CN111551844B - 一种柔性直流换流阀型式试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流换流阀型式试验装置及方法，涉及柔性直流输电技术领域，所述装置包括第一试品阀段、第二试品阀段、变压器T、电容C1和交流谐振电路、开关K01和交流试验电源S。将两个试品阀段经变压器二次绕组和电容器并联连接，组成试验电流通路。利用谐振电路分离试品阀段电流的直流分量和交流分量，使变压器二次绕组所在的补能支路仅通过交流分量，避免了变压器绕组的磁饱和。实现仅通过一个交流变压器或调压器的二次绕组进行试品阀段的充电和稳态运行，避免配置额外的直流补能电源和预充电电源，主回路简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流换流阀型式试验装置及方法。
背景技术
柔性直流输电换技术近年来快速发展，其电压等级和容量不断提高，应用领域也从配电网发展到主干网，并广泛应用于大规模风电场、太阳能等新能源并网，异步互联等领域，柔性直流输电换流阀通常采用半桥功率单元或全半桥功率单元串联结构，即模块化多电平拓扑。换流阀每个桥臂由多个阀段组成，每个阀段包含多个功率单元，通常为6～8个。工程中，换流阀的可靠性至关重要，直接决定了柔性直流输电系统的可靠性，在一定程度上影响着电力系统的安全稳定运行。为了保证在柔性直流输电系统的各种工况中，柔直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标准，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。
但目前的型式试验装置复杂且工作不稳定，需要额外配置直流电源和额外的补能装置。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种柔性直流换流阀型式试验装置及方法，其仅需要两个试品阀段经谐振电路并联连接构成电流通路，即可实现稳态运行，利用单一交流电源即可实现试品阀段和充电、补能，不需要配置直流电源和额外的补能装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种柔性直流换流阀型式试验装置，包括第一试品阀段、第二试品阀段、变压模块电路、交流谐振电路，所述变压模块电路包括变压器T，所述变压器T具有原边绕组和副边绕组，所述原边绕组与开关K01、交流试验电源S串接，所述副边绕组与第一电容器C1、切换开关K02串联后，再与所述交流谐振电路并联，所述第一试品阀段和所述第二试品阀段一端相连接并接地，另外一端分别连接至所述交流谐振电路两端，所述交流谐振电路用于给所述第一试品阀段和所述第二试品阀段提供直流电流通路并阻断交流电流分量，所述第一试品阀段和所述第二试品阀段包括若干串联的半桥功率单元或全桥功率单元。
如上所述的柔性直流换流阀型式试验装置，进一步地，所述交流谐振电路包括并联的第二电抗器L2和第二电容器C2。
如上所述的柔性直流换流阀型式试验装置，进一步地，所述的变压器T的副边绕组至少具有三个分接头，所述分接头至少包括有高压端子、低压端子和公共端，其中，所述公共端与第一电容器C1的一端相连接，所述高压端子或低压端子与切换开关K02的一端相连接，所述变压模块电路在接入所述高压端子时的输出电压比接入所述低压端子时高且额定电流小。
如上所述的柔性直流换流阀型式试验装置，进一步地，所述半桥功率单元包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联形成半桥结构，电容器CH、放电电阻RH、旁路晶闸管TrH均与所述半桥结构并联，其中，旁路晶闸管TrH的阳极与绝缘栅双极型晶体管D1的集电极相连接，旁路晶闸管TrH的阴极与绝缘栅双极型晶体管D2的发射极相连接，通过控制触发绝缘栅双极型晶体管的导通和关断来控制所述半桥功率单元的投入和切除。
如上所述的柔性直流换流阀型式试验装置，进一步地，所述全桥功率单元绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2、绝缘栅双极型晶体管D3、绝缘栅双极型晶体管D4，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D3的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D1的集电极与所述绝缘栅双极型晶体管D3的集电极连接且所述绝缘栅双极型晶体管D2的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的发射极连接形成全桥结构，电容器CF、放电电阻RF、旁路晶闸管TrF均与所述全桥结构并联，其中，旁路晶闸管TrF的阳极与绝缘栅双极型晶体管D1的集电极相连接，旁路晶闸管TrF的阴极与绝缘栅双极型晶体管D2的发射极相连接，通过控制触发绝缘栅双极型晶体管的导通和关断来控制所述全桥功率单元的投入和切除。
