CN103837827A - 一种柔性直流输电阀的故障运行试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电阀的故障运行试验装置：该装置包括衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路。被试阀的高压端分别与所述衰减电流注入回路中的控制阀S1、正弦电流注入回路中的双向控制阀S3和高电压注入回路中的双向控制阀S4相连接；所述衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与被试阀的低压端相连后接地。该装置使被试阀耐受同实际故障工况相当的暂态电流、暂态的热与损耗强度，实现对阀在故障运行工况下的试验考核，同时为主电路参数设计及保护设计提供依据。该试验装置可根据实际工况，调节衰减电流的幅值、上升时间和衰减过程，实现测试通用性需求。

Description

一种柔性直流输电阀的故障运行试验装置

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统阀的试验装置。

背景技术

模块化多电平变流器（modular multilevel converter，MMC）由于其易扩展性，可实现故障状况下的冗余，其自2003年提出以来受到广泛关注，被认为是实现柔性直流输电（HVDC-Flexible）工程化的换流器拓扑之一。MMC的桥臂不仅是执行开关动作的阀，而且是连接在变流器某相交流输出端与直流母线之间的可控电压源。每相桥臂单元由若干个阀塔与一个阀电抗器构成，每个阀塔由若干个阀组件成，是独立的支持部分，每个阀组件由若干子模块串联构成。子模块的核心器件为大功率高压绝缘栅双极型晶体管（IGBT），也称模块化多电平变流器阀（MMC阀）。在正常运行状态中，子模块通过上下两个IGBT的配合，输出两种电平：0电平和电容器电压。

在基于模块化多电平变流器的柔性直流输电系统（MMC-HVDC）的实际运行中，会发生由于系统故障、直流侧短路故障等原因引起桥臂过电流，此时桥臂所有子模块的IGBT均闭锁，桥臂过电流会通过子模块中下管IGBT的二极管与外部构成回路，由于二极管的不可控性，无法自身关断过电流，同时由于系统保护动作时间较长，断路器还未动作，二极管必须承受故障期间的过电流。由于故障时的过电流会远远超过器件本身的耐受值，因此必须通过子模块中与下管IGBT反并联的保护晶闸管动作来分担大部分的过电流，以达到保护器件本身及装置的目的。

由于柔性直流输电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故障试验，因此必须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。

模块化多电平变流器阀的故障电流运行试验目的就是考验在故障电流出现时，控制系统能及时闭锁IGBT，同时触发晶闸管，保护子模块下管IGBT反并联的二极管，同时验证MMC子模块各功能参数对最大电流、电压和温度应力作用的设计是否适宜。试验中须通过外围电路向被试阀注入实际工况下的大电流和反向高电压。

专利201110036675.8《一种柔性直流输电MMC阀的故障电流运行试验方法》提出一种试验装置，其装置由衰减电流注入回路、正弦电流注入回路、高电压注入回路和试品阀组成。衰减电流注入回路中的控制阀V1、正弦电流注入回路中的双向控制阀V2和高电压注入回路中的双向控制阀V3分别与试品阀的输出端连接；衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与试品阀的低压端相连后接地。衰减电流注入回路包括电源E1、充电开关Kc1、直流电容器C1、负载电抗器L1、控制阀V1、集成门极换流阀晶体管IGCT、衰减电阻R和二极管D；电源E1经过充电开关Kc1与直流电容器C1连接；IGCT反并联二极管D组成可关断器件G；可关断器件G与衰减电阻R串联，组成G-R支路；G-R支路与直流电容器C1并联后经过负载电抗器L1和控制阀V1连接与试品阀的输出端。该装置中衰减电流注入回路的拓扑为电阻电容并联后与电感串联，即RC-L拓扑。试验开始后，衰减电流注入回路始终工作在这一种拓扑模式下。为了使试验开始阶段电流有较快的上升速率同时保持后续衰减电流衰减速率较慢，电感L和电阻R的选取比较困难。同时，该电路中电阻R消耗的瞬时功率和总的能量都很大，系统需配备较强的散热系统。为获得一定数值的最大电流，电容的预充电电压会很大，要求电容要有比较大的耐压。当衰减电流注入回路退出运行时，电容上会有一定反向充电电压，不利于操作安全。

