CN103197241B - 柔性直流输电mmc换流阀运行试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置及试验方法，通过两组阀组件子模块电容器与负载电抗器之间的能量交换产生所需考核的大电流，通过分别调节两个阀组件输出电压的交流分量幅值和相位差，即可得到精确的交、直流叠加的电流应力，调节方式简单、灵活；充电电源仅在试验之初用于建立两个试品阀子模块的工作电压，补能电源在试验之初用于建立两个辅助阀的工作电压，之后仅补充试验过程中相对较少的有功损耗，两个补能电源各自只承担一半的系统损耗，极大降低了试验电路对电源容量的要求。另外，两个补能电源通过各自变压器连接方式的差别能在很大程度上抵消各自并网电流的谐波，减小了对电网的谐波污染。

Description

柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体将涉及一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置及试验方法。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)由若干个半桥或H桥结构的IGBT与电容器并联构成的子模块(SM)按照一定的方式连接而成。通过分别控制各个子模块IGBT的投入和切除状态可以使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。MMC阀在进行大容量传输时，必须长期高电压、大电流运行，其可靠性是电力系统安全运行的关键，而通过搭建一个与实际工况相同的负荷环境来验证换流器工作性能是极为困难的，为此，必须构建一个等效试验平台，对换流器进行与实际工况强度相当的试验验证。
MMC阀组件由多个子模块串联而成，其电气特性反映了整个MMC换流阀的电气特性，因此可通过对MMC阀组件的电气测试验证MMC阀的可靠性。
申请号为201120310757.2的中国专利《柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验装置》公开了一种试验装置，通过对一个MMC阀组件的电气测试等效验证MMC阀稳态运行试验性能。该装置主要包括辅助阀组件、试品阀组件、负载电抗器和补能电源，通过控制两阀组件输出电压为交直流叠加的正弦阶梯波，且具有相同的直流分量和幅值、相位差可控的交流分量，就可以在负载电抗器上产生精确的交直流电流应力，同时由补能电源补充系统能量损耗，但是，该装置存在一些不足：(1)首先，该装置使用了一个辅助阀组件对试品阀进行测试，辅助阀采用n个串联的子模块，这样不仅极大的增加了试验设备的成本，也使得装置测试效率低下，极大浪费测试资源；(2)另外，该装置仅用一个补能电源提供系统运行时的有功损耗，虽然该有功损耗较交流电流在负载电抗器上产生的无功损耗要小的多，但也因MMC阀组件运行中电流应力很大而不容小觑，对电源容量的要求较高。
申请号为201110244693.5的中国专利《柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验方法》公开了一种试验方法，即通过对一个MMC阀组件的电气测试等效验证MMC阀稳态运行试验性能。该方法所用装置主要包括辅助阀组件、试品阀组件、负载电抗器和补能电源，通过控制两阀组件输出电压为交直流叠加的正弦阶梯波，且具有相同的直流分量和幅值、相位差可控的交流分量，就可以在负载电抗器上产生精确的交直流电流应力，同时由补能电源补充系统能量损耗，但是，该方法存在一些误区和不足。
首先，该方法提到稳态运行时两阀组件两端将得到具有相同直流分量的交直流叠加的正弦阶梯波电压，此说法有误。因为若如此负载电抗器即不含直流电压分量，其上直流电流分量最终会因为电抗器的有功损耗慢慢衰减直至为零，而不能产生持续稳定的直流电流。实际上，上述交直流叠加的正弦阶梯波应只是两阀组件电压设定值而非实际运行值。实际运行中，受子模块电压波动影响，两阀组件端电压将存在直流压差，从而可以满足存在有功损耗的负载电抗器输出稳定的直流电流分量的测试目的。
其次，该方法在对试品阀测试的时候使用了一个子模块数与试品阀相当或更多的辅助阀组件，辅助阀的使用不仅极大的增加了试验设备的成本，也使得装置测试效率低下。
