CN103197167A - 一种mmc阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，包括下述步骤：A、将稳态运行试验装置在工作状态时进行等效；B、确定正弦稳态等值电路有功功率平衡关系；C、确定满足有功功率平衡关系的负载电抗器电抗值；D、根据辅助阀和试品阀只进行无功交换确定二倍频电流；E、确定二倍频电流与负载电抗器电抗值的关系。本发明满足了稳态运行试验装置有功功率平衡关系，并能将电流二次谐波限制在合理的范围。

Description

一种MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子及电力系统领域的参数设计方法，具体涉及一种MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法。

背景技术

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。

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负载电抗器的参数设计方法，本发明满足了稳态运行试验装置功率平衡关系，并能将电流二次谐波限制在合理的范围。

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负载电抗器的参数设计方法，所述负载电抗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；所述辅助阀均包括子模块，所述子模块包括电容器；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；

所述负载电抗器的参数设计方法包括下述步骤：

A、将稳态运行试验装置在工作状态时进行等效；

B、确定正弦稳态等值电路有功功率平衡关系；

C、确定满足有功功率平衡关系的负载电抗器电抗值；

D、根据辅助阀和试品阀只进行无功交换确定二倍频电流；

E、确定二倍频电流与负载电抗器电抗值的关系。

其中，所述步骤A中，将稳态运行试验装置中的辅助阀和试品阀在工作状态时各自等效为直流电压源和交流电压源串联的复合电压源形式；将稳态试验装置的电阻等效为等值电阻R；得到稳态运行试验装置的等效电路。

其中，所述稳态运行试验装置的等效电路由顺序连接的直流电压源、交流电压源、等值电感L和等值电阻R组成回路；所述直流电压源和交流电压源均接地。

其中，所述步骤B中，正弦稳态等值电路有功功率平衡关系用下式表示：

$\frac{U_1{U}_2}{X}\sin \mathrm{\δ}=P_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}{I}_{\mathrm{dc}}$ ①；

式中：U₁表示辅助阀等效交流源的电压有效值；U₂表示试品阀等效交流源的电压有效值；δ表示辅助阀和试品阀交流电压源的相位差；P_dc表示正弦稳态等值电路有功功率；U_dc/2表示直流电压源电压；I_dc表示回路电流的直流偏置。

其中，所述步骤C中，满足有功功率平衡关系的负载电抗器电抗值X用下式表示：

$X=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{4I_{\mathrm{dc}}}\sin \mathrm{\δ}\≤\frac{U_{\mathrm{dc}}}{{4I}_{\mathrm{dc}}}$ ②；

式中：λ₁和λ₂分别是辅助阀和试品阀的电压调制比，均不大于1。

其中，所述步骤D中，二倍频电流最大时的表达式用下式表示：

$i_{2f}=\frac{3\sqrt{2}{I}_{\mathrm{ac}}}{32\mathrm{\ωX}}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1{n}_1}{C_{01}}-\frac{{\mathrm{\λ}}_2{n}_2}{C_{02}})\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)$ ③；

$=I_{2f}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)$

式中：ω为工频角频率；C₀₁、C₀₂分别代表辅助阀和试品阀子模块电容值；n₁、n₂分别代表辅助阀和试品阀子模块串联级数；I_ac代表回路电流交流分量有效值；I_2f代表二倍频电流幅值。

其中，所述步骤E中，二倍频电流幅值与电抗值呈反比关系，使二次谐波含量不超过η_2f，负载电抗器X的电抗值满足：

$X\≥\frac{3{\mathrm{\λ}}_1{n}_1}{32{\mathrm{\η}}_{2f}{\mathrm{\ωC}}_{01}}$ ④；

式中：

代表试品阀电流2次谐波含量，其值根据试品阀试验电流对二次谐波含量的要求进行选取。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，满足了稳态运行试验装置有功功率平衡关系，即能够满足试验装置在试品阀上产生最大试验电压和试验电流时对电抗值的要求，并能将电流二次谐波限制在合理的范围。

