CN111273113A - 柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置和试验方法，所述试验装置包括交流电源、变压器、整流电路、充电开关、限流电阻、负载电感、第一试验阀段、第二试验阀段、补能模块、补能二极管、补能开关、分布式耗能阀段及限流电感；所述试验方法分为不控充电阶段、循环充电阶段、解锁运行升压升流阶段、稳态均压阶段四个阶段，分布式耗能阀段随着试验阀段同步带电，两个试验阀段解锁运行状态下开展分布式耗能阀段稳态均压试验。本发明解决了分布式耗能装置稳态均压试验的问题，试验方法经济便捷且易实现。

Description

柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置和试验方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置和试验方法。

背景技术

我国幅员辽阔，风资源丰富，将风电送出能很好的缓解我国能源紧张的局势。对于远海风电送出，柔性直流输电成为目前风电送出的最优解决方案。新能源风力发电经柔性直流输电系统并网，当受端电网发生交流故障时会因换流阀能量积累模块电压上升而造成直流电压上升，风力发电机因有惯性环节动作时间慢，为了配合风机动作，需要配置耗能装置限制直流电压上升，保护换流阀的安全。而分布式耗能装置因具有较低的电流变化率、较低的电压变化率、耗能模块无需一致触发、取能电源供电简便、开发设计传承性高等优势使其成为耗能的优先选择。分布式耗能装置在设计过程中需要进行充分的试验验证，而分布式耗能装置因为研究起步较晚，缺乏相应的试验方法和试验装置。若在试验中将分布式耗能装置与换流阀进行匹配，在验证极端耗能时需要给试验系统配置很大的容量，而很多厂区很难达到这样的要求，且试验系统复杂，操作难度大，风险高，因此亟需一种既经济便捷又易实现的方法解决分布式耗能装置试验的问题，满足分布式耗能装置的功能测试，以测试分布式耗能装置的稳态均压能力和抑制直流电压的能力。

发明内容

本发明提供了一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置和试验方法，以对分布式耗能装置在设计过程中进行充分的试验验证。

为达到上述目的，本发明一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置，包括第一试验阀段、第二试验阀段、补能模块、负载电感L1、限流电感L2、交流电源、变压器T、整流电路、充电回路开关S1和补能模块开关S2；第一试验阀段和第二试验阀段均包含多个级联的功率模块；

交流电源经变压器T和整流电路转换为直流电压，第一试验阀段形成第一支路，第二试验阀段与补能模块串联后形成第二支路，待试验的分布式耗能阀段与限流电感L2串联形成第三支路，第一支路与第三支路并联后经负载电感L1与第二支路并联形成并联支路，并联支路然后再经充电开关S1并联在整流电路的直流侧；补能模块9经补能二极管D2和补能开关S2并联到整流电路直流侧。

进一步的，功率模块包括电容C和两个IGBT，两个IGBT两端均反并联有一个二极管D，电容C并联在两个IGBT连接形成的支路两端。

进一步的，补能模块包括电容C9、IGBT T91和IGBT T92，IGBT T91和IGBT T92两端分别反并联有二极管D91和二极管D912，电容C9并联在IGBT T91和IGBT T92连接形成的支路两端。

进一步的，补能模块的电容C9经补能二极管D2和补能开关S2并联到整流电路直流侧。

进一步的，变压器T为升压分裂变压器。

进一步的，并联支路和充电开关S1之间连接有限流电阻R1。

基于上述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、不控充电阶段：断开补能模块开关S2，闭合充电开关S1，抬升交流电源电压，进行不控充电，将两个试验阀段的模块电压抬升至取能电源可稳定带电，此时第一试验阀段、第二试验阀段串联补能模块和分布式耗能阀段为并联接线方式，三个阀段的模块各自平均分配整流电路输出的电压；

步骤2、循环充电阶段：降低交流电源电压，使整流电路输出电压与第一试验阀段模块电压相同，第一试验阀段和第二试验阀段切换为一对一循环充电模式，此时两个试验阀段端口电压低于分布式耗能阀段模块电压之和，分布式耗能模块中的通流二极管D1承受反压截止，两个试验阀段不对分布式耗能阀段模块充电，分布式耗能模块处于自放电状态，分布式耗能模块电压短时基本不变；

步骤3、解锁运行升压升流阶段：断开充电回路开关S1，闭合补能模块开关S2，两个试验阀段解锁运行，同步控制交流电源电压和两个试验阀段间相位角斜率上升，使第一试验阀段和第二试验阀段模块电压、分布式耗能模块电压和负载电感L1电流上升至设定值；

