CN103954866B - 一种半桥结构电压源换流器的试验电路及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半桥结构电压源换流器的试验电路及其调制方法，所述电路包括依次连接的试验电源电路、直流电源、半桥结构电压源换流器子模块1、阻感负载和半桥结构电压源换流器子模块2。所述方法为通过设定直流电源的输出电压，使直流母线电压达到要求，给半桥结构电压源换流器的直流侧电容充电；充电达到稳定后，控制电路控制器输出PWM脉冲信号，使半桥结构电压源换流器运行于不同工况；通过测量阻感负载的电流和电压模拟半桥结构电压源换流器的各种故障，从而考核半桥结构电压源换流器的性能与稳定性。本发明通过构造各种半桥结构电压源换流器的工况，满足对半桥结构电压源换流器的设计及单元控制器控制策略的试验验证要求。

Description

一种半桥结构电压源换流器的试验电路及其调制方法

技术领域：

本发明涉及一种换流器的试验电路及调制方法，更具体涉及一种半桥结构电压源换流器的试验电路及其调制方法。

背景技术：

应用基于可关断器件的大功率电力电子装置是解决我国电网提高系统稳定性、增加电网输电能力、改善无功分布和电压支撑等关键问题的途径之一。为了保证装置的可靠运行，需要在投入运行之前对装置的核心部件——可关断器件阀进行相应的型式试验。国际电工委员会提出了柔性直流输电(voltage-sourced converter based high voltagedirectcurrent transmission，VSC—HVDC)换流阀的试验标准——IEC62501标准规定了VSC—HVDC换流阀的型式试验包括绝缘试验和运行试验，其中绝缘试验针对阀对地、阀端问的绝缘进行；运行试验是模拟阀实际运行工况的试验方式，是最重要也是最复杂的一种试验方式。国外一些著名公司对于研制的基于可关断器件阀的大功率电力电子装置都要进行必要的出厂试验和型式试验，而在国内虽然对于半控器件晶闸管阀试验技术的研究己广泛开展，但对于可关断器件阀试验方法的研究还处于起步阶段。该类试验的核心问题在于，如何在试验室中以较少的代价，尽可能真实地再现在各种运行工况下可能作用在被试品上的各种应力，以便正确评价被试组件的耐受强度。而对于电力电子器件来说，由于试验电路与器件内部载流子运动过程的相互作用，该类试验要远比一般的设备的电气试验复杂。

发明内容：

本发明的目的是提供一种半桥结构电压源换流器的试验电路及其调制方法，该发明的技术方案简单可靠；可以构造各种半桥结构电压源换流器的工况，满足对半桥结构电压源换流器的设计及单元控制器控制策略的试验验证要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述半桥结构电压源换流器为由IGBT组成的子模块；所述电路包括依次连接的试验电源电路、直流电源、设有控制电路的半桥结构电压源换流器子模块1、阻感负载和设有控制电路的半桥结构电压源换流器子模块2；所述控制电路用于实现所述半桥结构电压源换流器不同工况。

本发明提供的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述试验电源电路包括串联的三相交流电源和所述直流电源连接的断路器。

本发明提供的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述直流电源包括恒定空载电压式直流电源、无级调压式直流电源和控制角调节式直流电源。

本发明提供的另一优选的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述恒定空载电压式直流电源包括串联的多绕组或多分接头变压器和三相不控整流器；所述多绕组或多分接头变压器原边与所述断路器输出端交流侧连接，其副边与所述三相不控整流器连接作为直流输出端。

本发明提供的再一优选的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述无级调压式直流电源包括依次连接的调压器、变压器和三相不控整流器；所述变压器原边通过调压器与所述断路器输出端交流侧连接，其副边连接所述三相不控整流器作为直流输出端。

本发明提供的又一优选的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述控制角调节式直流电源包括整流变压器和三相晶闸管相控整流器；所述整流变压器原边与所述断路器输出端交流侧连接，其每个副边分别接三相晶闸管相控整流器交流侧；所述三相晶闸管相控整流器包括并联的全桥支路和二极管支路，所述全桥支路包括至少2个串联的晶闸管整流桥，每个所述晶闸管整流桥通过6个晶闸管组成整流桥；所述二极管支路包括至少2个串联的二极管；两个支路通过各自的上下臂间相互连接。

本发明提供的又一优选的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述半桥结构电压源换流器子模块1包括并联的IGBT支路和直流电容；所述IGBT支路包括两个串联的IGBT上下管，每个IGBT均反向并联一个二极管；下管所述IGBT并联旁路电路；

