBT器件Tlnl和Tln2或IGBT器件T2ml和T2m2以及二极管D2nl和D2n2或二极管D2ml和D2m2 ；
所述方法包括如下步骤(1)设定所述阀组件1和阀组件2的电压幅值V1J2以及二者相位差δ，并设定所述补能电源Ε2的输出电压；(2)闭合所述隔离开关Κ1，令充电电源El对所述子模块电容器(；-或。.充电；(3)当所述子模块电容器电压达到设定值后，断开隔离开关Kl将充电电源El退出，预充电完毕；(4)闭合所述隔离开关K2，投入所述补能电源E2 ；同时，按照一定的调制策略发出两个阀组件所有子模块IGBT的触发脉冲，电路进入稳态运行状态；所述阀组件1和阀组件 2两端建立起试验所需的电压应力，两个阀组件在子模块电容器和负载电抗器L上进行能量交换，回路中产生试验所需的电流应力；(5)断开所述隔离开关K2，退出补能电源E2，然后闭锁子模块中IGBT的触发脉冲，
试验结束。本发明提供的一种优选的技术方案是所述阀组件1的低压输出端和阀组件2的低压输出端直接相连后接地；所述阀组件1的高压输出端和阀组件2高压输出端通过所述负载电抗器L相连。本发明提供的第二优选的技术方案是所述充电电源El的一端与所述充电限流电阻Rc —端连接；所述充电电源El的另一端与阀组件1和2的低压输出端相连后接地；所述充电限流电阻Rc另一端与隔离开关Kl的一端连接；所述隔离开关Kl的另一端和所述负载电抗器L连接；所述补能电源E2的一端与所述隔离开关K2—端连接；所述补能电源E2的另一端与阀组件1和2的低压输出端相连后接地；所述隔离开关K2的另一端与阀组件1连接。本发明提供的第三优选的技术方案是所述一定的调制策略为开关频率较低的正弦阶梯波调制方式。本发明提供的第四优选的技术方案是所述IGBT器件Tlnl反并联二极管Dlnl组成 IGBT模块1 ；所述IGBT器件Tln2反并联二极管Dln2组成IGBT模块2 ；所述IGBT模块1和 IGBT模块2串联，组成IGBT模块1和IGBT模块2串联支路；所述IGBT模块2、晶闸管Tln和开关Kln依次并联；所述电阻Rln与IGBT模块1和 IGBT模块2串联支路并联。本发明提供的第五优选的技术方案是所述IGBT器件T2ml反并联二极管D2ml组成 IGBT模块3 ；所述IGBT器件T2m22反并联二极管D2m组成IGBT模块4 ；所述IGBT模块3和 IGBT模块4串联，组成IGBT模块3和IGBT模块4串联支路；所述IGBT模块4、晶闸管T2m和开关K2m依次并联；所述电阻R2m与IGBT模块3和 IGBT模块4串联支路并联。本发明提供的第六优选的技术方案是所述阀组件1为辅助阀；所述阀组件2为试品阀。与现有技术相比，本发明达到的有益效果是1、本发明提供的试验方法用的试验装置通过阀组件子模块电容器与负载电抗器之间的能量交换产生回路电流，补能电源和充电电源分别用于建立子模块工作电压和补充电路运行过程中相对较少的有功损耗，大大降低了试验电路对电源容量的要求。2、本发明提供的试验方法通过特定的正弦阶梯波调制方式和控制方法，不仅能够产生与实际工程等效的电压应力，而且与传统的正弦脉宽调制(SPWM)方式相比大大降低了开关频率，减少了开关损耗。3、本发明提供的试验方法通过调节两个阀组件两端电压的幅值和相位差，即可得到精确的交、直流叠加的电流应力，不仅调节方式灵活、简单，而且具有较高的等效性。
4、本发明提供的试验方法满足MMC阀稳态运行试验的要求，能够提供与实际运行工况相当的稳态电流应力、电压应力和热强度等。
图1是MMC阀稳态运行试验的基本电气结构图；图2是本发明提供的功率环式MMC阀稳态运行试验电路原理图；图3是本发明提供的功率环试验方法流程图；图4是本发明提供的MMC阀组件稳态运行试验电压波形示意图；图5是本发明提供的MMC阀组件稳态运行试验电流波形示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步的详细说明。本发明提供的功率环式MMC阀稳态运行试验电路原理图如图2所示，整个试验电路由阀组件1和2、充电电源E1、补能电源E2、负载电抗器L、充电限流电阻Rc和隔离开关 Kl和K2组成；阀组件1的低压输出端和阀组件2的低压输出端直接相连后接地，两者的高压输出端通过所述负载电抗器L相连；其中，阀组件1为辅助阀；阀组件2为试品阀。