CN102565579B - 一种换流链运行试验装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种换流链运行试验装置及控制方法，其装置包括两个换流链，在每个换流链一端串联个电抗器，单相系统通过软起电路和电抗器将电流传给换流链，给两个换流链充电。同时启动两个换流链的逆变输出，分别逐渐增加输出电流大小，使一个换流链工作在容性输出状态，另一个换流链工作在感性输出状态，直到两个换流链均达到试验条件。通过试验，可判断换流链在各种工况下是否可以正常运行，满足设计容量和过载能力。本发明电路简单，可以完全利用级联式变流器的各个部件，不需要增加额外的专用测试部件。本发明长期大功率试验不会对系统造成影响，减少电能浪费。本发明对系统容量要求很低，不需要对电源进行扩容改造。

Description

一种换流链运行试验装置及控制方法

技术领域：

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种换流链运行试验装置及控制方法。

背景技术：

级联型变流器(即换流链)由N个结构完全相同的独立全桥结构链节模块或半桥结构链节模块在交流侧串联构成，各链节模块(也称变流器单元)直流侧相互独立。可由3个单相换流链串联连接电感后，通过Y型或△型连接构成三相系统，应用于各种高压电力电子装置中，变流器输出的容性或感性无功电流在允许系统电压范围内连续可调且与系统电压无关，各链节模块直流侧接有电源或储能装置时，可以向系统注入有功功率，其主要功能包括：1.系统稳态工况下调相调压，即通过控制换流链输出无功电流调节控制系统电压，减少电压波动，提高电能质量；2.系统故障情况下提供电压支撑；3.提高系统稳定性和输电能力；4.不对称故障下，具有分相输出电流的能力，改善电压不平衡。

这种级联型变流器具有以下优点：各变流器单元结构相同，容易实现模块化设计、安装、维修；各链节模块直流侧相互独立，可以各自独立接入电源；各变流器单元工作状态平衡对称，开关器件应力平衡；级联后，可以使用低压元器件实现高电压输出，结合载波移相等其他技术，可以获得较低的谐波畸变，并采用较低的开关频率，从而降低损耗，提高效率。

为了检验级联型变流器的设计是否满足运行要求，需要进行必要的型式试验考核。对换流链的试验目的在于检测其绝缘强度、电气特性和其它运行特性，验证其具有长期安全可靠运行的能力。

电力行业链式静止同步补偿器标准中规定的换流链运行试验部分，分为以链节模块及换流链作为试验对象。其中以链节为试验对象的各种型式试验，如周期性触发和熄灭试验、功率损耗试验、温升试验、过电流试验、快速放电试验等，可以对单个链节进行温升、损耗、效率、电压应力、电流应力等方面进行考核。以换流链为试验对象的运行试验项目，只包括空载电压发生试验及链节电容器的电压平衡试验。

通常对级联型变流器的运行试验测试采用直接带负载的方式。进行运行试验的负载主要有电阻箱、电机和电抗器三种。电阻箱作为负载会造成较大的有功损耗，只能用于小功率场合；电机可以调节输出功率，但装置部件多，占地面积大，运行噪声大，需要的维护工作也较多；电抗器通常外接负载恒定，无法方便的调节级联型变流器的输出功率，且级联型变流器电压等级高，对电抗器的绝缘要求较高。

受试验负载容量、电源容量的限制，目前在试验室条件下还无法对大容量的换流链整体设备的散热能力、满功率或短期过载情况下的设备散热能力，设备运行时的噪声情况、整个换流链的运行损耗、效率、电气应力、电磁辐射和控制系统的抗电磁干扰能力等进行试验测试或评估，因此有必要设计、开发一种实现方法简单、对电源系统容量需求较少的试验电路满足换流链运行试验测试要求。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供一种换流链运行试验装置及控制方法，不用添加负载，通过换流链之间即可检验级联型变流器的设计是否满足运行要求。

本发明提供的一种换流链运行试验装置，所述换流链包括N个串联的链节模块，每个链节模块包括并联的H桥结构和电容；其改进之处在于，两个换流链分别串联电抗器，单相系统(指三相电网的一相)将电流通过软起电路和所述电抗器传给所述两个换流链。

