CN106990309A - 一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置及方法，所述装置包括试品阀1、试品阀2、补能阀、变压器T1、环流抑制电抗L02、补能桥臂电抗L01、开关K01和交流试验电源S0。充分利用现有柔性直流换流阀辅助运行试验装置，将试品阀和补能阀的单元连接方向相反，这种连接方式能够配合交流电源的工作周期实现对补能阀和试品阀的交替充电过程直接采用普通的小功率变压器对试验系统进行充电、补能，不需要配置直流电源。所需的小功率变压器，可以简单用一个小功率的单相变压器实现，或者一个调压器来实现，主回路简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电和电力电子应用技术领域，特别涉及一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置及方法。
背景技术
基于MMC电压源换流器的柔性直流输电系统具有向无源系统或者弱交流系统供电、有功和无功快速独立控制、易于构成多端网络和环境友好等优异性能，并且MMC-HVDC系统的输送电压谐波含量极低，无需再配置额外的滤波器，使得基于MMC的柔性直流输电在输电领域有着广泛的应用前景。而MMC-HVDC的核心部件功率单元模块是整个柔性直流输电换流阀的最小单元，功率单元模块组成阀段，由阀段组成换流阀的6个桥臂。
换流阀的可靠性直接决定了柔性直流输电系统的可靠性。为了保证在柔性直流输电系统的各种工况中，换流阀能够可靠运行，IEC标准规定了对换流阀阀段进行的型式试验，其中包含了稳态运行试验。这是柔性直流输电工程设计环节中不可缺少的重要环节，是整个柔直系统后期安全稳定持久运行的重要保证。
柔性直流输电的换流阀在稳态运行时会承受较大的电流，其中包括直流分量和交流分量。根据实际运行工况的要求和IEC标准的规定，在试验过程中，桥臂电流的直流分量、交流分量的幅值、及交直流合成后桥臂电流的峰值都必须按照工程要求进行调整。
根据实际运行工况的要求和IEC标准的规定，在试验过程中，换流阀两端的电压一般包括直流电压分量和交流电压分量，在典型的设计下，直流电压分量相当于阀段额定电压的一半，而交流电压分量的幅值约等于阀段额定电压的一半。为了给阀段供电，同时产生所需要的直流电压分量，目前公开的所有方法都依靠高压直流电源，明显增加了试验成本。
公开号为CN202230181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”采用了两个直流电源，需要依靠额外的高压直流电源充电和额外的低压直流电源补能，明显增大了试验装置的成本。
公开号为CN105372586A的中国专利“一种柔性直流输电电压源换流器阀运行试验方法”也采用了直流试验电源，需要额外的低压直流电源补能，明显增大了试验装置的成本。并且专利中的方法需要额外的高压直流整流电源及高压电容器组，明显增大了试验装置的成本，而且控制复杂。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置及方法，充分利用现有柔性直流换流阀辅助运行试验装置，将试品阀和补能阀的单元连接方向相反，这种连接方式能够配合交流电源的工作周期实现对补能阀和试品阀的交替充电过程直接采用普通的小功率变压器对试验系统进行充电、补能，不需要配置直流电源。所需的小功率变压器，可以简单用一个小功率的单相变压器实现，或者一个调压器来实现，主回路简单可靠。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，包括试品阀1、试品阀2、补能阀、变压器T1、环流抑制电抗L02、补能桥臂电抗L01、开关K01和交流试验电源S0。
所述的试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端分别接在环流抑制电抗L02的两边，变压器T1的副边绕组与补能阀、补能桥臂电抗L01串联后，一端接地，另外一端接环流抑制电抗L02的任何一端，变压器T1的原边绕组与开关K01串接之后与交流试验电源S0相连接。
所述的试品阀1、2和补能阀的单元连接方向相反，这种连接方式能够配合交流电源的工作周期实现对补能阀和试品阀的交替充电过程。
所述的变压器T1可以采用调压器，在试验过程中通过调压器的缓慢调压对试验电路进行充电。
在变压器T1和开关K01中间还可以串联有充电电阻R，并且在充电电阻R上还并联有旁路开关K02，在试验过程中通过充电电阻和旁路开关对试验电路进行充电。
还可以采用两个环流抑制电抗L02和L03使两个试品阀平衡布置，连接方式为：试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端与环流抑制电抗L02、L03串联，变压器T1的副边绕组、补能阀、补能桥臂电抗L01串联后，一端接地，另外一端连接在环流抑制电抗L02、L03的中点上。
