CN113295973B - 压接型子模块过压击穿试验及其阀段运行回路的调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了压接型子模块过压击穿试验，通过在模拟阀段运行试验回路进行子模块过压击穿试验，可以有效验证半桥或/和全桥子模块构建柔直换流阀阀段在运行过程中发生模块击穿的通流可靠性问题，对柔直换流阀安全稳定运行有重要的支持作用。实现被试阀段指定的MMC子模块过压击穿以及过压击穿后系统平稳的切换至指定的通流工作状态。该方法同时考虑了半桥拓扑、全桥拓扑和半全桥混合拓扑的换流阀阀段试验的需求，可对指定的压接型子模块在运行中实现可靠击穿，并在运行试验回路中的被试子模块过压击穿前后，通过合适的控制策略使得系统平稳的切换至指定的通流工作状态，验证了柔直换流阀设备的故障通流能力，对柔性直流输电工程设备提供了有力支持。

Description

压接型子模块过压击穿试验及其阀段运行回路的调整方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体为压接型子模块过压击穿试验及其阀段运行回路的调整方法。
背景技术
目前，随着国内外柔直工程技术的不断发展，对柔直换流阀的可靠性和可用率要求也不断提高。新建设的柔直工程一般都采用压接型可关断器件，主要是因为压接型器件在击穿后呈现短路的特性如图4所示。MMC子模块一般都会设置旁路装置来确保模块故障时能够将故障模块从回路中隔离出去，但是在旁路装置发生拒动时，就需要可关断器件击穿来继续通流，保证换流阀继续可靠运行。
柔性直流(HVDC flexible)是由全控型电力电子器件构成的新一代高压直流输电技术，其具有有功功率和无功功率独立控制、无换向失败问题、能够向无源网络供电、谐波性能好等方面特点，适合于应用在分布式可再生能源并网、交流电网异步互联、向弱网或孤岛供电等领域。相较于两电平与三电平换流器，模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)具有适合高压大容量输电、功率器件损耗低、波形质量高等优点，该拓扑结构的提出大大促进了柔性直流输电技术的工程化应用。
MMC换流阀是柔性直流输电系统中的核心装备，如图1、图2和图3所示，其安全可靠性直接影响柔性直流输电工程的可靠性。在MMC换流阀正式运行前，需要进行包括绝缘试验和运行试验在内的型式试验。其中，MMC换流阀阀段运行试验的试验项目包括最小直流电压试验、功率器件过电流关断试验、最大电流连续运行试验、最大暂时过负荷运行能力试验、短路电流试验、模块旁路试验和功率模块抗干扰试验等，随着国内工程技术的发展，对MMC子模块发生故障后旁路开关失效情况提出了要求，于是子模块过压击穿试验也被业主纳入了运行试验的范畴内。
针对MMC换流阀运行试验相关技术，国内外开展了较多的研究。已有的研究中IEC62501—2009制定了阀段运行试验的标准，但没有指出实现的方法；国内一些研究制定了运行试验的试验方案，但没有明确实现的试验回路和控制策略，特别是对于子模块过压击穿试验没有明确的试验方法。
发明内容
针对现有技术中对于运行试验中存在无法验证半桥或/和全桥子模块构建柔直换流阀阀段在运行过程中发生模块击穿的通流可靠性的问题，本发明提供压接型子模块过压击穿试验及其阀段运行回路的调整方法，该方法可以有效验证半桥或/和全桥子模块构建柔直换流阀阀段在运行过程中发生模块击穿的通流可靠性问题，对柔直换流阀安全稳定运行有重要的支持作用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
压接型子模块过压击穿试验，包括如下步骤，
模拟搭建阀段运行试验回路，在运行试验回路中设置陪试阀段、被试阀段、供电回路和负载电感；陪试阀段和被试阀段分别包括若干个子模块串联设置，其中陪试阀段的若干个子模块与供电回路相连，陪试阀段与被试阀段通过负载电感相连；
选定试品子模块，在被试阀段中选定试品子模块，并对试品子模块旁路进行封锁后解锁柔直阀段；试品子模块在运行状态下稳定工作直到阀段水温达到设定值；