其中，所述两个换流链分别串联电抗器后并联，构成试验电路，所述试验电路带有电抗器的一端与所述软起电路串联后接入所述单相系统；所述试验电路另一端接地。所述软起电路与单相系统之间设置并网开关。

其中，所述两个换流链分别串联电抗器和软起电路后并联，构成试验电路，试验电路一端与所述单相系统连接，试验回路另一端接地。所述试验电路与单相系统之间设置并网开关。

其中，所述H桥结构包括对称的两个桥臂，每个桥臂包括上下两个IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管。

其中，所述软起电路包括并联的启动电阻和旁路开关。所述旁路开关包括接触器和断路器等。

其中，所述电抗器包括滤波电抗器。

其中，所述链节模块与换流链控制器连接。控制器一般用DSP和CPLD/FPGA来实现，用于控制链接模块中IGBT的导通与关断。

本发明基于另一目的提供的一种基于上述试验装置的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在两个换流链的每个链节模块均设置直流电压传感器；在两个电抗器分别串联换流链构成的两个支路中设置交流电压传感器和交流电流传感器；在所述软起电路和单相系统之间设置交流电压传感器和交流电流传感器；所述交流电压传感器和交流电流传感器的输出端均与试验平台控制器连接；所述直流电压传感器的输出端通过换流链控制器与试验平台控制器连接；

(2)断开旁路开关，闭合并网开关，，通过启动电阻给两个换流链充电；

(3)闭合旁路开关；

(4)同时启动两个换流链的逆变输出，换流链控制器分别逐渐增加输出电流大小，使一个换流链工作在容性输出状态，另一个换流链工作在感性输出状态，直到两个换流链均达到设定的试验条件；设定的试验条件由现场工作人员按照要求设定。

(5)断开并网开关，试验结束。

其中，所述换流链控制器分别逐渐增加输出电流大小的步骤包括：运行试验平台控制器根据交流电压传感器和交流电流传感器测得的单相系统交流电压、交流电流和换流链控制器上报的链节直流电压，按照设定的目标值，根据算法给出指令，调节两个换流链输出的电压和电流的大小，使其运行在设定的条件。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1)电路简单，可以完全利用级联式变流器的各个部件，不需要增加额外的专用测试部件。

2)只需更换主控系统的算法即可进行运行试验，不需要修改换流链其他控制部分，成本低，实现简单。

3)可以对包括换流链控制器硬件和软件在内的整个换流链进行测试，可以完全模拟实际运行中各种的工况和极限工作条件，以便进行功率测试和温升测试，考核运行时的噪声，效率，电磁兼容能力等。

4)无功能量只在两个被测换流链之间流动，整个系统的能量消耗仅仅是被两个换流链的开关器件损耗、线路损耗和并网电抗器的损耗；长期大功率试验不会对系统造成影响，减少电能浪费；对系统容量要求很低，同时可以利用小功率等级的系统来试验大功率等级的换流链系统，而不需要对电源进行扩容改造。

附图说明

图1为本发明提供的换流链运行试验装置电路图一

图2为本发明提供的换流链运行试验装置电路图二

图3为本发明提供的换流链运行试验装置电路图三

图4为本发明提供的运行试验控制系统连接示意图

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。

本实施例是一种针对单相换流链新型的试验装置及试验方法，该方法和电路简单、可靠。基本思想为，利用级联型变流器三相电路独立且完全相同的特点，将其中一个换流链作为无功发生装置，另一个换流链吸收所产生的无功，实现对单个换流链试品的运行试验测试。两个换流链的直流侧充电完成之后，同时启动运行，系统侧只需提供两个换流链的有功损耗。换流链控制器调节两个换流链的输出无功电流大小，就可以进行不同工况下换流链的运行试验。控制换流链运行的外部条件，如环境温度，空调工况，风机工况，水冷系统的流量、水压、入口水温等，可以测试换流链在不同环境条件的散热情况，不同环境工况时设备的可靠性，并可进行短时过载或极限环境条件下的换流链运行试验。试验中，通过将其中一个换流链作为无功发生装置，另一个换流链作为无功吸收装置，可以完成对每一个换流链输出从容性到感性无功功率的全部工作范围的测试。

