CN107390121B - 一种换流阀模块的试验电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种换流阀模块的试验电路和方法，所述换流阀模块为半桥结构的功率模块,包含有2个可关断半导体(T1、T2)、储能电容器(C1)、旁路开关(K)等元件。采用可控充电电源对换流阀模块旁路开关(K)进行带电合闸旁路试验。通过控制可控充电电源半导体开关单元和控制换流阀模块的可关断功率半导体的导通及关断时间，可以控制旁路开关合闸时的电流大小和方向。此种试验方法可等效模拟换流阀模块实际运行中旁路开关的合闸工况，可用于检测设计、生产、制造、装配的换流阀模块旁路开关及其触发电路的完好性。
Description
技术领域
本发明属于柔性交直流输电领域，特别涉及一种换流阀模块的试验电路和方法。
背景技术
柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源变流器。多电平技术是实现高压大容量电压源变流器的优选方案。相对于二电平换流器，多电平换流器可以使用低压器件实现高电压等级输出，而并不需要开关器件的直接串联。近几年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出现使多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用。
模块化多电平换流器的换流阀采用模块化设计，由若干个结构完全相同的换流阀模块串联构成。换流阀在实际运行中，会发生由于换流阀模块元件器件故障、通讯故障等原因引起的换流阀模块故障。为了保障柔性直流系统的可靠运行，要求在换流阀单个模块故障时不影响换流阀整体的运行。通常的做法是在换流阀模块的输出端子间附加旁路开关，当换流阀模块故障后，触发导通旁开关可以将故障的换流阀模块旁路，使故障模块退出运行，从保障换流阀整体的运行不受单个模块故障的影响，提高模块化多电平换流器整体的运行可靠性。
换流阀模块旁路功能是否正常，直接决定着柔性直流输电系统是否能够正常运行。换流阀模块旁路试验的目的就是验证旁路开关及旁路开关触发回路在设计、生产、制造、装配过程中没有发生损坏、功能是否正常。流过换流阀模块的电流取决于系统的运行工况，旁路合闸时可能流过正向电流也可能流过反向电流，在换流阀模块旁路开关测试时需要对这两种不同工况下的旁路合闸情况进行测试。模块化多电平换流阀电压等级、容量较高，很难在试验环境中构建同实际运行工况相同的电路，进行换流阀模块的旁路试验。因此，如何构建简洁、实用的测试电路，等效模拟换流阀模块实际运行中旁路开关的合闸工况，进行换流阀模块的带电旁路试验，检验阀模块旁路功能的完好，是提高换流阀生产效率及可靠性的关键。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种换流阀模块的试验电路和方法，其可用于考查设计、生产、制造、装配的换流阀模块旁路开关及其触发电路的完好性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种换流阀模块的试验电路，所述换流阀模块为半桥结构模块，包含第一可关断半导体T1、与第一可关断半导体T1反并联的第一续流二极管D1、第二可关断半导体T2、与第二可关断半导体T2反并联的第二续流二极管D2、旁路开关K、晶闸管SCR、储能电容器C1、均压电阻R、第一输出端子(Y1)、第二输出端子(Y2)
采用可控充电电源对换流阀模块旁路开关K进行带电合闸旁路试验，所述可控充电电源包括直流电源E1、充电控制开关K1和第一半导体开关单元、第二半导体开关单元、直流电容Cs1、电抗器L、第一输出端子(X1)、第二输出端子(X2)；其中，第一半导体开关单元均包括第一IGBT器件Ts1及与之反向并联的功率二极管Ds1，第二半导体开关单元包括第二IGBT器件Ts2及与之反向并联的功率二极管Ds2,第一、二半导体开关单元中IGBT器件的集电极与二极管的阴极连接，IGBT器件的发射极与二极管的阳极连接；第一半导体开关单元的IGBT器件发射极与第二半导体开关单元的IGBT器件的集电极相连接。直流充电电源E1的正极经由充电控制开关K1连接第一半导体开关单元中第一IGBT器件Ts1的集电极，而直流充电电源E1的负极连接第二半导体开关单元中第二IGBT器件Ts2的发射极；直流电容Cs1一端连接到第一IGBT器件Ts1的集电极，另一端连接到第二IGBT器件Ts2的发射极。电抗器L的一端连接至第一IGBT器件Ts1的发射极，另一端作为可控充电电源的第一输出端子X1，用于与待测试的换流阀模块相连接。可控充电电源的第二输出端子X2连接至第二IGBT器件Ts2发射极，第二输出端子X2用于与待测试的换流阀模块相连接。