一种柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，利用如上所述的柔性直流换流阀型式试验装置进行，其包括如下步骤：
步骤1：预充电，将切换开关K02与调压器T的副边绕组的高压端子连接，使第一试品阀段和第二试品阀段获得相对较高的预充电电压；
步骤2：切换至补能回路，待第一试品阀段和第二试品阀段中功率单元充电至设定电压数值且充电电流接近0时，将切换开关K02切换至低压端子；
步骤3：解锁试品阀段，切换开关切换至补能回路后，解锁试品阀段，通过调节第一试品阀段和第二试品阀段的调制信号间的相位和幅值，以产生试品阀段所需的交流电流和直流电流分量；
步骤4：稳态运行，试品阀段解锁后，通过改变第一试品阀段和第二试品阀段的调制信号控制两试品阀段之间的环流，其中，给第一试品阀段和第二试品阀段分别施加幅值、频率相等但相位角不同的正弦信号的调制波，在第一试品阀段和第二试品阀段中间的交流谐振电路和第一电容C1与副边绕组的串联回路将承受两者电压的差值，从而产生一相同频率的正弦环流，正弦环流通过第一电容C1与副边绕组的串联支路，直流分量通过交流谐振电路，正弦环流和直流分量合成所需的试验电流通过第一试品阀段和第二试品阀段。
如上所述的柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，进一步地，步骤1中，包括
步骤11：开始时，将变压器T调至输出电压为零，闭合开关K01；
步骤12：缓慢上升变压器T的输出电压，对于半桥功率单元组成的试品阀段，在交流电源的正半波时对第一试品阀段充电，而交流电源的负半波时对第二试品阀段充电；对于全桥功率单元组成的试品阀段，试品阀段在交流电源两个方向上均充电；
步骤13：待变压器T上升到设定电压，预充电阶段结束，第一试品阀段和第二试品阀段上的桥臂电容电压和等于交流试验电源S的峰值电压，此时将切换开关K02切换至低压端子。
如上所述的柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，进一步地，步骤4中，给第一试品阀段和第二试品阀段分别施加正弦信号的调制波具体为：控制第一试品阀段和第二试品阀段中任一试品阀段的调制信号为正弦信号，调节另一个试品阀段的调制信号的幅值和相位，使得第一试品阀段和第二试品阀段中流过电流的直流分量和交流分量满足实验目标需求，并保持第一试品阀段和第二试品阀段之间的电容电压平均值相等。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、本发明将两个试品阀段经变压器二次绕组(即副边绕组)和电容器并联连接，可通过切换开关改变试品阀段所连接的变压器二次绕组(即副边绕组)，预充电阶段将变压器二次侧高压绕组接入实验回路，对试品阀预充电，二次绕组(即副边绕组)输出电压较高，仅通过较小的预充电电流。稳态运行时，切换开关将变压器低压绕组接入实验回路，低压绕组通过较大的稳态实验电流，而输出电压较低，补充试品阀段运行时能量损耗的需求。利用同一个变压器或调压器实现充电、补能，不需要配置直流电源。仅仅简单配置变压器二次侧高压小电流绕组和低压大电流绕组，主回路简单可靠。
2、本发明利用LC并联谐振电流为试品阀段提供直流电流分量通路，避免直流分量进入变压器二次绕组(即副边绕组)导致其饱和。在此基础上，可利用变压器二次低压绕组和电容器为试品阀段提供交流电流分量通路，即变压器二次绕组(即副边绕组)同时实现补能和试品阀段间负载电抗功能，减少主回路器件。能够降低实验装置成本和占地面积。
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是本发明的并联谐振电路原理图；
图3是本发明的半桥功率单元模块电路原理图；
图4是本发明的全桥功率单元模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
如图1所示，一种柔性直流换流阀型式试验装置，包括第一试品阀段(或简称试品阀段1)、第二试品阀段(或简称试品阀段2)、变压模块电路、交流谐振电路，所述变压模块电路包括变压器T，所述变压器T具有原边绕组和副边绕组，所述原边绕组与开关K01、交流试验电源S串接，所述副边绕组与第一电容器C1、切换开关K02串联后，再与所述交流谐振电路并联，所述第一试品阀段和所述第二试品阀段一端相连接并接地，另外一端分别连接至所述交流谐振电路两端，所述交流谐振电路用于给所述第一试品阀段和所述第二试品阀段提供直流电流通路并阻断交流电流分量，所述第一试品阀段和所述第二试品阀段包括若干串联的半桥功率单元或全桥功率单元。
如图2所示，交流谐振电路由第二电抗器L2和第二电容器C2并联组成，谐振频率为基频，可取L2为3.4mH，C2为3mF，为试品阀段1和试品阀段2提供直流电流通路，阻断交流电流分量。
