CN102520276A - 一种模块化多电平换流阀的集成试验电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流阀的集成试验电路及其控制方法，集成试验电路包括主电路、试品阀和控制保护电路，控制保护电路控制主电路和试品阀，进行试品阀充电和带载试验。本发明检测并保证了换流阀的正常运行，当换流阀被误操作时，通过电压信号提出错误提示。本发明还有效集成了换流阀的调压、交流、直流试验电路，完成试验电压、电流可调整的换流阀充电及带载试验。本发明采用交流充电全面检查换流阀正、反向充电通路中元器件工作状态，确保后续试验的安全可靠性。并且本发明利用无功能量交换产生大电流，减小试验电路有功损耗和试验输入电源的容量。

Description

一种模块化多电平换流阀的集成试验电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种模块化多电平换流阀的集成试验电路及其控制方法。
背景技术：
模块化多电平换流阀在高压直流输电(HVDC)、灵活交流输电(FACTS)等高压大容量应用场合正日益推广，其必须按照IEC相关标准和实际运行工况进行出厂试验和型式试验，以检验其设计和生产。目前模块化多电平换流阀试验方法和试验装置仍是空白。
模块化多电平换流阀采用功率模块PM级联的方法来提升换流阀的电压和容量等级，如图1所示。功率模块通常包括四个部分(见图2)：(1)由多个全控型器件如绝缘栅双极晶体管IGBT模块组成的半桥结构电力电子单元，每个IGBT模块内集成了反并联二极管；(2)起储能和直流电压支撑作用的电容C；(3)控制和保护功率模块的模块控制器；(4)为模块控制器供电的高位取能电源。换流阀有4种基本运行工况：(a)上电；(b)闭锁；(c)解锁；(d)掉电。其中，换流阀解锁后，根据负载的不同，分为空载、满载和过负载运行。此外，换流阀通常配置有过压、过流、过温和短路等保护。模块化多电平换流阀具有如下突出的特点：
1)换流阀功率模块的级联数需根据实际应用系统情况确定，可从几只到上百只。
2)在高压应用场合，模块控制器带电工作依赖于主电。这是由于换流阀各功率模块处于不同的高电位(百千伏以上)，模块控制器的供电电源通常采用从主电路部件高位取能方式，以避免与地电位的高电压隔离难题。
换流阀试验一方面要求完成换流阀控制保护功能和各种运行工况的试验检验，另一方面必须要充分考虑到模块化多电平换流阀特殊性，因此对换流阀的试验方法和电路设计需满足以下要求：
(1)满足换流阀功率模块级联数可变的试验要求。
(2)通常来说，在换流阀上主电之前需要其控制器先正常工作，以实施换流阀上电过程中的可靠控制和保护。而高压模块化多电平换流阀采取高位取能供电模式，其控制器无法提前带电工作，因此试验方法必须考虑此工况下换流阀的安全测试，在换流阀本身有故障的情况避免由于试验导致其故障范围扩大。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平换流阀的集成试验电路及其控制方法，该电路有效集成了换流阀的电压调节、交流试验电路和直流试验电路，结合从交流充电到直流带载、从低压到额定电压到过压、从空载到满载到过载到短路的试验方法，对换流阀实施全面、系统和可靠的试验。
本发明提供的一种模块化多电平换流阀的集成试验电路，其改进之处在于，所述集成试验电路包括主电路、试品阀和控制保护电路，所述控制保护电路控制主电路和试品阀，进行试品阀充电和带载试验。
本发明提供的第一优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，所述主电路包括调压回路、单相交流试验回路、直流试验回路和负载；所述单相交流试验回路和所述直流试验回路并联后与所述调压回路串联；
所述单相交流试验回路包括两个输出端(I、II)；所述直流试验回路包括两个输出端(I、II)；
所述单相交流试验回路的输出端I和输出端II之间设置负载。
本发明提供的第二优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，所述控制保护电路包括阀基控制器和主电路控制器；所述阀基控制器分别与所述试品阀连接和所述主电路控制器连接；所述主电路控制器与所述主电路连接。
本发明提供的第三优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，所述试品阀为换流阀，所述试品阀包括试品阀A和试品阀B；
所述试品阀A的正极和所述试品阀B的正极分别与所述单相交流试验回路的两个输出端(I、II)连接；
所述试品阀A的电容极或所述试品阀B的电容极与所述直流试验回路的输出端I连接；
所述试品阀A和所述试品阀B的负极短接并与所述直流试验回路的输出端II连接。
本发明提供的第四优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，所述主电路包括开关(K1-K4)，所述开关K1设置在所述调压回路和所述单相交流试验电路之间；所述开关K2设置在所述调压回路和所述直流试验回路之间；所述开关K3设置在所述直流试验回路和所述试品阀之间；所述开关K4设置在所述单相交流试验回路的两个输出端(I、II)之间，与所述负载串联。
