CN103018663A - 一种柔性直流输电mmc阀的过电流关断试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法及系统，该方法通过对应的系统进行如下操作：（1）将试品阀与负载回路和充电电源连接，为试品阀充电；（2）根据试验设定的电流峰值大小选择负载回路的负载电抗器；（3）根据试验目的选择试品阀的试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动；（4）根据设定的时刻触发试品阀的试验对象，检测试品阀的耐压程度；（5）闭合试品阀放电开关，试验结束。本发明完全满足MMC阀过电流关断试验的要求，可提供同实际运行工况相当的暂态热强度、暂态故障电流强度、暂态高电压强度、附属电路损耗强度、电流变化率强度、电压变化率强度，为实际工况提供依据。

Description

一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法及系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法及系统。

背景技术

随着柔性直流输电（VSC-HVDC）技术在电力系统中的开始应用，其核心部件——大功率高压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）阀的可靠性成为系统安全的关键。由于VSC-HVDC装置普遍具有电压高、电流大、容量大的特点，很难在试验环境中构建同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，如图1所示，是实现利用IGBT阀进行直流输电的一种方式。其核心部件称作MMC阀，在正常运行状态中，子模块通过上下两个IGBT的配合，可以输出两种电平：0电平和电容器电压。

工程应用中，应确保模块化多电平换流器的正常运行，从而保证系统的稳定运行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法及系统，考验阀对于会引起IGBT驱动保护的过电流运行工况下的最大电流、电压和温度应力作用的设计是正确的。

本发明提供的一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将试品阀与负载回路和充电电源连接，为试品阀充电；

（2）根据试验设定的电流峰值大小选择负载回路的负载电抗器；

（3）根据试验目的选择试品阀的试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动；

（4）根据设定的时刻触发试品阀的试验对象，检测试品阀的耐压程度。

其中，步骤（1）所述将试品阀与负载回路和充电电源连接的步骤包括：

将切换开关K_T1与试品阀第一子模块的高压输出端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的低压输出端连接，投入充电回路，给试品阀的第一子模块和第二子模块充电，直至试验要求电压后断开所述切换开关K_T1和所述切换开关K_T2。

其中，步骤（2）所述根据试验设定的电流峰值大小选择负载回路的负载电抗器的步骤包括：

1）判断试验需要用的电流大小，若大电流选择负载回路的负载电抗器L₁，若小电流选择负载回路的负载电抗器L₂；

2）选择负载电抗器L₁或负载电抗器L₂，则闭合对应的负载开关。

其中，所述试验目的包括检验VSC阀设计的合理性。尤其是对于承受由于发生特定的短路故障关断或误触发时产生的电流和电压应力的IGBT及其相关的电力电路而言。

其中，步骤（3）所述根据试验目的选择试品阀的试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动，其步骤包括：

①若试验对象为所所述试品阀的第二子模块上管IGBT模块T₂₁，切换开关K_T1与试品阀第一子模块的电容高压端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的高压输出端连接；

②若试验对象为所所述试品阀的第二子模块下管IGBT模块T₂₂，则保持切换开关K_T1和切换开关K_T2的位置不变。

其中，步骤（4）所述根据设定的时刻触发试品阀的试验对象，检测试品阀的耐压程度，其步骤包括：

<1>试验开始的t₀=0时刻，触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度为Δt₁；

<2>经过Δt₂时间后，t₁时刻再次触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度为Δt₁；

<3>经过Δt₂时间后，t₂时刻再次触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度仍为Δt₁；

<4>重复步骤<3>n次，检测试品阀的耐压程度，并记录。

其中，步骤<1>所述Δt₁的范围为0～50μs，其根据试验要求确定。

其中，步骤<2>所述Δt₂的范围为0～10ms，其根据试验要求确定。

其中，步骤<4>重复步骤<3>n次,其次数n的范围根据试验要求确定，但n≤5。

本发明基于另一目的提供的一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验装置，其改进之处在于，所述装置包括试品阀、负载回路、充电电源和控制器；所述试品阀、负载回路和充电电源依次连接；所述控制器用于控制试品阀和负载回路。

其中，所述试品阀包括串联的第一子模块和第二子模块，其为试品阀的试验对象；

所述第一子模块包括IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、电阻D₁₁、电阻D₁₂和电容C_SM1；所述IGBT模块T₁₁和所述IGBT模块T₁₂串联后与所述电容C_SM1并联，所述电阻D₁₁和所述电阻D₁₂串联后与所述电容C_SM1并联；

