CN107422279A - 一种换流阀模块试验电路及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种换流阀模块试验电路，第一半导体开关单元包括第一全控型器件及与之反向并联的第一功率二极管，第二半导体开关单元包括第二全控型器件及与之反向并联的第二功率二极管，第一直流电容与第二直流电容连接后，分别第一全控型器件的正极、第二全控型器件的负极，第一全控型器件的正极连接直流充电电源的正极，第二全控型器件的负极连接直流充电电源的负极；电抗器的一端连接第一全控型器件的负极。此种试验电路可用于考查设计、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。本发明还公开一种换流阀模块试验电路的试验方法。

Description

一种换流阀模块试验电路及其试验方法

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试验电路及其试验方法。

背景技术

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基本单元子模块串联构成。换流阀在实际运行中，会发生由于子模块元件器件故障、通讯故障等原因引起的换流阀子模块故障。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子模块的输出端子间并联旁路开关，换流阀模块故障时，触发导通开关可以将故障的子模块旁路，退出运行，从而保障换流阀系统整体的运行不受单个模块故障的影响。

换流阀模块的功能是否正常，直接决定着柔性直流输电系统是否能够正常运行。换流阀模块在生产、装配完成后需要进行完备的试验，确保模块符合出厂要求。换流阀模块旁路开关的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。但是，很难在试验环境中构建同实际运行工况相同的电路，进行旁路开关的触发导通试验。因此，如何基于换流阀模块构建简洁、实用的测试电路，进行旁路开关的带电合闸旁路试验，检验阀模块功能的完好，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试验电路及其试验方法，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：

一种换流阀模块试验电路，包括直流充电电源、充电控制开关、第一半导体开关单元、第二半导体开关单元、第一直流电容、第二直流电容和电抗器，其中，第一半导体开关单元包括第一全控型器件及与之反向并联的第一功率二极管，第二半导体开关单元包括第二全控型器件及与之反向并联的第二功率二极管，第一全控型器件的负极与第二全控型器件的正极连接，第一直流电容与第二直流电容连接后，一端连接第一全控型器件的正极，另一端连接第二全控型器件的负极，且第一、第二直流电容的连接端接地；第一全控型器件的正极还连接直流充电电源的正极，第二全控型器件的负极还连接直流充电电源的负极；电抗器的一端连接第一全控型器件的负极，电抗器的另一端作为试验电路的第一输出端子，第一、第二直流电容的连接端作为试验电路的第二输出端子。

上述换流阀模块包括第一可关断半导体、第二可关断半导体、第三可关断半导体、第四可关断半导体、储能电容器和旁路开关，其中，第一可关断半导体、第二可关断半导体同向串联，第三可关断半导体、第四可关断半导体同向串联，前述两条串联支路再并联连接，所述第一至第四可关断半导体分别连接有反并联的第一至第四续流二极管；储能电容器的一端连接第一可关断半导体与第三可关断半导体的接点，储能电容器的另一端连接第二可关断半导体与第四可关断半导体的接点；旁路开关的一端连接第一可关断半导体与第二可关断半导体的接点，旁路开关的另一端连接第三可关断半导体与第四可关断半导体的接点，且旁路开关的两端分别引出作为换流阀模块的第一输出端子和第二输出端子。

上述全控型器件采用IGBT器件，以IGBT器件的集电极为正极，以IGBT器件的发射极为负极。

上述全控型器件采用三极管，以三极管的集电极为正极，以三极管的发射极为负极。

上述全控型器件采用场效应管，以场效应管的漏极为正极，以场效应管的源极为负极。

一种基于如前所述换流阀模块试验电路的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，将待测试的换流阀模块的第一输出端子、第二输出端子分别连接至试验电路的第一输出端子、第二输出端子；

步骤2，闭合充电控制开关，通过直流充电电源给第一直流电容、第二直流电容充电，待试验电路的第一直流电容电压达到预设幅值后，触发导通第一全控型器件，将换流阀模块的储能电容器充电至电压稳定；

步骤3，触发导通换流阀模块的第二可关断半导体，电抗器上的电流开始增加，电流由试验电路流向换流阀模块；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，电抗器的电流通过换流阀模块的第一续流二极管、第四续流二极管、储能电容器续流；

