CN107561456B - 一种功率模块试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率模块试验装置及试验方法，包含补能电源E、充电电源Ey、稳态电抗L、第一短路电抗L1、第二短路电抗L2、补能开关Km、阀充电开关Kv、储能充电开关Kc、第一短路开关K1、第二短路开关K2、短路电容组件C1和两个阀组V，每个阀组V由子模块M串联组成，不同阀组V的一端直接相连或通过电抗L相连、另一端通过电抗L相连，电抗L2、开关K2和短路电容组件C1串联后再与电抗L1并联，电抗L1和开关K1串联后再与阀组V中的至少一个所述子模块M串联组成的串联支路并联，该装置结合试验方法可在至少一个子模块M上等效再现实际稳态工况和暂态工况下的电压应力、电流应力和热应力等。

Description

一种功率模块试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子模块的稳态运行试验和暂态运行试验的装置，具体涉及一种功率模块试验装置及试验方法。

背景技术

越来越多的大功率电力电子产品被广泛地应用于智能电网的建设，成为现代全球能源互联网技术领域的关键技术，特别是电压源换流器在直流输电和无功补偿领域得到广泛应用，以往电压源换流器是多为两电平或三电平换流器，随着大功率电力电子产品的需求往电压更高、功率容量更大的方向发展，两电平或三电平技术已经满足不了日益增加的电压和容量的需求，越来越多的大功率电力电子产品采用模块化多电平拓扑，例如在高压大功率领域的柔性直流输电电压源换流器或链式静止同步补偿器多采用模块化多电平拓扑。

模块化多电平电压源换流器具有经济、环保、高效、使用方便、控制灵活、谐波小、适用性强等特点，可大大减少或省去输出滤波电路，可以很好地改善电能质量，运用到各种场合，特别是用于污染性大和传统输电难于解决的独立负荷。因此对模块化多电平电压源换流器中主要由可关断半导体器件组成的子模块构建与实际工况相同或相近的电压应力、电流应力和热应力等试验环境是提高模块化多电平电压源换流器可靠性的重要试验手段。

对模块化多电平电压源换流器子模块等电力电子功率模块进行运行试验是为了验证在实际工况中长期稳态运行的子模块在其所受到的电压应力、电流应力和热应力等作用下是否能够稳定运行，验证在最大连续运行负荷工况，最大暂时过负荷运行工况、最小直流电压工况、过电流关断工况、短路电流工况和抗电磁干扰工况下的子模块在其所受到的电压应力、电流应力和热应力等作用下是否满足设计要求，目前现有技术基本都是在等效的背靠背小型化换流站试验平台上等效再现长期稳态运行的子模块所受到的电压应力、电流应力和热应力等，但是受等效的背靠背小型化换流站试验平台的系统参数影响，等效再现在换流站发生短路故障时子模块所受到的电压应力、电流应力和热应力等非常困难甚至是实现不了，很难同时满足上述试验要求，并且无论是等效的背靠背小型化换流站试验平台还是等效的链式静止同步补偿器试验平台，均存在对电网系统额定容量和短路容量要求高，同时需要的电力电子功率模块数量多，试验风险大等缺点。

发明内容

本发明提供的一种功率模块试验装置及试验方法，可在至少一个功率子模块上等效再现实际稳态工况和暂态工况下的电压应力、电流应力和热应力等，可满足不同功率等级的至少一个功率子模块在稳态工况和暂态工况下的试验。

本发明采用下述方案实现：

1、一种功率模块试验装置，其改进之处在于，所述功率模块试验装置包含补能电源、充电电源、稳态电抗、第一短路电抗、第二短路电抗、补能开关、阀充电开关、储能充电开关、第一短路开关、第二短路开关、短路电容组件和至少两个阀组，每个所述阀组由至少一个子模块串联组成，所述的不同阀组之间一端直接相连或通过所述稳态电抗相连、另一端通过所述稳态电抗相连，所述第二短路电抗、所述第二短路开关和所述短路电容组件串联后再与所述第一短路电抗并联，所述第一短路电抗和所述第一短路开关串联后再与所述阀组中的至少一个所述子模块串联组成的串联支路并联。

其中，所述补能电源和所述补能开关串联后再与所述阀组中的所述子模块并联，所述充电电源和所述阀充电开关串联后再与所述阀组并联，所述充电电源和所述储能充电开关串联后再与所述短路电容组件并联。

