CN114167167A - 一种模块化多电平换流器短路电流试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器短路电流试验装置及试验方法，该试验方法将运行试验模块和短路电流试验模块有效结合，在短路电流试验模块对储能单元充电结束之后，将整流充电单元断开，再将短路电流试验模块与试品接入，短路电流试验模块的电位是随着试品的投切状态而改变的。隔离单元将短路电流试验模块和试品进行电气隔离，可以避免B前级设备免受试品高电压冲击。本发明的技术方案，解决了现有技术在H桥型运行试验系统进行短路电流试验时维持桥臂电流连续，保证开关器件稳态结温不下降的问题，节约了试验时间，能够取得更好的试验效果。

Description

一种模块化多电平换流器短路电流试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电换流阀试验技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器短路电流试验装置及试验方法。

背景技术

柔性直流输电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(MMC)。MMC阀的基本组成单元称为子模块。柔直阀子模块在工程应用之前，必须进行型式试验，短路电流试验项目作为型式试验的重要一环，IEC62501标准里对短路电流试验的要求做了具体描述。其要求如下：试验应使相关半导体元件达到最高稳态结温并运行在热平衡状态，然后启动故障(短路)电流试验。

现有技术对于短路电流试验中维持结温的做法主要有两种：1、最早采用的方法是合成试验方法，电压和电流分别施加在试品上，利用水加热方式模拟开关器件的结温。此种方法对于模拟试品实际工程遇到的短路故障时刻工况差异很大，无法完全考验试品的可靠性。由于水的沸点只有100℃，对开关器件的加热温度也不能超过100℃。2、第二种方法是将短路电流系统与柔直阀对拖试验平台进行连接，当试品阀连续运行试验达到稳态结温时，进行闭锁，将短路电流系统与试品阀连接，进行短路电流试验。此种方案中短路电流系统不需要添加对地绝缘措施，技术难度低，但是闭锁时间不可避免的会导致开关器件稳态结温下降。由于上述短路电流试验方法缺点的存在，亟需一套能完全模拟在工程应用时，发生双极短路故障时刻，试品阀所承受的电气应力的试验方法。

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模块化多电平换流器短路电流试验装置及试验方法，用以解决在H桥型运行试验系统进行短路电流试验时维持桥臂电流连续，保证开关器件稳态结温不下降的问题。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种模块化多电平换流器短路电流试验装置，包括运行试验模块、短路电流试验模块以及控制模块；

所述运行试验模块包括直流电源、H桥结构的模块化多电平换流器和负载；所述H桥结构包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，四个桥臂上分别设置有试品；所述负载包括位于四个桥臂上的桥臂电抗器和一个负载电抗器；

所述短路电流试验模块包括整流充电单元、储能单元、第一开关单元和第二开关单元。

进一步的，所述整流充电单元通过第一开关单元连接储能单元，在所述第一开关单元接通时为所述储能单元充电。

进一步的，所述短路电流试验模块通过第二开关单元连接运行试验模块，在所述第二开关单元接通时将所产生的短路电流输出至所述运行试验模块。

进一步的，所述述短路电流试验模块还包括降压单元和隔离单元；所述降压单元和隔离单元依次连接于所述储能单元。

进一步的，所述隔离单元包括多级串联晶闸管阀。

进一步的，所述试品包括串联连接的多个半桥子模块。

进一步的，所述运行试验模块还包括子模块切换单元；所述子模块切换单元通过切换控制，以将所述四个桥臂的试品接入或者切除出试验回路。

根据本发明的另一个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的模块化多电平换流器短路电流试验装置的试验方法，包括步骤：

S1、控制第二开关单元关断，启动所述运行试验模块以使得所述试品运行在额定电压电流下，达到试品的最高稳态结温并运行于热稳定状态；

S2、控制第一开关单元接通以使得所述整流充电单元为所述储能单元充电，充至目标电压时，控制第一开关单元关断，第二开关单元接通；

S3、对所述H桥结构中各桥臂的子模块进行投切控制，以产生短路电流经过试验子模块。

进一步的，所述步骤S3还包括：

S31、将所述H桥结构中第三桥臂和第四桥臂闭锁，第一桥臂子模块的上管和第二桥臂子模块的下管投入，以在所述第一桥臂、第二桥臂及负载电抗器上形成过电流；

S32、当所述过电流达到预设阈值时，将第一桥臂子模块的下管和第二桥臂子模块的上管投入，控制第一桥臂子模块的晶闸管导通并触发所述隔离单元导通，以产生短路电流经过所述试品；