步骤4，触发导通换流阀模块的旁路开关，如果旁路开关正常合闸，旁路开关对流过换流阀模块第一续流二极管、第四续流二极管、储能电容器续流；

步骤5，闭锁试验电路的第一全控型器件；

步骤6，待流过电抗器的电流衰减至0后，触发导通第二全控型器件，待试验电路的第二直流电容、换流阀模块的储能电容器电压稳定后，触发导通换流阀模块的第四可关断半导体，电抗器上的电流开始反向增加，由换流阀模块流向试验电路；

步骤7，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四可关断半导体，电抗器的电流通过换流阀模块的第二续流二极管、第三续流二极管、储能电容器续流；

步骤8，触发导通换流阀模块的旁路开关，如果旁路开关正常合闸，旁路开关对流过换流阀模块中第二续流二极管、第三续流二极管、储能电容器的电流进行分流；

步骤9，闭锁第二全控型器件，待流过电抗器的电流将逐渐衰减至0，完成对换流阀模块旁路开关的旁路试验。

其中，通过控制换流阀模块中第二可关断半导体的导通及关断时间，调整电抗器中流过电流的大小和旁路开关合闸时的电流大小。

其中，通过控制换流阀模块中第四可关断半导体的导通及关断时间，调整电抗器中流过电流的大小和旁路开关合闸时的电流大小。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

(1)通过控制可控充电电源中第一半导体开关单元、第二半导体开关单元的开关可以控制电抗器中流过的电流方向，从而实现对流过换流阀模块不同电流方向工况下旁路开关的合闸旁路测试。

(2)通过控制换流阀模块可关断半导体的导通及关断时间，可以控制电抗器中流过电流的大小和旁路开关合闸时的电流大小。

(3)本发明电路简洁，能够方便地对换流阀模块的旁路开关进行电气测试，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是本发明所针对的换流阀模块的电气结构图；

图2是本发明换流阀模块试验电路的原理图；

图3是本发明试验方法中第一IGBT器件Ts1导通和换流阀模块第二可关断半导体T2导通后的试验电路的电流通路；

图4是本发明试验方法中第一IGBT器件Ts1导通和换流阀模块旁路开关K旁路合闸后试验电路的电流通路；

图5是本发明试验方法中第二IGBT器件Ts2导通和换流阀模块第四可关断半导体T4导通后试验电路的电流通路；

图6是本发明试验方法中第二IGBT器件Ts2导通和换流阀模块旁路开关K旁路合闸后试验电路的电流通路。

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试验电路，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，其中，若干级联的全桥结构的换流阀模块即组成换流阀，所述换流阀模块的结构如图1所示，包括第一可关断半导体T1、第二可关断半导体T2、第三可关断半导体T3、第四可关断半导体T4、储能电容器C1和旁路开关K，其中，第一可关断半导体T1、第二可关断半导体T2同向串联，第三可关断半导体T3、第四可关断半导体T4同向串联，前述两条串联支路再并联连接，所述第一至第四可关断半导体T1-T4分别连接有反并联的第一至第四续流二极管D1-D4；储能电容器C1的一端连接第一可关断半导体T1与第三可关断半导体T3的接点，储能电容器C1的另一端连接第二可关断半导体T2与第四可关断半导体T4的接点；旁路开关K的一端连接第一可关断半导体T1与第二可关断半导体T2的接点，旁路开关K的另一端连接第三可关断半导体T3与第四可关断半导体T4的接点，且旁路开关K的两端分别引出作为换流阀模块的第一输出端子Y1和第二输出端子Y2。