一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行的试验方法，包括：
(1)在试品阀和补能阀中的单元电容电压还没有建立起来时，需要对它们进行充电，有两种充电方法可选：利用调压器T1进行充电和利用充电电阻R和充电电阻旁路开关K02进行充电两种充电方法；
(2)采用交流试验电源，利用试品阀与补能阀的反向连接和交流电源的正反相周期波对补能阀和试品阀的交替充电的方法；
(3)由于补能桥臂的电流直接流经变压器绕组，因此在试验过程中，控制补能桥臂的调制信号直流分量和试品桥臂的调制信号直流分量必须相等，使得补能桥臂的电流中直流偏置分量为0，避免引起变压器的磁路保护；
(4)试验过程中，控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；控制补能阀的调制信号，使得补能阀、试品阀1、试品阀2中的电容电压平衡，并满足试验要求。
所述的利用调压器T1进行充电的方法为：
步骤一、开始时，将调压器T1调到输出为零电压，闭合K01；
步骤二、然后缓慢上升调压器T1输出电压，因为试品阀和补能阀连接时，其中单元的连接方向相反，所以在交流电源的正半波时对试品阀充电，而交流电源的负半波时对补能阀充电；
步骤三、等待调压器上升到规定电压，充电结束，这时试品阀和补能阀上的桥臂电容电压和都等于交流电源的峰值电压，可以开始试验。
所述的利用充电电阻R和充电电阻旁路开关K02进行充电的方法为：
步骤一、首先闭合K01，开始对试品阀和补能阀充电；
步骤二、因为试品阀和补能阀连接时，其中单元的连接方向相反，所以在交流电源的正半波时对试品阀充电，而交流电源的负半波时对补能阀充电；
步骤三、等待充电结束单元电压稳定后，闭合充电电阻旁路开关K02。这时的试品阀和补能阀上的桥臂电容电压和都等于交流电源的峰值电压，可以开始试验。
还包括以下方法：在试验过程中，试品阀1、试品阀2和环流抑制电抗L02中流过了所需的试验电流，试验电流的产生，依靠试品阀1和试品阀2的调试信号不同产生；典型的试验情况下，试品阀1和试品阀2的调制波都给定为正弦信号，两者幅值、频率相等，相差相差一个小的角度；因此，试品阀1和试品阀2中间的环流抑制电抗器上，将承受两者电压的差值，因而产生一个相同频率的正弦环流。而两个试品阀之间微小的电容电压差将导致环流抑制电抗器上的直流分量；正弦环流和直流分量合成了所需的试验电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置及方法，将试品阀和补能阀的单元连接方向相反，这种连接方式能够配合交流电源的工作周期实现对补能阀和试品阀的交替充电过程直接采用普通的小功率变压器对试验系统进行充电、补能，不需要配置直流电源。所需的小功率变压器，可以简单用一个小功率的单相变压器实现，或者一个调压器来实现，主回路简单可靠。
2、本发明的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，可以采用利用充电电阻R和充电电阻旁路开关K02进行充电和利用调压器T1进行充电两种充电方法，采用调压器充电能够在充电过程中对充电电流进行稳定调节。
3、本发明的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，在交流电源与试品阀中间串接补能阀及补能桥臂电抗L01，使其中只会流过很小的交流电流，用于补偿试品阀的试验损耗。
4、本发明的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验方法，在试验过程中，控制补能桥臂的调制信号直流分量和试品桥臂的调制信号直流分量必须相等，使得补能桥臂的电流中直流偏置分量为0，能够避免引起变压器的磁路保护。
5、本发明的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验方法，在试验过程中，通过控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；通过控制补能阀的调制信号，使得补能阀、试品阀1、试品阀2中的电容电压平衡，并满足试验要求。
附图说明
图1是本发明的换流阀稳态运行试验装置拓扑结构图；
图2是本发明的采用调压器控制充电过程的运行试验装置拓扑结构图；
图3是本发明的采用充电电阻控制充电过程的运行试验装置拓扑结构图；
图4是本发明的两个试品阀完全对称的运行试验装置拓扑结构图；
图5是本发明的功率单元模块电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，包括试品阀1、试品阀2、补能阀、变压器T1、环流抑制电抗L02、补能桥臂电抗L01、开关K01和交流试验电源S0。
