CN103487732A - 模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置和方法，该试验装置包括用于与试品阀连接的两个连接端子，两个连接端子之间串设有限流电阻Cs和交直流电压源，交直流电压源由交直流电压源Es和辅助电容Cs串联构成。本发明的试验装置省去了直流电压源，靠增加辅助电容来构成一个倍压电路，达到所需的交直流试验电压，结构简单，成本较低；扩容方便，控制简单，无需其它额外的控制设备，就可实现对试品阀阀端进行交直流电压的试验；实现起来较为方便、简单、安全；电路的组成结构简单，各组成元件均为常见器件，容易获得，建设快，成本低，试验电流仅受交流电源限制，允许充电电流限制少，预期充电时间短，绝缘试验能力强。

Description

模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置和方法

技术领域

本发明属于高电压与绝缘技术领域以及高压柔性直流输电换流阀绝缘试验领域，尤其涉及一种模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置和方法。 

背景技术

我国已成为世界上直流输电线路比较多的国家，柔性直流输电的应用使得直流输电技术应用于输电、配电整个领域。与晶闸管换流阀相比，柔性直流输电的优势在于：采用可控电力电子器件和PWM技术，可以实现有功功率和无功功率的独立控制；能向无源网络系统供电；潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，换流站之间无需通讯，便于构造多端系统；产生的谐波少，节省滤波装置容量；此外，它既能输送有功功率，还能实现无功功率的紧急支援，提高系统功角稳定性以及系统电压稳定性等优点。 

柔性直流输电是新兴技术，技术路线有两电平、多电平换流阀。MMC阀属于多电平换流器，是近年来新兴的柔性直流输电技术。换流阀是柔性直流输电系统中至关重要的关键设备，由于运行工况的特殊性，换流阀桥臂承受交直流复合电压应力。交流电场情况下，电场分布取决于材料的介电常数；直流电场下电场分布取决于材料的电阻率。且直流电场引起的空间电荷将会影响电场分布。为保证柔性直流输电工程的可靠运行，对换流阀进行交直流耐压试验以及研究在复合电场下换流阀的绝缘特性成为亟待研究的问题。 

现有模块化多电平换流阀子模块采用的拓扑一般有两种结构：一种是基 于2个IGBT的半桥模式，如图1和图2所示，一个半桥子模块由两个IGBT模块IGBT1、IGBT2以及直流电容Csm构成，IGBT1和IGBT2串联后与电容Csm构成半桥结构，IGBT2两端为子模块出线端，多个MMC子模块串联构成MMC换流阀；另一种是基于4个IGBT（IGBT1～IGBT4）的全桥模式，如图3所示，由IGBT1和IGBT2之间及IGBT3和IGBT4之间分别引出子模块的两出线端。由于模块化多电平换流阀每个子模块单元都配置有直流电容C1，特别是大容量模块化多电平换流阀中的子模块，其内部的电容都在几千μF以上，对这种换流阀的阀端间进行交直流电压试验成为业界的难题。 

高电压技术领域中，主要的试验设备包括交流电压试验设备、直流电压试验设备、冲击电压发生设备等。 

为考核换流阀交直流电压下的绝缘特性，根据IEC62501-2009的要求，需要对高压柔性直流换流阀进行阀端交直流混合电压试验。标准规定的试验电压为：U_tv＝(U_ac·sin(2πft)+U_dc)·k，式中包含交流分量U_ac·sin(2πft)和直流分量U_dc，k为试验系数。而对于交直流混合电压，没有专门的试验电源系统，现阶段进行交直流复合电压试验的常规方法是采用两套或多套电源进行合成试验，传统试验方法一般采用如图4所示的试验系统，由图可知，试验回路中串设有试品阀V1和限流电阻Rs的试验系统采用交流电压源Es和直流电压源E1串联的方式来达到标准规定的交直流试验电压，并将现有的交直流电源系统应用于如图7所示的交直流电压试验系统中进行局部放电试验，由于模块化多电平换流阀V1的子模块SMn内部都含有很大的直流电容，且试验电流受两套电源的限制，目前大多数高压直流发生系统的试验电流较小，由于MMC试品阀子模块中内置的直流电容较大，必然导致充电时间长，同时耐压过程 中直流电容补能也受到影响。 