进行子模块过压击穿，将选定的试品子模块通过过压短路进行过压击穿。
优选的，试品子模块在运行状态下稳定工作直到阀段水温达到设定值后，陪试阀段的调制波幅值小于(m-1)倍的模块额定电压；被试阀段的调制波幅值小于(n-1)倍的模块额定电压，其中m为陪试阀段的子模块数量；n为被试阀段中子模块数量。
优选的，陪试阀段和被试阀段的波幅值与相位通过阀段运行试验的控制系统控制调制；所述控制系统通过控制陪试阀段和被试阀段的波幅值与相位在阀段运行试验回路中产生回路电流。
进一步的，回路电流的直流分量直流分量、基波分量和二次分量满足试验设定值，击穿试验时通过控制指定试品子模块始终投入充电，达到过压击穿定值后被击穿。
优选的，过压短路中对被试阀段中中的试品子模块进行过压短路时，被试阀段的子模块可通过半桥状态或者全桥状态进行过压击穿。
进一步的，被试阀段的子模块为半桥时，试品子模块在电流方向为充电时始终投入；在电流方向为放电时始终不投入；其中电流方向为正时，通过控制命令使得被试模块一直处于投入充电状态，模块电容电压不断上升，电流方向为负时，通过控制命令使得试品子模块一直处于切除状态，模块电容电压保持不变；模块电容电压达到IGBT器件的过压击穿定值后IGBT被击穿。
进一步的，当被试阀段的模块为全桥时，试品子模块处于闭锁状态；其中无论电流方向为正或为负时，通过控制命令使得被试模块一直处于闭锁状态，模块电容电压不断上升，最终模块电容电压达到IGBT器件的过压击穿定值后IGBT被击穿。
一种阀段运行试验回路，阀段运行试验回路通过上述所述的压接型子模块过压击穿试验得到的阀段运行试验回路。
一种阀段运行试验回路的调整方法，包括如下步骤，
在上述所述的阀段运行试验回路中，陪试阀段调制波保持不变，被试阀段的调制波幅值增大；调控被试阀段的回路能量使得在被击穿后的被试阀段与陪试阀段之间的回路能量相等，直至阀段运行试验回路在被击穿后能够继续通流运行，整个柔直系统仍然能够正常运行。
优选的，调控被试阀段的调制波幅值通过能量公式得到：
其中，W为阀段能量，n为模块数，C为电容容值，U为模块电压；
当被试阀段中的试品子模块被击穿后，被试阀段中缺少一个子模块，子模块的数量为n-1；当保持能量不变时，则子模块电压增大为倍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了压接型子模块过压击穿试验，通过在模拟阀段运行试验回路进行子模块过压击穿试验，可以有效验证半桥或/和全桥子模块构建柔直换流阀阀段在运行过程中发生模块击穿的通流可靠性问题，对柔直换流阀安全稳定运行有重要的支持作用。实现被试阀段指定的MMC子模块过压击穿以及过压击穿后系统平稳的切换至指定的通流工作状态。该方法同时考虑了半桥拓扑、全桥拓扑和半全桥混合拓扑的换流阀阀段试验的需求，可对指定的压接型子模块在运行中实现可靠击穿，并在运行试验回路中的被试子模块过压击穿前后，通过合适的控制策略使得系统平稳的切换至指定的通流工作状态，有效的模拟了工程中的实际工况，验证了柔直换流阀设备的故障通流能力，对柔性直流输电工程设备安全和可靠运行提供了有力支持。
附图说明
图1为现有技术中混合型MMC的拓扑结构图；
图2为图1中A部分HBSM的放大示意图；
图3为图1中B部分FBSM的放大示意图；
图4为现有技术中阀段运行试验回路拓扑结构图；
图5为本发明中击穿试验调整后的阀段运行试验回路拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种压接型子模块过压击穿试验，包括如下步骤，
模拟搭建阀段运行试验回路，在运行试验回路中设置陪试阀段、被试阀段、供电回路和负载电感；陪试阀段和被试阀段分别包括若干个子模块串联设置，其中陪试阀段的若干个子模块与供电回路相连，陪试阀段与被试阀段通过负载电感相连；
选定试品子模块，在被试阀段中选定试品子模块，并对试品子模块旁路进行封锁后解锁柔直阀段；试品子模块在运行状态下稳定工作直到阀段水温达到设定值；
