CN114678884A - 一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，通过控制第一试品阀和第二试品阀的调制方式，产生试验电流；提供给低频输电变流器子模块(以下简称子模块)正常工作时所需的电压，可以产生由低频电流和工频电流叠加的试验电流，用于检验在最严重的重复性应力条件下子模块中IGBT模块及其附属电子电路关于导通、开通和关断状态下电流、电压和热应力的适应性，并验证阀电子电路和主电路工作配合的正确性。

Description

一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法
技术领域
本发明涉及电力设备检测技术领域，特别涉及一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法。
背景技术
低频交流输电技术借助电力电子技术灵活选择0～50Hz合适频率，减小线路阻抗，减少电缆线路充电无功，以提升电网输送容量和柔性调控能力，是一种新型高效的交流输电技术。作为工频交流输电与直流输电方式的有益补充，可以应用于中远距离海上风电送出、陆上新能源汇集与送出、直流落点地区潮流疏散、多岛屿互联及电缆化城网供电、偏远地区长距离输电等场景。尤其对于中远海上风电送出，低频输电系统可实现远距离送电且无需海上换流站的优势，使之成为一种值得进一步研究的送出方案。低频交流输电系统的核心为模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converters(M3C))，换流器两侧可分别用于连接两个三相系统(即输入侧和输出侧)。它由9个桥臂支路组成，每个支路包含若干个级联的H桥子模块和支路电感。由于在厂内生产试验过程中，无法做到搭建完整工程用于检验H桥子模块的质量，所以本文所研究的就是采用等效运行的方式为应用于M3C的H桥子模块提供一种运行试验方法，模拟在实际工程中，H桥子模块承受的电压、电流应力及其控制保护逻辑。该试验方法的建立，可以应用于换流器子模块的元器件选型、产品研发、可靠性提升等多种场景。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，通过控制第一试品阀和第二试品阀的调制方式，产生试验电流；提供给低频输电变流器子模块(以下简称子模块)正常工作时所需的电压，可以产生由低频电流和工频电流叠加的试验电流，用于检验在最严重的重复性应力条件下子模块中IGBT模块及其附属电子电路关于导通、开通和关断状态下电流、电压和热应力的适应性，并验证阀电子电路和主电路工作配合的正确性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，试验系统包括：第一辅助子模块及对应的第一补能电源、第二辅助子模块及对应的第二补能电源、第一试品阀、第二试品阀、充电电源和控制保护模块，所述第一辅助子模块与第一试品阀构成第一桥臂，第二辅助子模块与第二试品阀构成第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂的电压输出端分别连接在可调负载电抗器两端，所述充电电源分别向所述第一桥臂和所述第二桥臂的所有子模块进行均压充电，包括如下步骤：
基于所述第一补能电源和所述第二补能电源分别对所述第一辅助子模块和所述第二辅助子模块进行充电，均充电至第一解锁电压；
基于所述充电电源对所述第一试品阀和所述第二试品阀进行充电，均充电至第二解锁电压；
通过控制保护模块对向所述第一桥臂和所述第二桥臂的所有所述子模块发出解锁指令，所述第一桥臂的所述子模块按照第一预设调制方式输出电压，所述第二桥臂的所述子模块按照第二预设调制方式输出电压，在负载电抗器两端形成电压差，产生试验电流；
通过调节所述第一预设调制方式和/或所述第二预设调制方式的幅值和频率，改变试验电流中各次谐波分量的大小，对运行试验系统试验电流进行调节。
进一步地，所述第一桥臂和所述第二桥臂的所有子模块均采用均压均衡策略。
进一步地，所述均压均衡策略包括：