步骤4、稳态均压阶段：当分布式耗能阀段的分布式耗能模块电压高于设定值上限时，高电压的耗能模块通过耗能电阻R1放电，当耗能模块电压放电到设定值下限时停止放电；循环反复，模拟分布式耗能阀段稳态均压试验；使耗能模块电压设定值逐步下降，以测试分布式耗能装置抑制直流电压的能力。

进一步的，步骤4中，以每秒降低0.1kV的速率使耗能模块电压设定值逐步下降。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验，通过第一试验阀段和第二试验阀段使分布式耗能阀段的电压达到额定电压，然后通过投入或断开分布式耗能模块中的泄能支路来测试分布式耗能装置的稳态均压能力；通过调整耗能模块电压设定值，测试分布式耗能装置抑制直流电压的能力。试验装置的电路简单，容易实现，操作方便。

进一步的，补能模块9的电容C9经补能二极管D2和补能开关S2并联到整流电路直流侧。保证电源流向系统。

进一步的，变压器为升压分裂变压器，变压器原边可以采用低电压常规电(380V)而变压器副变要采用电压较高的电，以满足试验平台的电压需求，分裂变压器可以通过电压叠加抬升电压；

进一步的，并联支路和充电开关S1之间连接有限流电阻R1，限流电阻R1限制充电回路电流，让充电过程中电流不要太大，保护试验设备。

一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验方法，分布式耗能阀段随着试验阀段同步带电，在两个试验阀段解锁运行状态下开展分布式耗能阀段稳态均压试验。在稳态均压阶段开展分布式耗能阀段抑制直流电压的能力试验。决了分布式耗能装置稳态均压试验和抑制直流电压试验的问题，试验方法经济便捷且易实现。

附图说明

图1为柔性直流输电系统分布式耗能装置试验拓扑图；

图2为本发明实施例提供的柔性直流输电系统分布式耗能装置两个试验阀段端口电压；

图3为本发明实施例提供的柔性直流输电系统分布式耗能装置两个试验阀段模块电压；

图4为本发明实施例提供的柔性直流输电系统分布式耗能装置分布式耗能阀段电压；

图5为本发明实施例提供的柔性直流输电系统分布式耗能装置负载电感电流；

图6为本发明实施例提供的柔性直流输电系统分布式耗能装置分布式耗能阀段电流；

图7为本发明实施例提供的柔性直流输电系统分布式耗能装置电源功率；

图8为本发明实施例提供的柔性直流输电系统分布式耗能装置变压器原边及副边电流。

附图中：1—交流电源，2—变压器，3—整流电路，7—第一试验阀段，8—第二试验阀段，9—补能模块，12—分布式耗能阀段；

图2至图8中，横坐标为时间，单位为秒。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

参照图1，一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置拓扑，包含分布式耗能阀段8、第一试验阀段7、第二试验阀段8、补能模块9、负载电感L1、限流电感L2、限流电阻R1、交流电源1、变压器T、整流电路3、充电回路开关S1、补能模块开关S2和补能二极管D2；所述拓扑的分布式耗能阀段12包括6个级联的分布式耗能模块；第一试验阀段和第二试验阀段均包含6个级联的功率模块，功率模块为全桥模块或半桥模块；半桥模块包括电容C、IGBTT71和IGBT T72，IGBT T71和IGBT T72两端均反并联有一个二极管D，IGBT T71的发射极和IGBT T72的集电极连接，电容C并联在两个IGBT形成的支路两端。

其中交流电源、变压器、整流电路、充电开关、限流电阻、负载电感、第一试验阀段、第二试验阀段、补能模块9、补能二极管D2、补能开关构成典型的阀段对拖平台，待试验的分布式耗能阀段和限流电感串联后跨接在第一试验阀段和第二试验阀段之间。补能模块9包括电容C9、IGBT T91和IGBT T92，IGBT T91和IGBT T92两端分别反并联有二极管D91和二极管D912，IGBT T91的发射极和IGBT T92的集电极连接，电容C9并联在IGBT T91和IGBT T92形成的支路两端。

试验装置的交流电源1经变压器T和整流电路3转换为直流电压；试验装置的第一试验阀段7形成第一支路，第二试验阀段8与补能模块9串联后形成第二支路，分布式耗能阀段12与限流电感L2串联后形成第三支路，第一支路与第三支路并联后经负载电感L1与第二支路并联，然后再经限流电阻R1和充电开关S1并联在整流电路3的直流侧；试验装置的补能模块9的电容C9经补能二极管D2和补能开关S2并联到整流电路直流侧。所述变压器为升压分裂变压器，变压器原边可以采用低电压常规电(380V)，而变压器副变要采用电压较高的电，以满足试验平台的电压需求，分裂变压器可以通过电压叠加抬升电压；整流电路交流侧为并联连接，所述整流电路直流侧为串联连接。