进行子模块过压击穿，将选定的试品子模块通过过压短路进行过压击穿。
试品子模块在运行状态下稳定工作直到阀段水温达到设定值后，陪试阀段的调制波幅值小于(m-1)倍的模块额定电压；被试阀段的调制波幅值小于(n-1)倍的模块额定电压；其中m为陪试阀段的子模块数量；n为被试阀段中的子模块数量。
陪试阀段和被试阀段的波幅值与相位通过阀段运行试验的控制系统控制调制；所述控制系统通过控制陪试阀段和被试阀段的波幅值与相位在阀段运行试验回路中产生回路电流。
回路电流的直流分量直流分量、基波分量和二次分量满足试验设定值，击穿试验时通过控制指定试品子模块始终投入充电，达到过压击穿定值后被击穿。
在过压短路中对被试阀段中中的试品子模块进行过压短路时，被试阀段的子模块可通过半桥状态或者全桥状态进行过压击穿。
当所述被试阀段的子模块为半桥时，试品子模块在电流方向为充电时始终投入；在电流方向为放电时始终不投入；其中电流方向为正时，通过控制命令使得被试模块一直处于投入充电状态，模块电容电压不断上升，电流方向为负时，通过控制命令使得试品子模块一直处于切除状态，模块电容电压保持不变；模块电容电压达到IGBT器件的过压击穿定值后IGBT被击穿。
当被试阀段的模块为全桥时，试品子模块处于闭锁状态；其中无论电流方向为正或为负时，通过控制命令使得被试模块一直处于闭锁状态，模块电容电压不断上升，最终模块电容电压达到IGBT器件的过压击穿定值后IGBT被击穿。
本发明中一种阀段运行试验回路是通过上述所述的压接型子模块过压击穿试验得到的阀段运行试验回路，如图5所示。
一种阀段运行试验回路的调整方法，包括如下步骤，
在上述所述的阀段运行试验回路中，陪试阀段调制波保持不变，被试阀段的调制波幅值增大；调控被试阀段的回路能量使得在被击穿后的被试阀段与陪试阀段之间的回路能量相等，直至阀段运行试验回路在被击穿后能够继续通流运行，整个柔直系统仍然能够正常运行。
调控被试阀段的调制波幅值通过能量公式得到：
其中，W为阀段能量，n为模块数，C为电容容值，U为模块电压。
当被试阀段中的试品子模块被击穿后，被试阀段中缺少一个子模块，子模块的数量为n-1；当保持能量不变时，则子模块电压增大为倍。
本发明中子模块过压击穿试验是为了模拟在实际运行工况下柔直子模块出现过压损坏而击穿时子模块仍然能够通流，整个柔直系统仍然能够正常运行。
本发明在阀段运行试验回路的调整方法中，在忽略回路损耗的情况下，没有被击穿时阀段运行试验回路的状态为被试模块和陪试模块间的充放电能量应该是相等的。即回路电流方向从陪试模块指向被试模块时定义为电流正方向，反之为负方向。在电流为正方向时，被试模块充电的能量等于陪试模块放电的能量，在电流方向为负方向时，被试模块放电的能量等于陪试模块充电的能量。
若使得击穿后阀段运行试验回路的回路电流维持原来的值不变，需要保证回路的能量不变，也就是被试阀段的能量不变
子模块工作原理：
子模块工作方式：MMC的拓扑结构如图1所示，换流器由三个相单元组成，每相包含了上、下两个桥臂，每个桥臂由若干个子模块串联组成，子模块类型可以是半桥型、全桥型或是半全桥混合型。
其中，半桥型子模块一般有三种工作状态：
闭锁状态：S1和S2均不导通。
投入状态：S1导通，S2不导通。
切除状态：S1不导通，S2导通。
全桥型子模块一般有四种工作状态：
闭锁状态：S1、S2、S3和S4均不导通。
正向投入状态：S1和S4均导通。
切除状态：S1和S2均导通或S3和S4均导通。
负向投入状态：S2和S3均导通。
阀段运行试验回路工作原理：
阀段运行试验是以标准试验条件对组成换流阀的关键部件在实际运行工况下运行特性的检验。运行试验回路的搭建是完成整个试验的关键所在，也是其先决条件。运行试验回路拓扑结构如图4所示。其主要由陪试阀段、被试阀段、供电回路和负载电感构成。陪试阀段和被试阀段均由n个子模块(n的数量可根据工程试验要求确定)串联组成，陪试阀段各子模块与供电回路相连，陪试阀段与被试阀段通过负载电感相连。供电回路主要用于在试验初始阶段向陪试阀段与被试阀段充电，并在试验过程中补充由功率模块和负载消耗的电能。
