CN103163405A - 一种mmc阀稳态运行试验装置辅助阀电容器的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC阀稳态运行试验装置辅助阀电容器的参数设计方法，包括下述步骤：A、确定在一个工频周期内辅助阀的充电能量；B、确定在给定电容器直流电压波动率下辅助阀的充电能量；C、确定在电容器的直流电压波动范围内该电容器的电容值；D、确定电容器的额定电压；E、确定电容器的额定电流。本发明用于MMC阀稳态运行试验装置中辅助阀电容器的容值、额定电压、额定电流的设计方法，通过本方法可以给出经济、合理的电容器参数。

Description

一种MMC阀稳态运行试验装置辅助阀电容器的参数设计方法

技术领域

本发明涉及MMC阀的参数设计方法，具体涉及一种MMC阀稳态运行试验装置辅助阀电容器的参数设计方法。

背景技术

技术介绍：

柔性直流输电（VSC-HVDC）技术在高压直流输电领域中有着广泛的应用前景，基于模块化多电平换流器（MMC）的VSC-HVDC，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。

MMC阀稳态运行试验的目的在于考察阀组件对于长期实际运行工况下的电流、电压和温度等关键应力的耐受能力，这也是换流器运行可靠性研究的重要组成部分。所考察的关键应力当中，电压应力和电流应力并非单一的交流变量或者直流量，而是相对复杂的交、直流相互叠加的复合变量。稳态运行试验装置能够灵活的模拟这种电压和电流应力，这些应力通过两组MMC阀之间的能量交换产生。两组MMC阀分别指辅助阀和试品阀，其电气结构如图1所示。

辅助阀通过投入和切除子模块的数量来调节输出电压，根据试验的要求，辅助阀要证输出电压的稳定，就要确保每个子模块的电压稳定在一个范围内，而子模块在投入时，其电压等于电容器上电压。在特定的试验条件下，电容电压的波动范围与电容值大小有直接的关系。电容值越小，电压波动范围就越大，这样会威胁子模块中IGBT安全；电容值越大，电压波动范围越小，但相应投资也越高。因此根据试验条件，合理设计辅助阀子模块电容器，对于设备的安全性和经济性都有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种MMC阀稳态运行试验装置辅助阀电容器的参数设计方法，用于MMC阀稳态运行试验装置中辅助阀电容器的容值、额定电压、额定电流的设计方法，通过本方法可以给出经济、合理的电容器参数。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种MMC阀稳态运行试验装置辅助阀电容器的参数设计方法，所述辅助阀电容器的参数设计方法用的试验装置为稳态运行试验装置，包括辅助阀、试品阀、负载电抗器、补能电源和充电电源；所述辅助阀包括子模块，子模块包括电容器，其改进之处在于，所述补能电源通过平波电抗器与辅助阀连接；所述负载电抗器连接在辅助阀和试品阀之间；所述辅助阀、试品阀和充电电源依次并联；所述电容器采用自愈式金属化膜直流电容器；

所述辅助阀电容器的参数设计方法包括下述步骤：

A、确定在一个工频周期内辅助阀的充电能量；

B、确定在给定电容器直流电压波动率下辅助阀的充电能量；

C、确定在所述电容器的直流电压波动范围内该电容器的电容值；

D、确定所述电容器的额定电压；

E、确定所述电容器的额定电流。

其中，所述子模块包括并联的半桥结构与电容器；半桥结构包括旁路开关、两个IBGT模块、电阻和晶闸管；旁路开关、晶闸管和其中一个IGBT模块依次并联；两个IGBT模块串联后形成IGBT模块串联支路，电阻与IGBT模块串联支路并联；每个IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管。

其中，所述步骤A中，在一个工频周期内辅助阀的充电能量ΔW用下式表示：

$\mathrm{\ΔW}=\frac{2\·k\·P_d}{{\mathrm{\ω}}_0}{[1-{\left(\frac{1}{k}\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}$ ①；

式中：P_d为直流传输的有功功率；I_ac和I_dc分别是回路电流的交流分量有效值和直流分量；ω₀为工频角频率。

其中，所述步骤B中，若所述充电能量ΔW引起的直流电压波动为±ε，则充电能量ΔW用下式表示：

$\mathrm{\ΔW}=\frac{1}{2}n{C}_0{U}_0^2{(1+\mathrm{\ϵ})}^2-\frac{1}{2}n{C}_0{U}_0^2{(1-\mathrm{\ϵ})}^2=2\mathrm{n\ϵ}{C}_0{U}_0^2$ ②；

式中：C₀表示子模块电容器的电容值；U₀表示电容器的额定直流电压。

其中，所述步骤C中，若子模块电容器电压波动不超过±ε，则子模块电容器的电容值C₀满足下式：

$C_0>\frac{k\·P_d}{n\·{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\ϵ}\·U_0^2}{[1-{\left(\frac{1}{k}\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}$ ③；

