CN111722099B - 一种柔性直流换流阀短路电流试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流换流阀短路电流试验系统，包括整流单元，整流单元的输入侧用于连接电网，整流单元的输出侧通过控制开关连接储能单元，储能单元连接Buck变换器的输入端，Buck变换器的输出端用于连接待测MMC阀，Buck变换器的输出端与待测MMC阀之间通过晶闸管阀连接，储能单元、Buck变换器和晶闸管阀通过绝缘平台支撑对地绝缘。本发明通过在短路试验开始前，控制控制开关闭合，使电网通过整流单元给储能单元充电储能，储能完成后，控制控制开关断开，使储能单元与电网隔离开；在短路试验过程中，储能单元储存的电能通过Buck变换器输出可控的短路试验电流，该短路试验电流能够适应柔性直流工程试验要求，提高了短路试验结果的准确性。

Description

一种柔性直流换流阀短路电流试验系统

技术领域

本发明涉及一种柔性直流换流阀短路电流试验系统，属于柔性直流输电换流阀试验技术领域。

背景技术

柔性直流输电(VSC-HVDC)的核心设备是柔性直流输电换流阀，也称模块化多电平换流阀(modular multiple-level converter valve，MMC valve)。MMC阀的基本组成单元称为子模块(sub-module，SM)，该子模块的电路图如图1所示。在工程应用之前，MMC阀必须进行型式试验，作为型式试验中的一项重要试验项目，短路电流试验主要考核MMC阀下部IGBT反并联二极管以及保护器件(图1中的二极管D1和旁路晶闸管T)的通流能力以及动作逻辑是否满足产品设计要求，该产品设计要求是通过研究柔性直流电网直流双极故障工况以及换流站控制保护配置得到的。

现有技术一般采用LC振荡电路构成试验系统来模拟柔性直流输电系统发生直流双极短路故障时流过MMC阀的电流，其试验电流变化曲线如图2所示。LC振荡方案产生的试验电流为标准的正弦单流波叠加衰减电流波，可控的量为电流峰值、振荡频率；然而此方案存在以下缺点：1)电流振荡过程中必然产生能量损失，导致每个周期电流峰值下降且不可控；2)试验电流持续时间一般为数百毫秒，不能满足工程特殊试验时间要求；3)试验电流不能闭环控制。由于上述缺点的存在，使得现有基于LC振荡电路所产生的短路电流幅值衰减过大，注入电流能量不能满足工程特殊要求，导致短路试验结果不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流换流阀短路电流试验系统，用于解决现有基于LC振荡电路的短路试验结果不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性直流换流阀短路电流试验系统，包括整流单元，整流单元的输入侧用于连接电网，整流单元的输出侧通过控制开关连接储能单元，储能单元连接Buck变换器的输入端，Buck变换器的输出端用于连接待测MMC阀，所述Buck变换器的输出端与待测MMC阀之间通过晶闸管阀连接，储能单元、Buck变换器和晶闸管阀通过绝缘平台支撑对地绝缘。

本发明的有益效果是：在短路试验前，通过控制控制开关闭合，电网通过整流单元给储能单元供电储能，储能完成后，控制控制开关断开，使储能单元与电网隔离开；在短路试验过程中，储能单元储存的电能通过Buck变换器输出可控的短路试验电流，该短路试验电流能够适应柔性直流工程试验要求，提高了短路试验结果的准确性；同时，Buck变换器的输出端通过晶闸管阀与待测MMC阀进行连接，可以有效保护Buck变换器、储能单元等前级设备免受试品高电压冲击，储能单元、Buck变换器和晶闸管阀通过绝缘平台支撑，可以有效实现对地绝缘。

进一步的，为了实现串联分压，所述晶闸管阀由设定数量的晶闸管串联压接构成。

进一步的，为了可靠输出试验短路电流，所述Buck变换器的输出端包括第一接线端和第二接线端，第一接线端通过晶闸管阀用于与待测MMC阀高电位端连接，第二接线端用于与待测MMC阀低电位端连接。

进一步的，为了实现大容量储能，所述储能单元为超级电容。

附图说明

图1是现有技术MMC阀的子模块的电路图；

图2是现有技术采用LC振荡电路构成试验系统输出的短路试验电流波形；

图3是本发明柔性直流换流阀短路电流试验系统的电路原理图；

图4是本发明柔性直流换流阀短路电流试验系统输出的短路试验电流波形；

图5是本发明图4中短路试验电流波形左边振荡部分的放大图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本实施例提供了一种柔性直流换流阀短路电流试验系统，通过采用储能和电力电子功率变换方案，达到输出试验电流可闭环控制、注入电流能量满足工程特殊要求、试验系统建设成本低的目的。

