CN112362980A - 一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法 - Google Patents

一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法，能够使被测试品耗能阀子模块耐受到与实际工况相当的电压和电流应力，以满足直流耗能阀在全运行工况的功率循环试验要求。本发明提供的试验电路，实现了耗能阀子模块电压和电流的最佳再现，能够使耗能阀子模块耐受与实际工况等同的电压电流应力，该试验电路结构简单，试验方法简单灵活，易于实现，并且能够对耗能阀全运行耗能工况进行准确模拟，很好地满足了对直流耗能阀功率循环试验的要求。

Description

一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法
技术领域
本发明涉及远海岸风电柔性直流送出相关领域，尤其涉及一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法。
背景技术
对于远海岸海上风电场直流输电系统，海上换流站一般运行在孤岛方式下，流入换流站的功率由风电场的输出功率决定。当陆上换流站或者交流侧发生故障时，风电场持续输出功率，使得直流系统输入的有功功率会大于输出的有功功率，这些盈余功率将造成直流电压升高，在几十毫秒之内迅速上升至保护水平。通过在直流母线上配置直流耗能装置，进行盈余功率的泄放，控制直流母线电压在合适范围，实现交流故障穿越。
直流耗能装置由直流耗能阀和耗能电阻组成，直流耗能装置运行工况较为特殊。在耗能工况下，耗能装置具体分为冷却状态和耗能状态。耗能状态下，根据直流母线电压的变化进行投退耗能电阻。耗能电阻投入时，耗能阀子模块流过瞬时大电流。耗能电阻退出时，耗能阀子模块电流为0，承受直流母线电压。冷却状态下，耗能电阻退出，耗能阀承受直流母线电压。
不同耗能工况下，耗能阀的投切频率不同，耗能阀的子模块电压电流应力不同。因此，需要设计一种试验方法，校核耗能阀长期在各种耗能工况下的运行状态。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种使被测试品耗能阀子模块耐受到与实际工况相当的电压和电流应力的试验电路以及试验方法，满足直流耗能阀在全运行工况的功率循环试验要求。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种直流耗能阀功率循环试验电路，包括：
高压直流电压源、限流电阻、晶闸管阀、试品耗能阀、二极管阀、IGBT阀、大功率可控电流源、第一接触器和第二接触器；
所述限流电阻的一端与所述高压直流电压源的正极连接，另一端分别与所述晶闸管阀的阳极、试品耗能阀的一端，以及二极管阀的阴极连接；所述二极管阀的阳极分别与IGBT阀的集电极和大功率可控电流源的一端连接；所述IGBT阀的发射极与大功率可控电流源的另一端连接，并通过第二接触器与所述试品耗能阀的另一端连接；所述试品耗能阀的另一端还与所述晶闸管阀的阴极连接后通过第一接触器与所述高压直流电压源的负极连接。
进一步的，所述试验电路包括充电支路、第一通流支路、第二通流支路和第三通流支路，其中，
所述高压直流电压源、限流电阻、试品耗能阀和第一接触器组成充电支路；
所述大功率可控电流源和IGBT阀组成第一通流支路；
所述大功率可控电流源、二极管阀、试品耗能阀和第二接触器组成第二通流支路；
所述大功率可控电流源、二极管阀、晶闸管阀和第二接触器组成第三通流支路。
根据本发明的另一个方面，提供一种直流耗能阀功率循环试验方法，采用如上文中所述的试验电路进行试验，包括步骤：
S1、搭建所述试验电路；
S2、根据耗能阀系统参数，计算实际耗能工况下所述第一通流支路的单次投入时长T1，第二通流支路的单次投入时长T2，一个耗能周期内的所述第一通流支路和第二通流支路导通次数Tn；
S3、根据耗能阀系统参数，计算一个耗能周期内所述充电支路的单次投入时长T3；
S4、启动所述第一通流支路，导通所述IGBT阀，由大功率可控电流源建立连续稳定的试验电流；
S5、启动所述充电支路，向所述试品耗能阀的子模块充电，直至子模块电容电压达到试验电压；
S6、进行第一个耗能周期的耗能状态试验，依次启动所述第二通流支路和第一通流支路，分别投入时长T2和T1，再循环投入Tn次，完成第一个耗能周期的耗能状态试验；
S7、进行第一个耗能周期的冷却状态试验，启动所述充电支路，投入时长T3，完成第一个耗能周期的冷却状态试验；
S8、循环实施所述步骤S6和S7，完成K个周期的功率循环试验。
进一步的，所述充电支路、第一通流支路、第二通流支路和第三通流支路，在任一时刻只有一条支路导通。