另外，该方法要求辅助阀组件子模块个数须大于等于试品阀组件子模块数，此要求有些苛刻与不合理。实际上辅助阀组件子模块数即便小于试品阀子模块数，或者通过两阀组件子模块电气参数的差异，或通过冗余控制，依然采用该专利所述试验方法，设定两阀组件电压具有相同的直流分量和幅值、相角可控的交流分量，也能正常产生交直流可控的电流应力，实现对阀组件的功率环试验。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置,同时提供一种利用该装置的试验方法，以解决现有技术对换流阀实际工况下运行性能等效验证困难的问题，使试品阀组件长时间耐受与实际工况相当的连续交直流电流、稳态电压，并能充分考核MMC阀组件发热情况。
为了实现以上目的，本发明所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的技术方案如下：包括第一试品阀和第二试品阀、第一辅助阀和第二辅助阀、负载电抗器L、第一补能电源E1和第二补能电源E2、串联充电支路，所述串联充电支路由充电电源E和充电限流电阻R串联构成；第一辅助阀的高压输出端与第一试品阀的低压输出端相连构成第一阀组件；第二辅助阀的高压输出端与第二试品阀的低压输出端相连构成第二阀组件；第一辅助阀的低压输出端与第二辅助阀的低压输出端直接相连后接地；第一试品阀的高压输出端与第二试品阀的高压输出端通过负载电抗器L连接，两个辅助阀分别由一个子模块构成，两个试品阀分别由一个子模块或两个以上串联的子模块构成；串联充电支路的一端与与负载电抗器L的一端连接，另一端与两个辅助阀的低压输出端相连后接地；两补能电源E1和E2分别对应并联在两个辅助阀的子模块电容器两端，为第一阀组件和第二阀组件对应充电；
系统初始运行时，第一补能电源E1用于对第一辅助阀电容器充电；第二补能电源E2用于对第二辅助阀电容器充电；充电电源E用于在第一辅助阀和第二辅助阀充电完成后对第一试品阀和第二试品阀的子模块电容器充电，限流电阻R用于限制充电阶段回路电流，在试品阀电容器充电完成后退出充电电源E；系统运行过程中，两补能电源E1和E2共同补充试验过程中相对较少的有功损耗。
补能电源E1和E2与对应的辅助阀子模块电容器之间分别串设有一个补能隔离开关。
所述串联充电支路上串设有一个充电隔离开关。
所述两补能电源分别由对应顺次连接的调压器、升压变压器和整流桥回路组成，所述调压器的原边与电网连接。
两补能电源的升压变压器分别采用Y/Y接法和△/Y接法。
本发明所提供的柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法的技术方案如下：该试验方法所用装置包括第一试品阀和第二试品阀、第一辅助阀和第二辅助阀、负载电抗器L、第一补能电源E1和第二补能电源E2、串联充电支路，所述串联充电支路由充电电源E和充电限流电阻R串联构成；第一辅助阀的高压输出端与第一试品阀的低压输出端相连构成第一阀组件；第二辅助阀的高压输出端与第二试品阀的低压输出端相连构成第二阀组件；第一辅助阀的低压输出端与第二辅助阀的低压输出端直接相连后接地；第一试品阀的高压输出端与第二试品阀的高压输出端通过负载电抗器L连接，两个辅助阀分别由一个子模块构成，两个试品阀分别由一个子模块或两个以上串联的子模块构成；串联充电支路的一端与与负载电抗器L的一端连接，另一端与两个辅助阀的低压输出端相连后接地；两补能电源E1和E2分别对应并联在两个辅助阀的子模块电容器两端，为第一阀组件和第二阀组件对应充电；各子模块均包括子模块电容器与并联的半桥结构或H桥结构；两辅助阀子模块电容器分别为Ca1和Ca2，两试品阀子模块电容器分别为CSM1m和CSM2n；
所述方法包括如下步骤：
(1)设定第一阀组件和第二阀组件的正弦波电压幅值及第二阀组件与第一阀组件的电压相位差；
(2)令两补能电源E1、E2分别为两辅助阀子模块电容器Ca1和Ca2充电；
(3)第一辅助阀和第二辅助阀的电容器Ca1和Ca2充电完成后，令充电电源E为两试品阀子模块电容器CSM1m和CSM2n充电；
(4)当两试品阀子模块电容器电压达到额定值后，将充电电源E退出，充电完毕；
(5)按照设定的调制策略发出两个阀组件所有子模块的IGBT触发脉冲，电路进入连续电流运行状态；
(6)闭锁两个阀组件所有子模块触发脉冲，退出两补能电源E1和E2，将所有子模块电容器上的能量释放完毕后，试验结束。
两补能电源E1和E2与对应的辅助阀子模块电容器之间分别串设有一个补能隔离开关；所述串联充电支路上串设有一个充电隔离开关。
所述两补能电源分别由对应顺次连接的调压器、升压变压器和整流桥回路组成，所述调压器的原边与电网连接；两补能电源的升压变压器分别采用Y/Y接法和△/Y接法。