一种换流阀模块的试验方法，换流阀模块旁路试验时电流流向为可控充电电源第一输出端子X1流向换流阀模块的第一输出端子(Y1)时，试验方法包含如下测试步骤：
(1)将待测试的换流阀模块的第一输出端子(Y1)、第二输出端子Y2分别连接至可控充电电源的第一输出端子(X1)、第二输出端子(X2)；
(2)闭合充电控制开关K1，通过直流充电电源E1给直流电容Cs1充电；
(3)触发导通可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，给换流阀模块的储能电容器C1充电；
(4)触发导通换流阀模块的第二可关断半导体T2，电抗器上的电流开始增加，电流由电抗器流向换流阀模块；当流过电抗器的电流值达到预设电流值后，关断换流阀模块的第二可关断半导体T2；电抗器上的电流通过流过换流阀模块第一续流二极管D1、储能电容器C1、功率二极管Ds2的电流进行续流；
(5)触发导通换流阀模块的旁路开关K，旁路开关正常合闸后，旁路开关对流过换流阀模块第一续流二极管D1、储能电容器C1、功率二极管Ds2的电流进行分流；
一种换流阀模块的试验方法，电流流向由换流阀模块的第一输出端子(Y1)流向可控充电电源第一输出端子X1时，试验方法包含如下测试步骤：
(1)将待测试的换流阀模块的第一输出端子(Y1)、第二输出端子Y2分别连接至可控充电电源的第一输出端子(X1)、第二输出端子(X2)；
(2)闭合充电控制开关K1，通过直流充电电源E1给直流电容Cs1充电；
(3)触发导通可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，给换流阀模块的储能电容器C1充电，通过控制Ts1的开通关断时间，调节换流阀模块储能电容C1的充电电压；
(4)触发导通换流阀模块的可控充电电源的第二IGBT器件Ts2和换流阀模块的第一可关断半导体T1，电抗器上的电流开始反向增加，电流方向由换流阀模块流向电抗器；当流过电抗器的电流值达到预设电流值后，关断换流阀模块的第一可关断半导体T1；电抗器上的电流通过第二续流二极管D2、第二IGBT器件Ts2的电流续流；
(5)触发导通换流阀模块的旁路开关K，旁路开关正常合闸后，旁路开关对流过换流阀模块第二续流二极管D2、第二IGBT器件Ts2的电流进行分流。
所述的一种换流阀模块的旁路试验方法，在换流阀模块旁路开关支路附加电流检测元件M，旁路开关合闸后通过电流检测元件M检测流过旁路开关的电流，当流过旁路开关K的电流大于设定门槛电流I_set时，判定旁路开关合闸正常；
所述的一种换流阀模块的旁路试验方法，通过控制可控充电电源的第一IGBT器件Ts1的触发导通和关断时间，控制换流阀模块的储能电容器C1充电电压幅值；
所述的一种换流阀模块的旁路试验方法，通过控制换流阀模块的第二可关断半导体T2的触发导通时间控制由电抗器流向换流阀模块的电流幅值大小，实现换流阀模块流过一定幅值的正向电流条件下的旁路测试；
所述的一种换流阀模块的旁路试验方法，通过控制换流阀模块的第一可关断半导体T1的触发导通时间控制由换流阀模块流向电抗器电流幅值大小，实现换流阀模块流过一定幅值的反向电流条件下的旁路测试。
采用上述方案后，本发明具有以下特点：
(1)可以等效模拟换流阀模块实际运行中流过正向电流以及流过反向电流两种情况下的旁路试验情况，通过控制换流阀模块的可关断半导体的触发导通时间可以控制流过换流阀模块正向电流以及流过反向电流时的电流幅值，实现换流阀模块在指定电流幅值下的旁路试验。
(2)本发明电路简洁，能够方便地对半桥型换流阀模块的进行旁路测试，试验方法实用、安全、可靠，可以方便地判断旁路开关及其触发回路的正确性，提高换流阀模块测试效率，完善换流阀模块的功能测试，为换流阀的可靠运行提供保证。
附图说明
图1是换流阀的电气结构图；
图2是换流阀模块的电路原理图；
图3是本发明换流阀模块旁路试验电路的原理图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供一种换流阀模块的试验方法，用于考查设计、生产、制造、装配的换流阀模块旁路开关及其触发电路的完好性。
模块化多电平换流器的换流阀采用模块化设计，由若干个结构完全相同的换流阀模块串联构成，换流阀结构如图1所示，所述换流阀模块的结构如图2所示，含第一可关断半导体T1、与第一可关断半导体T1反并联的第一续流二极管D1、第二可关断半导体T2、与第二可关断半导体T2反并联的第二续流二极管D2、旁路开关K、晶闸管SCR、储能电容器C1、均压电阻R、第一输出端子(Y1)、第二输出端子(Y2)。第一续流二极管D1的阳极与第二续流二极管D2的阴极相连接；储能电容器C1的一端连接至第一续流二极管D1的阴极，一端连接至第二续流二极管D2的阳极；旁路开关一端连接至第二续流二极管D2的阴极，一端连接至第二续流二极管D2的阳极；晶闸管SCR的阴极连接至第二续流二极管的阴极，晶闸管SCR的阳极连接至第二续流二极管的阳极；第二续流二极管D2的阴极引出第一输出端子(Y1)，第二续流二极管D2的阳极引出第二输出端子(Y2)。
