CN213517510U - 变压器及换流阀充电试验电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供变压器及换流阀充电试验电路，其中变压器及换流阀充电试验电路包括：交流试验电源、一端耦接在所述试验电源输出端的试验模块以及与所述试验模块另一端耦接的并联直流桥臂；其中，所述试验模块用于调节所述交流试验电源的输出电压，进而使所述并联直流桥臂的输入端电压在设定时长内从零提升至设定电压。本实用新型提供了使用中低压试验电源对变压器、换流器进行充电及解锁的试验方法及试验平台，能够减小对试验电源容量的需求，在换流器解锁过程中，采用在低电压情况下进行换流器解锁的方法来减小冲击电流。换流器解锁后，采用逐步提高换流器输入交流电压、并跟随抬高直流电压的方法进行换流器充电的方法。
Description
技术领域
本实用新型涉及电路技术领域，更具体的，涉及换流变压器及换流阀充电试验电路。
背景技术
柔性直流输电技术是一种以电压源变流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术。与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。柔性直流输电近年来得到了快速发展。
海上风电并网是柔性直流输电的一个重要应用，柔直海上换流站需要建设在海上平台。考虑海上施工条件限制，无法在海上完成大型设备的安装和试验，需要在码头上进行设备安装、调试后把海上平台整体送至指定海域。若海上柔直换流站到达指定海域后发现大型设备出现质量缺陷等问题，需要把平台整体运输至试验码头进行处理，费用和时间成本非常高，仅是海上平台运输费用就达到亿元人民币。我国第一座海上柔直换流站计划在20201年建成，从工程角度出发，对换流变、换流阀等大型设备的带电等基础试验必须在码头上完成。
柔直换流站中的换流变压器及换流阀有很大的冲击电压，仅对变压器进行充电时的瞬时电流就能达到2～4倍额定电流。这对试验电源强度要求很高，一台1500MW的变压器瞬时充电功率能够达到3000MW，只有大电网才能承受这样的冲击，以往的工程均采用电网系统进行充电试验(一般为500kV或220kV)。通常，码头只能提供10kV的低压电源，电源容量只有3～5MW，完全不能满足试验需要。
实用新型内容
为了解决上述问题中的至少一个，本实用新型第一方面提供一种变压器及换流阀充电试验电路，包括：
交流试验电源、一端耦接在所述试验电源输出端的试验模块以及与所述试验模块另一端耦接的并联直流桥臂；其中，
所述试验模块用于调节所述交流试验电源的输出电压，进而使所述并联直流桥臂的输入端电压在设定时长内从零提升至设定电压。
在优选的实施例中，所述试验模块包括：
调压器，与所述试验电源的输出端耦接；
控制器，一端耦接在所述调压器与升压变压器之间的导线上，另一端与所述调压器的控制端耦接，并可根据接收的电流或电压输出调压指令。
在优选的实施例中，所述试验模块还包括：
升压变压器，与所述调压器的输出端耦接；
在优选的实施例中，还包括：开光柜，耦接在所述试验电源和所述调压器之间。
在优选的实施例中，还包括：
换流变压器，耦接在所述换流阀的输入端与所述升压变压器的输出端之间。
在优选的实施例中，所述升压变压器为海上柔直站用变压器。
在优选的实施例中，所述设定电压小于所述交流试验电源的最高电压。
在优选的实施例中，所述并联直流桥臂的输入端电压的调节速率低于设定阈值。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供换流站中换流变压器及换流阀充电试验的电路，主要解决在试验电源电压等级低、容量不足的情况下开展换流变压器、换流阀充电试验的问题。本实用新型使用中低压试验电源进行变压器、换流器进行充电及解锁的试验方法及试验平台，变压器充电过程中采用零起升压的方法来减小变压器励磁涌流，换流阀解锁过程中采用换流阀低压解锁的方法减小冲击电流，能够达到减小对试验电源容量的需求。应用在海上换流站调试阶段能够大幅降低换流站海上平台出海后的故障率，减少后期调试隐患及巨额费用支出。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出现有技术中半桥型MMC型换流器结构示意图。
图2示出了现有技术中对称单极柔性直流换流站的典型主接线示意图。
图3示出现有技术中旁路启动电阻时充电电流仿真图。
图4示出本实用新型实施方式中变压器及换流阀充电试验电路的结构示意图。
附图标记：1—启动电阻，2—接口变压器，3—桥臂电抗器，4—换流阀，5—直流电抗器，6—直流隔离刀闸，7—直流线路，8—交流进线断路器，9—交流电网母线；Q1～Q5-开关。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