中国电机工程学报第31卷第1期文献《模块化多电平换流器HVDC直流双极短路子模块过电流分析》的分析结果表明，柔性直流输电系统在发生直流侧双极短路故障时，每相桥臂工作在两种模式下：1子模块电容向桥臂电感和线路杂散电阻放电；2当子模块上下IGBT闭锁后，电感电流通过杂散电阻放电。即桥臂工作模式为RLC+RL模式。整个过程中，电网侧向上下桥臂注入交流电流。

发明内容

本发明的目的是简化现有试验装置的参数选择，模拟实际系统故障时桥臂的工作模式，提出一种基于模块化多电平变流器的柔性直流输电阀故障电流试验装置拓扑。该装置将指数衰减电流、正弦电流叠加施加于被试模块化多电平变流器阀上，使被试阀耐受同实际故障工况相当的暂态电流、暂态的热与损耗强度，实现对被试阀的故障运行工况的试验考核。

为更好模拟故障发生时，流过下管IGBT反并联二极管的过电流，本发明试验方法产生衰减的机理是通过触发控制阀，使电容向电感电阻放电，通过控制可关断器件的导通时刻，使衰减电流注入回路的工作模式变为电感通过电阻续流。因此，衰减电流注入回路的运行模式模拟了故障时桥臂的工作模式。通过正弦电流注入回路中电容与电感的充放电，模拟故障时电网侧注入的交流电流。衰减电流注入回路参数的选择可参考桥臂的参数。当衰减电流注入回路退出工作时，电感上的能量通过泄放电阻消耗掉，电容上不会有电压，这有利于系统的安全操作。

本发明采用的技术方案是：

所述试验装置包括衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路。

被试阀的输出端分别与所述衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路连接；所述衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与被试阀的低压端相连后接地。

衰减电流注入回路包括第一电源、第一充电开关、第一直流电容器、第一负载电抗器、衰减电阻、第一控制阀、可关断器件、泄放电阻、二极管；第一电源经过第一充电开关与第一直流电容器连接；可关断器件与泄放电阻并联，与二极管串联，组成GR-D支路；GR-D支路经第二控制阀与直流电容器并联；GR-D支路经第一负载电抗器、衰减电阻和第二控制阀与被试阀的输出端相连接。

正弦电流注入回路包括第二电源、第二充电开关、第二直流电容器、第二负载电抗器和第一双向控制阀；电源经过第二充电开关与第二直流电容器连接；第二直流电容器经过第二负载电抗器和第一双向控制阀与被试阀的输出端相连接。

高电压注入回路包括第三电源、第三充电开关、第三直流电容器、第三负载电抗器和第二双向控制阀；电源经过第三充电开关与第三直流电容器连接；第三直流电容器经过第三负载电抗器和第二双向控制阀连接于被试阀的输出端。

被试阀的输出端分别与所述衰减电流注入回路中的第一控制阀、正弦电流注入回路中的第一双向控制阀和高电压注入回路中的第二双向控制阀连接；所述衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与被试阀的低压端相连后接地。

本发明的工作过程如下：

A、闭合第一充电开关、第二充电开关和第三充电开关，通过外加直流电源分别给所述装置的第一直流电容器、第二直流电容器和第三直流电容器充电，当电容电压达到预定值后，断开第一充电开关、第二充电开关和第三充电开关。

B、通过控制可关断器件、第一控制阀、第二控制阀触发导通、关断时序，使得第一直流电容、第一负载电抗器L₁、衰减电阻进行组合，产生衰减电流；通过触发双向控制阀，使正弦电流注入回路工作，产生正弦电流；