具体的，本实施例的换流链运行试验装置如图1所示，包括换流链A和换流链B两个换流链，每个换流链包括N个串联的结构完全相同的链节模块，每个链节模块包括并联的H桥结构和电容；H桥结构包括对称的两个桥臂，每个桥臂包括两个串联的IGBT模块。本实施将每一个换流链都在上端(以IGBT集电极为上方，发射极为下方说明)串联一个电抗器，然后两个换流链串联，构成试验电路；试验电路带有电抗器的一端通过软起电路与单相系统(指三相电网的一相)连接，另一端接地。

本实施例的软起电路包括启动电阻和旁路开关，启动电阻和旁路开关并联后接入电路。本实施例在所述软起电路与单相系统之间设置并网开关，通过并网开关判定是否将串联的软起电路和试验电路接入电网。

本实施例的电抗器包括滤波电抗器。

本实施例的链节模块中的IGBT均与换流链控制器连接，通过换流链控制器控制IGBT的导通和关断。其中换流链控制器一般用DSP和CPLD/FPGA来实现。

本实施例将换流链运行试验装置进行试验，控制方法包括如下步骤：

(1)如图4所示，在每个链节模块设置直流电压传感器；在两个电抗器分别串联换流链构成的两个支路中设置交流电压传感器和交流电流传感器；在所述软起电路和单相系统之间设置交流电压传感器和交流电流传感器；所述交流电压传感器和交流电流传感器的输出端均与试验平台控制器连接；所述直流电压传感器的输出端通过换流链控制器与试验平台控制器连接。

每个链节模块装有直流电压传感器，用于测量链节直流侧电压；3只交流电流传感器分别测量两个串联电抗器交流电流和系统侧电流；3只交流电压传感器分别测量2个链节输出的交流电压和系统侧电压。交流传感器的输出均直接连接到运行试验平台的控制器。每个链节的直流电压传感器的输出直接连接到换流链控制器，处理后的信息再传输给试验平台控制器。运行试验算法主要由运行试验平台控制器实现；换流链控制器实现驱动信号的生成，故障信息的处理和保护功能，完成每个链节直流母线电压、交流输出电压频率、幅值与相位的控制，并实现各链节的均压控制。

(2)断开旁路开关，闭合并网开关(如果电路中有两个软起电路，则软起电路中的旁路开关不论打开还是闭合均同时操作)，通过启动电阻给两个换流链充电；

(3)闭合旁路开关；

(4)换流链控制器分别逐渐增加输出电流设定值大小，使一个换流链工作在容性输出状态，另一个换流链工作在感性输出状态，直到两个换流链达到试验工况。

运行试验平台控制器根据交流电压传感器和交流电流传感器测得的单相系统交流电压、交流电流和换流链控制器上报的链节直流电压，按照设定的目标值，根据算法给出指令，换流链控制器根据指令调节两个换流链输出的电压和电流的大小，使其运行在设定的条件。