利用最近电平逼近调制方式，计算出所述第一桥臂或所述第二桥臂的子模块投入数；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为充电方向且调制波为正时，所述子模块电压从小到大排序，按照投入数正投入所述子模块；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为充电方向且调制波为负时，所述子模块电压从大到小排序，按照投入数负投入所述子模块；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为放电方向且调制波为正时，所述子模块电压从大到小排序，按照投入数正投入所述子模块；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为放电方向且调制波为负时，所述子模块电压从小到大排序，按照投入数负投入所述子模块。
进一步地，所述子模块的电容电压设有越限保护；
当所述子模块电压超高时，其只参与放电排序；
当所述子模块电压超低时，其只参与充电排序。
进一步地，所述试验系统控制保护模块包括：极控层、阀控层和功率模块控制层；
所述极控层进行运行状态的监视及系统保护、顺控逻辑处理合调制波计算；
所述阀控层进行所述子模块的均压控制，对所述子模块的触发和监视；
所述功率模块控制层对控制指令解码，发给至相应驱动电路，还将检测到的所述子模块运行状态信息和电容电压值发送到所述阀控层。
进一步地，所述第一预设调制方式和所述第二预设调制方式为最近电平逼近调制方式。
进一步地，所述第一预设调制方式的调制波为：
O1(t)＝Amp1*sin(2π*f1*t)，
其中，f1为系统电流叠加量的第一预设频率值，Amp1为第一桥臂调制比，等于调制波相电压幅值除以总模块电压和。
进一步地，所述第二预设调制方式的调制波为：
O2(t)＝Amp2*sin(2π*f2*t)，
其中，f2为系统电流叠加量的第一预设频率值，Amp2为第二桥臂调制比，等于调制波相电压幅值除以总模块电压和。
进一步地，所述第一试品阀和第二试品阀包括若干个串联连接的H桥子模块；
所述H桥子模块包括：正投入状态、切除状态和负投入状态；
当调制波的输出值为正时，所述H桥子模块执行正投入运行状态；
当所述调制波的输出值为负时，所述H桥子模块执行负投入运行状态。
进一步地，所述子模块包括：若干个IGBT和/或IEGT。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过控制第一试品阀和第二试品阀的调制方式，产生试验电流；提供给低频输电变流器子模块(以下简称子模块)正常工作时所需的电压，可以产生由低频电流和工频电流叠加的试验电流，用于检验在最严重的重复性应力条件下子模块中IGBT模块及其附属电子电路关于导通、开通和关断状态下电流、电压和热应力的适应性，并验证阀电子电路和主电路工作配合的正确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法系统框图；
图2是本发明实施例提供的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法流程图；
图3是本发明实施例提供的试验电路控制保护系统结构框图；
图4是本发明实施例提供的用于低频输电变流器子模块的拓扑结构图。
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。
请参照图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，试验系统包括：第一辅助子模块及对应的第一补能电源、第二辅助子模块及对应的第二补能电源、第一试品阀、第二试品阀、充电电源和控制保护模块，第一辅助子模块与第一试品阀构成第一桥臂，第二辅助子模块与第二试品阀构成第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂的电压输出端分别连接在可调负载电抗器两端，充电电源分别向第一桥臂和第二桥臂的所有子模块进行均压充电，包括如下步骤：
步骤S100，基于第一补能电源和第二补能电源分别对第一辅助子模块和第二辅助子模块进行充电，均充电至第一解锁电压。
步骤S200，基于充电电源对第一试品阀和第二试品阀进行充电，均充电至第二解锁电压。
各桥臂子模块在充电过程中执行均压充电策略，优点1：可以提高充电速度；优点2：保证各子模块电压平衡，降低解锁时刻电流冲击。充电完成后，切除充电电源。
步骤S300，通过控制保护模块对向第一桥臂和第二桥臂的所有子模块发出解锁指令，第一桥臂的子模块按照第一预设调制方式输出电压，第二桥臂的子模块按照第二预设调制方式输出电压，在负载电抗器两端形成电压差，产生试验电流。