本发明提供的第五优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，所述调压回路调节输入交流试验电源电压幅值的大小，用于满足不同功率模块串联级数换流阀的试验电压等级要求。
本发明提供的较优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，所述单相交流试验回路包括电阻、电流传感器和IGBT模块；所述电流传感器和所述IGBT模块串联后与所述单相交流试验回路的输出端II连接；所述电阻与所述单相交流试验回路的输出端I连接。
本发明基于另一目的提供的一种基于上述集成试验电路的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
(1)主电路控制器将所述开关(K1-K4)均设置为断开状态；
(2)主电路控制器闭合所述开关K1，调压回路将电流经过单相交流试验回路传给试品阀，阀基控制设备控制试品阀，进行试品阀充电试验；
(3)根据步骤(2)的结果，若试品阀连接正确，则进行步骤(4)，否则返回步骤(1)；
(4)主电路控制器断开所述开关K1，闭合所述开关K2、K3和K4，调压回路将电流经过直流试验回路转化成直流传给试品阀和负载，进行带载试验。
本发明提供的第一优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，在步骤(2)所述进行试品阀充电试验时，主电路控制器触发闭合单相交流试验回路的IGBT模块。
本发明提供的第二优选方案的集成试验电路，其改进之处在于，在步骤(4)所述主电路控制器断开所述开关K1的同时，主电路控制器切断单相交流试验回路的IGBT模块。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1.本发明检测并保证了换流阀的正常运行，当换流阀被误操作时，通过电压信号提出错误提示。
2.本发明有效集成了换流阀的调压、交流、直流试验电路，完成试验电压、电流可调整的换流阀充电及带载试验。
3.采用交流充电全面检查换流阀正、反向充电通路中元器件工作状态，确保后续试验的安全可靠性。
4.利用无功能量交换产生大电流，减小主电路有功损耗和试验输入电源的容量。
附图说明
图1为现有的模块化多电平换流阀。
图2为现有的模块化多电平换流阀功率模块。
图3为本发明提供的模块化电平换流阀集成试验电路。
图4为本发明提供的模块化多电平换流阀集成试验电路平稳切换控制。
其中，P和N为换流阀输出端；Ne为功率模块的储能电容极；E为直流电能；PM为换流阀的功率模块；Np和Nn为换流阀的功率模块的输出端；Ctr和Ctrx为控制器的信号；K1-K4为开关；CT1为电流传感器。
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。
如图3所示，本实施例的集成试验电流包括三个部分：主电路、试品阀和控制保护电路。控制保护电路控制主电路和试品阀，进行试品阀充电和带载试验。
主电路包括调压回路、单相交流试验回路、直流试验回路、负载和开关K1-K4；单相交流试验回路和直流试验回路并联后与调压回路串联；在单项交流试验回路和调压回路之间的支路上设置开关K1；在直流试验回路和调压回路之间的支路上设置开关K2。单相交流试验回路和直流试验回路均包括两个输出端I、II；单相交流试验回路的输出端I和输出端II之间设置负载L和开关K4，负载L和开关K4串联。
试品阀为换流阀，试品阀包括试品阀A和试品阀B；试品阀A的正极(设为P极)和试品阀B的正极(设为P极)分别与单相交流试验回路的两个输出端I、II连接；试品阀A的电容极(设为E极)或所述试品阀B的电容极(设为E极)与直流试验回路的输出端I连接；；试品阀A和试品阀B的负极(设为N极)短接并与直流试验回路的输出端II连接，并且直流试验回路的输出端II接地。在所述直流试验回路和所述试品阀之间设置开关K3。
控制保护电路包括阀基控制器和主电路控制器；阀基控制器分别与试品阀连接和主电路控制器连接；主电路控制器与主电路连接。
调压回路与单相交流试验连接。调压回路调节输入交流试验电源电压幅值的大小，用于满足不同功率模块串联级数换流阀的试验电压等级要求。
具体的，本实施例对继承试验电流的控制方法包括如下步骤：
(1)主电路控制器将所述开关(K1-K4)均设置为断开状态；
(2)主电路控制器闭合所述开关K1，调压回路将电流经过单相交流试验回路传给试品阀，阀基控制设备控制试品阀，进行试品阀充电试验；
单相交流试验回路输出的正极和地分别接至试品阀A和试品阀B的正极P，两试品阀负极N短接，实现带载试验前两试品的交流充电试验。交流充电克服了直流单向充电的缺点，可以在带载试验之前全面检查换流阀正、反向充电通路中元器件工作状态，可及早发现换流阀本身有故障，避免由于试验导致其故障范围扩大，确保后续试验的安全可靠性。
(3)根据步骤(2)的结果，若试品阀连接正确，则进行步骤(4)，否则返回步骤(1)并且调换试品阀的接入方法；