C、通过所述衰减电流注入回路和正弦电流注入回路触发逻辑时序的配合，使衰减电流与正弦电流叠加施加于被试阀上；

D、关断可关断器件，将衰减电流注入回路从电路中退出；关断第一双向控制阀的触发脉冲，待正弦电流过零后，正弦电流注入回路从电路中退出；触发高电压注入回路中的第二双向控制阀将高电压注入回路投入，将反向电压施加于所述被试阀上。

本发明试验装置的改进之处在于：

1、所述衰减电流注入回路产生衰减电流；通过触发第一控制阀和第二控制阀导通，使衰减电流注入回路工作；待第二控制阀导通后，关断其触发脉冲，并使可关断器件导通。使衰减电流注入回路工作在两种模式下；其改进之处在于，本发明衰减电流注入回路工作模式为RLC+RL模式，较真实模拟实际故障发生时，流过阀的过电流。

2、控制关断可关断器件，将衰减电流注入回路从电路中退出；其改进之处在于，通过控制可关断器件，改变电路运行参数，使得衰减电流迅速衰减，第一直流电容上不会留有反向充电电压。

本发明一种优选的技术方案是：

所述步骤A中，第一电源、第二电源和第三电源分别为所述装置的衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路的第一直流电容器、第二直流电容器和第三直流电容器充电，待充电完成后断开第一开关、第二开关和第三开关。

本发明第二优选的技术方案是：

所述步骤B中，触发所述衰减电流注入回路中的第一控制阀和第二控制阀，通过所述第一直流电容器和负载电抗器、衰减电阻的谐振产生前端尖峰电流；通过触发可关断器件，使得第一负载电抗器通过衰减电阻放电，产生衰减电流；由衰减电流注入回路，产生衰减电流。

本发明第三优选的技术方案是：

所述步骤C中，触发所述正弦电流注入回路的第一双向控制阀，由正弦电流注入回路，产生正弦电流，通过所述第一控制阀、第二控制阀和所述第一双向控制阀触发逻辑时序的配合，令所述衰减电流达到峰值的时间和第一个正弦电流脉冲达到峰值的时间相同，衰减电流继续与正弦电流叠加施加于所述被试阀上。

本发明第四优选的技术方案是：

所述步骤D中，在施加反向电压时，控制关断可关断器件，将所述衰减电流注入回路从电路中退出，待正弦电流过零后，闭锁所述第一双向控制阀的脉冲，所述正弦电流注入回路从电路中退出，再触发所述第二双向控制阀，将高电压注入回路投入，将反向电压施加于所述被试阀上，直至试验结束。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的衰减电流生成方法，模拟了基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统发生直流侧故障时，桥臂过电流产生的过程，生成的前端尖峰电流和放电衰减电流更接近实际系统发生故障时，模块化多电平变流器阀流过的过电流。

2、本发明提供的方法通过试验电路中一系列辅助器件的触发配合，将衰减电流和正弦电流叠加施加于被试换流阀，使被试换流阀耐受同实际故障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；

3、本发明提供的基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统阀的故障电流运行试验方法完全满足模块化多电平变流器阀故障电流试验的要求，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。

附图说明

图1是本发明柔性直流输电阀的故障运行试验装置原理图；

图2是本发明柔性直流输电阀的故障运行试验装置的试验电流、电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是基于模块化多电平变流器（MMC）柔性直流输电系统阀故障电流试验装置原理图，该装置由衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路构成，如图1所示。

衰减电流注入回路中的第一控制阀S₁、正弦电流注入回路中的第一双向控制阀S₃和高电压注入回路中的第二双向控制阀S₄分别与被试阀的输出端连接；衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与被试阀的低压端相连后接地。

衰减电流注入回路包括第一电源U₁、第一充电开关K₁、第一直流电容器C₁、第一负载电抗器L₁、衰减电阻R₁、第一控制阀S₁、可关断器件G、泄放电阻R₂，以及二极管D；第一电源U₁经过第一充电开关K₁与第一直流电容器C₁连接；可关断器件G与泄放电阻R₂并联，与二极管D串联，组成GR-D支路；GR-D支路经第二控制阀S₂与第一直流电容器C₁并联；GR-D支路经第一负载电抗器L₁、第一衰减电阻R₁和第一控制阀S₁与被试阀的输出端相连接。