所述设定的调制策略为低开关频率的正弦波最近电平逼近调制方式。
根据最近电平逼近调制方式得到两试品阀中子模块投入数。
本发明提供的柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法所用的试验装置通过两组阀组件子模块电容器与负载电抗器之间的能量交换产生所需考核的大电流，通过分别调节两个阀组件输出电压的交流分量幅值和相位差，即可得到精确的交、直流叠加的电流应力，调节方式简单、灵活；充电电源仅在试验之初用于建立两个试品阀子模块的工作电压，补能电源在试验之初用于建立两个辅助阀的工作电压，之后仅补充试验过程中相对较少的有功损耗，两个补能电源各自只承担一半的系统损耗，极大降低了试验电路对电源容量的要求。另外，两个补能电源通过各自变压器连接方式的差别能在很大程度上抵消各自并网电流的谐波，减小了对电网的谐波污染。
本发明提供的试验方法所用的试验装置包括两个试品阀和两个辅助阀，结合两个辅助阀的控制可以同时对两个试品阀进行电压、电流、温度等应力的测试，不仅可以加快对MMC阀的测试进度，提高测试产量，同时也极大降低了试验系统辅助设备的成本。
本发明提供的试验方法对两个阀组件子模块的数量要求不做限制，使试验系统更为简单灵活，可行性高。
本发明提供的试验方法满足MMC换流阀多级子模块连续电流运行试验的要求，能够提供与实际运行工况相当的稳态电流、电压应力及热强度等，实现了对MMC阀实际运行工况的良好复现。
附图说明
图1为本发明MMC换流阀多级子模块连续电流运行试验方法电路图；
图2为本发明MMC换流阀多级子模块连续电流运行试验方法流程图；
图3为本发明MMC阀连续电流运行试验电压波形图；
图4为本发明MMC阀连续电流运行试验电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置包括第一试品阀和第二试品阀、第一辅助阀和第二辅助阀、负载电抗器L、第一补能电源E1和第二补能电源E2、充电电源E和充电限流电阻R串联成的串联充电支路；第一辅助阀的高压输出端与第一试品阀的低压输出端相连构成第一阀组件；第二辅助阀的高压输出端与第二试品阀的低压输出端相连构成第二阀组件；第一辅助阀的低压输出端与第二辅助阀的低压输出端直接相连后接地；第一试品阀的高压输出端与第二试品阀的高压输出端通过负载电抗器L连接，两个辅助阀分别由一个子模块构成，两个试品阀分别由一个子模块或两个以上串联的子模块构成；串联充电支路的一端与与负载电抗器L的一端连接，另一端与两个辅助阀的低压输出端相连后接地；两补能电源E1和E2分别对应并联在两个辅助阀的子模块电容器两端，为第一阀组件和第二阀组件对应充电。
补能电源E1和E2与对应的辅助阀子模块电容器之间分别串设有一个补能隔离开关K1和K2。
串联充电支路上串设有一个充电隔离开关K，充电电源E的一端与两个辅助阀的低压输出端相连后接地；充电电源E的另一端与隔离开关K的一端连接；充电隔离开关K另一端与充电限流电流R的一端连接；充电限流电流R的另一端与负载电抗器L的一端连接。
两补能电源分别由对应顺次连接的调压器、升压变压器和整流桥回路组成，两组调压器的原边均连接至三相电网，二者副边连接各组升压变压器的原边；升压变压器的副边连接至对应整流桥回路的三相输入端；整流桥回路的输出端与对应的补能电源相连。两补能电源的升压变压器分别采用Y/Y接法和△/Y接法。
辅助阀与试品阀中各子模块的结构相同，均包括并联的半桥结构或H桥结构与子模块电容器。本实施例中两试品阀分别包含m和n个子模块，m和n取值任意值。第一试品阀的半桥结构或H桥结构包括IGBT器件T1m1和T1m2、二极管D1m1和D1m2、电阻R1m、开关K1m以及晶闸管T1m；第一试品阀的子模块电容器为CSM1m；第二试品阀的半桥结构或H桥结构包括IGBT器件T2n1和T2n2、二极管D2n1和D2n2、电阻R2n、开关K2n以及晶闸管T2n；第二试品阀的子模块电容器为CSM2n。
对于第一试品阀，IGBT器件T1m1反并联二极管D1m1组成IGBT模块1；IGBT器件T1m2反并联二极管D1m2组成IGBT模块2；IGBT模块1和IGBT模块2串联，组成IGBT模块1和IGBT模块2的串联支路；IGBT模块2、晶闸管T1m和开关K1m依次并联；电阻R1m、电容器CSM1m与IGBT模块1和IGBT模块2串联支路并联。