(4)主电路控制器断开所述开关K1，闭合所述开关K2、K3和K4，调压回路将电流经过直流试验回路转化成直流传给试品阀和负载，进行带载试验。
换流阀的带载试验通常为了在产生大电流同时减小主电路有功损耗和试验输入电源的容量，通常利用无功能量交换产生大电流，有功功率主要为试品阀开关器件损耗。试品阀A的正极P和试品阀B的正极P直接连接了一个电抗器负载L，通过主电路控制器控制两试品阀分别产生相位差0～180度的正弦PWM波或阶梯波，使两试品阀中的储能电容C和电抗器L之间产生能量交换，实现两试品阀的带载试验，通过调节试品阀生成的正弦波的相位差、调制比或电抗器电感值均可调节试验电流的大小。由于两试品的正极、负极和电感间构成了能量交换回路，无法采用交流回路通过试品正极持续供电，而是采用直流回路的正极和地分别连接至试品阀A或试品阀B的储能电容极E和负极N，给储能电容持续供电以保证持续带载运行。
由于两试品阀在交流试验回路和直流试验回路中接地点不同，因此在交、直流试验回路切换是必须要解决平稳电位切换问题，即切换点N极切换前和切换后电位一致，均为地极电位，以保证试验安全。如图3，在交流正向充电时，试品阀A功率模块下半桥的反并联二极管导通，N极电位为交流回路地极电位；而在交流负向充电时，试品阀B功率模块下半桥的反并联二极管导通，N极电位为交流回路正极电位。为此，本实施例提出采用如图4所示的交、直流回路平稳切换控制方法，即在单相交流回路中串入一个电流传感器和IGBT辅助阀，在交流充电试验时通过控制器开通IGBT辅助阀接通反向充电回路，在试验回路切换时，通过控制器关闭IGBT辅助阀切断反向充电回路，使主电路处于正向充电状态，保证N极电位为地极，然后再关断开关K1退出交流试验回路，闭合开关K3投入直流试验路，达到实现交、直流回路平稳切换的目的。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流阀的集成试验电路，其特征在于，所述集成试验电路包括主电路、试品阀和控制保护电路，所述控制保护电路控制主电路和试品阀，进行试品阀充电和带载试验。
2.如权利要求1所述的集成试验电路，其特征在于，所述主电路包括调压回路、单相交流试验回路、直流试验回路和负载；所述单相交流试验回路和所述直流试验回路并联后与所述调压回路串联；
所述单相交流试验回路包括两个输出端(I、II)；所述直流试验回路包括两个输出端(I、II)；
所述单相交流试验回路的输出端I和输出端II之间设置负载。
3.如权利要求1所述的集成试验电路，其特征在于，所述控制保护电路包括阀基控制器和主电路控制器；所述阀基控制器分别与所述试品阀连接和所述主电路控制器连接；所述主电路控制器与所述主电路连接。
4.如权利要求1所述的集成试验电路，其特征在于，所述试品阀为换流阀，所述试品阀包括试品阀A和试品阀B；
所述试品阀A的正极和所述试品阀B的正极分别与所述单相交流试验回路的两个输出端(I、II)连接；
所述试品阀A的电容极或所述试品阀B的电容极与所述直流试验回路的输出端I连接；
所述试品阀A和所述试品阀B的负极短接并与所述直流试验回路的输出端II连接。
5.如权利要求1所述的集成试验电路，其特征在于，所述主电路包括开关(K1-K4)，所述开关K1设置在所述调压回路和所述单相交流试验电路之间；所述开关K2设置在所述调压回路和所述直流试验回路之间；所述开关K3设置在所述直流试验回路和所述试品阀之间；所述开关K4设置在所述单相交流试验回路的两个输出端(I、II)之间，与所述负载串联。
6.如权利要求1所述的集成试验电路，其特征在于，所述调压回路调节输入交流试验电源电压幅值的大小，用于满足不同功率模块串联级数换流阀的试验电压等级要求。
7.如权利要求2所述的集成试验电路，其特征在于，所述单相交流试验回路包括电阻、电流传感器和IGBT模块；所述电流传感器和所述IGBT模块串联后与所述单相交流试验回路的输出端II连接；所述电阻与所述单相交流试验回路的输出端I连接。
8.一种基于如权利要求1所述的集成试验电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)主电路控制器将所述开关(K1-K4)均设置为断开状态；
(2)主电路控制器闭合所述开关K1，调压回路将电流经过单相交流试验回路传给试品阀，阀基控制设备控制试品阀，进行试品阀充电试验；
(3)根据步骤(2)的结果，若试品阀连接正确，则进行步骤(4)，否则返回步骤(1)；
(4)主电路控制器断开所述开关K1，闭合所述开关K2、K3和K4，调压回路将电流经过直流试验回路转化成直流传给试品阀和负载，进行带载试验。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在步骤(2)所述进行试品阀充电试验时，主电路控制器触发闭合单相交流试验回路的IGBT模块。
10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在步骤(4)所述主电路控制器断开所述开关K1的同时，主电路控制器切断单相交流试验回路的IGBT模块。
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