所述的试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端分别接在环流抑制电抗L02的两边，变压器T1的副边绕组与补能阀、补能桥臂电抗L01串联后，一端接地，另外一端接环流抑制电抗L02的任何一端，变压器T1的原边绕组与开关K01串接之后与交流试验电源S0相连接。
所述的试品阀1、2和补能阀的单元连接方向相反，这种连接方式能够配合交流电源的工作周期实现对补能阀和试品阀的交替充电过程。
如图2所示，所述的变压器T1可以采用调压器，在试验过程中通过调压器的缓慢调压对试验电路进行充电。
如图3所示，在变压器T1和开关K01中间还可以串联有充电电阻R，并且在充电电阻R上还并联有旁路开关K02，在试验过程中通过充电电阻和旁路开关对试验电路进行充电。
如图4所示，还可以采用两个环流抑制电抗L02和L03使两个试品阀平衡布置，连接方式为：试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端与环流抑制电抗L02、L03串联，变压器T1的副边绕组、补能阀、补能桥臂电抗L01串联后，一端接地，另外一端连接在环流抑制电抗L02、L03的中点上。
如图5所示，所述试验装置的试品阀阀段由一个或多个功率单元模块级联而成，每个功率单元子模块包括IGBT1和IGBT2、电容器Csm、放电电阻Rc、旁路晶闸管Tr、功率单元模块主控板组成；通过控制触发上下IGBT的导通和关断来控制功率单元模块的投入和切出。
一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行的试验方法，包括：
(1)在试品阀和补能阀中的单元电容电压还没有建立起来时，需要对它们进行充电，有两种充电方法可选：利用调压器T1进行充电和利用充电电阻R和充电电阻旁路开关K02进行充电两种充电方法；
(2)采用交流试验电源，利用试品阀与补能阀的反向连接和交流电源的正反相周期波对补能阀和试品阀的交替充电的方法；
(3)由于补能桥臂的电流直接流经变压器绕组，因此在试验过程中，控制补能桥臂的调制信号直流分量和试品桥臂的调制信号直流分量必须相等，使得补能桥臂的电流中直流偏置分量为0，避免引起变压器的磁路保护；
(4)试验过程中，控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；控制补能阀的调制信号，使得补能阀、试品阀1、试品阀2中的电容电压平衡，并满足试验要求。
所述的利用调压器T1进行充电的方法为：
步骤一、开始时，将调压器T1调到输出为零电压，闭合K01；
步骤二、然后缓慢上升调压器T1输出电压，因为试品阀和补能阀连接时，其中单元的连接方向相反，所以在交流电源的正半波时对试品阀充电，而交流电源的负半波时对补能阀充电；
步骤三、等待调压器上升到规定电压，充电结束，这时试品阀和补能阀上的桥臂电容电压和都等于交流电源的峰值电压，可以开始试验。
所述的利用充电电阻R和充电电阻旁路开关K02进行充电的方法为：
步骤一、首先闭合K01，开始对试品阀和补能阀充电；
步骤二、因为试品阀和补能阀连接时，其中单元的连接方向相反，所以在交流电源的正半波时对试品阀充电，而交流电源的负半波时对补能阀充电；
步骤三、等待充电结束单元电压稳定后，闭合充电电阻旁路开关K02。这时的试品阀和补能阀上的桥臂电容电压和都等于交流电源的峰值电压，可以开始试验。
还包括以下方法：在试验过程中，试品阀1、试品阀2和环流抑制电抗L02中流过了所需的试验电流，试验电流的产生，依靠试品阀1和试品阀2的调试信号不同产生；典型的试验情况下，试品阀1和试品阀2的调制波都给定为正弦信号，两者幅值、频率相等，相差相差一个小的角度；因此，试品阀1和试品阀2中间的环流抑制电抗器上，将承受两者电压的差值，因而产生一个相同频率的正弦环流。而两个试品阀之间微小的电容电压差将导致环流抑制电抗器上的直流分量；正弦环流和直流分量合成了所需的试验电流。
由于外部连接了交流变压器T1，其两端电压为工频交流电。因此，补能桥臂和试品桥臂的连接方向必须相反，使得在工频电压的正半波，试品桥臂获得能量输入；而在工频电压的负半波，补能桥臂获得能量输入。同时，在试验中，试品桥臂和补能桥臂输出的直流电压分量必须相等，相互抵消，以避免在变压器绕组中引起直流偏置电流，导致变压器饱和。
所述的换流阀稳态运行试验装置中，补能阀及补能桥臂电抗L01中只会流过很小的交流电流，用于补偿试品阀的试验损耗。试品阀1、试品阀2、环流抑制电抗L02中流过试验所需的运行电流，包括交流分量和直流分量。试验过程中，控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；控制补能阀的调制信号，使得补能阀、试品阀1、试品阀2中的电容电压平衡，并满足试验要求。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (8)