其中，所述的子模块，包含两个可关断半导体开关、两个续流二极管、一个均压电阻、一个储能电容和一个子模块保护部件，每个所述可关断半导体开关与一个所述续流二极管反向并联，所述两个可关断半导体开关串联后与所述储能电容并联，所述储能电容和所述均压电阻并联，至少一个所述的可关断半导体开关并联一个子模块保护部件，所述子模块保护部件的两端为所述的子模块的进出线端。

其中，所述的子模块中的所述子模块保护部件，包含至少一个保护晶闸管和至少一个保护开关，所述保护晶闸管和所述保护开关并联。

其中，所述的第一短路开关或所述的第二短路开关或所述的补能开关或所述的阀充电开关或所述的储能充电开关，是机械开关或半导体开关。

其中，所述的短路电容组件，是一个短路电容。

其中，一种试验方法，用于所述的功率模块试验装置，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

A、闭合阀充电开关，充电电源对阀组中的所有子模块的储能电容充电；

B、当子模块的储能电容电压达到设定值时断开阀充电开关，断开阀充电开关后闭合补能开关，投入补能电源；

C、触发阀组中的所有子模块按照一定的策略投切并工作在稳态状态，阀组中的所有子模块建立起等效实际工况下的电压应力、电流应力和热应力等；

D、阀组的所有子模块工作在稳态状态一定时间后，闭合储能充电开关，充电电源对短路电容组件中的短路电容充电；

E、当短路电容组件中的短路电容的电压达到设定值后断开储能充电开关，断开储能充电开关后按照设定的时序闭合第一短路开关和第二短路开关，触发阀组的短路事件，阀组中的所有子模块建立起等效故障暂态工况下的电压应力、电流应力和热应力等；

F、断开补能开关、退出补能电源、退出充电电源，闭锁装置，试验结束。

本发明提供的所述的功率模块试验装置的第二种实施方式是，包含多个所述的阀组，不同的所述的阀组之间分别通过不同的所述的稳态电抗两两相连，不同的所述的稳态电抗之间为放射形连接。

本发明提供的所述的功率模块试验装置的第三种实施方式是，包含多个所述的阀组，不同的所述的阀组之间分别通过不同的所述的稳态电抗两两相连，不同的所述的稳态电抗之间为环形连接。

本发明提供的所述的功率模块试验装置的第四种实施方式是，包含多个所述第一短路电抗，不同的所述第一短路电抗分别和不同的所述的第一短路开关串联后再分别与不同的所述阀组中的至少一个所述子模块串联组成的串联支路并联，每个所述第一短路电抗分别与不同的所述第二短路电抗、所述第二短路开关和所述短路电容组件串联后的支路并联。

本发明提供的所述的功率模块试验装置的第五种实施方式是，包含多个所述的补能电源，不同的所述的补能电源分别和不同的所述的补能开关串联后再分别与不同的所述的子模块并联。

本发明提供的所述的功率模块试验装置的第六种实施方式是，包含多个所述的充电电源，所述充电电源和所述储能充电开关串联后再与所述短路电容组件并联，其余的不同的所述的充电电源分别和不同的所述的阀充电开关串联后再分别与不同的所述的阀组并联。

本发明提供的所述的功率模块试验装置的第七种实施方式是，所述的补能电源和所述的充电电源，合并为同一个电源。

本发明提供的所述的阀组与所述的稳态电抗连接的第二种实施方式是，所述的不同的阀组之间两端都是通过所述稳态电抗相连。

本发明提供的所述的第一短路电抗、所述的第一短路开关和所述的子模块连接的第二种实施方式是，所述第一短路电抗和所述第一短路开关串联后再与所述阀组中的部分的至少一个所述子模块串联组成的串联支路并联。

本发明提供的所述的子模块的第二种实施方式是，包含四个可关断半导体开关、四个续流二极管、一个均压电阻和一个储能电容，每个所述可关断半导体开关与一个所述续流二极管反向并联，所述四个可关断半导体开关构成一个全桥电路，所述全桥电路直流端与所述储能电容并联，所述储能电容和所述均压电阻并联，所述全桥电路的交流端为所述的子模块的进出线端，所述的子模块的进出线端并联一个子模块保护部件。

本发明提供的所述的子模块中的所述子模块保护部件的第二种实施方式是，包含至少一个保护二极管和至少一个保护开关，所述保护二极管和所述保护开关并联。

本发明提供的所述的子模块中的所述子模块保护部件的第三种实施方式是，是一个保护开关。

本发明提供的所述的补能开关、所述的阀充电开关和所述的储能充电开关的第二种实施方式是，所述的补能开关或所述的阀充电开关或所述的储能充电开关，包含第一隔离开关、第二隔离开关和限流电阻，所述第一隔离开关与所述限流电阻串联，所述第二隔离开关与所述限流电阻并联。