所述直流电容对取能电路供电，经电力变换给控制电路提供控制电源，所述控制电路产生PWM波形对半桥结构电压源换流器子模块1的IGBT进行控制并对IGBT支路的控制信号互补；

所述半桥结构电压源换流器子模块2与所述半桥结构电压源换流器子模块1结构相同。

本发明提供的又一优选的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述半桥结构电压源换流器子模块1的输出端通过阻感负载与所述半桥结构电压源换流器子模块2连接；所述半桥结构电压源换流器子模块1的直流电容并联所述直流电源输出端；

所述旁路电路包括并联的旁路开关和反向并联所述下管IGBT的旁路晶闸管；

所述阻感负载包括串联的电阻和电抗器。

本发明提供的一种包含上述技术方案的半桥结构电压源换流器的试验电路的调制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)闭合试验电源的断路器；

(2)设定直流电源的输出电压，使直流母线电压达到要求，给半桥结构电压源换流器的直流侧电容充电；

(3)充电达到稳定后，控制电路输出PWM脉冲信号，PWM脉冲信号是由载波与调制波相比较生成的，根据调制波的不同，使半桥结构电压源换流器运行于不同工况；

(4)测量阻感负载的电流和电压；

(5)模拟半桥结构电压源换流器的各种故障；

(6)考核半桥结构电压源换流器的性能与稳定性。

本发明提供的又一优选的一种调制方法，所述步骤(3)中半桥结构电压源换流器的工况包括交流工况和交直流工况；

设工况中流过负载电抗器的电流I_L通过下式(1)确定：

I_L＝I_Δ+I_L1 (1)

其中，I_Δ为子模块输出电流的直流分量，I_L1为子模块输出电流交流分量基波有效值；所述子模块输出电流的直流分量I_Δ通过下式(2)确定：

其中，V_dc为直流电源输出直流电压，R_L为电抗器电阻，V_Δ为调制波直流偏置，V_cm为三角载波峰值；

所述子模块输出电流交流分量基波有效值I_L1通过下式(3)确定：

其中，V_rm为正弦调制波峰值，R为阻感负载回路的电阻值，ω为输出同步角频率，L为阻感负载回路的电感值；

通过设定不同的V_Δ和V_rm，得到不同的叠加直流分量的负载电抗器电流。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明中试验装置结构简单且试验方法简单可靠；

2、本发明提出的调制方法可以构造各种半桥结构电压源换流器的工况；

3、本发明满足对半桥结构电压源换流器的设计、电气应力及单元控制器控制效果的试验验证要求；

4、本发明的技术方案在试验室中以较少的代价，尽可能地真实再现各种运行工况下可能作用在半桥结构电压源换流器上的各种应力，以便正确评价半桥结构电压源换流器的耐受强度；

5、本发明充分展示半桥结构电压源换流器的各项性能，测试半桥结构电压源换流器单元控制器的基本控制、保护功能。

附图说明

图1为本发明的试验电路结构示意图；

图2为本发明的半桥结构电压源换流器电路结构示意图；

图3为本发明的直流电源电路结构示意图；

图4为本发明的直流电源电路结构示意图；

图5为本发明的直流电源电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-5所示，本例的发明半桥结构电压源换流器的试验电路，所述半桥结构电压源换流器为由IGBT组成的子模块；所述电路包括如图1所示的依次连接的试验电源电路、直流电源、构成H桥的半桥结构电压源换流器子模块1、阻感负载和半桥结构电压源换流器子模块2。所述子模块内设有控制电路，所述控制电路用于实现所述半桥结构电压源换流器不同工况。

所述试验电源电路包括串联的三相交流电源和所述直流电源连接的断路器。

所述直流电源包括恒定空载电压式直流电源、无级调压式直流电源和控制角调节式直流电源。

如图3所示，所述恒定空载电压式直流电源包括串联的多绕组或多分接头变压器和三相不控整流器；所述多绕组或多分接头变压器原边与所述断路器输出端交流侧连接，其副边与所述三相不控整流器连接作为直流输出端；所述变压器由于采用多绕组变压器，并具有多组分接头，通过多绕组/多分接头方式得到多级副边电压，再经过不控整流器输出需求的直流电压，该直流电源空载电压恒定，通过改变不同的绕组或分接头即可得到需求的电压。

如图4所示，所述无级调压式直流电源包括依次连接的调压器、变压器和三相不控整流器；所述变压器原边通过调压器与所述断路器输出端交流侧连接，其副边连接所述三相不控整流器作为直流输出端；所述调压器使用三相柱式调压器调节变压器原边电压，得到变压器副边的不同电压，经不控整流器得到直流电压，可实现无级调压。