对于第二试品阀，IGBT器件T2n1反并联二极管D2n1组成IGBT模块3；IGBT器件T2n2反并联二极管D2n2组成IGBT模块4；IGBT模块3和IGBT模块4串联，组成IGBT模块3和IGBT模块4的串联支路；IGBT模块4、晶闸管T2n和开关K2n依次并联；电阻R2n、电容器CSM2n与IGBT模块3和IGBT模块4串联支路并联。
对于第一辅助阀和第二辅助阀，IGBT器件Ta11反并联二极管Da11组成IGBT模块5；IGBT器件Ta12反并联二极管Da12组成IGBT模块6；IGBT模块5和IGBT模块6串联，组成IGBT模块5和IGBT模块6的串联支路；IGBT模块6、晶闸管Ta1和开关Ka1依次并联；电阻Ra1、电容器Ca1与IGBT模块5和IGBT模块6串联支路并联。
IGBT器件Ta21反并联二极管Da21组成IGBT模块7；IGBT器件Ta22反并联二极管Da22组成IGBT模块8；IGBT模块7和IGBT模块8串联，组成IGBT模块7和IGBT模块8的串联支路；IGBT模块8、晶闸管Ta2和开关Ka2依次并联；电阻Ra2、电容器Ca2与IGBT模块7和IGBT模块8串联支路并联。
系统初始运行时，第一补能电源E1用于对第一辅助阀电容器充电；第二补能电源E2用于对第二辅助阀电容器充电；充电电源E用于在第一辅助阀和第二辅助阀充电完成后对第一试品阀和第二试品阀的子模块电容器充电，限流电阻R用于限制充电阶段回路电流，在试品阀电容器充电完成后退出充电电源E；系统运行过程中，两补能电源E1和E2共同补充试验过程中相对较少的有功损耗。
如图2所示，本发明柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法包括如下步骤：
(1)设定第一阀组件1和第二阀组件2的正弦波电压幅值及第二阀组件2与第一阀组件1的电压相位差；
(2)闭合隔离开关K1、K2，令两补能电源E1、E2为两辅助阀电容器CSMa1和CSMa2充电；
(3)第一辅助阀和第二辅助阀的电容器CSMa1和CSMa2充电完成后，闭合隔离开关K，令充电电源E为两试品阀的子模块电容器CSM1m和CSM2n充电；
(4)当试品阀电容器电压达到额定值后，断开隔离开关K将充电电源E退出，充电完毕；
(5)按照低开关频率的正弦波最近电平逼近调制方式，发出两个阀组件1和2所有子模块的IGBT触发脉冲，电路进入连续电流运行状态；此时第一阀组件1与第二阀组件2两端建立起试验所需的电压应力，第一阀组件1和第二阀组件2的子模块电容器与负载电抗器L之间进行能量交换，在回路中产生试验所需的电流应力；
(6)闭锁所有子模块触发脉冲，断开隔离开关K1和K2，将所有子模块电容器上的能量释放完毕，试验结束。
充电电源E、补能电源E1和E2的电压是可调的，可根据实际运行工况下阀组件子模块的电压应力进行设定；运行中可设定两个阀组件1和2的输出电压u1和u2，其交流分量V1、V2具有一定的幅值差和相位差以及相同的直流分量Udc，根据最近电平逼近调制策略得到各阀组件中子模块的投入数。实际投入的子模块电压之和即为各阀组件电压，如图3所示u1、u2波形，因为两组阀子模块电压不同，两阀组件电压直流分量也将不同，从而可以在负载电抗器上产生交、直流叠加的电压。此时根据电路的功率分布，便可以在两阀组件之间流通一定的具有交、直流分量，即Iac、Idc的电流应力，如图4所示；通过调节V1、V2的值以及阀组件2与阀组件1交流电压相位差值就可以精确的控制Iac、Idc的大小与方向，使试品阀承受与实际工况相同的电流应力，实现对多级子模块连续电流运行的试验目的。
最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更的行为，均在本发明申请待批的权利申请要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置，其特征在于：包括第一试品阀和第二试品阀、第一辅助阀和第二辅助阀、负载电抗器L、第一补能电源E1和第二补能电源E2、串联充电支路，所述串联充电支路由充电电源E和充电限流电阻R串联构成；第一辅助阀的高压输出端与第一试品阀的低压输出端相连构成第一阀组件；第二辅助阀的高压输出端与第二试品阀的低压输出端相连构成第二阀组件；第一辅助阀的低压输出端与第二辅助阀的低压输出端直接相连后接地；第一试品阀的高压输出端与第二试品阀的高压输出端通过负载电抗器L连接，两个辅助阀分别由一个子模块构成，两个试品阀分别由一个子模块或两个以上串联的子模块构成；串联充电支路的一端与负载电抗器L的一端连接，另一端与两个辅助阀的低压输出端相连后接地；两补能电源E1和E2分别对应并联在两个辅助阀的子模块电容器两端，为第一阀组件和第二阀组件对应充电；