本发明提供的所述的短路电容组件的第二种实施方式是，包含短路电容、放电开关和放电电阻，所述放电开关和所述放电电阻串联后再与所述短路电容并联。

本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的一种功率模块试验装置及试验方法，可在至少一个功率子模块上等效再现实际稳态工况和暂态工况下的电压应力、电流应力和热应力等，可满足至少一个功率子模块在稳态工况和暂态工况下的试验。

2、本发明提供的一种功率模块试验装置及试验方法，通过调节试验回路中所需的电流，改变所述的子模块中的储能电容的电压，可满足不同功率等级的至少一个所述的子模块在稳态工况和暂态工况下的试验。

3、本发明提供的一种功率模块试验装置及试验方法，通过对试验装置运行过程的监视，判定试验装置是否有故障，若有故障，启动保护动作，待故障解除后再解除保护动作，保证了试验装置和所述的子模块在试验过程中的安全。

4、本发明提供的一种功率模块试验装置及试验方法，能够使得所述的子模块承受等效长期稳态运行时所受到的电压应力、电流应力和热应力并达到热稳定的同时，在所述的子模块上等效再现在换流站发生短路故障时所述的子模块所受到的电压应力、电流应力和热应力等。

5、本发明提供的一种功率模块试验装置及试验方法，对电网的系统额定容量和短路容量要求很低，同时需要的所述的子模块数量比现有的等效背靠背小型化换流站试验平台或是等效的链式静止同步补偿器试验平台需要的所述的子模块少很多，试验风险因此减少很多。

附图说明

图1至图7是本发明提供的一种功率模块试验装置不同实施方式的结构图

图8是本发明提供的所述的阀组与所述的稳态电抗连接的第二种实施方式

图9是本发明提供的所述的第一短路电抗、所述的第一短路开关和所述的子模块连接的第二种实施方式

图10至图11是本发明提供的所述的子模块的不同实施方式

图12至图14是本发明提供的所述的子模块中的所述子模块保护部件的不同实施方式

图15至图17是本发明提供的所述的第一短路开关、所述的第二短路开关、所述的

补能开关、所述的阀充电开关和所述的储能充电开关的第一种实施方式

图18是本发明提供的所述的补能开关、所述的阀充电开关和所述的储能充电开关

的第二种实施方式

图19至图20是本发明提供的所述的短路电容组件的不同实施方式

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供的一种功率模块试验装置不同实施方式的结构图如图1至图7所示，包含补能电源E、充电电源Ey、稳态电抗L、第一短路电抗L1、第二短路电抗L2、补能开关Km、阀充电开关Kv、储能充电开关Kc、第一短路开关K1、第二短路开关K2、短路电容组件C1和至少两个阀组V，每个所述阀组V由至少一个子模块M通过进出线端(X1和X2)串联组成。

图1显示的是本发明提供的一种功率模块试验装置的第一种实施方式的结构图，所述的不同阀组V之间一端直接相连或通过所述稳态电抗L相连、另一端通过所述稳态电抗L相连，所述第二短路电抗L2、所述第二短路开关K2和所述短路电容组件C1串联后再与所述第一短路电抗L1并联，所述第一短路电抗L1和所述第一短路开关K1串联后再与所述阀组V中的至少一个所述子模块M串联组成的串联支路并联，所述补能电源E和所述补能开关Km串联后再与所述阀组V中的所述子模块M并联，所述充电电源Ey和所述阀充电开关Kv串联后再与所述阀组V并联，所述充电电源Ey和所述储能充电开关Kc串联后再与所述短路电容组件C1并联。

图2显示的是本发明提供的一种功率模块试验装置的第二种实施方式的结构图，这种实施方式与图1的区别是，包含多个所述的阀组V，不同的所述的阀组V之间分别通过不同的所述的稳态电抗L两两相连，不同的所述的稳态电抗L之间为放射形连接。

图3显示的是本发明提供的一种功率模块试验装置的第三种实施方式的结构图，这种实施方式与图2的区别是，不同的所述的稳态电抗L为环形连接。

图4显示的是本发明提供的一种功率模块试验装置的第四种实施方式的结构图，这种实施方式与图1的区别是，包含多个所述第一短路电抗L1，不同的所述第一短路电抗L1分别和不同的所述的第一短路开关K1串联后再分别与不同的所述阀组V中的至少一个所述子模块M串联组成的串联支路并联，每个所述第一短路电抗L1分别与不同的所述第二短路电抗L2、所述第二短路开关K2和所述短路电容组件C1串联后的支路并联。