如图5所示，所述控制角调节式直流电源包括整流变压器和三相晶闸管相控整流器；所述整流变压器原边与所述断路器输出端交流侧连接，其每个副边分别接三相晶闸管相控整流器交流侧；所述三相晶闸管相控整流器包括并联的全桥支路和二极管支路，所述全桥支路包括至少两个串联的晶闸管整流桥，每个所述晶闸管整流桥通过6个晶闸管组成整流桥；所述二极管支路包括至少两个串联的二极管；两个支路通过各自的上下臂间相互连接；所述变压器接线形式为D/Y11/D12(采用三线圈结构：变压器初级角接，次级1星接，1角接)。晶闸管相控整流器为2个整流桥串联同时工作，等效12脉波整流，有效降低电源谐波。调整控制角可以调节输出的直流电压在一定范围内无级变化；

该直流电源较为成熟，各项性能指标满足试验需求；电压调整范围大，通过反馈控制可维持输出电压恒定；可采用全数字控制，控制精度高，保护响应速度快，通讯接口完备。

如图1和图2所示，所述半桥结构电压源换流器子模块1包括并联的IGBT支路、放电电路和直流电容；所述IGBT支路包括两个串联的IGBT上下管，每个IGBT均反向并联一个二极管；下管所述IGBT并联旁路电路；

所述放电电路包括串联的IGBT和放电电阻，所述IGBT反向并联一个续流二极管；所述放电电阻并联测量回路1和用于抑制放电IGBT的关断浪涌电压的续流二极管，所述测量回路1包括串联的测量元件与电阻，也可采用电阻分压器；所述放电电路并联测量回路2，所述测量回路2包括串联的测量元件与电阻，也可采用电阻分压器；

所述直流电容对取能电路供电，经电力变换给控制电路提供控制电源，所述控制电路产生PWM波形对半桥结构电压源换流器的IGBT进行控制并对IGBT支路的控制信号互补；

PWM信号是由载波与调制波相比较生成的。载波为全波三角波，调制波为正弦波。调制波的频率是工频50Hz，载波的频率是调制波频率的若干倍。根据调制波的不同，产生两种不同的PWM信号，分别模拟半桥结构电压源换流器两种不同的工况。

所述半桥结构电压源换流器子模块2与所述半桥结构电压源换流器子模块1结构相同。

所述半桥结构电压源换流器子模块1的输出端通过阻感负载与所述半桥结构电压源换流器模块2连接；所述半桥结构电压源换流器子模块1的直流电容并联所述直流电源输出端；

所述旁路电路包括并联的旁路开关和反向并联所述下管IGBT的旁路晶闸管；

所述阻感负载包括串联的电阻和电抗器。

包含上述技术方案的半桥结构电压源换流器的试验电路的试验方法，所述方法包括以下步骤：

(1)闭合试验电源的断路器；

(2)设定直流电源的输出电压，使直流母线电压达到要求，给半桥结构电压源换流器的直流侧电容充电；

(3)充电达到稳定后，控制电路输出PWM脉冲信号，PWM脉冲信号是由载波与调制波相比较生成的，根据调制波的不同，使半桥结构电压源换流器运行于不同工况；

(4)测量阻感负载的电流和电压；

(5)模拟半桥结构电压源换流器的各种故障；

(6)考核半桥结构电压源换流器的性能与稳定性。

所述步骤(3)中半桥结构电压源换流器的工况包括交流工况和交直流工况；交流工况为控制半桥结构电压源换流器IGBT的PWM信号的调制波没有直流分量，流过电抗器的电流为交流，进行运行试验考核；交直流工况为在UPFC输出有功模式下及柔性直流输电装置中，半桥结构电压源换流器会同时流过交流及直流电流。为了验证装置输出有功模式下装置性能，应再现该过程。

其中，设工况中流过负载电抗器的电流I_L通过下式(1)确定：

I_L＝I_Δ+I_L1 (1)

其中，I_Δ为子模块输出电流的直流分量，I_L1为子模块输出电流交流分量基波有效值；所述子模块输出电流的直流分量I_Δ通过下式(2)确定：

其中，V_dc为直流电源输出直流电压，R_L为电抗器电阻，V_Δ为调制波直流偏置，V_cm为三角载波峰值；

所述子模块输出电流交流分量基波有效值I_L1通过下式(3)确定：

其中，V_rm为正弦调制波峰值，R为阻感负载回路的电阻值，ω为输出同步角频率，L为阻感负载回路的电感值；

根据公式(1)、公式(2)和公式(3)，设定不同的V_Δ和V_rm，即可得到不同的叠加直流分量的负载电抗器电流。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，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，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种半桥结构电压源换流器的试验电路，所述半桥结构电压源换流器为由IGBT组成的子模块；其特征在于：所述电路包括依次连接的试验电源电路、直流电源、设有控制电路的半桥结构电压源换流器子模块1、阻感负载和设有控制电路的半桥结构电压源换流器子模块2；所述控制电路用于实现所述半桥结构电压源换流器的不同工况；所述半桥结构电压源换流器子模块1包括并联的IGBT支路和直流电容；所述IGBT支路包括两个串联的IGBT上下管，每个IGBT均反向并联一个二极管；下管所述IGBT并联旁路电路；