系统初始运行时，第一补能电源E1用于对第一辅助阀电容器充电；第二补能电源E2用于对第二辅助阀电容器充电；充电电源E用于在第一辅助阀和第二辅助阀充电完成后对第一试品阀和第二试品阀的子模块电容器充电，充电限流电阻R用于限制充电阶段回路电流，在试品阀电容器充电完成后退出充电电源E；系统运行过程中，两补能电源E1和E2共同补充试验过程中相对较少的有功损耗。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置，其特征在于：补能电源E1和E2与对应的辅助阀子模块电容器之间分别串设有一个补能隔离开关。
3.根据权利要求1或2所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置，其特征在于：所述串联充电支路上串设有一个充电隔离开关。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置，其特征在于：两补能电源分别由对应顺次连接的调压器、升压变压器和整流桥回路组成，所述调压器的原边与电网连接。
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置，其特征在于：两补能电源的升压变压器分别采用Y/Y接法和△/Y接法。
6.一种利用权利要求1所述装置的柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法，其特征在于：该试验方法所用装置包括第一试品阀和第二试品阀、第一辅助阀和第二辅助阀、负载电抗器L、第一补能电源E1和第二补能电源E2、串联充电支路，所述串联充电支路由充电电源E和充电限流电阻R串联构成；第一辅助阀的高压输出端与第一试品阀的低压输出端相连构成第一阀组件；第二辅助阀的高压输出端与第二试品阀的低压输出端相连构成第二阀组件；第一辅助阀的低压输出端与第二辅助阀的低压输出端直接相连后接地；第一试品阀的高压输出端与第二试品阀的高压输出端通过负载电抗器L连接，两个辅助阀分别由一个子模块构成，两个试品阀分别由一个子模块或两个以上串联的子模块构成；串联充电支路的一端与与负载电抗器L的一端连接，另一端与两个辅助阀的低压输出端相连后接地；两补能电源E1和E2分别对应并联在两个辅助阀的子模块电容器两端，为第一阀组件和第二阀组件对应充电；各子模块均包括子模块电容器与并联的半桥结构或H桥结构；两辅助阀子模块电容器分别为Ca1和Ca2，两试品阀子模块电容器分别为CSM1m和CSM2n；
所述方法包括如下步骤：
(1)设定第一阀组件和第二阀组件的正弦波电压幅值及第二阀组件与第一阀组件的电压相位差；
(2)令两补能电源E1、E2分别为两辅助阀子模块电容器Ca1和Ca2充电；
(3)第一辅助阀和第二辅助阀的电容器Ca1和Ca2充电完成后，令充电电源E为两试品阀子模块电容器CSM1m和CSM2n充电；
(4)当两试品阀子模块电容器电压达到额定值后，将充电电源E退出，充电完毕；
(5)按照设定的调制策略发出两个阀组件所有子模块的IGBT触发脉冲，电路进入连续电流运行状态；
(6)闭锁两个阀组件所有子模块触发脉冲，退出两补能电源E1和E2，将所有子模块电容器上的能量释放完毕后，试验结束。
7.根据权利要求6所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法，其特征在于：两补能电源E1和E2与对应的辅助阀子模块电容器之间分别串设有一个补能隔离开关；所述串联充电支路上串设有一个充电隔离开关。
8.根据权利要求7所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法，其特征在于：所述两补能电源分别由对应顺次连接的调压器、升压变压器和整流桥回路组成，所述调压器的原边与电网连接；两补能电源的升压变压器分别采用Y/Y接法和△/Y接法。
9.根据权利要求6或7所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法，其特征在于：所述设定的调制策略为低开关频率的正弦波最近电平逼近调制方式。
10.根据权利要求9所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验方法，其特征在于：根据最近电平逼近调制方式得到两试品阀中子模块投入数。
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