图5显示的是本发明提供的一种功率模块试验装置的第五种实施方式的结构图，这种实施方式与图1的区别是，包含多个所述的补能电源E，不同的所述的补能电源E分别和不同的所述的补能开关Km串联后再分别与不同的所述的子模块M并联。

图6显示的是本发明提供的一种功率模块试验装置的第六种实施方式的结构图，这种实施方式与图1的区别是，包含多个所述的充电电源Ey，所述至少一个充电电源Ey和不同的所述储能充电开关Kc串联后再与不同的所述短路电容组件C1并联，其余的不同的所述的充电电源Ey分别和不同的所述的阀充电开关Kv串联后再分别与不同的所述的阀组V并联。

图7是本发明提供的一种功率模块试验装置的第七种实施方式的结构图，这种实施方式与图1的区别是，所述的补能电源E和所述的充电电源Ey合并为同一个电源。

图8是本发明提供的所述的阀组V与所述的稳态电抗L连接的第二种实施方式，所述的不同的阀组V之间两端都是通过所述稳态电抗L相连。

图9是本发明提供的所述的第一短路电抗L1、所述的第一短路开关K1和所述的子模块M连接的第二种实施方式，所述第一短路电抗L1和所述第一短路开关K1串联后再与所述阀组V中的部分的至少一个所述子模块M串联组成的串联支路并联。

图10是本发明提供的所述的子模块M的第一种实施方式，包含两个可关断半导体开关T、两个续流二极管D、一个均压电阻R、一个储能电容C和一个子模块保护部件TP，每个所述可关断半导体开关T与一个所述续流二极管D反向并联，所述两个可关断半导体开关T串联后与储能电容C并联，所述储能电容C和所述均压电阻R并联，至少一个所述的可关断半导体开关T并联一个子模块保护部件TP，所述子模块保护部件TP的两端为所述的子模块M的进出线端(X1和X2)。

图11是本发明提供的所述的子模块M的第二种实施方式，包含四个可关断半导体开关T、四个续流二极管D、一个均压电阻R和一个储能电容C，每个所述可关断半导体开关T与一个所述续流二极管D反向并联，所述四个可关断半导体开关T构成一个全桥电路，所述全桥电路直流端与储能电容C并联，所述储能电容C和所述均压电阻R并联，所述全桥电路的交流端为所述的子模块M的进出线端(X1和X2)，所述的子模块M的进出线端(X1和X2)并联一个子模块保护部件TP。

图12是本发明提供的所述的子模块M中的所述子模块保护部件TP的第一种实施方式，包含至少一个保护晶闸管SCR和至少一个保护开关K，所述保护晶闸管SCR和所述保护开关K并联。

图13是本发明提供的所述的子模块M中的所述子模块保护部件TP的第二种实施方式，包含至少一个保护二极管Dt和至少一个保护开关K，所述保护二极管Dt和所述保护开关K并联。

图14是本发明提供的所述的子模块M中的所述子模块保护部件TP的第三种实施方式，所述子模块保护部件TP是一个保护开关K。

图15至图17是本发明提供的所述的第一短路开关K1、所述的第二短路开关K2、所述的补能开关Km、所述的阀充电开关Kv和所述的储能充电开关Kc的第一种实施方式，所述的第一短路开关K1或所述的第二短路开关K2或所述的补能开关Km或所述的阀充电开关Kv或所述的储能充电开关Kc，是机械开关或半导体开关。

图18是本发明提供的所述的补能开关Km、所述的阀充电开关Kv和所述的储能充电开关Kc的第二种实施方式，所述的补能开关Km或所述的阀充电开关Kv或所述的储能充电开关Kc，包含第一隔离开关Ker1、第二隔离开关Ker2和限流电阻Re，所述第一隔离开关Ker1与所述限流电阻Re串联，所述第二隔离开关Ker2与所述限流电阻Re并联。

图19是本发明提供的所述的短路电容组件C1的第一种实施方式，所述的短路电容组件C1是一个短路电容Cc。

图20是本发明提供的所述的短路电容组件C1的第二种实施方式，包含短路电容Cc、放电开关Kcr、放电均压电阻Rc，所述放电开关Kcr和所述放电电阻Rc串联后再与所述短路电容Cc并联。

