柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置及试验方法，属于电力电子在电力系统应用领域。

背景技术：

基于电力电子模块化的概念，模块化多电平换流器(MMC)由若干个结构相同的子模块(SM)串联组成，其功率和电压等级主要由阀子模块串联级数、阀子模块的通流能力和耐压强度决定，因此阀子模块是影响换流阀可靠稳定运行的关键组成部分。基于MMC的柔性直流输电装置，投入工程使用前，需从可靠性的角度对阀子模块进行充分验证，以保证换流阀系统安全稳定运行。

阀子模块内部各组件的失效与其在运行过程中经受的电热应力作用累积有关：既可能是电磁瞬态失效；也可能是依赖于时间的热疲劳损伤累积导致的老化失效，主要是受各个组件内部电热应力不平衡导致的。因此阀子模块试验的可靠性验证主要从其遭受的电热应力角度入手。然而MMC换流阀通常具有高电压、大电流、级数多、容量大等特点，直接搭建等同于实际运行工况的试验环境是非常困难的，因此通常采取等效试验的方法对MMC阀子模块进行验证。

功率运行试验装置的主要目的是测试子模块的电压、电流、温度等应力能否满足装置的长期稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置，可提供与实际工况相当甚至超过实际工况应力的功率运行试验，为阀子模块投入实际使用提供可靠验证。

本发明的另外一个目的是提供一种柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验方法，利用上述的柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置进行试验。

实现上述目的技术方案是：柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置，包括陪试模块、待试模块、负载电抗器L和直流补能电源，其中：

所述陪试模块包括电容器C1、泄能电阻R1、IGBT器件T11、反并联二极管器件D11、IGBT器件T12、反并联二极管器件D12、晶闸管VT1和旁路开关K1，所述电容器C1和泄能电阻R1并联，所述IGBT器件T11与IGBT器件T12串联后与所述泄能电阻R1并联，所述反并联二极管器件D11与所述IGBT器件T11相连；所述反并联二极管器件D12与所述IGBT器件T12相连；所述晶闸管VT1的一端与所述IGBT器件T11和IGBT器件T12的相接端相连，另一端与所述IGBT器件T12和泄能电阻R1的相接端相连；所述旁路开关K1与所述晶闸管VT1并联；

所述待试模块包括电容器C2、泄能电阻R2、IGBT器件T21、反并联二极管器件D21、IGBT器件T22、反并联二极管器件D22、晶闸管VT2和旁路开关K2，所述电容器C2和泄能电阻R2并联，所述IGBT器件T21与IGBT器件T22串联后与所述泄能电阻R2并联，所述反并联二极管器件D21与所述IGBT器件T21相连；所述反并联二极管器件D22与所述IGBT器件T22相连；所述晶闸管VT2的一端与所述IGBT器件T21和IGBT器件T22的相接端相连，另一端与所述IGBT器件T22和泄能电阻R2的相接端相连；所述旁路开关K2与所述晶闸管VT2并联；

所述IGBT器件T11和泄能电阻R1的相接端与所述IGBT器件T21和泄能电阻R2的相接端相连；

所述旁路开关K1和晶闸管VT1的一个相接端与所述旁路开关K2和晶闸管VT2的一个相接端相连；

所述旁路开关K1和晶闸管VT1的另一个相接端与所述旁路开关K2和晶闸管VT2的另一个相接端通过所述负载电抗器L相连；

所述直流补能电源包括补能电源E、充电电阻Rc和隔离开关Kc，所述隔离开关Kc与所述充电电阻Rc并联；

所述补能电源E与所述充电电阻Rc串联后与所述电容器C1并联。

上述的柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置，其中，所述陪试模块的输出高压侧和待试模块的输出高压侧通过所述负载电抗器L相连，所述陪试模块的输出低压侧和待试模块的输出低压侧直接相连；

所述直流补能电源同时为所述陪试模块和待试模块提供功率输入，所述功率输入包括投入运行前的电容充电和投入后的电能补充；

所述试验装置投入稳定运行后，所述隔离开关Kc闭合，减少所述充电电阻Rc的有功消耗。

上述的柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置，其中，所述陪试模块和待试模块均取自柔性直流输电MMC阀。

柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验方法，利用上述的柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置进行试验，包括以下步骤：

S1，散热系统投入运行，同时闭合所述直流补能电源为电容器C1和电容器C2充电；

S2，闭合隔离开关Kc旁路掉充电电阻Rc，通过控制器向所述陪试模块的功率器件和待试模块的功率器件下发触发脉冲，散热系统进入稳定运行状态；

S3，闭锁所述陪试模块的功率器件和待试模块的功率器件触发脉冲，切除所述直流补能电源；

S4，所述电容器C1和电容器C2中能量一一对应地通过所述泄能电阻R1和泄能电阻R2释放，稳定一段时间后，切除散热系统。

上述的柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验方法，其中，所述陪试模块的功率器件包括IGBT器件T11及其反并联二极管器件D11；所述待试模块的功率器件包括IGBT器件T12及其反并联二极管器件D12。

本发明的柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置及试验方法，通过电容和电抗器谐振产生试验所需电流，该试验装置简单易操作，可满足MMC阀子模块的型式试验要求，测量阀子模块的电压应力、电流应力和热应力等电磁瞬态和稳态参量，可用于阀子模块的工程设计，与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明提供的试验装置中：陪试模块与待试模块均取自柔性直流输电MMC阀，其内部结构和在本发明的试验装置中的位置完全一致，可以互换，因此在测试时可以同时测试两个试品阀子模块，大大提高批量测试时的效率；

2、本发明提供的试验装置中：试品阀子模块电容器与负载电抗器之间主要通过无功交换产生回路电流，补能电源E仅需建立电容器初始电压与维持系统运行所需的少量有功损耗，因此试验电路对补能电源E的容量要求较低；

3、本发明提供的试验装置中：直流补能电源同时为陪试和待试模块提供功率输入，能够有效保证两者电容器的电压稳定，易于实现试验装置的内部控制和稳定运行；

4、本发明提供的试验装置中：负载电抗器上的电流可控，通过一定的控制策略，可产生与实际运行工况一致的电流，该电流包含直流分量与交流分量，真正再现MMC阀子模块实际电流；

5、本发明的试验装置采用的试验电路可以满足试验要求，可提供与实际工况相当甚至超过实际工况应力的功率运行试验，为阀子模块投入实际使用提供可靠验证。

附图说明

图1为本发明的柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置的电路拓扑图；

图2是采用本发明的试验装置进行柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验的电压试验波形；

图3是采用本发明的试验装置进行柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验的电流试验波形。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1，一种柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置，包括陪试模块1、待试模块2、负载电抗器L和直流补能电源3。

陪试模块1包括电容器C1、泄能电阻R1、IGBT器件T11、反并联二极管器件D11、IGBT器件T12、反并联二极管器件D12、晶闸管VT1和旁路开关K1，电容器C1和泄能电阻R1并联，IGBT器件T11与IGBT器件T12串联后与所述泄能电阻R1并联，反并联二极管器件D11与所述IGBT器件T11相连；反并联二极管器件D12与IGBT器件T12相连；晶闸管VT1的一端与IGBT器件T11和IGBT器件T12的相接端相连，另一端与IGBT器件T12和泄能电阻R1的相接端相连；旁路开关K1与晶闸管VT1并联。

待试模块2包括电容器C2、泄能电阻R2、IGBT器件T21、反并联二极管器件D21、IGBT器件T22、反并联二极管器件D22、晶闸管VT2和旁路开关K2，电容器C2和泄能电阻R2并联，IGBT器件T21与IGBT器件T22串联后与泄能电阻R2并联，反并联二极管器件D21与IGBT器件T21相连；反并联二极管器件D22与IGBT器件T22相连；晶闸管VT2的一端与IGBT器件T21和IGBT器件T22的相接端相连，另一端与IGBT器件T22和泄能电阻R2的相接端相连；旁路开关K2与晶闸管VT2并联；

IGBT器件T11和泄能电阻R1的相接端与IGBT器件T21和泄能电阻R2的相接端相连；旁路开关K1和晶闸管VT1的一个相接端与旁路开关K2和晶闸管VT2的一个相接端相连；旁路开关K1和晶闸管VT1的另一个相接端与旁路开关K2和晶闸管VT2的另一个相接端通过所述负载电抗器L相连。