所述直流电容对取能电路供电，经电力变换给控制电路提供控制电源，所述控制电路产生PWM波形对半桥结构电压源换流器子模块1的IGBT进行控制并对IGBT支路的控制信号互补；

所述半桥结构电压源换流器子模块2与所述半桥结构电压源换流器子模块1结构相同；所述半桥结构电压源换流器子模块1的输出端通过阻感负载与所述半桥结构电压源换流器子模块2连接；所述半桥结构电压源换流器子模块1的直流电容并联所述直流电源输出端；

所述旁路电路包括并联的旁路开关和反向并联所述下管IGBT的旁路晶闸管；

所述阻感负载包括串联的电阻和电抗器。

2.如权利要求1所述的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，其特征在于：所述试验电源电路包括串联的三相交流电源和所述直流电源连接的断路器或接触器。

3.如权利要求2所述的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，其特征在于：所述直流电源包括恒定空载电压式直流电源、无级调压式直流电源和控制角调节式直流电源。

4.如权利要求3所述的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，其特征在于：所述恒定空载电压式直流电源包括串联的多绕组或多分接头变压器和三相不控整流器；所述多绕组或多分接头变压器原边与所述断路器输出端交流侧连接，其副边与所述三相不控整流器连接作为直流输出端。

5.如权利要求3所述的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，其特征在于：所述无级调压式直流电源包括依次连接的调压器、变压器和三相不控整流器；所述变压器原边通过调压器与所述断路器输出端交流侧连接，其副边连接所述三相不控整流器作为直流输出端。

6.如权利要求3所述的一种半桥结构电压源换流器的试验电路，其特征在于：所述控制角调节式直流电源包括整流变压器和三相晶闸管相控整流器；所述整流变压器原边与所述断路器输出端交流侧连接，其每个副边分别接三相晶闸管相控整流器交流侧；所述三相晶闸管相控整流器包括并联的全桥支路和二极管支路，所述全桥支路包括至少2个串联的晶闸管整流桥，每个所述晶闸管整流桥通过6个晶闸管组成整流桥；所述二极管支路包括至少2个串联的二极管；两个支路通过各自的上下臂间相互连接。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种半桥结构电压源换流器的试验电路的调制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)闭合试验电源的断路器；

(2)设定直流电源的输出电压，使直流母线电压达到要求，给半桥结构电压源换流器的直流侧电容充电；

(3)充电达到稳定后，控制电路输出PWM脉冲信号，PWM脉冲信号是由载波与调制波相比较生成的，根据调制波的不同，使半桥结构电压源换流器运行于不同工况；

(4)测量阻感负载的电流和电压；

(5)模拟半桥结构电压源换流器的各种故障；

(6)考核半桥结构电压源换流器的性能与稳定性。

8.如权利要求7所述的一种调制方法，其特征在于：所述步骤(3)中半桥结构电压源换流器的工况包括交流工况和交直流工况；

设工况中流过负载电抗器的电流I_L通过下式(1)确定：

I_L＝I_Δ+I_L1 (1)

其中，I_Δ为子模块输出电流的直流分量，I_L1为子模块输出电流交流分量基波有效值；所述子模块输出电流的直流分量I_Δ通过下式(2)确定：

$I_{\mathrm{\Δ}}=\frac{V_{dc}}{R_L}\·\frac{V_{\mathrm{\Δ}}}{V_{cm}}---\left(2\right)$

其中，V_dc为直流电源输出直流电压，R_L为电抗器电阻，V_Δ为调制波直流偏置，V_cm为三角载波峰值；

所述子模块输出电流交流分量基波有效值I_L1通过下式(3)确定：

$I_{L1}=\frac{V_{rm}}{V_{cm}}\·\frac{V_{dc}}{\sqrt{R^2+{\left(\mathrm{\ω}L\right)}^2}}---\left(3\right)$

其中，V_rm为正弦调制波峰值，R为阻感负载回路的电阻值，ω为输出同步角频率，L为阻感负载回路的电感值；

通过设定不同的V_Δ和V_rm，得到不同的叠加直流分量的负载电抗器电流。