專利名稱：柔性直流輸電mmc閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)和電力電子領(lǐng)域，具體講涉及一種柔性直流輸電MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著柔性直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的逐步應(yīng)用，其核心部件—— 大功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)閥的可靠性成為電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素之一。由于 VSC-HVDC裝置普遍具有高電壓、強(qiáng)電流、大容量的特點(diǎn)，導(dǎo)致在試驗(yàn)環(huán)境中很難構(gòu)建與實(shí)際運(yùn)行工況相同的全載電路進(jìn)行試驗(yàn)。因此，如何在試驗(yàn)環(huán)境中構(gòu)建等效的試驗(yàn)電路，進(jìn)行與實(shí)際運(yùn)行工況強(qiáng)度相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)成為解決問題的關(guān)鍵。基于模塊化多電平換流器(MMC)的VSC-HVDC，是利用IGBT閥進(jìn)行直流輸電的一種新技術(shù)。子模塊(SM)是構(gòu)成MMC的最小功率單元，它由IGBT組成的半橋(或者H橋)與電容器并聯(lián)組成。若干個(gè)子模塊串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)MMC閥組件，它能夠成比例體現(xiàn)MMC閥的電氣特性，是進(jìn)行MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的基本電氣單元，其電氣結(jié)構(gòu)如圖1(a)和(b)所示。MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)是為了考察MMC閥在長期實(shí)際運(yùn)行工況下對(duì)最大電流、電壓和溫度等關(guān)鍵應(yīng)力的耐受能力，以驗(yàn)證MMC閥設(shè)計(jì)的正確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種柔性直流輸電MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)使被試閥組件耐受同實(shí)際工況相當(dāng)?shù)姆€(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓、電流與熱強(qiáng)度，并且，該試驗(yàn)方法簡單、靈活，試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)方式簡便，可滿足MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的要求。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的柔性直流輸電MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其改進(jìn)之處在于，所述功率環(huán)試驗(yàn)方法用的裝置為MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)裝置，所述裝置包括兩個(gè)閥組件1和2、充電電源E1、補(bