CN1818698A - 链式静止同步补偿器igct阀的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法。包括周期触发和熄灭试验、温升试验、功率损耗试验、过电流试验、快速放电试验、空载发生试验、链节电压平衡试验，通过以上7个试验项目可以对链式STATCOM阀的设计、性能等进行全面的考核。本发明试验原理简单，容易实现试验值和波形的调节；试验方法在理论上具有充分的等效性。

Description

链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法

技术领域

本发明涉及电力系统及电力电子系统中对集成门极换向晶闸管(IGCT)阀进行的运行试验，特别是一种链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法。

背景技术

电力电子技术是能够给电力工业带来革命性进步的新技术，也是当今电力工业界的热门研究课题之一。先进电力电子技术将电子开关器件的制造技术、现代控制技术和传统电网技术实现了有机的融合。并随着电力系统的发展，这一技术向着大容量、高功率的方向发展，出现了一大批基于电力电子器件的大功率电力电子装置并逐步在电力系统中应用，如静止无功补偿器(SVC)，晶闸管控制串联补偿器(TCSC)、静止同步补偿器(STATCOM)和直流输电(HVDC)等。相信随着全国联网、西电东送和交直流特高压输电的逐步推进，大功率电力电子技术及其应用必将在我国得到更大发展。

现代大功率电力电子装置的核心器件是大功率阀，是由半控或全控的硅元件(如晶闸管、GTO、IGCT等)及其相关电路，触发系统，散热器和绝缘结构通过一定的连接方式组成的，结构复杂；又由于其在电力系统中的实际运行工况也很复杂，因此大功率阀是一个非常复杂的电气部件，必须建立与其实际工况相应的试验手段。

静止同步补偿器(STATCOM)是灵活交流输电技术的一个重要方面，是一项前瞻性研究的新技术，而链式结构又是一种新型的拓扑结构，阀体的组成和控制非常复杂。根据一般阀试验的要求，对于链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法，应结合链式结构阀的工作原理和特性，通过等效分析机理，提出适当的试验电路和试验方法。在试验过程中使阀承受与实际运行工况相接近的电压应力、电流应力及热应力。并能提供阀在某些故障工况下可能承受的应力。

目前国内外尚未见到类似的有关对于链式结构阀较为全面而合理的试验方法的技术专利。

发明内容

为了解决现有技术当中的上述问题，本发明的目的是提供一种全面而合理的链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明的链式静止同步补偿器IGCT阀的的试验方法，包括周期触发和熄灭试验、温升试验、功率损耗试验、过电流试验、快速放电试验、空载发生试验、链节电压平衡试验，通过以上7个试验项目可以对链式STATCOM阀的设计、性能等进行全面的考核。

1、周期触发和熄灭试验、功率损耗试验和温升试验

周期触发和熄灭试验、功率损耗试验和温升试验所要求的试验条件基本相同，可结合在一起进行。

试验电路由两个被试链节和试验电抗器串联而成，此外还有直流电源连接在一个链节的直流电容器两端提供试验中消耗的有功功率。对两个链节的IGCT施加适当角度的开通、关断信号，使两个链节输出的电压相位相差近180°，而链节电流是相同的，即一个链节是容性的，另一个链节是感性的。试验中首先对一个链节的电容器充电，然后解除脉冲封锁，回路开始振荡，两个链节的直流电容器开始进入周期性的充放电，试验回路进入稳定工作状态。

回路电流为：

$i=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{sw}}& 0\≤t\≤\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ I_{\mathrm{sw}}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ -I_{\mathrm{sw}}& \frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ I_{\mathrm{sw}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

链节1输出电压为：

$u_1=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤t\≤\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ -U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

链节2输出电压为：

$u_2=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤t\≤\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ -U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

式中：α为链节1的控制角，即触发开通信号的起始角度；

      ω₀为回路工作角频率；

      U_Cmax为发出无功链节直流侧电压最大值与吸收无功链节直流侧电压最小值之差。

试验中主要应考虑的技术指标包括工作频率f、可关断器件开通和关断时的瞬时直流电容器电压U_Csw和瞬时电流I_sw、链节电流有效值I_rms、热平衡后器件的结温。利用图1所示的试验电路，通过适当的控制方式，让两个链节分别工作在发出无功和吸收无功两种不同的正常工况下，展示阀在两种不同工况下，IGCT和续流二极管周期性开通和关断运行时的开关能力，再现开关过程中电压、电流联合应力给器件造成的暂态强度。试验同时也会验证链节吸收电路及箝位电路运行的正确性。试验电抗器的电感值决定了回路的振荡周期，也就决定了链节电压波形的宽度，链节控制角必须与电感值相对应，才能得到与实际相接近的典型工作波形。试验中还要考验阀的温升，并测量回路的总损耗，通过测量和计算相结合的方式得到链节损耗。