进一步的，所述第一接触器和所述第二接触器不同时闭合，在启用所述充电支路时，闭合所述第一接触器，在启用所述第二通流支路时，闭合所述第二接触器，所述第三通流支路仅在系统报跳闸故障时启动。
进一步的，所述一个耗能周期为Ts，Ts包括冷却状态Tb和耗能状态Td，并且满足Ts＝Tb+Td；在所述冷却状态下，充电支路导通，所述耗能阀的子模块进行动态均压；在所述耗能状态下，所述第一通流支路和第二通流支路交替导通。
进一步的，所述第一通流支路的单次投入时长T1的计算公式为：
Figure BDA0002690306820000031
所述第二通流支路的单次投入时长T2的计算公式为：
Figure BDA0002690306820000032
其中，N为额定子模块数，C为耗能阀子模块电容值，u1为耗能阀投入电压标幺值，u2为耗能阀切除电压标幺值，Kp为耗能功率百分比，且Kp＜1。
进一步的，若耗能功率百分比Kp为1，第一通流支路单次投入时间T1为耗能状态时长T，第二通流支路单次投入时间T2为Td。
进一步的，所述一个耗能周期内的所述第一通流支路和第二通流支路导通次数Tn的计算公式为：
Figure BDA0002690306820000041
所述一个耗能周期内所述充电支路的单次投入时长T3的计算公式为：
T3＝Tb。
进一步的，所述第一通流支路投入期间，所述试品耗能阀的子模块闭锁，所述第二通流支路投入期间，所述试品耗能阀的子模块下管导通。
综上所述，本发明提供了一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法，能够使被测试品耗能阀子模块耐受到与实际工况相当的电压和电流应力，以满足直流耗能阀在全运行工况的功率循环试验要求。与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
1、本发明提供的一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法，通过第一通流支路、第二通流支路和充电回路的启停配合，实现了耗能阀子模块电压和电流的最佳再现，能够使耗能阀子模块耐受与实际工况等同的电压电流应力。
2、本发明提供的一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法，试验电路结构简单，控制方法简单灵活，易于实现。
3、本发明提供的一种直流耗能阀功率循环试验方法，能够对耗能阀全运行耗能工况进行准确模拟，很好地满足了对直流耗能阀功率循环试验的要求。
附图说明
图1是本发明直流耗能阀功率循环试验电路的电路图；
图2是直流耗能装置拓扑结构图；
图3是本发明直流耗能阀功率循环试验方法的流程图；
图4是本发明直流耗能阀功率循环试验电路在50％耗能工况下的各个通流支路导通时序图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种直流耗能阀功率循环试验电路，图1是本发明直流耗能阀功率循环试验电路的电路图，如图1所示，该直流耗能阀功率循环试验电路包括：高压直流电压源、限流电阻、晶闸管阀、试品耗能阀、二极管阀、IGBT阀、大功率可控电流源、第一接触器和第二接触器。其中，所述限流电阻的一端与所述高压直流电压源的正极连接，另一端分别与所述晶闸管阀的阳极、试品耗能阀的一端，以及二极管阀的阴极连接；所述二极管阀的阳极分别与IGBT阀的集电极和大功率可控电流源的一端连接；所述IGBT阀的发射极与大功率可控电流源的另一端连接，并通过第二接触器与所述试品耗能阀的另一端连接；所述试品耗能阀的另一端还与所述晶闸管阀的阴极连接后通过第一接触器与所述高压直流电压源的负极连接。所述试验电路包括充电支路、第一通流支路、第二通流支路和第三通流支路。根据附图1中箭头所指示的电流方向，由所述高压直流电压源、限流电阻、试品耗能阀和第一接触器组成充电支路；由所述大功率可控电流源和IGBT阀组成第一通流支路；由所述大功率可控电流源、二极管阀、试品耗能阀和第二接触器组成第二通流支路；由所述大功率可控电流源、二极管阀、晶闸管阀和第二接触器组成第三通流支路。
根据本发明该实施例提供的直流耗能阀功率循环试验电路，可以模拟直流耗能装置的投退逻辑，通过控制各个通流支路的启停，使试品耗能阀的电压和电流应力与实际工程工况相同。其中，第一通流支路模拟耗能阀的切除阶段，第二通流支路模拟耗能阀的投入阶段(即通流阶段)，充电支路模拟耗能阀的冷却阶段(即充电阶段)。
基于上述实施例中提供的直流耗能阀功率循环试验电路，本发明的另一个实施例提供了一种直流耗能阀功率循环试验方法，以对直流耗能阀功率情况进行试验。该试验方法的实施流程图如图3所示，包括步骤：