2、本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，无须改变电抗器的电感值即可实现对试验电流的调节，提高了试验装置的可操作性和灵活性。

附图说明

图1是本发明提供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电路图；

图3是本发明提供的稳态运行试验装置等效电路图；

图4是本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法流程图。

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。

稳态运行试验装置电路如图2所示，包括辅助阀、试品阀、负载电抗器、电流检测单元、补能电源和充电电源；所述辅助阀包括子模块，所述子模块包括电容器；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；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；在变压器的副边串联有电压互感器PT和电流互感器CT；所述开关柜K包括断路器。电流检测单元包括传感器Ⅰ和传感器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；与所述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；断路器K3连接在分压器Ⅱ与充电电源之间。

本发明提供一种MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法流程如图4所示，具体包括下述步骤：

A、将稳态运行试验装置在工作状态时进行等效：

将稳态运行试验装置中的辅助阀和试品阀在工作状态时各自等效为直流电压源和交流电压源串联的复合电压源形式；将稳态试验装置的电阻等效为等值电阻R。

稳态运行试验装置的等效电路由顺序连接的直流电压源、交流电压源、等值电感L和等值电阻R组成回路；所述直流电压源和交流电压源均接地。等效电路如图3所示。

B、确定正弦稳态等值电路有功功率平衡关系：

在工作中两个交流源传递的有功功率与直流源的功率相互抵消，这样就保证了阀在一个周期内充电功率的积分为零，每个子模块电压平均值保持不变。回路中电流中将有直流分量，一般电抗值X＝ωL＞＞R，正弦稳态等值电路参数应满足下式：

$\frac{U_1{U}_2}{X}\sin \mathrm{\δ}=P_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}{I}_{\mathrm{dc}}$ ①；

式中：U₁表示辅助阀等效交流源的电压有效值；U₂表示试品阀等效交流源的电压有效值；δ表示辅助阀和试品阀交流电压源的相位差；P_dc表示正弦稳态等值电路有功功率；U_dc/2表示直流电压源电压；I_dc表示回路电流的直流偏置。

C、确定满足有功功率平衡关系的负载电抗器电抗值：

辅助阀和试品阀所交换的有功功率直接影响试验电路能够产生的电压应力和电流应力大小，即决定着装置的试验能力。要满足试验能力的要求，根据①式进一步可以推导出由试验装置电功率平衡关系决定的电抗值。满足有功功率平衡关系的负载电抗器电抗值X用下式表示：

$X=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{4I_{\mathrm{dc}}}\sin \mathrm{\δ}\≤\frac{U_{\mathrm{dc}}}{{4I}_{\mathrm{dc}}}$ ②；

式中：λ₁和λ₂分别是辅助阀和试品阀的电压调制比，均不大于1。

D、根据辅助阀和试品阀只进行无功交换确定二倍频电流：

电抗器同时要其到抑制电流二次谐波的作用，实际工程中，二倍频电流时MMC阀电流的主要谐波成分，应该限制在允许范围内。通过分析可以得出，辅助阀和试品阀交换的有功功率为零时二次谐波分量幅值最大。它的物理意义是辅助阀和试品阀的充电功率仅参与各自子模块电容充放电，而不进行有功交换。此时电容电压波动最大，回路电流各次谐波幅值最高。因此可以推导出二倍频电流最大时的表达式如下所示：

$i_{2f}=\frac{3\sqrt{2}{I}_{\mathrm{ac}}}{32\mathrm{\ωX}}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1{n}_1}{C_{01}}-\frac{{\mathrm{\λ}}_2{n}_2}{C_{02}})\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)$ ③；

$=I_{2f}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)$

式中：ω为工频角频率；C₀₁、C₀₂分别代表辅助阀和试品阀子模块电容值；n₁、n₂分别代表辅助阀和试品阀子模块串联级数；I_ac代表回路电流交流分量有效值；I_2f代表二倍频电流幅值。