该柔性直流换流阀短路电流试验系统包括整流单元、控制开关、储能单元、Buck变换器和晶闸管阀。其中，整流单元的输入侧用于连接电网，整流单元的输出侧通过控制开关连接储能单元，储能单元连接Buck变换器的输入端，Buck变换器的输出端通过晶闸管阀用于连接待测MMC阀(试品MMC阀)。

其中，整流单元为小功率整流设备，其作用是将电网的交流电转变为直流电，并对储能单元进行充电储能，以减小对电网的容量需求。在本实施例中，该整流单元为由二极管构成的三相整流桥。当然，作为其他的实施方式，该整流单元的结构可以采用现有技术中的其他任意AC/DC整流结构，例如可以采用由IGBT构成的三相整流桥结构。

如图3所示，储能单元为由一个超级电容C1构成，单次可储存几千瓦时的电能，这样不仅能够适当延长储能时间，平滑电网输出功率，降低对电网容量的要求，并且能够完全满足试验过程中试品MMC阀需要以及试验系统损耗。当然，在满足一次储存能量就能满足一次或多次短路电流试验要求的情况下，作为其他的实施方式，该储能单元也可以是多个电容串、并联组成的组合单元。

如图3所示，控制开关包括两个隔离开关K1和一个放电开关K2，三相整流桥的两个输出端分别连接两个隔离开关K1的一端，两个隔离开关K1的另一端分别连接放电开关K2的两端。两个隔离开关K1的另一端与放电开关K2的两个连接点连接超级电容C1的两端，超级电容C1的两端连接Buck变换器的输入端。设置隔离开关K1的目的是隔离三相整流桥和超级电容C1，在实现这一目的的情况下，隔离开关的数目和设置位置可调，例如可以只设置一个隔离开关。

另外，在放电开关K2和超级电容C1之间，还串设有限流/放电电阻R1，其作用是，在超级电容C1充电阶段，限制充电电流的大小；在超级电容C1放电阶段，充当其放电电阻，与放电开关K2完成超级电容C1的能量泄放。该限流/放电电阻R1可以是一个单独的电阻，也可以是多个电阻的串、并联组合，且每个电阻的阻值可以是定值，也可以进行调整。

Buck变换器由N个Buck子模块交错并联构成，Buck子模块的个数N可以根据需要进行设定，每个Buck子模块由入口电容C11、可关断功率器件IGBT T11、快恢复二极管D11和输出电感L11构成。其中，入口电容C11用以降低线路杂散电感对可关断功率器件IGBT T11产生的不良电压尖峰；输出电感L11作为超级电容C1中的能量变换至试品MMC阀的短路试验电流能量的桥梁，其电感值由系统开关频率、超级电容C1电压范围、短路试验电流变化率等系统参数决定。

Buck变换器的输出端包括第一接线端和第二接线端，由于MMC阀中承受短路电流的主要是试品MMC阀子模块的下部IGBT T1的反并联二极管D1和旁路晶闸管T，因此Buck变换器的第一接线端通过晶闸管阀与试品MMC阀的高电位端连接，Buck变换器的第二接线端与试品MMC阀的低电位端连接。

另外，为了实现对地绝缘，将储能单元、Buck变换器和晶闸管阀通过绝缘平台支撑对地绝缘。为了适用于试品MMC阀在开展最大连续运行负载试验进行前期预热时，试品MMC阀在试验系统中并没有接地点的情况，在Buck变换器的第二接线端与试品MMC阀的低电位端连接后不接地，此时整个柔性直流换流阀短路电流试验系统的对地电位由试品MMC阀运行状态决定。

上述的Buck变换器可以采用交错并联的技术进行调制，以生成Buck变换器的触发脉冲信号，这样能够提高Buck变换器等效开关频率，降低电感参数及尺寸，节约成本；同时可以显著降低电流纹波、提升系统动态响应性能。在Buck变换器的控制过程中，采用电流闭环控制方法，该电流闭环控制方法通过采集每个Buck子模块的电流并求和，用所得的和值与试验电流指令进行比较，根据比较结果，利用控制器生成Buck变换器的占空比控制信号。通过采用电流闭环控制方法，可以克服传统试验方法中的短路试验电流不可控的缺点，能够适应柔性直流工程特殊试验要求。

在Buck变换器的第一接线端设置晶闸管阀的作用是：短路试验时晶闸管阀导通，承受试验要求的大电流应力，非试验时晶闸管阀关断，承受试品MMC阀两端的高电压以保护试验系统前级设备(Buck变换器、超级电容C1等)不受高电压侵扰。该晶闸管阀由设定数量的晶闸管串联压接构成，在满足应用需求的情况下，可以根据实际需要确定串联晶闸管的数目M。

当然，在不考虑试品MMC阀两端高电压对Buck变换器、超级电容C1等试验系统前级设备影响的情况下，作为其他的实施方式，也可以不设置该晶闸管阀，而是直接将Buck变换器的输出端与试品MMC阀相连。