其中，n表示不含冗余的辅助阀包含的子模块个数；U₀表示电容器的额定直流电压。

其中，所述步骤D中，根据电容器的额定直流电压U₀、杂散电感L_s和IGBT关断电流变化率

计算，电容器额定电压U_C的计算公式如下：

$U_C=U_0(1+\mathrm{\ϵ})+L_s\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$ ④。

其中，所述步骤E中，当子模块的两个IGBT器件分时导通时，对电容器电流进行离散傅里叶变换，得到电容器电流各次谐波电流有效值，并根据回路电流峰值确定电容器电流的峰值，得出电容器的额定电流参数；电容器电流有效值的计算公式如下：

$I_C=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i^2}$ ⑤；

其中，I_i代表电容器电流中第i次谐波电流分量。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供了用于MMC阀稳态运行试验装置中辅助阀电容器的容值、额定电压、额定电流的设计方法，本发明从技术角度明确了对辅助阀电容器参数进行设计的要求和方法，通过本方法可以给出经济、合理的电容器参数。

附图说明

图1是本发明提供的MMC阀的电气结构图；

图2是本发明提供的稳态运行试验装置结构图；

图3是本发明提供的辅助阀电容器的参数设计方法的流程图。

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。

本发明提供的辅助阀电容器的参数设计方法用的试验装置为稳态运行试验装置，其结构图如图2所示，包括辅助阀、试品阀、电流检测单元、电压检测单元、负载电抗器、补能电源和充电电源；所述电流检测单元分别与辅助阀和试品阀连接。

补能电源包括依次并联的开关柜K、变压器和整流器；所述开关柜K接入10kV母线；在变压器的副边装设有电压互感器PT和电流互感器CT；所述开关柜K包括断路器；在所述整流器桥臂上和整流器输出回路中包括快熔节点；所述电流检测单元包括传感器Ⅰ和传感器Ⅱ；所述电压检测单元包括分压器Ⅰ和分压器Ⅱ；

与所述辅助阀串联有传感器Ⅰ，组成辅助阀-传感器Ⅰ支路；与试品阀串联有传感器Ⅱ，组成试品阀-传感器Ⅱ支路；在辅助阀-传感器Ⅰ支路两端并联有分压器Ⅰ；

在试品阀-传感器Ⅱ支路两端并联有分压器Ⅱ；隔离开关K3连接在分压器Ⅱ与充电电源之间；所述隔离开关K3为手动开关；

负载电抗器串联有隔离开关K1；所述隔离开关K1为手动开关；所述充电电源包括电源柜；所述电源柜接入380V电网。

辅助阀和试品阀均包含n个串联的子模块；如图1所示。n为实际工程中一个阀所含子模块的个数；每个子模块包括并联的半桥结构与子模块电容器C_SM；半桥结构包括旁路开关、两个IBGT模块、电阻R₁和晶闸管T₁；旁路开关、晶闸管T₁和其中一个IGBT模块依次并联；两个IGBT模块串联后形成IGBT模块支路，电阻R₁与IGBT模块支路并联；每个IGBT模块包括二极管以及与其反并联的IGBT器件。

本发明还提供了辅助阀电容器的参数设计方法流程如图3所示，包括下述步骤：

A、确定在一个工频周期内辅助阀的充电能量；

在一个工频周期内辅助阀的充电能量ΔW用下式表示：

$\mathrm{\ΔW}=\frac{2\·k\·P_d}{{\mathrm{\ω}}_0}{[1-{\left(\frac{1}{k}\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}$ ①；

式中：P_d为直流传输的有功功率；

I_ac和I_dc分别是回路电流的交流分量有效值和直流分量；ω₀为工频角频率。

B、确定在给定电容器直流电压波动率下辅助阀的充电能量；

若所述充电能量ΔW引起的直流电压波动为±ε，则充电能量ΔW用下式表示：

$\mathrm{\ΔW}=\frac{1}{2}n{C}_0{U}_0^2{(1+\mathrm{\ϵ})}^2-\frac{1}{2}n{C}_0{U}_0^2{(1-\mathrm{\ϵ})}^2=2\mathrm{n\ϵ}{C}_0{U}_0^2$ ②；

式中：C₀表示子模块电容器的电容值；U₀表示电容器的额定直流电压。

C、确定在电容器的直流电压波动范围内该电容器的电容值；

若子模块电容器电压波动不超过±ε，则子模块电容器的电容值C₀满足下式：

$C_0>\frac{k\·P_d}{n\·{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\ϵ}\·U_0^2}{[1-{\left(\frac{1}{k}\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}$ ③；