本发明通过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2所示，是本发明一种换流阀模块试验电路的原理图，可控充电电源包括直流充电电源E1、充电控制开关K1、第一半导体开关单元、第二半导体开关单元、第一直流电容Cs1、第二直流电容Cs2和电抗器L，其中，第一半导体开关单元包括第一IGBT器件Ts1及与之反向并联的第一功率二极管Ds1，第二半导体开关单元包括第二IGBT器件Ts2及与之反向并联的第二功率二极管Ds2，第一IGBT器件Ts1的发射极与第二IGBT器件Ts2的集电极连接，第一直流电容Cs1的一端与第二直流电容Cs2的一端连接，且Cs1、Cs2的连接端接地，第一IGBT器件Ts1的集电极连接第一直流电容Cs1的另一端，第二IGBT器件Ts2的发射极连接第二直流电容Cs2的另一端；第一IGBT器件Ts1的集电极还连接直流充电电源E1的正极，第二IGBT器件Ts2的发射极还连接直流充电电源E1的负极；电抗器L的一端连接第一IGBT器件Ts1的发射极，电抗器L的另一端作为可控充电电源的第一输出端子X1，用于与待测换流阀模块相连接，Cs1、Cs2的连接端作为可控充电电源的第二输出端子X2，用于与待测试的换流阀模块相连接。

需要说明的是，在本实施例中是以IGBT器件作为开关器件，实现开关功能，在实际应用中，并不限于IGBT器件，像三极管、场效应管等全控型器件均可应用于本发明提供的技术方案中，定义半导体开关单元包括全控型器件及与之反向并联的功率二极管，其中，全控型器件的正极对应IGBT器件中的集电极、三极管中的集电极、场效应管中的漏极，全控型器件的负极对应IGBT器件中的发射极、三极管中的发射极、场效应管中的源极。

基于以上电路结构，本发明还提供一种换流阀模块试验电路的试验方法，包括如下步骤：

(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给第一直流电容Cs1、第二直流电容Cs2充电，待可控充电电源的第一直流电容Cs1稳定后(即电压达到预设幅值)，触发导通可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，将换流阀模块的储能电容器C1充电至电压稳定；

(3)触发导通换流阀模块的第二可关断半导体T2，电抗器L上的电流开始增加，第一IGBT器件Ts1和换流阀模块第二可关断半导体T2导通后的电流通路如图3所示，电流由可控充电电源流向换流阀模块；当流过电抗器L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L的电流通过换流阀模块的第一续流二极管D1、第四续流二极管D4、储能电容器C1续流；

(4)触发导通换流阀模块的旁路开关K，如果旁路开关K正常合闸，旁路开关K对流过换流阀模块第一续流二极管D1、第四续流二极管D4、储能电容器C1续流，此时的电流通路如图4所示；

(5)闭锁可控充电电源的第一IGBT器件Ts1，流过电抗器L的电流将逐渐衰减至0；

(6)待流过电抗器L的电流将逐渐衰减至0后，触发导通可控充电电源的第二IGBT器件Ts2，待可控充电电源的第二直流电容Cs2、换流阀模块的储能电容器C1电压稳定后，触发导通换流阀模块的第四可关断半导体T4，第二IGBT器件Ts2和换流阀模块第四可关断半导体T4导通后的电流通路如图5所示，电抗器L上的电流开始反向增加，由换流阀模块流向可控充电电源；

(7)当流过电抗器L的电流值达到预设电流值后，关断换流阀模块的第四可关断半导体T4，电抗器L的电流通过换流阀模块的第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、储能电容器C1续流；

(8)触发导通换流阀模块的旁路开关K，如果旁路开关K正常合闸，旁路开关K对流过换流阀模块中第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、储能电容器C1的电流进行分流，旁路开关合闸功能正常，此时的电流通路如图6所示；

(9)闭锁可控充电电源的第二IGBT器件Ts2，流过电抗器L的电流将逐渐衰减至0，衰减至0时即完成对换流阀模块旁路开关K的旁路试验。

其中，通过控制换流阀模块中第二可关断半导体T2的导通及关断时间，可以控制电抗器L中流过电流的大小和旁路开关K合闸时的电流(从电抗器流向换流阀模块)大小。

其中，通过控制换流阀模块中第四可关断半导体T4的导通及关断时间，可以控制电抗器L中流过电流的大小和旁路开关K合闸时的电流(从换流阀模块流向电抗器)大小。

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，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种换流阀模块试验电路，其特征在于：包括直流充电电源、充电控制开关、第一半导体开关单元、第二半导体开关单元、第一直流电容、第二直流电容和电抗器，其中，第一半导体开关单元包括第一全控型器件及与之反向并联的第一功率二极管，第二半导体开关单元包括第二全控型器件及与之反向并联的第二功率二极管，第一全控型器件的负极与第二全控型器件的正极连接，第一直流电容与第二直流电容连接后，一端连接第一全控型器件的正极，另一端连接第二全控型器件的负极，且第一、第二直流电容的连接端接地；第一全控型器件的正极还连接直流充电电源的正极，第二全控型器件的负极还连接直流充电电源的负极；电抗器的一端连接第一全控型器件的负极，电抗器的另一端作为试验电路的第一输出端子，第一、第二直流电容的连接端作为试验电路的第二输出端子。