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置，以解决现有交直流耐压试验采用多套电压源所带来的充电时间长及补能受影响的问题，同时提供一种利用该试验装置的试验方法。 

为了实现以上目的，本发明模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置所采用的技术方案是：包括用于与试品阀连接的两个连接端子，两个连接端子之间串设有限流电阻Rs和交直流电压源，所述交直流电压源由交直流电压源Es和辅助电容Cs串联构成。 

所述辅助电容上并联有放电电阻。 

所述辅助电容为一个电容或至少两个电容串和/或并联的方式构成的电容组。 

本发明模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验方法所采用的技术方案是，该方法包括如下步骤：试验启动时，将交流电压源Es调至要求值，并通过Rs和试品阀对辅助电容Cs进行充电，使Cs的电压Uc达到稳定，此时Uc等于交流电压源Es的电压Uac的峰值V_peak，试品阀两端电压Ut为Uc+Uac，其电压可达到标准要求的交直流试验电压，Uac=V_peak*sin(2πft)，Uc=V_peak，其中，Uac为交流分量，Uc为直流分量。 

所述辅助电容上并联有放电电阻Rp,在试验停止时，将交流电压源Es的电压调至0V，Cs通过放电电阻Rp放电至0V。 

所述辅助电容为一个电容或至少两个电容串和/或并联构成的电容组。 

所述试品阀为一个子模块构成的单阀或至少两个子模块串联构成的阀组 件或至少3个子模块构成的阀塔。 

所述子模块为半桥子模块或全桥子模块。 

本发明的高压柔性直流输电换流阀交直流耐压试验方法与现有交直流耐压试验方法相比，省去了直流电压源，靠增加辅助电容来构成一个倍压电路，达到所需的交直流试验电压，结构简单，有明显的成本优势；扩容方便，可以通过电容的串并联来实现想要的试验电压电流；控制简单，无需其它额外的控制设备，只需交流电压源、限流电阻和辅助电容串联，就可实现对试品阀阀端进行交直流电压的试验；在试验停止时，只需将交流电压源的电压调至0V，辅助电容通过与其并联的放电电阻进行放电后，实现起来较为方便、简单、安全；试验电路的组成结构简单，各组成元件均为常见器件，容易获得，建设快，成本低，具有很强的推广价值。一般情况下，采用电压合成方法试验时试品阀预充电过程以及试验过程试验电流受直流高压电源的限制，而本发明试验电路的试验电流仅受交流电源限制，允许充电电流限制少，预期充电时间短，绝缘试验能力强。 

附图说明

图1是半桥子模块结构图； 

图2是半桥子模块构成的模块化多电平换流阀原理框图； 

图3是全桥子模块构成的模块化多电平换流阀原理框图 

图4是传统交直流电压试验装置电路原理图； 

图5是本发明试验装置电路原理图； 

图6是本发明交直流电压试验时阀端间电压波形图； 

图7是交直流电压试验下的局部放电电路图。 

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。 

如图5所示为本发明模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置实施例的电路原理图，由图可知，该装置包括用于与试品阀V1连接的两个连接端子，两个连接端子之间串设有限流电阻Rs和交直流电压源，交直流电压源由交直流电压源Es和辅助电容Cs串联构成。 

本实施例的辅助电容Cs上并联有放电电阻Rp；交流电压源由调压器与变压器组成，调压器的一次侧与配电网相连接，变压器的二次侧与辅助电容Cs之间设置限流电阻Rs，试品阀V1连接在辅助电容Cs的另一侧和地之间。限流电阻Rs的作用在于一方面限制试验充电电流在合理的范围之内，另一方面限制试品阀闪络或短路时产生的短路电流。试验电路中各关键点稳态时刻的波形如图6所示。 

本实施例中将试品阀V1的两个连接端分别定义为A1和A2，如图5所示，电容与试品阀之间的连接端为A2，交流电压源Es与试品阀的连接端为A2；限流电阻Rs与辅助电容Cs的连接点定义为节点1；试品阀中子模块的直流电容的高压端定义为节点2。 

另外，本实施例的辅助电容为一个电容或至少两个电容串和/或并联构成的电容组；试品阀为一个子模块构成的单阀或至少两个子模块串联构成的阀组件或至少3个子模块构成的阀塔，子模块为半桥子模块或全桥子模块，且当试品阀采用全桥子模块构成时，需将各子模块其中一个IGBT（S2）短接，如果试品阀为半桥子模块构成时，则无需做任何处理。 