阀组件1和2分别含η和m个子模块；且η彡m，m为实际工程中一个阀组件所含子模块的个数；所述子模块包括并联的半桥结构与子模块电容器；或所述子模块包括并联的H桥结构与子模块电容器；所述子模块电容器为Csmn或CSM2m ；半桥结构和H桥结构均包括开关Kln或K2m、电阻Rln或I 2m、晶闸管Tln或T2m、IGBT器件Tlnl和Tln2或IGBT器件T2ml和 Tlffl2以及二极管Dlnl和Dln2或二极管D2ml和D2m2。IGBT器件Tlnl反并联二极管Dlnl组成IGBT模块1 ；所述IGBT器件Tln2反并联二极管Dln2组成IGBT模块2 ；所述IGBT模块1和IGBT模块2串联，组成IGBT模块1和IGBT模块2串联支路；所述IGBT模块2 ；晶闸管Tln和开关Kln依次并联；所述电阻Rln与IGBT模块1和IGBT模块2串联支路并联。IGBT器件T2ml反并联二极管D2ml组成IGBT模块3 ；所述IGBT器件T2m2反并联二极管D2m2组成IGBT模块4 ；所述IGBT模块3和IGBT模块4串联，组成IGBT模块3和IGBT 模块4串联支路；所述IGBT模块4、晶闸管T2m和开关K2m依次并联；所述电阻R2m与IGBT模块3和IGBT模块4串联支路并联。充电电源El的一端与充电限流电阻Rc —端连接；充电电源El的另一端与阀组件 1和阀组件2的低压输相连后接地；充电限流电阻Rc另一端与隔离开关Kl的一端连接；隔离开关Kl的另一端和负载电抗器L连接；补能电源E2的一端与隔离开关K2 —端连接；补能电源E2的另一端与阀组件1和阀组件2的低压输相连后接地；隔离开关K2的另一端与阀组件1连接；补能电源E2并联在所述阀组件1的接地子模块电容器Csmn的两端。充电电源El用于电路稳态运行之前对两个阀组件的所有子模块电容器预充电， 充电完毕后El退出电路。补能电源E2并联于阀组件1的接地子模块电容器Csmn两端，用于补充电路稳态运行时的有功损耗。Rc为充电限流电阻，用于限制充电阶段回路中的电流。
该试验电路对应的试验方法流程如图3所示，具体步骤如下(1)设定阀组件1和阀组件2的电压幅值Vp V2以及二者相位差δ，并设定Ε2的输出电压；(2)闭合Κ1，令El对所有子模块电容器充电；(3)当子模块电容器电压达到设定值后，断开Kl将El退出，预充电完毕；(4)闭合Κ2，投入Ε2 ；同时，按照一定的调制策略发出两个阀组件所有子模块IGBT 的触发脉冲，电路进入稳态运行状态。阀组件1和阀组件2两端建立起试验所需的电压应力，两个阀组件子模块电容器和负载电抗器L上进行能量交换，回路中产生试验所需的电流应力；(5)断开Κ2，退出Ε2，然后闭锁IGBT触发脉冲，试验结束。电压应力和电流应力是多大取决于实际工程，不同的工程应力大小不同，步骤(1) 中的参数是可调的，需要每次试验开始都要设定的。所以，试验所需的电压应力和电流应力因实际工况而不同。电路稳态运行时，阀组件1和阀组件2中的IGBT工作在某种开关频率较低的正弦阶梯波调制方式下，两端将分别得到如图4所示的电压波形U1和u2，二者交流分量幅值分
别为V1和V2，直流偏置均为’。因此，两个阀组件即可等效为如图2虚线框内所示的交流
电压源V1(V2)和直流电压源$的串联复合电源。通过调节两个阀组件各自正弦参考波的
幅值和相位差，即可改变回路中的功率分布，进而改变回路电流i的交流分量Ia。和直流分量Id。的大小，回路电流即阀组件电流的波形如图5所示。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式
进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。
权利要求