半桥型MMC型换流器的主要结构如图1所示，换流器由三个相单元构成，每个相单元包括上下两个桥臂，桥臂支路是由众多的MMC子模块串联构成的。每个MMC型子模块由IGBT、电容器、二极管、晶闸管等元件构成，通过IGBT的导通和关断控制电容器的投退。通过控制相单元中MMC子模块投入的数量和电压来控制整个支路的电压。
由于MMC型换流器回路中串联了大量的电容器，当通过交流对换流站进行充电时，如果没有分压或限流措施，根据电容器di＝du/dt，将产生非常大的冲击电流，所以需要合适的措施来控制启动电流。
当前，国内还没有海上柔直站的先例。陆上换流站都是在正式投运时使用换流站正式电源(220kV、500kV等，与电力系统直接相连)对换流变、换流阀进行充电。220kV或500kV电力系统容量非常大，可以近似看作无穷大电源，能够承受换流变压器冲击时的励磁涌流和换流器解锁时的冲击电流。
通常的换流器主回路设计中会在直流回路中串入启动电阻，限制换流阀的充电电流，充电完成后从主回路中退出该启动电阻。图2为对称单极MMC换流站的基本结构示意图，图中1对应启动电阻，与该电阻并联的断路器为启动电阻旁路断路器，控制启动电阻的投入与退出。
目前，柔直换流阀的单端启动方式下换流器的充电过程如下：
启动电阻并联断路器QF1在分闸位置，交流断路器QF合闸，开始对换流器进行充电；
充电电流相对稳定后，启动电阻并联断路器QF1合闸，旁路充电电阻；
换流器解锁，直流电压上升至额定电压。
该方案通过设置启动电阻，限制了换流器预充电过程的启动电流。
柔直换流器充电试验是柔直换流站启动过程中的一个试验项目，由交流主电网对换流变压器和换流阀进行充电。
海上柔直换流站是在海上平台建设的，建设及调试都是在码头上进行的。为了防止设备质量不过关等问题造成海上平台更换设备，海上柔直站应在码头上完成交流站系统及直流站系统调试后再运往指定海域。而码头上的试验电源一般只有10kV较低电压等级的试验电源可供使用，试验电源容量一般不超过10MW。试验电源容量不足就要求试验过程中的冲击电流及稳态电流均不能超过电源容量，且试验过程中不应造成系统失去稳定或产生谐波等可能损伤设备的问题。
现有技术方案中，如果使用小功率试验电源进行试验时，将面临以下问题：
(1)当使用交流主网对换流变及换流器充电时，即使回路中有启动电阻，瞬时功率仍将达到换流变压器的1～2倍，对于一台额定电压500kV、额定功率1500MVA(1MVA＝1000kVA)的变压器，瞬时功率将达到1500～3000MW(1MW＝1000kW)。换流变充电时有非常大的励磁涌流；换流器可以等效为大电容，开始充电瞬间，换流器两端电压突变，电容两端电压在短时间突然增高后会导致充电电流急剧上升，即di＝du/dt。
(2)启动电阻旁路时，充电回路中电阻瞬间减小至零，换流器电容两端电压突高后会导致充电电流急剧上升，充电电阻旁路时的电流可以达到几百安培(对于上述额定电压500kV、额定功率1500MVA的变压器，当电流300A时瞬时功率为260000kW)。
以下为某换流站的仿真算例。换流站额定直流电压500kV，充电电阻为6千欧姆。当旁路断路器断开、启动电阻处于投入时，直流电压上升至321kV；闭合旁路断路器、退出启动电阻，此时交流侧冲击电流达到630A，瞬时功率达到520MW，如图3所示。
(3)换流器解锁过程前，换流阀子模块的平均电压较低，换流器解锁后，子模块中的电容快速升到额定电容电压，这个充电过程将产生较大的冲击电流。例如，交流电压500千伏、交流冲击电流300安培，则功率达到260MW。这是一般的10kV试验电源所承受不了的(一般的10kV电源容量不超过20MVA)。
本实用新型实施例提供了一种使用中低压试验电源进行变压器、换流器进行充电及解锁的试验方法及试验平台，能够达到减小对试验电源容量的需求。
具体如图4所示的变压器及换流阀充电试验电路，包括：交流试验电源、一端耦接在所述试验电源输出端的试验模块以及与所述试验模块另一端耦接的并联直流桥臂；其中，所述试验模块用于调节所述交流试验电源的输出电压，进而使所述并联直流桥臂的输入端电压在设定时长内从零提升至设定电压。
本实用新型使用中低压试验电源进行变压器、换流器进行充电及解锁的试验方法及试验平台，能够达到减小对试验电源容量的需求，在换流器解锁过程中，采用在低电压情况下进行换流器解锁的方法来减小冲击电流。换流器解锁后，采用逐步提高换流器输入交流电压、并跟随抬高直流电压的方法进行换流器充电的方法。
请继续结合图4所示，所述试验模块包括：调压器，与所述试验电源的输出端耦接；控制器，一端耦接在所述调压器与升压变压器之间的导线上，另一端与所述调压器的控制端耦接，并可根据接收的电流或电压输出调压指令。
在一些可选的实施例中，所述试验模块还包括：升压变压器，与所述调压器的输出端耦接。
具体的，本试验方案是通过使用调压设备从零电压开始逐步抬升换流变的输入电压，使换流变压器电压可以缓慢抬升，典型试验连接如图4所示。试验电源通过开关柜Q1与调压器连接，调压器能够从零到额定电压内调节其输出电压；调压器与升压变相连，升压变与换流变相连，换流变连接直流场的桥臂电抗、换流阀等设备。
在一些实施例中，试验模块还包括：开光柜，耦接在所述试验电源和所述调压器之间。
进一步的，还包括：换流变压器，耦接在所述换流阀的输入端与所述升压变压器的输出端之间。
一些实施例中，所述升压变压器为海上柔直站用变压器。该实施例中，如果是海上柔直可以用站用变充当升压变，如果调压器的输出电压能够匹配换流变的输入电压则不需要升压变。
本实施例可以有三种应用方式：一是对单一的变压器做带电试验，二是对换流变和换流器一起做带电试验，三是直接给换流器进行带电试验。
当调压器从零电压开始逐渐对换流变压器和换流阀施加电压时，换流变压器几乎没有励磁涌流；由于电压变化缓慢，换流器充电电流du/dt也非常小。
控制器通过采集换流变压器电压、主回路电流计算试验系统的整体功率及变化速率，进而控制调压器的电压调节速率，确保电压调节速率不超过定值、试验系统的容量不超过试验电源的范围。
(2)换流器解锁
本方案中采用了两项减小充电功率的方法：
A.低电压情况下进行换流阀子模块解锁。换流阀解锁电压越低解锁时的功率越小；子模块的驱动板的电源一般是从子模块电容取能，只要子模块电容电压能够驱动子模块的正常运行便可以解锁，对于额定电压4.5kV的子模块一般电容电压达到600V即满足解锁时子模块工作对电源的需求。
B.解锁时，可以采用子模块分批次解锁的方法。
C.解锁换流器后，缓慢提高调压器输出电压，换流器随之提高直流电压输出直至额定值。换流阀需要根据当前的子模块电容电压、交流电压计算解锁后的直流电压控制目标，保证解锁时过渡过程的平稳。换流阀解锁后，缓慢提高调压器的输出电压，同时同步提高直流电压控制目标，最终达到直流额定电压。
在一些实施例中，所述并联直流桥臂的输入端电压的调节速率低于设定阈值。进而通过缓慢升高电压的方法对整个电路进行保护。
在一些实施例中，所述设定电压小于所述交流试验电源的最高电压。这样可以起到保护电源的作用。
本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。尤其，对于系统实施方式而言，由于其基本相似于方法实施方式，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。
此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，包括：
交流试验电源、一端耦接在所述试验电源输出端的试验模块以及与所述试验模块另一端耦接的并联直流桥臂；其中，
所述试验模块用于调节所述交流试验电源的输出电压，进而使所述并联直流桥臂的输入端电压在设定时长内从零提升至设定电压。
2.根据权利要求1所述的变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，所述试验模块包括：
调压器，与所述试验电源的输出端耦接；
控制器，一端耦接在所述调压器与升压变压器之间的导线上，另一端与所述调压器的控制端耦接，并可根据接收的电流或电压输出调压指令。
3.根据权利要求2所述的变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，所述试验模块还包括：
升压变压器，与所述调压器的输出端耦接。
4.根据权利要求2所述的变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，所述试验模块还包括：开光柜，耦接在所述试验电源和所述调压器之间。
5.根据权利要求3所述的变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，还包括：
换流变压器，耦接在所述换流阀的输入端与所述升压变压器的输出端之间。
6.根据权利要求4所述的变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，所述升压变压器为海上柔直站用变压器。
7.根据权利要求1所述的变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，所述设定电压小于所述交流试验电源的最高电压。
8.根据权利要求1所述的变压器及换流阀充电试验电路，其特征在于，所述并联直流桥臂的输入端电压的调节速率低于设定阈值。
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