步骤S400，通过调节第一预设调制方式和/或第二预设调制方式的幅值和频率，改变试验电流中各次谐波分量的大小，对运行试验系统试验电流进行调节。
补能电源用以为辅助子模块充电，同时补充装置运行过程中系统功率损耗；充电电源用以给两个桥臂全部子模块进行均压充电，在系统解锁运行后将从系统切除。试验电流由两种频率电流叠加而成，其频率可以自由调节，两种频率电流的含量也可以调节。受限于子模块电容电压的波动，需要在控制策略中加入电压均衡控制算法。试验电流中不含直流分量，不产生有功交换。
上述计数法方案具有结构简单、适应性强、易扩展等优点，且具备多种试验项目能力，比如IEC标准里对电力电子换流器阀所要求的最小直流电压试验、最大连续运行试验、过负荷试验及过流关断试验等项目。
具体的，第一桥臂和第二桥臂的所有子模块均采用均压均衡策略。
进一步地，均压均衡策略包括：
利用最近电平逼近调制方式，计算出第一桥臂或第二桥臂的子模块投入数；
当第一桥臂或第二桥臂的电流方向为充电方向且调制波为正时，子模块电压从小到大排序，按照投入数正投入子模块；
当第一桥臂或第二桥臂的电流方向为充电方向且调制波为负时，子模块电压从大到小排序，按照投入数负投入子模块；
当第一桥臂或第二桥臂的电流方向为放电方向且调制波为正时，子模块电压从大到小排序，按照投入数正投入子模块；
当第一桥臂或第二桥臂的电流方向为放电方向且调制波为负时，子模块电压从小到大排序，按照投入数负投入子模块。
进一步地，子模块的电容电压设有越限保护；当子模块电压超高时，其只参与放电排序；当子模块电压超低时，其只参与充电排序。
各桥臂子模块运行过程中，要加入电压平衡算法，保证电容电压稳定在合理范围内波动。各桥臂子模块电压进行独立控制，各桥臂计算出模块平均电压，设定电容电压波动范围，出现越限后，根据桥臂电流方向，改变投入、切除指令。
进一步地，试验系统控制保护模块包括：极控层、阀控层和功率模块控制层。
极控层进行运行状态的监视及系统保护、顺控逻辑处理合调制波计算；阀控层进行子模块的均压控制，对子模块的触发和监视；功率模块控制层对控制指令解码，发给至相应驱动电路，还将检测到的子模块运行状态信息和电容电压值发送到阀控层。
进一步地，第一预设调制方式和第二预设调制方式为最近电平逼近调制方式。
进一步地，第一预设调制方式的调制波为：
O1(t)＝Amp1*sin(2π*f1*t)，
其中，f1为系统电流叠加量的第一预设频率值，Amp1为第一桥臂调制比，等于调制波相电压幅值除以总模块电压和。
进一步地，第二预设调制方式的调制波为：
O2(t)＝Amp2*sin(2π*f2*t)，
其中，f2为系统电流叠加量的第一预设频率值，Amp2为第二桥臂调制比，等于调制波相电压幅值除以总模块电压和。
进一步地，请参照图4，第一试品阀和第二试品阀包括若干个串联连接的H桥子模块；H桥子模块包括：正投入状态、切除状态和负投入状态；当调制波的输出值为正时，H桥子模块执行正投入运行状态；当调制波的输出值为负时，H桥子模块执行负投入运行状态。
辅助子模块为H桥子模块，辅助子模块与试品子模块同时参与调制波的输出。每一端的辅助子模块的直流支撑电容与补能电源相连。
进一步地，子模块包括：若干个IGBT和/或IEGT。
本发明实施例旨在保护一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，具备如下效果：
通过控制第一试品阀和第二试品阀的调制方式，产生试验电流；提供给低频输电变流器子模块(以下简称子模块)正常工作时所需的电压，可以产生由低频电流和工频电流叠加的试验电流，用于检验在最严重的重复性应力条件下子模块中IGBT模块及其附属电子电路关于导通、开通和关断状态下电流、电压和热应力的适应性，并验证阀电子电路和主电路工作配合的正确性。
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)

1.一种用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，试验系统包括：第一辅助子模块及对应的第一补能电源、第二辅助子模块及对应的第二补能电源、第一试品阀、第二试品阀、充电电源和控制保护模块，所述第一辅助子模块与第一试品阀构成第一桥臂，第二辅助子模块与第二试品阀构成第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂的电压输出端分别连接在可调负载电抗器两端，所述充电电源分别向所述第一桥臂和所述第二桥臂的所有子模块进行均压充电，包括如下步骤：