下面借助图1，对本发明提供的一种用于所述的功率模块试验装置的试验方法，进行详述，所述方法包括下述步骤：

A、闭合阀充电开关Kv，充电电源Ey对阀组V中的所有子模块M的储能电容C充电；

B、当子模块M的储能电容电压达到设定值时断开阀充电开关Kv，断开阀充电开关Kv后闭合补能开关Km，投入补能电源E；

C、触发阀组V中的所有子模块M按照一定的策略投切并工作在稳态状态，阀组V中的所有子模块M建立起等效实际工况下的电压应力、电流应力和热应力等；

D、阀组V的所有子模块M工作在稳态状态一定时间后，闭合储能充电开关Kc，充电电源Ey对短路电容组件C1中的短路电容Cc充电；

E、当短路电容组件C1中的短路电容Cc达到设定值后断开储能充电开关Kc，断开储能充电开关Kc后按照设定的时序闭合第一短路开关K1和第二短路开关K2，触发阀组V的短路事件，阀组V中的所有子模块M建立起等效故障工况下的电压应力、电流应力和热应力等；

F、断开补能开关Km、退出补能电源E、退出充电电源Ey，闭锁装置，试验结束。

Claims (10)

1.一种功率模块试验装置，其特征在于，所述功率模块试验装置包括补能电源、充电电源、稳态电抗、第一短路电抗、第二短路电抗、补能开关、阀充电开关、储能充电开关、第一短路开关、第二短路开关、短路电容组件和至少两个阀组，每个所述阀组由至少一个子模块串联组成，不同阀组之间一端直接相连或通过所述稳态电抗相连、另一端通过所述稳态电抗相连，所述第二短路电抗、第二短路开关和短路电容组件串联后再与所述第一短路电抗并联，所述第一短路电抗和所述第一短路开关串联后再与所述阀组中的至少一个所述子模块串联组成的串联支路并联；所述补能电源和所述补能开关串联后再与所述阀组中的所述子模块并联，所述充电电源和所述阀充电开关串联后再与所述阀组并联，所述充电电源和所述储能充电开关串联后再与所述短路电容组件并联。

2.如权利要求1所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述子模块包括两个可关断半导体开关、两个续流二极管、一个均压电阻、一个储能电容和一个子模块保护部件，每个可关断半导体开关与一个所述续流二极管反向并联，所述两个可关断半导体开关串联后与所述储能电容并联，所述储能电容和所述均压电阻并联，至少一个所述的可关断半导体开关并联一个子模块保护部件，所述子模块保护部件的两端为所述的子模块的进出线端。

3.如权利要求1所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述子模块包含四个可关断半导体开关、四个续流二极管、一个均压电阻和一个储能电容，每个所述可关断半导体开关与一个所述续流二极管反向并联，所述四个可关断半导体开关构成一个全桥电路，所述全桥电路直流端与所述储能电容并联，所述储能电容和所述均压电阻并联，所述全桥电路的交流端为所述的子模块的进出线端，所述的子模块的进出线端并联一个子模块保护部件。

4.如权利要求2所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述子模块保护部件包括至少一个保护晶闸管和至少一个保护开关，所述保护晶闸管和所述保护开关并联。

5.如权利要求2所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述子模块中的子模块保护部件包括至少一个保护二极管和至少一个保护开关，所述保护二极管和所述保护开关并联。

6.如权利要求2所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述子模块中的子模块保护部件为一个保护开关。

7.如权利要求1所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述第一短路开关、第二短路开关、补能开关、阀充电开关和储能充电开关，为机械开关或半导体开关。

8.如权利要求1所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述的补能开关或阀充电开关或储能充电开关，其结构包括第一隔离开关、第二隔离开关和限流电阻，所述第一隔离开关与限流电阻串联，所述第二隔离开关与所述限流电阻并联。

9.如权利要求1所述的功率模块试验装置，其特征在于，所述短路电容组件包括短路电容、放电开关和放电电阻，所述放电开关和所述放电电阻串联后再与所述短路电容并联，或者，

所述的短路电容组件为一个短路电容。

10.如权利要求1所述的一种功率模块试验装置所对应的试验方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

A、闭合阀充电开关，充电电源对阀组中的所有子模块的储能电容充电；

B、当子模块的储能电容电压达到设定值时断开阀充电开关，断开阀充电开关后闭合补能开关，投入补能电源；

C、触发阀组中的所有子模块投切并工作在稳态状态，阀组中的所有子模块建立起等效实际工况下的电压应力、电流应力和热应力；

D、阀组的所有子模块工作在稳态状态后，闭合储能充电开关，充电电源对短路电容组件中的短路电容充电；

E、当短路电容组件中的短路电容的电压达到设定值后断开储能充电开关，断开储能充电开关后按照设定的时序闭合第一短路开关和第二短路开关，触发阀组的短路事件，阀组中的所有子模块建立起等效故障暂态工况下的电压应力、电流应力和热应力；

F、断开补能开关、退出补能电源、退出充电电源，闭锁装置，试验结束。