第二子模块包括IGBT模块T₂₁、IGBT模块T₂₂、电阻D₂₁、电阻D₂₂和电容C_SM2；所述IGBT模块T₂₁和所述IGBT模块T₂₂串联后与所述电容C_SM2并联，所述电阻D₂₁和所述电阻D₂₂串联后与所述电容C_SM2并联；

所述串联的IGBT模块T₁₁和IGBT模块T₁₂的中间点引出端子，为第一子模块的高压输出端；

所述串联的IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂的中间点和所述IGBT模块T₁₂连接，并引出端子，为第二子模块高压输出端；

所述电容C_SM2的正极引出端子，为第二子模块电容高压端；

所述电容C_SM2的负极引出端子，为第二子模块低压输出端。

其中，所述IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂均包括反并联的二极管和IGBT。

其中，所述负载回路包括切换开关K_T1、切换开关K_T2、负载支路I和负载支路II；

所述负载支路I与负载支路II并联后，其两端分别接切换开关K_T1和切换开关K_T2；所述切换开关K_T1选择第一子模块的高压输出端或第二子模块电容高压端；所述切换开关K_T2选择第二子模块高压输出端或第二子模块低压输出端。

其中，所述负载支路I包括串联的开关K₁和负载电抗器L₁；

所述负载支路II包括串联的开关K₂和负载电抗器L₂。

其中，所述充电电源与负载支路I并联，其正极与切换开关K_T1连接，负极接地后与所述第二子模块低压输出端连接。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的方法通过试验电路和控制系统的配合，将若干（≤5）个脉冲宽度可调、脉冲间隔时间可调的过电流应力施加于被试换流阀MMC阀上，使被试换流阀耐受同实际过电流工况相当的暂态电流、暂态的热与损耗强度，实现对被试阀故障运行工况的试验考核，而且本发明提供的试验方法对于不同试验方式的实现方便、简单，对于试验装置的安全性十分有利；

2、本发明提供的柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法完全满足MMC阀过电流关断试验的要求，可提供同实际运行工况相当的暂态热强度、暂态故障电流强度、暂态高电压强度、附属电路损耗强度、电流变化率（di/dt）强度、电压变化率（dv/dt）强度，为实际工况提供依据。

附图说明

图1为本发明提供的模块化多电平换流器MMC阀的电气结构图。

图2为本发明提供的过电流关断试验装置的电气拓扑图。图中，A₁端为第一子模块高压输出端；A₂端为第二子模块高压输出端；B₁端为第二子模块电容高压端；B₂端为第二子模块低压输出端；C_SM1、C_SM1分别为第一子模块和第二子模块的电容；D₁₁、D₁₂为第一子模块的电阻；T₁₁、T₁₂为第一子模块的IGBT模块、D₂₁、D₂₂为第二子模块的电阻；T₂₁、T₂₂为第二子模块的IGBT模块；K_T1、K_T2为切换开关；K₁、K₂分别为负载支路I和负载支路II的开关；L₁、L₂分别为负载支路I和负载支路II的负载电抗器；E为充电电源。

图3为本发明提供的过电流关断试验装置试品阀的触发时序图。

图4为本发明提供的过电流关断试验装置试品阀试验波形图。

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。

本发明是考验阀对于会引起IGBT驱动保护的过电流运行工况下的最大电流、电压和温度应力作用的设计是正确的。

首先，本实施例提供一种用于柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验装置，包括试品阀、负载回路、充电电源和控制器；所述试品阀、负载回路和充电电源依次连接；所述控制器可为单片机或FPGA等，用于控制试品阀和负载回路。

其中，本实施例的试品阀包括串联的第一子模块和第二子模块；

所述第一子模块包括IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、电阻D₁₁、电阻D₁₂和电容C_SM1；所述IGBT模块T₁₁和所述IGBT模块T₁₂串联后与所述电容C_SM1并联，所述电阻D₁₁和所述电阻D₁₂串联后与所述电容C_SM1并联；

第二子模块包括IGBT模块T₂₁、IGBT模块T₂₂、电阻D₂₁、电阻D₂₂和电容C_SM2；所述IGBT模块T₂₁和所述IGBT模块T₂₂串联后与所述电容C_SM2并联，所述电阻D₂₁和所述电阻D₂₂串联后与所述电容C_SM2并联；