S33、由所述降压单元控制所述短路电流过零后，控制所述隔离单元关断，所述运行试验模块恢复稳态运行。

进一步的，还包括：

当所述运行试验模块恢复稳态运行后，重复所述步骤S31-S33，以对其他桥臂进行试验。

综上所述，本发明提供了一种模块化多电平换流器短路电流试验装置及试验方法，该装置包括运行试验模块、短路电流试验模块以及控制模块；所述运行试验模块包括直流电源、H桥结构的模块化多电平换流器和负载；所述H桥结构包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，四个桥臂上分别设置有试品；所述负载包括位于四个桥臂上的桥臂电抗器和一个负载电抗器；所述短路电流试验模块包括整流充电单元、储能单元、第一开关单元和第二开关单元。该方法将运行试验模块和短路电流试验模块有效结合，在短路电流试验模块对储能单元充电结束之后，将整流充电单元断开，再将短路电流试验模块与试品接入，短路电流试验模块的电位是随着试品的投切状态而改变的。隔离单元将短路电流试验模块和试品进行电气隔离，可以避免B前级设备免受试品高电压冲击。本发明的技术方案，解决了现有技术在H桥型运行试验系统进行短路电流试验时维持桥臂电流连续，保证开关器件稳态结温不下降的问题，节约了试验时间，能够取得更好的试验效果。

附图说明

图1是本发明实施例模块化多电平换流器短路电流试验装置；

图2是半桥子模块的结构示意图；

图3是本发明实施例模块化多电平换流器短路电流试验装置的试验方法的流程图。

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。

下面对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，提供了一种模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，以下简称“MMC”)短路电流试验装置，该装置的电路原理示意图如图1所示，该装置包括运行试验模块、短路电流试验模块以及控制模块。

如图1所示，运行试验模块包括直流电源、H桥结构的MMC和负载。该直流电源通过刀开关QS20与运行试验模块连接，用于提供该运行试验模块运行过程中的电能损耗。所述H桥结构包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，四个桥臂上分别设置有试品，试品包括串联连接的多个半桥子模块，其中每个半桥子模块的结构示意图如图2所示，在本实施例中，半子模块中的功率器件VT1、VT2均为IGBT，并各自安装有反并联二极管VD1和VD2。根据其他实施方式，半子模块的功率器件可以由IGCT、IEGT等全控器件中的一种或几种组成。由于半子模块的结构以及工作原理属于现有技术，此处不再赘述。负载包括位于四个桥臂上的桥臂电抗器Lb1、Lb2、Lb3和Lb4以及一个负载电抗器Ld。该运行试验模块还包括子模块切换单元；所述子模块切换单元通过切换控制，以将所述四个桥臂的试品接入或者切除出试验回路。子模块切换单元例如可以包括单刀双掷继电器K4、K5和K6，具体连接方式如图1所示。

短路电流试验模块包括整流充电单元、储能单元、第一开关单元和第二开关单元。整流充电单元通过第一开关单元连接储能单元，在所述第一开关单元接通时为所述储能单元充电，储能单元例如由多个超级电容串并联组成。短路电流试验模块通过第二开关单元连接运行试验模块，在所述第二开关单元接通时将所产生的短路电流输出至所述运行试验模块。整流充电单元将交流电源经过变压器变压，并经过三相不控整流桥后整流为直流电压，通过第一开关单元连接储能单元。该第一开关单元例如包括开关K1和K2，还包括连接在交流电源以及变压器之间的断路器QF1，第二开关单元例如包括断路器QF2。该短路电流试验模块还包括降压单元和隔离单元；所述降压单元和隔离单元依次连接于所述储能单元，降压单元例如为多个BUCK变换器组成的交错并联BUCK降压单元，为了实现串联分压，所述隔离单元由设定数量的晶闸管串联压接构成晶闸管隔离阀GLF。该短路电流试验模块采用储能和电力电子功率变换方案，此方案具有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、系统建设成本低的优点。由于超级电容的一次充电能量可以达到几千万时，具备可以进行多桥臂、多次短路电流试验的能力，大大减少每次试验启动系统和试品开关器件达到热稳定的时间。本实施例试验装置产生的试验电流由两种试验电流叠加而成，一种是运行时的桥臂电流，一种是短路试验系统提供的短路电流。两种电流存在同时作用在试品的时刻，保证相关开关器件在承受短路电流试验考核时，达到最高稳态结温并运行在热平衡状态。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种如本发明第一个实施例所述的模块化多电平换流器短路电流试验装置的试验方法，该试验方法的流程图如图3所示，包括以下步骤：

S1、控制第二开关单元关断，启动所述运行试验模块以使得所述试品运行在额定电压电流下，达到试品的最高稳态结温并运行于热稳定状态。可以通过断开断路器QF2使所述运行试验模块与短路电流试验模块断开连接。

S2、控制第一开关单元接通以使得所述整流充电单元为所述储能单元充电，充至目标电压时，控制第一开关单元中的QF1和K1关断，第二开关单元中的QF2接通；

S3、对所述H桥结构中各桥臂的子模块进行投切控制，以产生短路电流经过试验子模块。

步骤S3主要通过倒闸操作，将试品MMC阀接入短路电流试验模块。此处以第一桥臂的MMC子模块为短路电流试验试品进行说明，其他桥臂试品试验控制逻辑相同，具体步骤包括：