S1、搭建所述试验电路，即根据上文中实施例所述的试验电路进行搭建，具体电路结果此处不再赘述。
S2、根据耗能阀系统参数，计算实际耗能工况下所述第一通流支路的单次投入时长T1，第二通流支路的单次投入时长T2，一个耗能周期内的所述第一通流支路和第二通流支路导通次数Tn。
S3、根据耗能阀系统参数，计算一个耗能周期内所述充电支路的单次投入时长T3。
为了对不同耗能工况进行模拟，需要根据耗能阀系统参数，计算实际耗能工况下第一通流支路的单次投入时长T1，以及第二通流支路的单次投入时长T2，一个耗能周期内的所述第一通流支路和第二通流支路导通次数Tn，以及一个耗能周期内充电支路的单次投入时长T3，下面对各个参数的具体计算方式做出说明。将一个耗能周期设置为Ts，一个耗能周期Ts包括冷却状态Tb和耗能状态Td，并且满足Ts＝Tb+Td。在所述冷却状态下，充电支路导通，所述耗能阀的子模块进行动态均压；在所述耗能状态下，所述第一通流支路和第二通流支路交替导通。其中，所述第一通流支路的单次投入时长T1的计算公式为：
Figure BDA0002690306820000061
所述第二通流支路的单次投入时长T2的计算公式为：
Figure BDA0002690306820000062
其中，N为额定子模块数，C为耗能阀子模块电容值，u1为耗能阀投入电压标幺值，u2为耗能阀切除电压标幺值，Kp为耗能功率百分比，且Kp＜1。若耗能功率百分比Kp为1，第一通流支路单次投入时间T1为耗能状态时长T，第二通流支路单次投入时间T2为Td。
进一步的，所述一个耗能周期内的所述第一通流支路和第二通流支路导通次数Tn的计算公式为：
Figure BDA0002690306820000071
所述一个耗能周期内所述充电支路的单次投入时长T3的计算公式为：
T3＝Tb。
根据以上计算的对应耗能功率下的试验参数，进行功率循环试验。首先，依次启动第二通流支路和第一通流支路，分别投入时长T2和T1，再循环投入Tn次，完成第一个耗能周期的耗能状态试验；然后，进行第一个耗能周期的冷却状态试验，启动充电支路，投入时长T3，完成第一个耗能周期的冷却状态试验；最后，进行K个耗能周期的功率循环试验。具体步骤为：
S4、启动所述第一通流支路，导通所述IGBT阀，由大功率可控电流源建立连续稳定的试验电流。
S5、启动所述充电支路，向所述试品耗能阀的子模块充电，直至子模块电容电压达到试验电压。
S6、进行第一个耗能周期的耗能状态试验，依次启动所述第二通流支路和第一通流支路，分别投入时长T2和T1，再循环投入Tn次，完成第一个耗能周期的耗能状态试验；
S7、进行第一个耗能周期的冷却状态试验，启动所述充电支路，投入时长T3，完成第一个耗能周期的冷却状态试验；
S8、循环实施所述步骤S6和S7，完成K个周期的功率循环试验。
其中，对所述试验电路进行控制时，所述充电支路、第一通流支路、第二通流支路和第三通流支路，在任一时刻只有一条支路导通。所述第一接触器和所述第二接触器不同时闭合，在启用所述充电支路时，闭合所述第一接触器，在启用所述第二通流支路时，闭合所述第二接触器，所述第三通流支路仅在系统报跳闸故障时启动。并且，在所述第一通流支路投入期间，所述试品耗能阀的子模块闭锁，在所述第二通流支路投入期间，所述试品耗能阀的子模块下管导通。
图2示出了直流耗能装置的拓扑结构图。当直流系统正常运行时，耗能装置运行在冷却状态，耗能阀子模块闭锁，承受直流母线电压，流过子模块电流近似为0；当直流系统受端故障，盈余功率使直流母线电压升高，达到设定值后投入耗能装置，进入耗能状态，子模块下管导通，耗能阀流过额定直流电流，直流母线电压下降，降低至设定值后耗能装置退出；根据盈余功率的不同，投入耗能装置后直流母线下降斜率不同，耗能装置单次投入时间也不同。因此，本发明提出的功率循环试验电路及试验方法能够准确的对耗能阀运行工况进行模拟。
图4示出了当耗能功率为50％要求时，根据上述计算公式得到的各个导通支路的时序图。其中，第一通流支路和第二通流支路的启停控制模拟了耗能阀的耗能状态，充电支路的启停控制模拟了耗能阀的冷却状态，耗能阀的电压电流应力与实际工况等同。
综上所述，本发明涉及一种直流耗能阀功率循环试验电路以及试验方法，能够使被测试品耗能阀子模块耐受到与实际工况相当的电压和电流应力，以满足直流耗能阀在全运行工况的功率循环试验要求。本发明提供的试验电路，实现了耗能阀子模块电压和电流的最佳再现，能够使耗能阀子模块耐受与实际工况等同的电压电流应力，该试验电路结构简单，控制方法简单灵活，易于实现，并且能够对耗能阀全运行耗能工况进行准确模拟，很好地满足了对直流耗能阀功率循环试验的要求。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种直流耗能阀功率循环试验电路，其特征在于，包括：
