CN105372586A - 一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，具体技术方案如下：利用试验电源对两个试品阀组件及一个辅助阀组充电，利用恒定直流电压控制策略使各阀子模块电压均匀分布并达到要求的试验电压；采用最近电平逼近调制策略在两试品阀两端产生试验电压，两试品阀具有相同的直流电压分量和等幅值不同相的交流电压分量；在试验电压作用下，两试品阀通过试验电抗器形成闭环功率回路，试验电抗器与试品阀子模块电容器在功率闭环回路内进行电磁能量交换得到试验电流，该电流包含工频基波电流分量、直流电流分量和二倍工频环流分量；利用试验电源对试验回路运行损耗进行补能，利用辅助阀平衡由电网导致的试验电压波动。

Description

一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置
技术领域：
本发明属于柔性高压直流输电、电力电子技术和用户电力技术领域，具体涉及一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置。
背景技术：
目前，我国正广泛开展基于MMC型电压源换流器(VSC)阀的柔性直流输电(Flexible-HVDC)技术研究，已有±160kV/200MW南澳三端柔性直流输电工程和±200kV/400MW舟山五端柔性直流工程投入运行，±350kV/1000MW鲁西异步联网柔性直流输电工程也进入工程实施阶段。作为柔性直流输电(Flexible-HVDC)核心设备，电压源换流器阀电气性能将直接影响系统安全可靠运行，需要通过等效的试验方法和试验回路对其性能进行考核。由于VSC阀基本工作原理、暂态/稳态运行工况均与常规高压直流输电工程用换流器(LCC)存在较大区别，用于LCC阀的试验装置不能满足对VSC阀性能考核的要求。因此，应深入研究VSC阀的工作原理、阀中电力电子器件及其组合体上的电气应力、机械应力和热应力等，提出相应的试验装置要求。同时，柔性直流输电电压源换流器阀普遍具有电压高、电流大的特定，无法采用直接试验设备构建与实际运行工况完全一致的试验装置进行试验，因此，如何采用等效试验方法构建试验装置对其性能进行验证是需要解决的关键问题。
针对VSC阀试验技术，国外已经开展了很多前期工作。CIGREB448工作组针对阀在各种工况下耐受的应力进行了详细的阐述和分析，并提出了相关的试验建议；IEC62501制定了相关的阀试验标准，但并没有给出具体的试验回路。国际上许多公司都在开发VSC阀的相关试验能力。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，用以完成电压源换流器阀运行试验。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，包括1#试品阀V1、2#试品阀V2、辅助阀V3、试验电源S、试验电容器C、试验电抗器L1以及限流电抗器L2和L3；其中，
试验电源S、限流电抗器L2串流后与试验电容器C高压端相连，且试验电容器C高压端与辅助阀V3高压端相连，辅助阀V3低压端串联限流电抗器L3后与1#试品阀V1高压端相连，辅助阀V3低压端串联限流电抗器L3、试验电抗器L1后与2#试品阀V2高压端相连；试验电源S低压端、试验电容器C低压端、1#试品阀V1低压端和2#试品阀V2低压端连接后与试验回路一次接地端子相连。
本发明进一步的改进在于：所述1#试品阀V1和2#试品阀V2具有完全相同的结构，均包含n个子模块SM，n为正整数，且n的取值为5-15。
本发明进一步的改进在于：辅助阀V3为电压源换流器阀，包含m个子模块SM，m为正整数，且m的取值为5-20。
本发明进一步的改进在于：所述1#试品阀V1、2#试品阀V2和辅助阀V3各子模块SM均包含：并联的半桥结构与子模块电容器或并联的H桥结构与子模块电容器、反并联二极管或反并联晶闸管、旁路开关和电容放电电阻。
本发明进一步的改进在于：试验电源S分别由对应顺次连接的调压器VR、变压器T和整流桥Rec组成，调压器VR一次侧与电网连接；其中，
试验开始时，试验电源S、限流电抗器L2和L3串流组成充电支路，对试验电容器C、辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2充电；