上述的柔性直流换流阀短路电流试验系统输出电流为单极性，短路试验电流从晶闸管阀一端流出，从另一端流入。柔性直流换流阀短路电流试验系统在工作过程中，控制控制开关闭合，电网通过整流单元将电能储存至储能单元，储能完成后控制控制开关断开，将电网和整个试验系统脱开，然后采用Buck变换器将储能单元存储的电能按照试验要求的能量形式向试品MMC阀释放，以满足试验要求。

具体的，该柔性直流换流阀短路电流试验系统包含三种工作状态：储能状态、短路电流输出状态和停机状态。结合附图3，在三种工作状态下，该柔性直流换流阀短路电流试验系统工作过程如下：

(1)停机状态：

两个隔离开关K1分闸，放电开关K2合闸，Buck变换器和晶闸管阀均闭锁，超级电容C1中存储的电能通过放电开关K2和限流/放电电阻R1进行放电。通过控制器设定试验电流参数、超级电容C1的充电电压等相关试验参数。

(2)储能状态：

两个隔离开关K1合闸，放电开关K2分闸，电网通过三相整流桥和限流/放电电阻R1向超级电容C1充电；Buck变换器和晶闸管阀均处于闭锁状态。

当超级电容C1两端电压达到设定值后，控制三相整流桥停止充电，断开两个隔离开关K1，将电网、三相整流桥与试验系统脱开，柔性直流换流阀短路电流试验系统完成储能。

(3)短路电流输出状态：

通过后台给控制器设定试验电流波形参数表指令，该试验电流波形参数表是预期试验电流波形在规定的采样时间下形成的电流数值与时间的一一映射数据表。

接收到试验开始指令后，闭锁试品MMC阀IGBT，触发晶闸管阀以及解锁Buck变换器，按照一定的控制方法和调制策略发出Buck子模块触发脉冲，超级电容C1开始放电，按照试验电流波形参数表指令，Buck变换器开始输出短路试验电流。

当Buck变换器输出的短路试验电流达到一定值时，根据试品MMC阀设计要求的控制保护逻辑，在适当的时刻触发试品MMC阀子模块的旁路晶闸管T，短路试验电流将由旁路晶闸管T和反并联二极管D1承担。MMC阀子模块的旁路晶闸管T的触发时刻由MMC阀子模块保护逻辑决定，在适当的时刻触发旁路晶闸管，其中“适当的时刻”指的是根据试品MMC阀子模块具体的电流保护值折算的在短路电流试验实施时，触发旁路晶闸管的具体时刻。

闭锁Buck变换器，当Buck变换器中的输出电感L内的能量衰减完成后，试验电流为零，试验结束。

放电开关K2合闸，超级电容C1内的剩余能量通过限流/放电电阻R1释放，柔性直流换流阀短路电流试验系统回到停机状态。

在上述三种工作状态下，该柔性直流换流阀短路电流试验系统输出的短路试验电流波形如图4所示，为了便于查看，图5给出了图4中试验电流波形左边振荡部分的放大图。需要说明的是，附图4所示电流波形是针对设定换流阀短路试验要求生成的，实际电流的峰值、持续时间等参数均可控制。

本发明的柔性直流换流阀短路电流试验系统采用Buck变换器作为功率变换单元，采用交错并联调制方式进行控制，以提升试验系统等效开关频率，降低试验电流纹波，降低电感参数和尺寸，并采用电流闭环控制方法，以实现输出的试验电流与工程要求一致。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种柔性直流换流阀短路电流试验系统，其特征在于，包括整流单元和Buck变换器，所述Buck变换器由N个Buck子模块交错并联构成，每个Buck子模块由入口电容C11、可关断功率器件IGBT T11、快恢复二极管D11和输出电感L11构成；整流单元的输入侧用于连接电网，整流单元的输出侧通过控制开关连接储能单元，储能单元连接Buck变换器的输入端的入口电容C11，待测MMC阀连接Buck变换器输出端的输出电感L11，所述Buck变换器的输出端的输出电感L11与待测MMC阀之间通过晶闸管阀连接，储能单元、Buck变换器和晶闸管阀通过绝缘平台支撑对地绝缘。

2.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀短路电流试验系统，其特征在于，所述晶闸管阀由设定数量的晶闸管串联压接构成。

3.根据权利要求1或2所述的柔性直流换流阀短路电流试验系统，其特征在于，所述Buck变换器的输出端包括第一接线端和第二接线端，第一接线端通过晶闸管阀用于与待测MMC阀高电位端连接，第二接线端用于与待测MMC阀低电位端连接。

4.根据权利要求1或2所述的柔性直流换流阀短路电流试验系统，其特征在于，所述储能单元为超级电容。

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