该试验装置可对高压大容量模块化多电平换流阀的阀端间进行交直流电 压试验，其试验过程如下：试验启动时，将交流电压源Es调至要求值，并通过Rs和试品阀对辅助电容Cs进行充电，使Cs的电压Uc达到稳定，此时Uc等于交流电压源Es的电压Uac的峰值；此时，试品阀两端电压Ut为Uc+Uac，该电压即为试验所要求的交直流试验电压，可达到对试品阀进行交直流电压的考核要求；试验停止时，首先将Es电压调至0V，Cs通过Rp放电电阻放电至0V，试验结束。 

本发明所涉及的交流电压电源的一端接地，产生预期试验电压只需要提供一般的电压峰值即可，节省电源的绝缘。当交流电压源的输出节点1相对于地为负时，如图1所示的试品阀子模块的IGBT2反并联二极管导通，使辅助电容Cs充电，充电稳定后节点A2相对于节点1建立起V_peak的电压，V_peak为交流电源能输出的最高电压。当节点A2相对于地电位为正时，IGBT2反并联二极管开始截止，在节点A2相对于节点2的电位为正时，IGBT1反并联二极管开始导通。充电稳定后，当节点1电位到达电源峰值时，由于节点A2比节点1的电位高V_peak，所以节点A2的电位最高可达到2倍的V_peak。从以上稳态分析可以看出，辅助电容Cs的存在使得节点A1的电位比节点1始终高出V_peak，当交流电压源输出电压交变变化时，节点A1的对地电位便为叠加直流分量的交流分量，即输出电压为交流叠加直流的复合电压，忽略损耗，稳态下交直流分量满足：Vac=V_peak*sin(2πft)，Vdc=V_peak；其中Vac为交流分量，Vdc为直流分量，V_peak为交流电压源电压峰值。 

上述过程是基于忽略回路损耗的基础进行分析的，在考虑损耗的情况下，每个周期辅助电容Cs向试品阀电容Csm输送一定量的电荷，节点A1的电位将有所下降，并且节点A1电位下降的程度与试品阀损耗以及辅助电容Cs的 容量相关。 

本实施例中辅助电容Cs起到直流支撑的作用，将节点A1的电位相对节点1的电位提高了V_peak；试品阀子模块的IGBT模块反并联二极管的导通截止使得辅助电容Cs和试品阀子模块的直流电容Csm充电至预期电压。在电压调节过程中，从0开始升高交流电源的输出电压，则系统输出的电压峰值为交流电压源电压峰值的2倍。 

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，所述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 (8)

1.一种模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置，包括用于与试品阀连接的两个连接端子，两个连接端子之间串设有限流电阻Cs和交直流电压源，其特征在于：所述交直流电压源由交直流电压源Es和辅助电容Cs串联构成。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置，其特征在于：所述辅助电容上并联有放电电阻。

3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置，其特征在于：所述辅助电容为一个电容或至少两个电容串和/或并联的方式构成的电容组。

4.一种利用如权利要求1所述的模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验装置的试验方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：试验启动时，将交流电压源Es调至要求值，并通过限流电阻Rs和试品阀对辅助电容Cs进行充电，使Cs的电压Uc达到稳定，此时Uc等于交流电压源Es的电压Uac的峰值V_peak，试品阀两端电压为Uc+Uac，该电压即为试验所要求的交直流试验电压，Uac=V_peak*sin(2πft)，Uc=V_peak，其中，Uac为交流分量，Uc为直流分量。

5.根据权利要求4所述的模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验方法，其特征在于：所述辅助电容上并联有放电电阻Rp,在试验停止时，将交流电压源Es的电压调至0V，Cs通过放电电阻Rp放电至0V。

6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验方法，其特征在于：所述辅助电容为一个电容或至少两个电容串和/或并联构成的电容组。

7.根据权利要求6所述的模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验方法，其特征在于：所述试品阀为一个子模块构成的单阀或至少两个子模块串联构成的阀组件或至少3个子模块构成的阀塔。

8.根据权利要求7所述的模块化多电平换流阀的阀端间交直流电压试验方法，其特征在于：所述子模块为半桥子模块或全桥子模块。

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