基于所述第一补能电源和所述第二补能电源分别对所述第一辅助子模块和所述第二辅助子模块进行充电，均充电至第一解锁电压；
基于所述充电电源对所述第一试品阀和所述第二试品阀进行充电，均充电至第二解锁电压；
通过控制保护模块对向所述第一桥臂和所述第二桥臂的所有所述子模块发出解锁指令，所述第一桥臂的所述子模块按照第一预设调制方式输出电压，所述第二桥臂的所述子模块按照第二预设调制方式输出电压，在负载电抗器两端形成电压差，产生试验电流；
通过调节所述第一预设调制方式和/或所述第二预设调制方式的幅值和频率，改变试验电流中各次谐波分量的大小，对运行试验系统试验电流进行调节。
2.根据权利要求1所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述第一桥臂和所述第二桥臂的所有子模块均采用均压均衡策略。
3.根据权利要求2所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述均压均衡策略包括：
利用最近电平逼近调制方式，计算出所述第一桥臂或所述第二桥臂的子模块投入数；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为充电方向且调制波为正时，所述子模块电压从小到大排序，按照投入数正投入所述子模块；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为充电方向且调制波为负时，所述子模块电压从大到小排序，按照投入数负投入所述子模块；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为放电方向且调制波为正时，所述子模块电压从大到小排序，按照投入数正投入所述子模块；
当所述第一桥臂或所述第二桥臂的电流方向为放电方向且调制波为负时，所述子模块电压从小到大排序，按照投入数负投入所述子模块。
4.根据权利要求3所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述子模块的电容电压设有越限保护；
当所述子模块电压超高时，其只参与放电排序；
当所述子模块电压超低时，其只参与充电排序。
5.根据权利要求1所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述试验系统控制保护模块包括：极控层、阀控层和功率模块控制层；
所述极控层进行运行状态的监视及系统保护、顺控逻辑处理合调制波计算；
所述阀控层进行所述子模块的均压控制，对所述子模块的触发和监视；
所述功率模块控制层对控制指令解码，发给至相应驱动电路，还将检测到的所述子模块运行状态信息和电容电压值发送到所述阀控层。
6.根据权利要求1所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述第一预设调制方式和所述第二预设调制方式为最近电平逼近调制方式。
7.根据权利要求6所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述第一预设调制方式的调制波为：
O1(t)＝Amp1*sin(2π*f1*t)，
其中，f1为系统电流叠加量的第一预设频率值，Amp1为第一桥臂调制比，等于调制波相电压幅值除以总模块电压和。
8.根据权利要求6所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述第二预设调制方式的调制波为：
O2(t)＝Amp2*sin(2π*f2*t)，
其中，f2为系统电流叠加量的第一预设频率值，Amp2为第二桥臂调制比，等于调制波相电压幅值除以总模块电压和。
9.根据权利要求1所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述第一试品阀和第二试品阀包括若干个串联连接的H桥子模块；
所述H桥子模块包括：正投入状态、切除状态和负投入状态；
当调制波的输出值为正时，所述H桥子模块执行正投入运行状态；
当所述调制波的输出值为负时，所述H桥子模块执行负投入运行状态。
10.根据权利要求9所述的用于低频输电变流器子模块的运行试验方法，其特征在于，
所述子模块包括：若干个IGBT和/或IEGT。
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