所述串联的IGBT模块T₁₁和IGBT模块T₁₂的中间点引出端子，为第一子模块的高压输出端；

所述串联的IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂的中间点和所述IGBT模块T₁₂连接，并引出端子，为第二子模块高压输出端；

所述电容C_SM2的正极引出端子，为第二子模块电容高压端；

所述电容C_SM2的负极引出端子，为第二子模块低压输出端。

所述IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂均包括反并联的二极管和IGBT。

本实施例的负载回路包括切换开关K_T1、切换开关K_T2、负载支路I和负载支路II；

所述负载支路I与负载支路II并联后，其两端分别接切换开关K_T1和切换开关K_T2；所述切换开关K_T1选择第一子模块的高压输出端或第二子模块电容高压端；所述切换开关K_T2选择第二子模块高压输出端或第二子模块低压输出端。

所述负载支路I包括串联的开关K₁和负载电抗器L₁；

所述负载支路II包括串联的开关K₂和负载电抗器L₂。

本实施例的充电电源与负载支路I并联，其正极与切换开关K_T1连接，负极接地后与所述第二子模块低压输出端连接。

本实施例再提供一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法，所述方法包括如下步骤：

（1）将试品阀与负载回路和充电电源连接，为试品阀充电；

具体步骤为：将切换开关K_T1与试品阀第一子模块的高压输出端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的低压输出端连接，投入充电回路，给试品阀的第一子模块和第二子模块充电，直至试验要求电压后断开所述切换开关K_T1和所述切换开关K_T2。

（2）根据试验设定的电流峰值大小选择负载回路的负载电抗器；

具体步骤为：

1）判断试验需要用的电流大小，若大电流选择负载回路的负载电抗器L₁，若小电流选择负载回路的负载电抗器L₂；

2）选择负载电抗器L₁或负载电抗器L₂，则闭合对应的负载开关。其中负载电抗器L₁的值小于负载电抗器L₂的值，负载电抗器L₁的值和负载电抗器L₂的值均根据试验要求设定。

（3）根据试验目的选择试品阀的试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动；

具体步骤为：

①若试验对象为所述试品阀的第二子模块上管IGBT模块T₂₁，切换开关K_T1与试品阀第一子模块的电容高压端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的高压输出端连接；

②若试验对象为所述试品阀的第二子模块下管IGBT模块T₂₂，则保持切换开关K_T1和切换开关K_T2的位置不变。

（4）根据设定的时刻触发试品阀的试验对象，检测试品阀的耐压程度。

设定的触发时序图如图3所示，其横轴为时间（t），纵轴为开关量的幅值，即0和1。具体步骤为：

<1>试验开始的t₀=0时刻，触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度为Δt₁；Δt₁的范围为0～50μs，其根据试验要求确定。

<2>经过Δt₂时间后，t₁时刻再次触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度为Δt₁；Δt₂的范围为0～10ms，其根据试验要求确定。

<3>经过Δt₂时间后，t₂时刻再次触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度仍为Δt₁；

<4>重复步骤<3>n次，检测试品阀的耐压程度，并记录。n次,其次数n的范围根据试验要求确定，但n≤5。

如图4所示，其为过电流关断试验装置试品阀试验波形图。从图中可以看出，电流上升至器件的保护水平之后，驱动保护使器件闭锁，达到了保护器件的目的；同时根据试验要求可以在一次试验中，多次重复闭锁过程。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (15)

1.一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将试品阀与负载回路和充电电源连接，为试品阀充电；

（2）根据试验设定的电流峰值大小选择负载回路的负载电抗器；

（3）根据试验目的选择试品阀的试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动；

（4）根据设定的时刻触发试品阀的试验对象，检测试品阀的耐压程度。

2.如权利要求1所述的过电流关断试验方法，其特征在于，步骤（1）所述将试品阀与负载回路和充电电源连接的步骤包括：

将切换开关K_T1与试品阀第一子模块的高压输出端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的低压输出端连接，投入充电回路，给试品阀的第一子模块和第二子模块充电，直至试验要求电压后断开所述切换开关K_T1和所述切换开关K_T2。