2.如权利要求1所述的一种换流阀模块试验电路，其特征在于：所述换流阀模块包括第一可关断半导体、第二可关断半导体、第三可关断半导体、第四可关断半导体、储能电容器和旁路开关，其中，第一可关断半导体、第二可关断半导体同向串联，第三可关断半导体、第四可关断半导体同向串联，前述两条串联支路再并联连接，所述第一至第四可关断半导体分别连接有反并联的第一至第四续流二极管；储能电容器的一端连接第一可关断半导体与第三可关断半导体的接点，储能电容器的另一端连接第二可关断半导体与第四可关断半导体的接点；旁路开关的一端连接第一可关断半导体与第二可关断半导体的接点，旁路开关的另一端连接第三可关断半导体与第四可关断半导体的接点，且旁路开关的两端分别引出作为换流阀模块的第一输出端子和第二输出端子。

3.如权利要求1或2所述的一种换流阀模块试验电路，其特征在于：所述全控型器件采用IGBT器件，以IGBT器件的集电极为正极，以IGBT器件的发射极为负极。

4.如权利要求1或2所述的一种换流阀模块试验电路，其特征在于：所述全控型器件采用三极管，以三极管的集电极为正极，以三极管的发射极为负极。

5.如权利要求1或2所述的一种换流阀模块试验电路，其特征在于：所述全控型器件采用场效应管，以场效应管的漏极为正极，以场效应管的源极为负极。

6.一种基于如权利要求2所述的换流阀模块试验电路的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，将待测试的换流阀模块的第一输出端子、第二输出端子分别连接至试验电路的第一输出端子、第二输出端子；

步骤2，闭合充电控制开关，通过直流充电电源给第一直流电容、第二直流电容充电，待试验电路的第一直流电容电压达到预设幅值后，触发导通第一全控型器件，将换流阀模块的储能电容器充电至电压稳定；

步骤3，触发导通换流阀模块的第二可关断半导体，电抗器上的电流开始增加，电流由试验电路流向换流阀模块；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，电抗器的电流通过换流阀模块的第一续流二极管、第四续流二极管、储能电容器续流；

步骤4，触发导通换流阀模块的旁路开关，如果旁路开关正常合闸，旁路开关对流过换流阀模块第一续流二极管、第四续流二极管、储能电容器续流；

步骤5，闭锁试验电路的第一全控型器件；

步骤6，待流过电抗器的电流衰减至0后，触发导通第二全控型器件，待试验电路的第二直流电容、换流阀模块的储能电容器电压稳定后，触发导通换流阀模块的第四可关断半导体，电抗器上的电流开始反向增加，由换流阀模块流向试验电路；

步骤7，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四可关断半导体，电抗器的电流通过换流阀模块的第二续流二极管、第三续流二极管、储能电容器续流；

步骤8，触发导通换流阀模块的旁路开关，如果旁路开关正常合闸，旁路开关对流过换流阀模块中第二续流二极管、第三续流二极管、储能电容器的电流进行分流；

步骤9，闭锁第二全控型器件，待流过电抗器的电流逐渐衰减至0时，完成对换流阀模块旁路开关的旁路试验。

7.如权利要求6所述的一种换流阀模块试验电路的试验方法，其特征在于：通过控制换流阀模块中第二可关断半导体的导通及关断时间，调整电抗器中流过电流的大小和旁路开关合闸时的电流大小。

8.如权利要求6所述的一种换流阀模块试验电路的试验方法，其特征在于：通过控制换流阀模块中第四可关断半导体的导通及关断时间，调整电抗器中流过电流的大小和旁路开关合闸时的电流大小。