1.柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验方法，其特征在于，所述功率环试验方法用的装置为MMC阀稳态运行试验的功率环试验装置，所述装置包括两个阀组件1和2、充电电源E1、补能电源E2、负载电抗器L、充电限流电阻Rc以及隔离开关Kl和K2 ；所述阀组件1和2分别含η和m个子模块，且η > m ；所述子模块包括并联的半桥结构与子模块电容器；或所述子模块包括并联的H桥结构与子模块电容器；所述子模块电容器为 CSMln 或 CSM2m ；所述半桥结构和H桥结构均包括开关Kln或K2m、电阻Rln或Ra^晶闸管Tln或T2m、IGBT 器件Tlnl和Tln2或IGBT器件T2ml和T2m2以及二极管D2nl和D2n2或二极管D2ml和D2m2 ；所述方法包括如下步骤(1)设定所述阀组件1和阀组件2的电压幅值V1J2以及二者相位差δ，并设定所述补能电源Ε2的输出电压；(2)闭合所述隔离开关Κ1，令充电电源El对所述子模块电容器充电；(3)当所述子模块电容器Csmn或CSM2m电压达到设定值后，断开隔离开关Kl将充电电源 El退出，预充电完毕；(4)闭合所述隔离开关Κ2，投入所述补能电源Ε2；同时，按照一定的调制策略发出两个阀组件所有子模块IGBT的触发脉冲，电路进入稳态运行状态；所述阀组件1和阀组件2两端建立起试验所需的电压应力，两个阀组件在子模块电容器和负载电抗器L上进行能量交换，回路中产生试验所需的电流应力；(5)断开所述隔离开关Κ2，退出补能电源Ε2，然后闭锁子模块中IGBT的触发脉冲，试验结束。
2.如权利要求1所述的功率环试验方法，其特征在于，所述阀组件1的低压输出端和阀组件2的低压输出端直接相连后接地；所述阀组件1的高压输出端和阀组件2高压输出端通过所述负载电抗器L相连。
3.如权利要求1所述的功率环试验方法，其特征在于，所述充电电源El的一端与所述充电限流电阻Rc —端连接；所述充电电源El的另一端与阀组件1和2的低压输出端相连后接地；所述充电限流电阻Rc另一端与隔离开关Kl的一端连接；所述隔离开关Kl的另一端和所述负载电抗器L连接；所述补能电源Ε2的一端与所述隔离开关Κ2 —端连接；所述补能电源Ε2的另一端与阀组件1和2的低压输出端相连后接地；所述隔离开关Κ2的另一端与阀组件1连接。
4.如权利要求1所述的功率环试验方法，其特征在于，所述一定的调制策略为开关频率较低的正弦阶梯波调制方式。
5.如权利要求1所述的功率环试验方法，其特征在于，所述IGBT器件Tlnl反并联二极管Dlnl组成IGBT模块1 ；所述IGBT器件Tln2反并联二极管Dln2组成IGBT模块2 ；所述IGBT 模块1和IGBT模块2串联，组成IGBT模块1和IGBT模块2串联支路；所述IGBT模块2、晶闸管Tln和开关Kln依次并联；所述电阻Rln与IGBT模块1和IGBT 模块2串联支路并联。
6.如权利要求1所述的功率环试验方法，其特征在于，所述IGBT器件T2ml反并联二极管D2ml组成IGBT模块3 ；所述IGBT器件T2m22反并联二极管D2m组成IGBT模块4 ；所述IGBT模块3和IGBT模块4串联，组成IGBT模块3和IGBT模块4串联支路；所述IGBT模块4、晶闸管T2m和开关K2m依次并联；所述电阻R2m与IGBT模块3和IGBT 模块4串联支路并联。
7.如权利要求1所述的功率环试验方法，其特征在于，所述阀组件1为辅助阀；所述阀组件2为试品阀。
全文摘要
本发明涉及柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验方法，包括设定阀组件1和2的电压幅值V1、V2以及二者相位差δ，并设定补能电源E2的输出电压；闭合隔离开关K1，令充电电源E1对子模块电容器充电；当子模块电容器电压达到设定值后，断开K1将E1退出，预充电完毕；闭合隔离开关K2，投入补能电源E2；同时，按照调制策略发出两个阀组件所有子模块IGBT的触发脉冲，电路进入稳态运行状态；阀组件1和2两端建立起试验所需的电压应力，两个阀组件子模块电容器和负载电抗器上进行能量交换，回路中产生试验所需的电流应力；断开K2，退出E2，闭锁子模块中IGBT的触发脉冲，试验结束。试验方法简单、灵活，试验参数调节方式简便。
文档编号G01R31/327GK102323545SQ20111024469
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者吴亚楠, 查鲲鹏, 罗湘, 高冲 申请人:中国电力科学研究院