采用可控充电电源对换流阀模块旁路开关K进行带电合闸旁路试验。如图3所示是本发明提供换流阀模块旁路试验电路原理图，待测试的换流阀模块的连接至可控充电电源，在换流阀模块旁路开关支路附加电流检测元件M。所述可控充电电源包括直流电源E1、充电控制开关K1和第一半导体开关单元、第二半导体开关单元、直流电容Cs1、电抗器L、第一输出端子(X1)、第二输出端子(X2)；其中，第一半导体开关单元均包括第一IGBT器件Ts1及与之反向并联的功率二极管Ds1，第二半导体开关单元包括第二IGBT器件Ts2及与之反向并联的功率二极管Ds2,第一、二半导体开关单元中IGBT器件的集电极与二极管的阴极连接，IGBT器件的发射极与二极管的阳极连接；第一半导体开关单元的IGBT器件发射极与第二半导体开关单元的IGBT器件的集电极相连接。直流充电电源E1的正极经由充电控制开关K1连接第一半导体开关单元中第一IGBT器件Ts1的集电极，而直流充电电源E1的负极连接第二半导体开关单元中第二IGBT器件Ts2的发射极；直流电容Cs1一端连接到第一IGBT器件Ts1的集电极，另一端连接到第二IGBT器件Ts2的发射极。电抗器L的一端连接至第一IGBT器件Ts1的发射极，另一端作为可控充电电源的第一输出端子X1，用于与待测试的换流阀模块相连接。可控充电电源的第二输出端子X2连接至第二IGBT器件Ts2发射极，第二输出端子X2用于与待测试的换流阀模块相连接。
本发明提供一种换流阀模块的试验的方法，试验方法包括两种不同电流流向条件下的测试，其中电流流向为可控充电电源第一输出端子X1流向换流阀模块的第一输出端子(Y1)时，试验方法测试步骤如下：
(1)将待测试的换流阀模块的第一输出端子Y1、第二输出端子Y2分别连接至可控充电电源的第一输出端子X1、第二输出端子X2；
(2)闭合充电控制开关K1，通过直流充电电源E1给直流电容Cs1充电；
(3)触发导通可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，给换流阀模块的储能电容器C1充电，通过控制可控充电电源的第一IGBT器件Ts1的触发导通和关断时间，控制换流阀模块的储能电容器C1充电电压幅值；
(4)触发导通换流阀模块的第二可关断半导体T2，电抗器上的电流开始增加，电流由电抗器流向换流阀模块；当流过电抗器的电流值达到预设电流值后，关断换流阀模块的第二可关断半导体T2；电抗器上的电流通过流过换流阀模块第一续流二极管D1、储能电容器C1、功率二极管Ds2的电流进行续流；
(5)触发导通换流阀模块的旁路开关K，旁路开关正常合闸后，旁路开关对流过换流阀模块第一续流二极管D1、储能电容器C1、功率二极管Ds2的电流进行分流；旁路开关合闸后通过电流检测元件M检测流过旁路开关的电流，当流过旁路开关K的电流大于设定门槛电流I_set1时，判定旁路开关合闸正常。
其中，电流流向为换流阀模块第一输出端子(Y1)流向可控充电电源第一输出端子X1时试验方法有如下测试步骤：
(1)将待测试的换流阀模块的第一输出端子(Y1)、第二输出端子Y2分别连接至可控充电电源的第一输出端子(X1)、第二输出端子(X2)；
(2)闭合充电控制开关K1，通过直流充电电源E1给直流电容Cs1充电；
(3)触发导通可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，给换流阀模块的储能电容器C1充电，通过控制Ts1的开通关断时间，调节换流阀模块储能电容C1的充电电压；
(4)触发导通换流阀模块的可控充电电源的第二IGBT器件Ts2和换流阀模块的第一可关断半导体T1，电抗器上的电流开始反向增加，电流方向由换流阀模块流向电抗器；当流过电抗器的电流值达到预设电流值后，关断换流阀模块的第一可关断半导体T1；电抗器上的电流通过第二续流二极管D2、第二IGBT器件Ts2的电流续流；
(5)触发导通换流阀模块的旁路开关K，旁路开关正常合闸后，旁路开关对流过换流阀模块第二续流二极管D2、第二IGBT器件Ts2的电流进行分流，旁路开关合闸后通过电流检测元件M检测流过旁路开关的电流，当流过旁路开关K的电流大于设定门槛电流I_set2时，判定旁路开关合闸正常。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。
Claims (6)
1.一种换流阀模块的试验方法，其特征在于,换流阀模块旁路试验时电流流向为可控充电电源第一输出端子X1流向换流阀模块的第一输出端子Y1时，试验方法包含如下测试步骤：