3.如权利要求1所述的过电流关断试验方法，其特征在于，步骤（2）所述根据试验设定的电流峰值大小选择负载回路的负载电抗器的步骤包括：

1）判断试验需要用的电流大小，若大电流选择负载回路的负载电抗器L₁，若小电流选择负载回路的负载电抗器L₂；

2）选择负载电抗器L₁或负载电抗器L₂，则闭合对应的负载开关。

4.如权利要求1所述的过电流关断试验方法，其特征在于，所述试验目的包括检验试品阀设计的合理性。

5.如权利要求1所述的过电流关断试验方法，其特征在于，步骤（3）所述根据试验目的选择试品阀的试验对象，并将负载回路的切换开关对应改动，其步骤包括：

①若试验对象为所述试品阀的第二子模块上管IGBT模块T₂₁，切换开关K_T1与试品阀第一子模块的电容高压端连接，切换开关K_T2与试品阀第二子模块的高压输出端连接；

②若试验对象为所述试品阀的第二子模块下管IGBT模块T₂₂，则保持切换开关K_T1和切换开关K_T2的位置不变。

6.如权利要求1所述的过电流关断试验方法，其特征在于，步骤（4）所述根据设定的时刻触发试品阀的试验对象，检测试品阀的耐压程度，其步骤包括：

<1>试验开始的t₀=0时刻，触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度为Δt₁；

<2>经过Δt₂时间后，t₁时刻再次触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度为Δt₁；

<3>经过Δt₂时间后，t₂时刻再次触发作为试验对象的IGBT，脉冲宽度仍为Δt₁；

<4>重复步骤<3>n次，检测试品阀的耐压程度，并记录。

7.如权利要求6所述的过电流关断试验方法，其特征在于，步骤<1>所述Δt₁的范围为0～50μs，其根据试验要求确定。

8.如权利要求6所述的过电流关断试验方法，其特征在于，步骤<2>所述Δt₂的范围为0～10ms，其根据试验要求确定。

9.如权利要求6所述的过电流关断试验方法，其特征在于，步骤<4>重复步骤<3>n次,其次数n的范围根据试验要求确定，但n≤5。

10.一种柔性直流输电MMC阀的过电流关断试验装置，其特征在于，所述装置包括试品阀、负载回路、充电电源和控制器；所述试品阀、负载回路和充电电源依次连接；所述控制器用于控制试品阀和负载回路。

11.如权利要求10所述的过电流关断试验装置，其特征在于，所述试品阀包括串联的第一子模块和第二子模块；

所述第一子模块包括IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、电阻D₁₁、电阻D₁₂和电容C_SM1；所述IGBT模块T₁₁和所述IGBT模块T₁₂串联后与所述电容C_SM1并联，所述电阻D₁₁和所述电阻D₁₂串联后与所述电容C_SM1并联；

第二子模块包括IGBT模块T₂₁、IGBT模块T₂₂、电阻D₂₁、电阻D₂₂和电容C_SM2；所述IGBT模块T₂₁和所述IGBT模块T₂₂串联后与所述电容C_SM2并联，所述电阻D₂₁和所述电阻D₂₂串联后与所述电容C_SM2并联；

所述串联的IGBT模块T₁₁和IGBT模块T₁₂的中间点引出端子，为第一子模块的高压输出端；

所述串联的IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂的中间点和所述IGBT模块T₁₂连接，并引出端子，为第二子模块高压输出端；

所述电容C_SM2的正极引出端子，为第二子模块电容高压端；

所述电容C_SM2的负极引出端子，为第二子模块低压输出端。

12.如权利要求11所述的过电流关断试验装置，其特征在于，所述IGBT模块T₁₁、IGBT模块T₁₂、IGBT模块T₂₁和IGBT模块T₂₂均包括反并联的二极管和IGBT。

13.如权利要求10所述的过电流关断试验装置，其特征在于，所述负载回路包括切换开关K_T1、切换开关K_T2、负载支路I和负载支路II；

所述负载支路I与负载支路II并联后，其两端分别接切换开关K_T1和切换开关K_T2；所述切换开关K_T1选择第一子模块的高压输出端或第二子模块电容高压端；所述切换开关K_T2选择第二子模块高压输出端或第二子模块低压输出端。

14.如权利要求13所述的过电流关断试验装置，其特征在于，所述负载支路I包括串联的开关K₁和负载电抗器L₁；

所述负载支路II包括串联的开关K₂和负载电抗器L₂。

15.如权利要求10所述的过电流关断试验装置，其特征在于，所述充电电源与负载支路I并联，其正极与切换开关K_T1连接，负极接地后与所述第二子模块低压输出端连接。

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