S31、将所述H桥结构中第三桥臂和第四桥臂闭锁，第一桥臂子模块的上管和第二桥臂子模块的下管投入，以在所述第一桥臂、第二桥臂及负载电抗器上形成过电流；

S32、当所述过电流达到预设阈值时，将第一桥臂子模块的下管和第二桥臂子模块的上管投入，此时，过电流由于回路中电抗器的续流作用，处于下降阶段，控制第一桥臂子模块的晶闸管导通并触发所述隔离单元导通，以产生短路电流经过所述试品，完成短路电流试验；

S33、由所述降压单元控制所述短路电流过零后，控制所述隔离单元关断，所述运行试验模块恢复稳态运行。

进一步的，还包括：

当所述运行试验模块恢复稳态运行后，重复所述步骤S31-S33，以对其他桥臂进行试验。当运行试验模块具备再次解锁，恢复稳态运行的能力时，根据储能单元的能量损耗情况，通过倒闸操作，可以继续进行其他桥臂子模块的短路电流试验，从而大大节省试验时间。

本实施例提供的试验方法，当试品阀根据阀控系统指令改变投切状态，在桥臂上形成过电流，过电流下降时，此时试品子模块处于下管投入状态，晶闸管承受正向电压，具备短路电流试验准备条件。桥臂电流经过试品阀下管二极管，此时下发试品模块晶闸管导通指令，桥臂电流会经过晶闸管，此时下发短路电流触发指令，短路电流和处于下降阶段的桥臂电流共同形成试验电流，在晶闸管和下管二极管间分流，从而避免了短路电流上升率过高引起晶闸管损坏的问题。

综上所述，本发明涉及一种模块化多电平换流器短路电流试验装置及试验方法，该装置包括运行试验模块、短路电流试验模块以及控制模块；所述运行试验模块包括直流电源、H桥结构的模块化多电平换流器和负载；所述H桥结构包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，四个桥臂上分别设置有试品；所述负载包括位于四个桥臂上的桥臂电抗器和一个负载电抗器；所述短路电流试验模块包括整流充电单元、储能单元、第一开关单元和第二开关单元。该方法将运行试验模块和短路电流试验模块有效结合，在短路电流发生前，试品阀在运行试验模块中处于最大连续运行试验过程，运行试验模块提供了短路电流试验时试品所需要的电压、稳态热运行状态，以使得H桥结构具备实际运行工况更好的等效性；在短路电流试验模块对储能单元充电结束之后，将整流充电单元断开，再将短路电流试验模块与试品接入，短路电流试验模块的电位是随着试品的投切状态而改变的；隔离单元将短路电流试验模块和试品进行电气隔离，可以避免前级设备免受试品高电压冲击。本发明的技术方案，解决了现有技术在H桥型运行试验系统进行短路电流试验时维持桥臂电流连续，保证开关器件稳态结温不下降的问题，节约了试验时间，能够取得更好的试验效果。

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)

1.一种模块化多电平换流器短路电流试验装置，其特征在于，包括运行试验模块、短路电流试验模块以及控制模块；

所述运行试验模块包括直流电源、H桥结构的模块化多电平换流器和负载；所述H桥结构包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，四个桥臂上分别设置有试品；所述负载包括位于四个桥臂上的桥臂电抗器和一个负载电抗器；

所述短路电流试验模块包括整流充电单元、储能单元、第一开关单元和第二开关单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整流充电单元通过第一开关单元连接储能单元，在所述第一开关单元接通时为所述储能单元充电。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述短路电流试验模块通过第二开关单元连接运行试验模块，在所述第二开关单元接通时将所产生的短路电流输出至所述运行试验模块。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述述短路电流试验模块还包括降压单元和隔离单元；所述降压单元和隔离单元依次连接于所述储能单元。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述隔离单元包括多级串联晶闸管阀。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试品包括串联连接的多个半桥子模块。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运行试验模块还包括子模块切换单元；所述子模块切换单元通过切换控制，以将所述四个桥臂的试品接入或者切除出试验回路。

8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的模块化多电平换流器短路电流试验装置的试验方法，其特征在于，包括步骤：

S1、控制第二开关单元关断，启动所述运行试验模块以使得所述试品运行在额定电压电流下，达到试品的最高稳态结温并运行于热稳定状态；

S2、控制第一开关单元接通以使得所述整流充电单元为所述储能单元充电，充至目标电压时，控制第一开关单元关断，第二开关单元接通；

S3、对所述H桥结构中各桥臂的子模块进行投切控制，以产生短路电流经过试验子模块。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：

S31、将所述H桥结构中第三桥臂和第四桥臂闭锁，第一桥臂子模块的上管和第二桥臂子模块的下管投入，以在所述第一桥臂、第二桥臂及负载电抗器上形成过电流；

S32、当所述过电流达到预设阈值时，将第一桥臂子模块的下管和第二桥臂子模块的上管投入，控制第一桥臂子模块的晶闸管导通并触发所述隔离单元导通，以产生短路电流经过所述试品；

S33、由所述降压单元控制所述短路电流过零后，控制所述隔离单元关断，所述运行试验模块恢复稳态运行。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

当所述运行试验模块恢复稳态运行后，重复所述步骤S31-S33，以对其他桥臂进行试验。

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