变压器T可以采用调压器，调压器一次绕组经开关K01与交流电源连接，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。变压器T二次绕组(即副边绕组)为3个分接头，第一分接头为高压端子，输出电压较高，额定电流较小。第二分接头为低压端子，输出额定电压较低，额定电流较大。第三分接头为公共端。第三分接头与第一电容器C1一端连接，第1或第2分接头与切换开关K02一端连接。
如图3所示，所述半桥功率单元主回路包括IGBT1和IGBT2及其反并联二极管D1和D2、电容器CH、放电电阻RH、旁路晶闸管TrH组成；以半桥拓扑结构连接。通过控制触发上下IGBT的导通和关断来控制功率单元的投入和切除。
如图4所示，所述全桥功率单元主回路包括IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4及其反并联二极管D1～D4、电容器CF、放电电阻RF、旁路晶闸管TrF组成；以全桥拓扑结构连接。通过控制触发IGBT的导通和关断来控制功率单元的投入和切除。
一种柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，包括：
步骤1：预充电，将切换开关K02与调压器T的副边绕组的高压端子连接。具体地，预充电，在试品阀段1和试品阀段2中的功率单元电容电压还没有建立起来时，需要对它们进行充电，首先使切换开关K02与调压器T二次绕组(即副边绕组)第1分接头连接，使试品阀段1和试品阀段2能够获得较高的预充电电压，保证功率单元能够稳定工作。
步骤2：切换至补能回路，待第一试品阀段和第二试品阀段中功率单元充电至设定电压数值且充电电流接近0时，将切换开关K02切换至低压端子。具体地，切换至补能回路，待试品阀段中功率单元充电至设定数值，充电电流接近0时，将切换开关K02切换至于变压器T的第2分接头连接。分接头2输出电压较低，可通过较大的试品阀段运行试验电流，并能够补充阀段运行试验过程中损耗的能量。
步骤3：解锁试品阀段，切换开关切换至补能回路后，解锁试品阀段，通过调节第一试品阀段和第二试品阀段的调制信号间的相位和幅值，以产生试品阀段所需的交流电流和直流电流分量。具体地，解锁试品阀段，切换开关切换至补能回路后，解锁试品阀段，通过调节两个试品阀段调制信号间的相位和幅值，可在试品阀段间产生所需的交流电流和直流电流分量。其中谐振回路对基波阻抗极大，仅通过直流电流分量，变压器二次侧低压绕组和第一电容器C1组成的串联回路通过基频交流电流，由于该回路中电容器C1的存在，可以阻断直流分量，避免变压器T饱和。
步骤4：稳态运行，试品阀段解锁后(即换流阀解锁后)，通过改变试品阀段1和试品阀段2的调制信号控制两个试品阀间的环流，典型的试验情况下，试品阀段1和试品阀段2的调制波都给定为正弦信号，两者幅值、频率相等，相差一个小的角度；因此，试品阀段1和试品阀段2中间的谐振回路和第一电容C1与变压器二次绕组(即副边绕组)的串联回路，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。正弦环流将流过阻抗相对较小的第一电容C1与变压器二次绕组(即副边绕组)的串联支路。而两个试品阀段之间微小的电容电压差将导致交流谐振回路流过直流分量，正弦环流和直流分量合成了所需的试验电流，流过两个试品阀段。
进一步地，预充电包括以下具体步骤：
第一步：开始时，将变压器T或调压器T1调到输出为零电压，闭合开关K01；
第二步：然后缓慢上升变压器T或调压器T1输出电压，因为试品阀段1和试品阀段2分别连接在调压器T二次绕组(即副边绕组)的两端。对于半桥功率单元组成的试品阀段，在交流电源的正半波时对试品阀段1充电，而交流电源的负半波时对试品阀段2充电；对于全桥功率单元组成的试品阀段，由于全桥单元在闭锁状态下相当于全桥整流结构，试品阀段在交流电源两个方向上均充电。
第三步、等待调压器上升到规定电压，充电结束，这时试品阀段1和试品阀段2上的桥臂电容电压和都等于交流电源的峰值电压，可以将调压器T切换至低压绕组，开始试验。其中低压绕组输出电压较低，但能够通过较大额定电流，满足运行试验中补能需要。
进一步地，所述稳态运行，在具体试验过程中，可控制试品阀段1和试品阀段2中任意一个阀段的调制信号为正弦信号，调节另一个试品阀段的调制信号的幅值和相位，使得试品阀段1、试品阀段2中流过电流的直流分量和交流分量满足实验目标需求，并保持试品阀段1和试品阀段2之间的电容电压平均值相等。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，利用柔性直流换流阀型式试验装置进行，所述的柔性直流换流阀型式试验装置包括第一试品阀段、第二试品阀段、变压模块电路、交流谐振电路，其特征在于，所述变压模块电路包括变压器T，所述变压器T具有原边绕组和副边绕组，所述原边绕组与开关K01、交流试验电源S串接，所述副边绕组与第一电容器C1、切换开关K02串联后，再与所述交流谐振电路并联，所述第一试品阀段和所述第二试品阀段一端相连接并接地，另外一端分别连接至所述交流谐振电路两端，所述交流谐振电路用于给所述第一试品阀段和所述第二试品阀段提供直流电流通路并阻断交流电流分量，所述第一试品阀段和所述第二试品阀段包括若干串联的半桥功率单元或全桥功率单元；