正弦电流注入回路包括第二电源U₂、第二充电开关K₂、第二直流电容器C₂、第二负载电抗器L₂和第一双向控制阀S₃；第二电源U₂经过第二充电开关K₂与第二直流电容器C₂连接；第二直流电容器C₂经过第二负载电抗器L₂和第一双向控制阀S₃与被试阀的输出端相连接。

高电压注入回路包括第三电源U₃、第三充电开关K₃、第三直流电容器C₃、第三负载电抗器L₃和第二双向控制阀S₄；第三电源U₃经过第三充电开关K₃与第三直流电容器C₃连接；第三直流电容器C₃经过第三负载电抗器L₃和第二双向控制阀S₄连接于被试阀的输出端。

被试阀由若干子模块SM₁～SM_n串联连接；子模块SM₁包括电容C、两个绝缘栅双极型晶体管IGBT1和IGBT2、以及晶闸管T；电容C、可控关断器件IGBT1、IGBT2依次串联组成闭环结构；IGBT2和晶闸管T并联。

第一电源U₁、第二电源U₂和第三电源U₃分别为第一直流电容器C₁、第二直流电容器C₂和第三直流电容器C₃充电；触发第一控制阀S₁、第二控制阀S₂，通过第一直流电容器C₁和第一负载电抗器L₁、衰减电阻R₁的谐振产生前端尖峰电流，由第一负载电抗器L₁、衰减电阻R₁、第一控制阀S₁、第二控制阀S₂以及被试阀组成衰减电流注入回路，产生衰减电流；控制可关断器件G导通，使得第一负载电抗器L₁通过衰减电阻R₁放电，形成指数衰减电流，由第一负载电抗器L₁、衰减电阻R₁、被试阀、可关断器件G、二极管D形成衰减电流注入回路，产生衰减电流。

触发双向第一双向控制阀S₃，第二直流电容器C₂、第一负载电抗器L₂、第一双向控制阀S₃与被试阀形成正弦电流注入回路，产生正弦电流，通过第一控制阀S₁、第二控制阀S₂和第一双向控制阀S₃触发逻辑时序的配合，令衰减电流达到峰值的时间和第一个正弦电流脉冲达到峰值的时间相同，衰减电流继续与正弦电流叠加施加于被试阀上；在需要施加反向电压时，控制关断可关断器件G，将衰减电流注入回路从电路中退出，待正弦电流过零后，闭锁控制阀S₃的脉冲，正弦电流注入回路从电路中退出，再触发第二双向控制阀S₄将高电压注入回路投入，将反向电压施加于被试阀上，直至试验结束。

通过对衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路这三个可独立工作的强度电路的时序控制，使被试阀耐受同实际工况同样恶劣的试验强度，实现故障电流试验的目的。

Claims (6)

1.一种柔性直流输电阀的故障运行试验装置，所述装置包括衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路，其特征在于，被试阀的输出端分别与所述衰减电流注入回路、正弦电流注入回路和高电压注入回路连接；所述衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与被试阀的低压端相连后接地；

衰减电流注入回路包括第一电源（U₁）、第一充电开关（K₁）、第一直流电容器（C₁）、第一负载电抗器（L₁）、衰减电阻（R₁）、第一控制阀（S₁）、可关断器件（G）、泄放电阻（R₂），以及二极管（D）；第一电源（U₁）经过第一充电开关（K₁）与第一直流电容器（C₁）连接；可关断器件（G）与泄放电阻（R₂）并联，再与二极管（D）串联，组成GR-D支路；GR-D支路经第二控制阀（S₂）与第一直流电容器（C₁）并联；GR-D支路经第一负载电抗器（L₁）、第一衰减电阻（R₁）和第一控制阀（S₁）与被试阀的输出端相连接；