以下按照换流链A作为无功发生装置(即为容性状态)，换流链B作为无功补偿装置(即为感性状态)来说明整个运行试验的工作原理。换流链A和换流链B的交流输出侧通过连接电抗器彼此相连，并与单相系统电源连接。进行测试时，换流链A作为无功发生装置正常工作，输出交流电压。运行试验控制器根据试验设定，让换流链A和换流链B输出特定无功功率(人为设定)，检测的系统电压和换流链直流电压，换流链A和换流链B的输出电压和电感电流，调节换流链A和B的电压、输出电流的大小和相位，电容与链节模块构成反馈控制系统。分别调节换流链A和B的有功电流的大小，使两个换流链的直流母线电压保持稳定。分别调节换流链A和B的无功电流的大小，使二者大小相等，方向相反，并与设定值一致，可在容量范围内任意调节两个换流链电感电流的大小，从而可以对变流器进行不同负载条件下的测试。试验系统正常工作时，换流链A发出的无功功率大小与换流链B吸收的无功功率大小一致，无功功率仅在两个换流链之间流动，不会涉及到系统电源，整个运行试验消耗的能量仅为系统中的有功功率的损耗，即两个换流链的开关器件损耗和连接电抗器的损耗。试验中，运行试验算法主要由运行试验平台控制器实现。试验平台控制器根据实际采样得到的电压电流值和设定的目标值之间的偏差，下发指令，控制换流链输出的电流与设定的目标一致。本实施例的目标值可能是空载、半载、满载或者是设计范围内的短时间的过载，其是按照前期的设计需求，换流链实际运行时可能会出现的任何工况(是指实际运行时的可能出现的工作环境，负载情况，电网情况的组合)设定。其他的工作条件也是测试的一部分，比如在特定环境温度下进行测试，很冷或者很热的情况下。如果换流链在任何一种测试工况下正常运行，没有任何异常故障上报，并且通过其他设备测试，表明换流链的温升，电磁干扰，效率，谐波率，都符合设计时的需求，就表示正常。如果换流链测试中出现了上报某些故障，温升过高，某些元件发生损坏或者其他异常情况，就表示不正常。

(5)断开并网开关，试验结束。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，但与实施例一的区别点在于：

本实施例的链节模块包括并联的半桥结构和电容；半桥结构包括上下两个桥臂的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管。链节模块中点与直流侧的正极(或者负极)作为交流引出端，各个链节模块交流侧首尾相连。

每个换流链的中点与上、下连接的链节模块之间各设置电抗器；将一个换流链的中点通过软起电路与单相系统一端连接，将另一个换流链的中点通过软起电路(或者不连接软起电路)与单相系统另一端连接。如图2和图3所示。

对本实施例的装置的控制方法和实施例一相同。

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)

1.一种换流链运行试验装置，所述换流链包括N个串联的链节模块，每个链节模块包括并联的H桥结构和电容；其特征在于，两个换流链分别串联电抗器，单相系统将电流通过软起电路和所述电抗器传给所述两个换流链。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述两个换流链分别串联电抗器后并联，构成试验电路，所述试验电路带有电抗器的一端与所述软起电路串联后接入所述单相系统；所述试验电路另一端接地。

3.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述两个换流链分别串联电抗器和软起电路后并联，构成试验电路，试验电路一端与所述单相系统连接，试验电路另一端接地。

4.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述H桥结构包括对称的两个桥臂，每个桥臂包括上下两个IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管。

5.如权利要求2或3任一所述的试验装置，其特征在于，所述软起电路包括并联的启动电阻和旁路开关。

6.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述软起电路与单相系统之间设置并网开关，试验电路与单相系统之间设置并网开关。

7.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述电抗器包括滤波电抗器。

8.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述链节模块与换流链控制器连接。

9. 一种基于权利要求8所述试验装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）在两个换流链的每个链节模块均设置直流电压传感器；在两个电抗器分别串联换流链构成的两个支路中设置交流电压传感器和交流电流传感器；在所述软起电路和单相系统之间设置交流电压传感器和交流电流传感器；所述交流电压传感器和交流电流传感器的输出端均与试验平台控制器连接；所述直流电压传感器的输出端通过换流链控制器与试验平台控制器连接；

（2）断开旁路开关，闭合并网开关，通过启动电阻给两个换流链充电；

（3）闭合旁路开关；

（4）同时启动两个换流链的逆变输出，换流链控制器分别逐渐增加输出电流大小，使一个换流链工作在容性输出状态，另一个换流链工作在感性输出状态，直到两个换流链均达到设定的试验条件；

（5）断开并网开关，试验结束。

10.一种基于权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述换流链控制器分别逐渐增加输出电流大小的步骤包括：运行试验平台控制器根据交流电压传感器和交流电流传感器测得的单相系统交流电压、交流电流和换流链控制器上报的链节直流电压，按照设定的目标值，调节两个换流链输出的电压和电流的大小，使其运行在设定的条件。

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