其中，n表示不含冗余的辅助阀包含的子模块个数；U₀表示电容器的额定直流电压。

从充电能量ΔW的表达式可以看出，当n和k一定时，C₀的选取与装置传输的有功功率P_d和电容器电压U₀有关。

以子模块电容器稳态运行直流电压为1000V为例，并按照ε≤7.5%计算可得，子模块电容值应满足C₀≥17.672μF。因此，选择C₀＝18mF。

D、确定电容器的额定电压；

电容器的额定电压选择很重要，直接关系到电容的安全。在子模块投切的过程中，又有流经的电流发生变化，会导致电容器电感上产生电压尖峰，计算方法是根据电容器的额定直流电压U₀、杂散电感L_s和IGBT关断电流变化率

计算。电容器额定电压U_C的计算公式如下：

$U_C=U_0(1+\mathrm{\ϵ})+L_s\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$ ④。

如上面所述的例子中，电容器的额定电压可选1300V。

E、确定电容器的额定电流；

当子模块的两个IGBT器件分时导通时，对电容器电流进行离散傅里叶变换，得到电容器电流各次谐波电流有效值，并根据回路电流峰值确定电容器电流的峰值，得出电容器的额定电流参数；电容器电流有效值的计算公式如下：

$I_C=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i^2}$ ⑤；

其中，I_i代表电容器电流中第i次谐波电流分量。

电容器的参数设计包括容值、额定工作电压、额定工作电流等参数的设计，辅助阀电容器额定电压和额定电流的设计满足试品阀对最高试验电压和试验电流的要求。本发明从技术角度明确了对辅助阀电容器参数进行设计的要求和方法，通过本方法可以给出经济、合理的电容器参数。

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 (7)

1.一种MMC阀稳态运行试验装置辅助阀电容器的参数设计方法，所述辅助阀电容器的参数设计方法用的试验装置为稳态运行试验装置，包括辅助阀、试品阀、负载电抗器、补能电源和充电电源；所述辅助阀包括子模块，子模块包括电容器，其特征在于，所述补能电源通过平波电抗器与辅助阀连接；所述负载电抗器连接在辅助阀和试品阀之间；所述辅助阀、试品阀和充电电源依次并联；所述电容器采用自愈式金属化膜直流电容器；

所述辅助阀电容器的参数设计方法包括下述步骤：

A、确定在一个工频周期内辅助阀的充电能量；

B、确定在给定电容器直流电压波动率下辅助阀的充电能量；

C、确定在所述电容器的直流电压波动范围内该电容器的电容值；

D、确定所述电容器的额定电压；

E、确定所述电容器的额定电流。

2.如权利要求1所述的辅助阀电容器的参数设计方法，其特征在于，所述子模块包括并联的半桥结构与电容器；半桥结构包括旁路开关、两个IBGT模块、电阻和晶闸管；旁路开关、晶闸管和其中一个IGBT模块依次并联；两个IGBT模块串联后形成IGBT模块串联支路，电阻与IGBT模块串联支路并联；每个IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管。

3.如权利要求1所述的辅助阀电容器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤A中，在一个工频周期内辅助阀的充电能量ΔW用下式表示：

$\mathrm{\ΔW}=\frac{2\·k\·P_d}{{\mathrm{\ω}}_0}{[1-{\left(\frac{1}{k}\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}$ ①；

式中：P_d为直流传输的有功功率；

I_ac和I_dc分别是回路电流的交流分量有效值和直流分量；ω₀为工频角频率。

4.如权利要求1所述的辅助阀电容器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤B中，若所述充电能量ΔW引起的直流电压波动为±ε，则充电能量ΔW用下式表示：

$\mathrm{\ΔW}=\frac{1}{2}n{C}_0{U}_0^2{(1+\mathrm{\ϵ})}^2-\frac{1}{2}n{C}_0{U}_0^2{(1-\mathrm{\ϵ})}^2=2\mathrm{n\ϵ}{C}_0{U}_0^2$ ②；

式中：C₀表示子模块电容器的电容值；U₀表示电容器的额定直流电压。

5.如权利要求1所述的辅助阀电容器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤C中，若子模块电容器电压波动不超过±ε，则子模块电容器的电容值C₀满足下式：

$C_0>\frac{k\·P_d}{n\·{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{\ϵ}\·U_0^2}{[1-{\left(\frac{1}{k}\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}$ ③；

其中，n表示不含冗余的辅助阀包含的子模块个数；U₀表示电容器的额定直流电压。

6.如权利要求1所述的辅助阀电容器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤D中，根据电容器的额定直流电压U₀、杂散电感L_s和IGBT关断电流变化率

计算，电容器额定电压U_C的计算公式如下：

$U_C=U_0(1+\mathrm{\ϵ})+L_s\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$ ④。

7.如权利要求1所述的辅助阀电容器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤E中，当子模块的两个IGBT器件分时导通时，对电容器电流进行离散傅里叶变换，得到电容器电流各次谐波电流有效值，并根据回路电流峰值确定电容器电流的峰值，得出电容器的额定电流参数；电容器电流有效值的计算公式如下：

$I_C=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i^2}$ ⑤；

其中，I_i代表电容器电流中第i次谐波电流分量。

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