正弦电流注入回路包括第二电源（U₂）、第二充电开关（K₂）、第二直流电容器（C₂）、第二负载电抗器（L₂）和第一双向控制阀（S₃）；第二电源（U₂）经过第二充电开关（K₂）与第二直流电容器（C₂）连接；第二直流电容器（C₂）经过第二负载电抗器（L₂）和第一双向控制阀（S₃）与被试阀的输出端相连接；

高电压注入回路包括第三电源（U₃）、第三充电开关（K₃）、第三直流电容器（C₃）、第三负载电抗器（L₃）和第二双向控制阀（S₄）；第三电源（U₃）经过第三充电开关（K₃）与第三直流电容器（C₃）连接；第三直流电容器（C₃）经过第三负载电抗器（L₃）和第二双向控制阀（S₄）连接于被试阀的输出端。

2.如权利要求1所述的柔性直流输电阀的故障运行试验装置，其特征在于，所述的衰减电流注入回路中的第一控制阀（S₁）、正弦电流注入回路中的第一双向控制阀（S₃）和高电压注入回路中的第二双向控制阀（S₄）分别与被试阀的输出端连接；衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与被试阀的低压端相连后接地。

3.如权利要求1所述的柔性直流输电阀的故障运行试验装置，其特征在于，所述故障运行试验装置的工作过程如下：

A、第一电源（U₁）、第二电源（U₂）和第三电源（U₃）分别为给所述装置的衰减电流注入回路的第一直流电容器（C₁）、正弦电流注入回路的第二直流电容器（C₂）和高电压注入回路的第三直流电容器（C₃）预充电，预充电完成后断开第一充电开关（K₁）、第二充电开关（K₂）和第三充电开关（K₃）；

B、通过控制可关断器件（G）、第一控制阀（S₁）、第二控制阀（S₂）触发导通、关断时序，使得第一直流电容（C₁）、第一负载电抗器（L₁）、衰减电阻（R₁）进行组合，产生衰减电流；通过触发第一双向控制阀（S₃），使正弦电流注入回路工作，产生正弦电流；

C、通过所述衰减电流注入回路和正弦电流注入回路触发逻辑时序的配合，使衰减电流与正弦电流叠加施加于被试阀上；

D、关断可关断器件（G），将衰减电流注入回路从电路中退出；关断第一双向控制阀（S₃）的触发脉冲，待正弦电流过零后，正弦电流注入回路从电路中退出；触发高电压注入回路中的第二双向控制阀（S₄），将高电压注入回路投入，将反向电压施加于所述被试阀上。

4.如权利要求3所述的柔性直流输电阀的故障运行试验装置，其特征在于，所述的步骤B中，触发所述衰减电流注入回路中的第一控制阀（S₁）、第二控制阀（S₂），使得第一直流电容器（C₁）向第一负载电抗器（L₁）和衰减电阻（R₁）充电，待第二控制阀（S₂）充分导通后，即关断其触发脉冲；控制可关断器件（G）的触发时刻，使得第一负载电抗器（L₁）通过衰减电阻（R₁）续流；衰减电流注入回路工作在两种模式，产生衰减电流，由衰减电流注入回路注入衰减电流。

5.如权利要求1所述的柔性直流输电阀的故障运行试验装置，其特征在于，所述步骤C中，触发所述正弦电流注入回路的第一双向控制阀（S₃），由正弦电流注入回路，产生正弦电流，通过所述第一控制阀（S₁）、第二控制阀（S₂）和所述第一双向控制阀（S₃）触发逻辑时序的配合，令所述衰减电流达到峰值的时间和第一个正弦电流脉冲达到峰值的时间相同，之后衰减电流继续与正弦电流叠加施加于所述被试阀。

6.如权利要求1所述的柔性直流输电阀的故障运行试验装置，其特征在于，所述步骤D中，在施加反向电压时，控制关断可关断器件（G），使得续流电阻变大，电感放电加快，所述衰减电流注入回路从电路中退出，关断第一双向控制阀（S₃）的触发脉冲，待正弦电流过零后，所述正弦电流注入回路从电路中退出，再触发所述第二双向控制阀（S₄）将高电压注入回路投入，将反向电压施加于所述被试阀，直至试验结束。

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