试验过程中，试验电源S、限流电抗器L2和L3串流组成补能支路，对辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2补能。
本发明进一步的改进在于：当试验电源S对1#试品阀V1和2#试品阀充电完成后，1#试品阀V1和2#试品阀V2通过试验电抗器L1形成闭环功率回路。
本发明进一步的改进在于：利用辅助阀V3平衡电网电压波动。
相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置利用试验电源S、限流电抗器L2和L3对辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2子模块SM进行初始充电和运行过程中补能，利用1#试品阀V1和2#试品阀V2各子模块SM电容器与试验电抗器L1之间的电磁能量交换形成闭环功率回路，通过控制1#试品阀V1和2#试品阀V2输出同幅不同相角的交流电压获得试验电流。该电流与电压源换流器阀实际工况等效，包含工频基波分量、直流分量和二倍工频分量。试验回路所需交、直流功率闭环流动，仅从电网吸收较少的损耗功率。
本发明描述的试验装置能够提供与1#试品阀V1和2#试品阀V2实际运行等效的运行电压和电流，满足对阀电气应力、机械应力和热应力的考核要求，且1#试品阀V1和2#试品阀V2子模块SM数量不受约束，能够满足不同子模块数阀段的运行试验要求。
附图说明：
图1为本发明柔性直流输电电压源换流器阀运行试验回路电路原理图。
图2柔性直流输电电压源换流器阀运行试验电压波形图。
图3柔性直流输电电压源换流器阀运行试验电流波形图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例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，本发明一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，包括1#试品阀V1、2#试品阀V2、辅助阀V3、试验电源S、试验电容器C、试验电抗器L1、限流电抗器L2和L3组成。试验电源S、限流电抗器L2串流后与试验电容器C高压端相连；试验电容器C高压端与辅助阀V3高压端相连；辅助阀V3低压端串联限流电抗器L3后与1#试品阀V1高压端相连，辅助阀V3低压端串联限流电抗器L3、试验电抗器L1后与2#试品阀V2高压端相连；试验电源S低压端、试验电容器C低压端、1#试品阀V1低压端和2#试品阀V2低压端连接后与试验回路一次接地端子相连。
试验电源S分别由对应顺次连接的调压器VR、变压器T和整流桥Rec组成，调压器VR一次侧与电网连接。
辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2各子模块SM结构相同，1#试品阀V1和2#试品阀V2完全相同(包括子模块SM参数及数量)。各子模块SM均包含：并联的半桥结构与子模块电容器或并联的H桥结构与子模块电容器、反并联二极管或反并联晶闸管、旁路开关和电容放电电阻。
本实施例中，辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2描述如下：
(1)1#试品阀V1、2#试品阀V2和辅助阀V3子模块采用半桥与子模块电容并联结构，阀V1和阀V2子模块数量均为n，辅助阀V3子模块数为m；
(2)对1#试品阀V1，以第一个功率子模块SM11为例，功率器件PD11u与二极管D11u反并联组成功率模块PM11u，功率器件PD11d与二极管D11d反并联组成功率模块PM11d，功率模块PM11u和功率模块PM11d串联构成功率模块串联支路PS11，功率模块PM11d、反并联晶闸管Ty11(如果有)和旁路开关K11依次并联，电阻R11、子模块电容C11与功率模块串联支路并联。
(3)对2#试品阀V2，以第一个功率子模块SM21为例，功率器件PD21u与二极管D21u反并联组成功率模块PM21u，功率器件PD21d与二极管D21d反并联组成功率模块PM21d，功率模块PM21u和功率模块PM21d串联构成功率模块串联支路PS21，功率模块PM21d、反并联晶闸管Ty21(如果有)和旁路开关K21依次并联，电阻R21、子模块电容C21与功率模块串联支路并联。