2、过电流试验

试验模拟直流侧电容器储能突然释放产生过电流的情况。每次对一个链节进行试验，试验电抗器的电感值和电阻值也要与实际的连接电抗器成比例的减小。试验中需要再现的重要参数是直流电容器的电压、关断的故障电流值、电流上升率di/dt、再加电压的幅值以及器件的结温。试验可以同时检验阀的设计是否能够耐受由过电流引起IGCT结温升高后的正向阻断能力和可关断器件在安全关断电流限值下的关断能力。

试验回路主要由加热电源、加热回路开关、充电电源和试验电抗器组成。试验包括加热和振荡两个阶段。试验过程如下：首先通过适当的加热回路使器件达到正常工作结温，然后对直流电容器充电至适当的电压，触发一对器件如G1、G4，使直流电容器放电产生过电流，电流达到保护值时关断G1、G4，而回路电流仍要维持原方向，D3、D2导通续流，对电容器充电至接近其电压初值。由于D3、D2的导通，将电容电压加在G1、G4上，使其在关断后立即承受正压，即将电流应力转化为电压应力。当电流降为零后，充电停止，不再有管子继续导通，试验过程结束。

3、快速放电试验

试验分别对单个链节进行，模拟直流侧过电压的情况。

试验电路包括被试链节和直流电源，试验中不需对IGCT进行触发，器件一直处于闭锁状态。试验时首先对直流电容器充电，当链节直流侧电压达到过电压保护整定值时，快速放电电路应及时动作，开通放电回路，通过放电电阻对电容器迅速放电。

4、空载电压发生试验

链式电路的每个链节都是完全相同的独立单元，将一相阀的全部链节安装成一个整体后，通过发出空载电压检验其电压发生的控制水平，谐波含量和波形畸变率等重要指标是否满足要求。

5、链节电压平衡试验

试验主要是检验电压平衡控制模块功能的实现情况，需要在一个完整的阀上进行。试验中阀必须工作在带负载的状态下，例如将阀电压加在试验电抗器上，产生回路电流。阀电流尽可能接近额定电流。回路应带载运行半小时，运行过程中要注意监测各链节直流电容器的电压，以验证电压平衡控制模块的作用。

由于采用了上述的技术方案，本实用新型具有的有益效果是：1、试验原理简单，不需要添加过多的试验装置，实现起来较为容易，针对不同链式结构高压阀的试验要求，容易实现试验值和波形的调节；2、试验方法是在充分研究了链式STATCOM工作原理和应力并结合了阀的保护策略的基础上得出的，在理论上具有充分的等效性；3、试验充分模拟了阀在实际运行中可能出现不同工况，对链式结构阀的性能进行了全面考核，取得了很好的试验效果。

附图说明

图1是本发明的链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法当中的周期触发和熄灭试验电路原理图。

图2是图1所示的周期触发和熄灭试验的试验波形。

图3是本发明的链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法当中的过电流试验电路原理图。

图4是图3所示的过电流试验的试验波形。

图5是本发明的链式静止同步补偿器IGCT阀的试验方法当中的快速放电试验电路。

图6是图5所示的快速放电试验的试验波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

周期触发和熄灭试验波形参见图1和图2，试验中控制角为-2.14°，回路电流有效值为1750A，发出无功链节的电压峰值即该链节直流电容器电压的最大值为2500V，IGCT开关瞬时最大电压为1900V。

过电流试验波形参见图3和图4，试验中当过电流达到3000A时关断IGCT，关断过冲达到4300V，IGCT关断后承受链节直流测电压2500V。

快速放电试验波形参加图5和图6，电容器充电至3000V时过电压保护电路动作，放电30s时电容器电压降至200V以下，40s时电容器电压基本降为零。

Claims (1)

1、一种链式静止同步补偿器IGCT阀的的试验方法，其特征是：包括周期触发和熄灭试验、温升试验、功率损耗试验、过电流试验、快速放电试验、空载发生试验、链节电压平衡试验，共7个试验项目；