所述交流谐振电路包括并联的第二电抗器L2和第二电容器C2；
所述的变压器T的副边绕组至少具有三个分接头，所述分接头至少包括有高压端子、低压端子和公共端，其中，所述公共端与第一电容器C1的一端相连接，所述高压端子或低压端子与切换开关K02的一端相连接，所述变压模块电路在接入所述高压端子时的输出电压比接入所述低压端子时高且额定电流小；
利用所述的柔性直流换流阀型式试验装置进行如下步骤：
步骤1：预充电，将切换开关K02与调压器T的副边绕组的高压端子连接；
步骤2：切换至补能回路，待第一试品阀段和第二试品阀段中功率单元充电至设定电压数值且充电电流接近0时，将切换开关K02切换至低压端子；
步骤3：解锁试品阀段，切换开关切换至补能回路后，解锁试品阀段，通过调节第一试品阀段和第二试品阀段的调制信号间的相位和幅值，以产生试品阀段所需的交流电流和直流电流分量；
步骤4：稳态运行，试品阀段解锁后，通过改变第一试品阀段和第二试品阀段的调制信号控制两试品阀段之间的环流，其中，给第一试品阀段和第二试品阀段分别施加幅值、频率相等但相位角不同的正弦信号的调制波，在第一试品阀段和第二试品阀段中间的交流谐振电路和第一电容C1与副边绕组的串联回路将承受两者电压的差值，从而产生一相同频率的正弦环流，正弦环流通过第一电容C1与副边绕组的串联支路，直流分量通过交流谐振电路，正弦环流和直流分量合成所需的试验电流通过第一试品阀段和第二试品阀段。
2.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，其特征在于，所述半桥功率单元包括绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联形成半桥结构，电容器CH、放电电阻RH、旁路晶闸管TrH均与所述半桥结构并联，其中，旁路晶闸管TrH的阳极与绝缘栅双极型晶体管D1的集电极相连接，旁路晶闸管TrH的阴极与绝缘栅双极型晶体管D2的发射极相连接，通过控制触发绝缘栅双极型晶体管的导通和关断来控制所述半桥功率单元的投入和切除。
3.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，其特征在于，所述全桥功率单元绝缘栅双极型晶体管D1、绝缘栅双极型晶体管D2、绝缘栅双极型晶体管D3、绝缘栅双极型晶体管D4，所述绝缘栅双极型晶体管D1的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D2的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D3的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的集电极串联，所述绝缘栅双极型晶体管D1的集电极与所述绝缘栅双极型晶体管D3的集电极连接且所述绝缘栅双极型晶体管D2的发射极与所述绝缘栅双极型晶体管D4的发射极连接形成全桥结构，电容器CF、放电电阻RF、旁路晶闸管TrF均与所述全桥结构并联，其中，旁路晶闸管TrF的阳极与绝缘栅双极型晶体管D1的集电极相连接，旁路晶闸管TrF的阴极与绝缘栅双极型晶体管D2的发射极相连接，通过控制触发绝缘栅双极型晶体管的导通和关断来控制所述全桥功率单元的投入和切除。
4.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，其特征在于，步骤1中，包括
步骤11：开始时，将变压器T调至输出电压为零，闭合开关K01；
步骤12：缓慢上升变压器T的输出电压，对于半桥功率单元组成的试品阀段，在交流电源的正半波时对第一试品阀段充电，而交流电源的负半波时对第二试品阀段充电；对于全桥功率单元组成的试品阀段，试品阀段在交流电源两个方向上均充电；
步骤13：待变压器T上升到设定电压，预充电阶段结束，第一试品阀段和第二试品阀段上的桥臂电容电压和等于交流试验电源S的峰值电压，此时将切换开关K02切换至低压端子。
5.根据权利要求4所述的柔性直流换流阀型式试验装置的试验方法，其特征在于，步骤4中，给第一试品阀段和第二试品阀段分别施加正弦信号的调制波具体为：控制第一试品阀段和第二试品阀段中任一试品阀段的调制信号为正弦信号，调节另一个试品阀段的调制信号的幅值和相位，使得第一试品阀段和第二试品阀段中流过电流的直流分量和交流分量满足实验目标需求，并保持第一试品阀段和第二试品阀段之间的电容电压平均值相等。
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