一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验方法，分为不控充电阶段、循环充电阶段、解锁运行升压升流阶段和稳态均压阶段四个阶段，分布式耗能阀段12随着试验阀段同步带电，两个试验阀段解锁运行时，分布式耗能阀段根据要求开展稳态均压试验。

在不控充电阶段，交流电源经整理后的电压平均分配到两个试验阀段以及分布式耗能阀段的每个模块上，模块电容电压需使取能电源可靠带电；

在循环充电阶段，电源对两个试验阀段和补能模块进行一对一充电；

在解锁运行升压升流阶段，两个试验阀段电压为带正偏置的工频正弦电压，当任一试验阀段端口电压高于分布式耗能阀段的分布式耗能模块电压之和时，耗能模块充电；当任一试验阀段端口电压低于分布式耗能阀段的模块电压之和时，分布式耗能模块中的通流二极管D1承受反压截止，分布式耗能阀段不对任一试验阀段放电；第一试验阀段端口电压仅包含第一试验阀段的端口电压，试验阀段2端口电压为含第二试验阀段与补能模块9的电压之和。

稳态均压阶段，当分布式耗能阀段的分布式耗能模块电压高于设定值上限时，高电压的耗能模块通过耗能电阻R1放电，当耗能模块电压放电到设定值下限时停止放电。循环反复，模拟分布式耗能阀段稳态均压试验。

一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，不控充电阶段，断开补能模块开关S2，闭合充电开关S1，抬升交流电源电压，进行不控充电，限流电阻R1限制充电回路电流，让充电过程中电流不要太大，保护试验设备；将两个试验阀段的模块电压抬升至取能电源可稳定带电为止，此时第一试验阀段、第二试验阀段串联补能模块9和分布式耗能阀段12为并联接线方式，三个阀段的模块各自平均分配整流电路输出的电压；

步骤2，循环充电阶段，降低交流电源电压，使整流电路输出电压与第一试验阀段模块电压相同，两个试验阀段切换为一对一循环充电模式，此时两个试验阀段端口电压低于分布式耗能阀段模块电压之和，分布式耗能模块中的通流二极管D1承受反压截止，两个试验阀段不对分布式耗能阀段模块充电，分布式耗能模块处于自放电状态，分布式耗能模块电压短时基本不变。循环充电阶段，电源电压会降下来，便于下一个解锁阶段，减小解锁瞬间的冲击，主要目的是要保证整个系统能平稳进行，大的冲击会危及设备的安全。

步骤3，解锁运行升压升流阶段，断开充电回路开关S1，闭合补能模块开关S2，两个试验阀段解锁运行，同步控制交流电源电压和两个试验阀段间相位角斜率上升，使两个试验阀段模块电压、分布式耗能模块电压和负载电感L1电流上升至设定值，当任一试验阀段端口电压高于分布式耗能模块电压之和时，为防止电流冲击，利用限流电感L2限制分布式耗能阀段的充电电流；

步骤4，稳态均压阶段，两个试验阀段运行稳定后，使能分布式耗能阀段的均压控制策略，开展稳态均压试验。

图2～图8为本发明实施例提供的仿真结果，所述仿真结果分为四个阶段，分别为不控充电阶段、循环充电阶段、解锁运行升压升流阶段和稳态均压阶段，下面依次对四个阶段进行描述。

0～0.5s为不控充电阶段，闭合充电回路开关S1，断开补能模块开关S2，抬升电源电压，使整流电路输出电压为3kV，第一试验阀段模块电压为0.5kV，分布式耗能阀段模块电压为0.5kV，因第二试验阀段与补能模块9级联，则模块电压为0.43kV，在不控充电结束前，调整交流电源电压将整流电路输出电压降至0.5kV；

0.5～2s为循环充电阶段，循环充电为电源对两个试验阀段和补能模块进行一对一充电，第一试验阀段模块电压与整流电路电压基本相当，第一试验阀段的模块电压基本维持在0.5kV，第二试验阀段与补能模块的模块电压低于整流电流电压，将使第二试验阀段与补能模块的模块电压抬升至0.5kV；