直流补能电源3包括补能电源E、充电电阻Rc和隔离开关Kc，隔离开关Kc与充电电阻Rc并联；补能电源E与所述充电电阻Rc串联后与所述电容器C1并联。

陪试模块1的输出高压侧和待试模块2的输出高压侧通过负载电抗器L相连，陪试模块1的输出低压侧和待试模块2的输出低压侧直接相连；直流补能电源3同时为陪试模块1和待试模块2提供功率输入，包括投入运行前的电容充电和投入后的电能补充；试验装置投入稳定运行后，隔离开关Kc闭合，减少充电电阻Rc的有功消耗。通过电容和电抗器谐振产生试验所需电流。该试验装置简单易操作，可满足MMC阀子模块的型式试验要求，测量阀子模块的电压应力、电流应力和热应力等电磁瞬态和稳态参量，可用于阀子模块的工程设计。陪试模块和待试模块均取自柔性直流输电MMC阀。

一种柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验方法，采用上述柔性直流输电换流阀子模块功率运行试验装置进行试验，包括以下步骤：

S1，散热系统投入运行，同时闭合直流补能电源为电容器C1和电容器C2充电；

S2，闭合隔离开关Kc旁路掉充电电阻Rc，通过控制器向陪试模块1和待试模块2的功率器件下发触发脉冲，散热系统进入稳定运行状态；

S3，闭锁陪试模块1和待试模块2的功率器件触发脉冲，切除直流补能电源；

S4，电容器C1和电容器C2中能量一一对应地通过泄能电阻R1和泄能电阻R2释放，稳定一段时间后，切除散热系统。

陪试模块1的功率器件包括IGBT器件T11及其反并联二极管器件D11；待试模块2的功率器件包括IGBT器件T12及其反并联二极管器件D12。

陪试模块1和待试模块2的内部结构完全一样；补能电源E的作用主要是建立陪试模块1和待试模块2中电容的初始电压以及补充试验过程中的有功损耗，充电电阻Rc在补能电源E刚接通电容时起限制冲击电流作用。

该试验电路开始时，使得散热系统和补能电源系统投入运行，保持隔离开关Kc断开，将陪试模块1的电容器C1和待试模块2的电容器C2充电到设定值，然后闭合隔离开关Kc从而减少有功消耗；通过控制器向陪试模块1和待试模块2的功率器件(IGBT器件T11及其反并联二极管器件D11、IGBT器件T12及其反并联二极管器件D12)下发触发脉冲，通过一定的控制策略，产生与实际运行工况一致的电流，该电流包含直流分量与交流分量，从而系统进入稳定运行状态，此时补能系统为功率装置提供功率消耗；试验结束时，闭锁陪试模块1和待试模块2的触发脉冲，将补能系统切除，稳定一段时间后，切除散热系统。

请参阅图2和图3，下面结合本实施例说明本发明的优点，实施例中陪试模块1和待试模块2的电容器电压为u，负载电抗器L电流为i。柔性直流输电MMC换流阀子模块功率运行试验装置的运行试验电压波形如图2所示，电流波形如图3所示。运行试验电压波形为子模块(陪试模块1和待试模块2)电容两端电压波形，电压基本稳定，波动很小(见图2)；运行试验电流为负载电抗器L上的电流，为同时含有直流分量与交流分量的交变电流。

本发明的运行试验装置，通过补能电源给子模块电容建立设定的试验电压，即可通过施加一定的电力电子控制手段，通过对陪试模块和待试模块的IGBT进行开关调制，调节其输出电压，从而改变负载电抗器L两端的电压，进而改变负载电抗器L上通过的电流，得到试品子模块所需要的电压、电流应力试验工况，实现稳态运行热试验的目的。

综上所述，本发明的运行试验装置及实验方法，通过等效型式试验的方法测试子模块的电压、电流、温度等应力，其是否满足阀子模块的设计要求，保证整个阀系统的可靠运行，简单易操作，能够测量多个阀子模块电热应力的要求。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。