E、确定二倍频电流与负载电抗器电抗值的关系：

二倍频电流幅值与电抗值呈反比关系，要使二次谐波含量不超过η_2f，电抗值应满足下式：

$X\≥\frac{3{\mathrm{\λ}}_1{n}_1}{32{\mathrm{\η}}_{2f}{\mathrm{\ωC}}_{01}}$ ④；

式中：

代表试品阀电流2次谐波含量，其值根据试品阀试验电流对二次谐波含量的要求进行选取。

根据上述推导得出的电抗器取值范围可以用来作为电抗器的实际依据。

本发明提供的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，满足了稳态运行试验装置有功功率平衡关系，即能够满足试验装置在试品阀上产生最大试验电压和试验电流时对电抗值的要求，并能将电流二次谐波限制在合理范围。合理范围是指在实际工程中试品阀电流二次谐波含量的限制要求。

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负载电抗器的参数设计方法，所述负载电抗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；所述辅助阀均包括子模块，所述子模块包括电容器；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；

所述负载电抗器的参数设计方法包括下述步骤：

A、将稳态运行试验装置在工作状态时进行等效；

B、确定正弦稳态等值电路有功功率平衡关系；

C、确定满足有功功率平衡关系的负载电抗器电抗值；

D、根据辅助阀和试品阀只进行无功交换确定二倍频电流；

E、确定二倍频电流与负载电抗器电抗值的关系。

2.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤A中，将稳态运行试验装置中的辅助阀和试品阀在工作状态时各自等效为直流电压源和交流电压源串联的复合电压源形式；将稳态试验装置的电阻等效为等值电阻R；得到稳态运行试验装置的等效电路。

3.如权利要求2所述的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，其特征在于，所述稳态运行试验装置的等效电路由顺序连接的直流电压源、交流电压源、等值电感L和等值电阻R组成回路；所述直流电压源和交流电压源均接地。

4.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤B中，正弦稳态等值电路有功功率平衡关系用下式表示：

$\frac{U_1{U}_2}{X}\sin \mathrm{\δ}=P_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}{I}_{\mathrm{dc}}$ ①；

式中：U₁表示辅助阀等效交流源的电压有效值；U₂表示试品阀等效交流源的电压有效值；δ表示辅助阀和试品阀交流电压源的相位差；P_dc表示正弦稳态等值电路有功功率；U_dc/2表示直流电压源电压；I_dc表示回路电流的直流偏置。

5.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤C中，满足有功功率平衡关系的负载电抗器电抗值X用下式表示：

$X=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{4I_{\mathrm{dc}}}\sin \mathrm{\δ}\≤\frac{U_{\mathrm{dc}}}{{4I}_{\mathrm{dc}}}$ ②；

式中：λ₁和λ₂分别是辅助阀和试品阀的电压调制比，均不大于1。

6.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤D中，二倍频电流最大时的表达式用下式表示：

$i_{2f}=\frac{3\sqrt{2}{I}_{\mathrm{ac}}}{32\mathrm{\ωX}}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1{n}_1}{C_{01}}-\frac{{\mathrm{\λ}}_2{n}_2}{C_{02}})\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)$ ③；

$=I_{2f}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)$

式中：ω为工频角频率；C₀₁、C₀₂分别代表辅助阀和试品阀子模块电容值；n₁、n₂分别代表辅助阀和试品阀子模块串联级数；I_ac代表回路电流交流分量有效值；I_2f代表二倍频电流幅值。

7.如权利要求1所述的MMC阀稳态运行试验装置负载电抗器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤E中，二倍频电流幅值与电抗值呈反比关系，使二次谐波含量不超过η_2f，负载电抗器X的电抗值满足：

$X\≥\frac{3{\mathrm{\λ}}_1{n}_1}{32{\mathrm{\η}}_{2f}{\mathrm{\ωC}}_{01}}$ ④；

式中：代表试品阀电流2次谐波含量，其值根据试品阀试验电流对二次谐波含量的要求进行选取。

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