(1)将待测试的换流阀模块的第一输出端子Y1、第二输出端子Y2分别连接至可控充电电源的第一输出端子X1、第二输出端子X2；
(2)闭合充电控制开关K1，通过直流充电电源E1给直流电容Cs1充电；
(3)触发导通可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，给换流阀模块的储能电容器C1充电；
(4)触发导通换流阀模块的第二可关断半导体T2，电抗器上的电流开始增加，电流由电抗器流向换流阀模块；当流过电抗器的电流值达到预设电流值后，关断换流阀模块的第二可关断半导体T2；电抗器上的电流通过流过换流阀模块第一续流二极管D1、储能电容器C1、功率二极管Ds2的电流进行续流；
(5)触发导通换流阀模块的旁路开关K，旁路开关正常合闸后，旁路开关对流过换流阀模块第一续流二极管D1、储能电容器C1、功率二极管Ds2的电流进行分流。
2.一种换流阀模块的试验方法，其特征在于电流流向由换流阀模块的第一输出端子Y1流向可控充电电源第一输出端子X1时试验方法包含如下测试步骤：
(1)将待测试的换流阀模块的第一输出端子Y1、第二输出端子Y2分别连接至可控充电电源的第一输出端子X1、第二输出端子X2；
(2)闭合充电控制开关K1，通过直流充电电源E1给直流电容Cs1充电；
(3)触发导通可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，给换流阀模块的储能电容器C1充电，通过控制Ts1的开通关断时间，调节换流阀模块储能电容C1的充电电压；
(4)触发导通换流阀模块的可控充电电源的第二IGBT器件Ts2和换流阀模块的第一可关断半导体T1，电抗器上的电流开始反向增加，电流方向由换流阀模块流向电抗器；当流过电抗器的电流值达到预设电流值后，关断换流阀模块的第一可关断半导体T1；电抗器上的电流通过第二续流二极管D2、第二IGBT器件Ts2的电流续流；
(5)触发导通换流阀模块的旁路开关K，旁路开关正常合闸后，旁路开关对流过换流阀模块第二续流二极管D2、第二IGBT器件Ts2的电流进行分流。
3.如权利要求1或2所述的一种换流阀模块的试验方法，其特征在于：在换流阀模块旁路开关支路增加电流检测元件M，所述步骤(5)中旁路开关合闸后，通过电流检测元件M检测流过旁路开关的电流，当流过旁路开关K的电流大于设定门槛电流I_set时，判定旁路开关合闸正常。
4.如权利要求1或2所述的一种换流阀模块的试验方法，其特征在于所述步骤(3 )中通过控制可控充电电源的第一IGBT器件Ts1的触发导通和关断时间，控制换流阀模块的储能电容器C1充电电压幅值。
5.如权利要求1所述的一种换流阀模块的试验方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过控制换流阀模块的第二可关断半导体T2的触发导通时间控制由电抗器流向换流阀模块的电流幅值大小，实现换流阀模块流过一定幅值的正向电流条件下的旁路测试。
6.如权利要求2所述的一种换流阀模块的试验方法，其特征在于所述步骤(4)中通过控制换流阀模块的第一可关断半导体T1的触发导通时间控制由换流阀模块流向电抗器的电流幅值大小，实现换流阀模块流过一定幅值的反向电流条件下的旁路测试。
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| PB01 | Publication | ||
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Effective date of registration: 20180102 Address after: 211102 Jiangning, Jiangsu, Jiangsu Province, the source of the road No. 69 Applicant after: Nanrui Relay Protection Electricity Co., Ltd., Nanjing Address before: 211106 Jiangning, Jiangsu, Jiangsu Province, the source of the road No. 69 Applicant before: Nanrui Relay Protection Electricity Co., Ltd., Nanjing Applicant before: Nanjing Nari-Relays Engineering Technology Co., Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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