2～8s为解锁运行升压升流阶段，同步控制交流电源电压和两个试验阀段间的相位角斜率上升，使两个试验阀段模块电压、分布式耗能模块电压和补能模块9电压升至2.1kV；

8～20s为稳态均压阶段，其中，8～12s分布式耗能阀段不使能控制策略，分布式耗能阀段的模块电压约为2.1kV，12s后使能分布式耗能阀段控制策略，12～14s将分布式耗能模块电压设定值维持在2.1kV，14～16s将分布式耗能模块电压设定值改为2.0kV，16～18s将分布式耗能模块电压设定值改为1.9kV，18～20s将分布式耗能模块电压设定值改为1.8kV；当某分布式耗能模块电压高于设定值1.05倍时，投入该分布式耗能模块的泄能支路，泄能支路包括IGBTT12，二极管D12和泄能电阻R12，将该模块电压降至设定值0.95倍时断开泄能支路，分布式耗能模块电压维持在设定值0.95～1.05倍区间内，体现了分布式耗能装置的稳态均压能力；随着耗能模块电压设定值下降，两个试验阀段端口电压最大值、两个试验阀段模块电压、补能模块电压和负载电感电流均降低，体现了分布式耗能装置抑制直流电压的能力；随着耗能模块电压设定值下降，分布式耗能装置电流、电源功率、变压器原副边电流增大，体现了分布式耗能装置耗能的能力。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，例如将试验阀段中的半桥模块替换为全桥模块、钳位双子模块等，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (8)

1.一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置，其特征在于，包括第一试验阀段(7)、第二试验阀段(8)、补能模块(9)、负载电感L1、限流电感L2、交流电源、变压器T、整流电路(3)、充电回路开关S1和补能模块开关S2；所述第一试验阀段(7)和第二试验阀段(8)均包含多个级联的功率模块；

所述交流电源经变压器T和整流电路(3)转换为直流电压，所述第一试验阀段(7)形成第一支路，第二试验阀段(8)与补能模块(9)串联后形成第二支路，待试验的分布式耗能阀段(12)与限流电感L2串联形成第三支路，第一支路与第三支路并联后经负载电感L1与第二支路并联形成并联支路，并联支路然后再经充电开关S1并联在整流电路(3)的直流侧；补能模块9经补能二极管D2和补能开关S2并联到整流电路直流侧。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置，其特征在于，所述功率模块包括电容C和两个IGBT，两个IGBT两端均反并联有一个二极管D，电容C并联在两个IGBT连接形成的支路两端。

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置，其特征在于，所述补能模块(9)包括电容C9、IGBT T91和IGBT T92，IGBT T91和IGBT T92两端分别反并联有二极管D91和二极管D912，电容C9并联在IGBT T91和IGBT T92连接形成的支路两端。

4.根据权利要求3所述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置，其特征在于，所述补能模块(9)的电容C9经补能二极管D2和补能开关S2并联到整流电路直流侧。

5.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置，其特征在于，所述变压器T为升压分裂变压器。

6.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置，其特征在于，所述并联支路和充电开关S1之间连接有限流电阻R1。

7.基于权利要求1所述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、不控充电阶段：断开补能模块开关S2，闭合充电开关S1，抬升交流电源电压，进行不控充电，将两个试验阀段的模块电压抬升至取能电源可稳定带电，此时第一试验阀段、第二试验阀段串联补能模块(9)和分布式耗能阀段(12)为并联接线方式，三个阀段的模块各自平均分配整流电路输出的电压；

步骤2、循环充电阶段：降低交流电源电压，使整流电路输出电压与第一试验阀段模块电压相同，第一试验阀段和第二试验阀段切换为一对一循环充电模式，此时两个试验阀段端口电压低于分布式耗能阀段模块电压之和，分布式耗能模块中的通流二极管D1承受反压截止，两个试验阀段不对分布式耗能阀段模块充电，分布式耗能模块处于自放电状态，分布式耗能模块电压短时基本不变；

步骤3、解锁运行升压升流阶段：断开充电回路开关S1，闭合补能模块开关S2，两个试验阀段解锁运行，同步控制交流电源电压和两个试验阀段间相位角斜率上升，使第一试验阀段和第二试验阀段模块电压、分布式耗能模块电压和负载电感L1电流上升至设定值；

步骤4、稳态均压阶段：当分布式耗能阀段的分布式耗能模块电压高于设定值上限时，高电压的耗能模块通过耗能电阻R1放电，当耗能模块电压放电到设定值下限时停止放电；循环反复，模拟分布式耗能阀段稳态均压试验；使耗能模块电压设定值逐步下降，以测试分布式耗能装置抑制直流电压的能力。

8.根据权利要求7所述的一种柔性直流输电系统分布式耗能装置的试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤4中，以每秒降低0.1kV的速率使耗能模块电压设定值逐步下降。

Images