在模块旁路试验的开始阶段，首先由供电回路向与之相连接的陪试阀段模块电容充电。待陪试阀段模块电容电压到达额定值时，通过陪试阀段向被试阀段脉冲式充电，使被试阀段模块电容电压阶梯式抬升。待被试阀段模块电容电压到达额定值时，将全部功率模块解锁，陪试阀段与被试阀段按照各自的调制波运行。通过调整调制波的幅值和相位可以使得被试阀段的模块电压和阀段电流与实际工程基本一致，从而达到验证模块耐受应力能力的目的。半桥型子模块和全桥型子模块均可进行该试验，区别在于全桥子模块比半桥子模块要多击穿一个可关断器件。
本发明公开的击穿试验方法旨在压接型器件构成的阀段在运行试验时，通过修改陪试阀段和被试阀段的控制策略，实现被试阀段指定的MMC子模块过压击穿以及过压击穿后系统平稳的切换至指定的通流工作状态。该方法同时考虑了半桥拓扑、全桥拓扑和半全桥混合拓扑的换流阀阀段试验的需求。

Claims (7)

1.压接型子模块过压击穿试验方法，其特征在于，包括如下步骤，
模拟搭建阀段运行试验回路，在运行试验回路中设置陪试阀段、被试阀段、供电回路和负载电感；陪试阀段和被试阀段分别包括若干个子模块串联设置，其中陪试阀段的若干个子模块与供电回路相连，陪试阀段与被试阀段通过负载电感相连；
选定试品子模块，在被试阀段中选定试品子模块，并对试品子模块旁路进行封锁后解锁柔直阀段；试品子模块在运行状态下稳定工作直到阀段水温达到设定值；
进行子模块过压击穿，将选定的试品子模块通过过压短路进行过压击穿；
其中，对所述阀段运行试验回路进行调整，具体过程如下：
在所述的阀段运行试验回路中，陪试阀段调制波保持不变，被试阀段的调制波幅值增大；调控被试阀段的回路能量使得在被击穿后的被试阀段与陪试阀段之间的回路能量相等，直至阀段运行试验回路在被击穿后能够继续通流运行，整个柔直系统仍然能够正常运行；
其中，调控被试阀段的调制波幅值通过能量公式得到：
；
其中，W为阀段能量，n为模块数，C为电容容值，U为模块电压；
当被试阀段中的试品子模块被击穿后，被试阀段中缺少一个子模块，子模块的数量为n-1；当保持能量不变时，则子模块电压增大为倍。
2.根据权利要求1所述的压接型子模块过压击穿试验方法，其特征在于，所述试品子模块在运行状态下稳定工作直到阀段水温达到设定值后，陪试阀段的调制波幅值小于（m-1）倍的模块额定电压；被试阀段的调制波幅值小于（n-1）倍的模块额定电压，其中m为陪试阀段的子模块数量；n为被试阀段中子模块数量。
3.根据权利要求1所述的压接型子模块过压击穿试验方法，其特征在于，所述陪试阀段和被试阀段的波幅值与相位通过阀段运行试验的控制系统控制调制；所述控制系统通过控制陪试阀段和被试阀段的波幅值与相位在阀段运行试验回路中产生回路电流。
4.根据权利要求3所述的压接型子模块过压击穿试验方法，其特征在于，所述回路电流的直流分量、基波分量和二次分量满足试验设定值，击穿试验时通过控制指定试品子模块始终投入充电，达到过压击穿定值后被击穿。
5.根据权利要求1所述的压接型子模块过压击穿试验方法，其特征在于，在所述过压短路中对被试阀段中的试品子模块进行过压短路时，被试阀段的子模块可通过半桥状态或者全桥状态进行过压击穿。
6.根据权利要求5所述的压接型子模块过压击穿试验方法，其特征在于，当所述被试阀段的子模块为半桥时，试品子模块在电流方向为充电时始终投入；在电流方向为放电时始终不投入；其中电流方向为正时，通过控制命令使得被试模块一直处于投入充电状态，模块电容电压不断上升，电流方向为负时，通过控制命令使得试品子模块一直处于切除状态，模块电容电压保持不变；模块电容电压达到IGBT器件的过压击穿定值后IGBT被击穿。
7.根据权利要求5所述的压接型子模块过压击穿试验方法，其特征在于，当被试阀段的模块为全桥时，试品子模块处于闭锁状态；其中无论电流方向为正或为负时，通过控制命令使得被试模块一直处于闭锁状态，模块电容电压不断上升，最终模块电容电压达到IGBT器件的过压击穿定值后IGBT被击穿。
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