(4)对辅助阀V3，以第一个功率子模块SM31为例，功率器件PD31u与二极管D31反并联组成功率模块PM31u，功率器件PD31d与二极管D31d反并联组成功率模块PM31d，功率模块PM31u和功率模块PM31d串联构成功率模块串联支路PS31，功率模块PM31d、反并联晶闸管Ty31(如果有)和旁路开关K31依次并联，电阻R31、子模块电容C31与功率模块串联支路并联。
试验回路开始运行时，试验电源S对1#试品阀V1、2#试品阀V2、辅助阀V3各子模块SM直流电容器充电，限流电抗器L2和L3用于限制充电电流。充电完成后解锁辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2，使各阀电压最终均达到试验要求的电压值。设定1#试品阀V1和2#试品阀V2标准参考电压波形及相角差，解锁1#试品阀V1和2#试品阀V2，通过试验电抗器L1形成闭环功率回路，交流功率和直流功率在该功率环内循环交换，1#试品阀V1和2#试品阀V2进入稳态连续运行。1#试品阀V1和2#试品阀V2稳态连续运行期间，解锁辅助阀V3，对1#试品阀V1和2#试品阀V2进行补能。
试验电源S电压可调，能够根据不同子模块SM数量设定试验电压(如图2所示)，满足1#试品阀V1和2#试品阀V2充电和补能要求。1#试品阀V1和2#试品阀两端电压U1、U2如图3所示。U1、U2具有相同的直流电压分量和等幅值不同相角的交流电压分量。1#试品阀V1和2#试品阀V2各子模块SM电容器与试验电抗器L1形成电磁能量闭环回路，在1#试品阀V1和2#试品阀间流通具有一定交、直流分量的试验电流(如图3所示)，包括工频基波电流If、直流电流Id和二倍工频环流Ih。
特别说明上述实施例是为更好对本发明进行说明而非对其进行限制。本发明所属技术领域的技术人员参照本发明进行的修改或变更均在本发明申请的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，其特征在于：包括1#试品阀V1、2#试品阀V2、辅助阀V3、试验电源S、试验电容器C、试验电抗器L1以及限流电抗器L2和L3；其中，
试验电源S、限流电抗器L2串流后与试验电容器C高压端相连，且试验电容器C高压端与辅助阀V3高压端相连，辅助阀V3低压端串联限流电抗器L3后与1#试品阀V1高压端相连，辅助阀V3低压端串联限流电抗器L3、试验电抗器L1后与2#试品阀V2高压端相连；试验电源S低压端、试验电容器C低压端、1#试品阀V1低压端和2#试品阀V2低压端连接后与试验回路一次接地端子相连。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，其特征在于：所述1#试品阀V1和2#试品阀V2具有完全相同的结构，均包含n个子模块SM，n为正整数，且n的取值为5-15。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，其特征在于：辅助阀V3为电压源换流器阀，包含m个子模块SM，m为正整数，且m的取值为5-20。
4.根据权利要求2或3所述的柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，其特征在于：所述1#试品阀V1、2#试品阀V2和辅助阀V3各子模块SM均包含：并联的半桥结构与子模块电容器或并联的H桥结构与子模块电容器、反并联二极管或反并联晶闸管、旁路开关和电容放电电阻。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，其特征在于：试验电源S分别由对应顺次连接的调压器VR、变压器T和整流桥Rec组成，调压器VR一次侧与电网连接；其中，
试验开始时，试验电源S、限流电抗器L2和L3串流组成充电支路，对试验电容器C、辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2充电；
试验过程中，试验电源S、限流电抗器L2和L3串流组成补能支路，对辅助阀V3、1#试品阀V1和2#试品阀V2补能。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，其特征在于：当试验电源S对1#试品阀V1和2#试品阀充电完成后，1#试品阀V1和2#试品阀V2通过试验电抗器L1形成闭环功率回路。
7.根据权利要求1所述的柔性直流输电电压源换流器阀运行试验装置，其特征在于：利用辅助阀V3平衡电网电压波动。
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