1)、周期触发和熄灭试验、功率损耗试验和温升试验

周期触发和熄灭试验、功率损耗试验和温升试验所要求的试验条件基本相同，可结合在一起进行；

试验电路由两个被试链节和试验电抗器串联而成，此外还有直流电源连接在一个链节的直流电容器两端提供试验中消耗的有功功率；对两个链节的IGCT施加适当角度的开通、关断信号，使两个链节输出的电压相位相差近180°，而链节电流是相同的，即一个链节是容性的，另一个链节是感性的；

试验中首先对一个链节的电容器充电，然后解除脉冲封锁，回路开始振荡，两个链节的直流电容器开始进入周期性的充放电，试验回路进入稳定工作状态；

回路电流为： $i=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{sw}}& 0\≤t\≤\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ I_{\mathrm{sw}}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ -I_{\mathrm{sw}}& \frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ I_{\mathrm{sw}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

链节1输出电压为： $u_1=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤t\≤\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ -U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

链节2输出电压为： $u_2=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\≤t\≤\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0};\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ -U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ U_{\mathrm{Csw}}-\frac{1}{2}{U}_{C\max }\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0})& \frac{\mathrm{\π}+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\≤t\≤\frac{2\mathrm{\π}-\mathrm{\α}}{{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

式中：α为链节1的控制角，即触发开通信号的起始角度；

ω₀为回路工作角频率；

U_Cmax为发出无功链节直流侧电压最大值与吸收无功链节直流侧电压最小值之差；试验中主要应考虑的技术指标包括工作频率f、可关断器件开通和关断时的瞬时直流电容器电压U_Csw和瞬时电流I_sw、链节电流有效值I_rms、热平衡后器件的结温；利用试验电路，通过适当的控制方式，让两个链节分别工作在发出无功和吸收无功两种不同的正常工况下，展示阀在两种不同工况下，IGCT和续流二极管周期性开通和关断运行时的开关能力，再现开关过程中电压、电流联合应力给器件造成的暂态强度；

试验同时也会验证链节吸收电路及箝位电路运行的正确性；试验电抗器的电感值决定了回路的振荡周期，也就决定了链节电压波形的宽度，链节控制角必须与电感值相对应，才能得到与实际相接近的典型工作波形；试验中还要考验阀的温升，并测量回路的总损耗，通过测量和计算相结合的方式得到链节损耗；

2)、过电流试验

试验回路主要由加热电源、加热回路开关、充电电源和试验电抗器组成。试验包括加热和振荡两个阶段；试验过程如下：首先通过适当的加热回路使器件达到正常工作结温，然后对直流电容器充电至适当的电压，触发一对器件如G1、G4，使直流电容器放电产生过电流，电流达到保护值时关断G1、G4，而回路电流仍要维持原方向，D3、D2导通续流，对电容器充电至接近其电压初值；由于D3、D2的导通，将电容电压加在G1、G4上，使其在关断后立即承受正压，即将电流应力转化为电压应力；当电流降为零后，充电停止，不再有管子继续导通，试验过程结束；

试验模拟直流侧电容器储能突然释放产生过电流的情况；每次对一个链节进行试验，试验电抗器的电感值和电阻值也要与实际的连接电抗器成比例的减小；试验中需要再现的重要参数是直流电容器的电压、关断的故障电流值、电流上升率di/dt、再加电压的幅值以及器件的结温；试验可以同时检验阀的设计是否能够耐受由过电流引起IGCT结温升高后的正向阻断能力和可关断器件在安全关断电流限值下的关断能力。

3)、快速放电试验

试验电路包括被试链节和直流电源，试验中不需对IGCT进行触发，器件一直处于闭锁状态；试验时首先对直流电容器充电，当链节直流侧电压达到过电压保护整定值时，快速放电电路应及时动作，开通放电回路，通过放电电阻对电容器迅速放电；

试验分别对单个链节进行，模拟直流侧过电压的情况；

4)、空载电压发生试验

链式电路的每个链节都是完全相同的独立单元，将一相阀的全部链节安装成一个整体后，通过发出空载电压检验其电压发生的控制水平，谐波含量和波形畸变率等重要指标是否满足要求；

5)、链节电压平衡试验

试验主要是检验电压平衡控制模块功能的实现情况，需要在一个完整的阀上进行；试验中阀必须工作在带负载的状态下，例如将阀电压加在试验电抗器上，产生回路电流；阀电流尽可能接近额定电流；回路应带载运行半小时，运行过程中要注意监测各链节直流电容器的电压，以验证电压平衡控制模块的作用。

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