高压直流电压源、限流电阻、晶闸管阀、试品耗能阀、二极管阀、IGBT阀、大功率可控电流源、第一接触器和第二接触器；
所述限流电阻的一端与所述高压直流电压源的正极连接，另一端分别与所述晶闸管阀的阳极、试品耗能阀的一端，以及二极管阀的阴极连接；所述二极管阀的阳极分别与IGBT阀的集电极和大功率可控电流源的一端连接；所述IGBT阀的发射极与大功率可控电流源的另一端连接，并通过第二接触器与所述试品耗能阀的另一端连接；所述试品耗能阀的另一端还与所述晶闸管阀的阴极连接后通过第一接触器与所述高压直流电压源的负极连接。
2.根据权利要求1所述的试验电路，其特征在于，所述试验电路包括充电支路、第一通流支路、第二通流支路和第三通流支路，其中，
所述高压直流电压源、限流电阻、试品耗能阀和第一接触器组成充电支路；
所述大功率可控电流源和IGBT阀组成第一通流支路；
所述大功率可控电流源、二极管阀、试品耗能阀和第二接触器组成第二通流支路；
所述大功率可控电流源、二极管阀、晶闸管阀和第二接触器组成第三通流支路。
3.一种直流耗能阀功率循环试验方法，采用如权利要求2所述的试验电路进行试验，其特征在于，包括步骤：
S1、搭建所述试验电路；
S2、根据耗能阀系统参数，计算实际耗能工况下所述第一通流支路的单次投入时长T1，第二通流支路的单次投入时长T2，一个耗能周期内的所述第一通流支路和第二通流支路导通次数Tn；
S3、根据耗能阀系统参数，计算一个耗能周期内所述充电支路的单次投入时长T3；
S4、启动所述第一通流支路，导通所述IGBT阀，由大功率可控电流源建立连续稳定的试验电流；
S5、启动所述充电支路，向所述试品耗能阀的子模块充电，直至子模块电容电压达到试验电压；
S6、进行第一个耗能周期的耗能状态试验，依次启动所述第二通流支路和第一通流支路，分别投入时长T2和T1，再循环投入Tn次，完成第一个耗能周期的耗能状态试验；
S7、进行第一个耗能周期的冷却状态试验，启动所述充电支路，投入时长T3，完成第一个耗能周期的冷却状态试验；
S8、循环实施所述步骤S6和S7，完成K个周期的功率循环试验。
4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述充电支路、第一通流支路、第二通流支路和第三通流支路，在任一时刻只有一条支路导通。
5.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述第一接触器和所述第二接触器不同时闭合，在启用所述充电支路时，闭合所述第一接触器，在启用所述第二通流支路时，闭合所述第二接触器，所述第三通流支路仅在系统报跳闸故障时启动。
6.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述一个耗能周期为Ts，Ts包括冷却状态Tb和耗能状态Td，并且满足Ts＝Tb+Td；在所述冷却状态下，充电支路导通，所述耗能阀的子模块进行动态均压；在所述耗能状态下，所述第一通流支路和第二通流支路交替导通。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，
所述第一通流支路的单次投入时长T1的计算公式为：
Figure FDA0002690306810000021
所述第二通流支路的单次投入时长T2的计算公式为：
Figure FDA0002690306810000031
其中，N为额定子模块数，C为耗能阀子模块电容值，u1为耗能阀投入电压标幺值，u2为耗能阀切除电压标幺值，Kp为耗能功率百分比，且Kp＜1。
8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，耗能功率百分比Kp为1，第一通流支路单次投入时间T1为耗能状态时长0，第二通流支路单次投入时间T2为Td。
9.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述一个耗能周期内的所述第一通流支路和第二通流支路导通次数Tn的计算公式为：
Figure FDA0002690306810000032
所述一个耗能周期内所述充电支路的单次投入时长T3的计算公式为：
T3＝Tb。
10.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述第一通流支路投入期间，所述试品耗能阀的子模块闭锁，所述第二通流支路投入期间，所述试品耗能阀的子模块下管导通。
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