1.一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，其特征在于,包括试品阀1、试品阀2、补能阀、变压器T1、环流抑制电抗L02、补能桥臂电抗L01、开关K01和交流试验电源S0；
所述的试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端分别接在环流抑制电抗L02的两边，变压器T1的副边绕组与补能阀、补能桥臂电抗L01串联后，一端接地，另外一端接环流抑制电抗L02的任何一端，变压器T1的原边绕组与开关K01串接之后与交流试验电源S0相连接；
所述的试品阀1、2和补能阀的单元连接方向相反，这种连接方式能够配合交流电源的工作周期实现对补能阀和试品阀的交替充电过程。
2.根据权利要求1所述的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，其特征在于，所述的变压器T1可以采用调压器，在试验过程中通过调压器的缓慢调压对试验电路进行充电。
3.根据权利要求1所述的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，其特征在于，在变压器T1和开关K01中间还可以串联有充电电阻R，并且在充电电阻R上还并联有旁路开关K02，在试验过程中通过充电电阻和旁路开关对试验电路进行充电。
4.根据权利要求1所述的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行试验装置，其特征在于，还可以采用两个环流抑制电抗L02和L03使两个试品阀平衡布置，连接方式为：试品阀1和试品阀2一端相连并接地，另外一端与环流抑制电抗L02、L03串联，变压器T1的副边绕组、补能阀、补能桥臂电抗L01串联后，一端接地，另外一端连接在环流抑制电抗L02、L03的中点上。
5.一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行的试验方法，其特征在于，包括：
(1)在试品阀和补能阀中的单元电容电压还没有建立起来时，需要对它们进行充电，有两种充电方法可选：利用调压器T1进行充电和利用充电电阻R和充电电阻旁路开关K02进行充电两种充电方法；
(2)采用交流试验电源，利用试品阀与补能阀的反向连接和交流电源的正反相周期波对补能阀和试品阀的交替充电的方法；
(3)由于补能桥臂的电流直接流经变压器绕组，因此在试验过程中，控制补能桥臂的调制信号直流分量和试品桥臂的调制信号直流分量必须相等，使得补能桥臂的电流中直流偏置分量为0，避免引起变压器的磁路保护；
(4)试验过程中，控制试品阀1和试品阀2的调制信号，使得试品阀中的电流满足要求；控制补能阀的调制信号，使得补能阀、试品阀1、试品阀2中的电容电压平衡，并满足试验要求。
6.根据权利要求5所述的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行的试验方法，其特征在于，所述的利用调压器T1进行充电的方法为：
步骤一、开始时，将调压器T1调到输出为零电压，闭合K01；
步骤二、然后缓慢上升调压器T1输出电压，因为试品阀和补能阀连接时，其中单元的连接方向相反，所以在交流电源的正半波时对试品阀充电，而交流电源的负半波时对补能阀充电；
步骤三、等待调压器上升到规定电压，充电结束，这时试品阀和补能阀上的桥臂电容电压和都等于交流电源的峰值电压，可以开始试验。
7.根据权利要求5所述的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行的试验方法，其特征在于，所述的利用充电电阻R和充电电阻旁路开关K02进行充电的方法为：
步骤一、首先闭合K01，开始对试品阀和补能阀充电；
步骤二、因为试品阀和补能阀连接时，其中单元的连接方向相反，所以在交流电源的正半波时对试品阀充电，而交流电源的负半波时对补能阀充电；
步骤三、等待充电结束单元电压稳定后，闭合充电电阻旁路开关K02，这时的试品阀和补能阀上的桥臂电容电压和都等于交流电源的峰值电压，可以开始试验。
8.根据权利要求5所述的一种采用交流试验电源的换流阀稳态运行的试验方法，其特征在于，还包括以下方法：在试验过程中，试品阀1、试品阀2和环流抑制电抗L02中流过了所需的试验电流，试验电流的产生，依靠试品阀1和试品阀2的调试信号不同产生；典型的试验情况下，试品阀1和试品阀2的调制波都给定为正弦信号，两者幅值、频率相等，相差相差一个小的角度；因此，试品阀1和试品阀2中间的环流抑制电抗器上，将承受两者电压的差值，因而产生一个相同频率的正弦环流，而两个试品阀之间微小的电容电压差将导致环流抑制电抗器上的直流分量；正弦环流和直流分量合成了所需的试验电流。
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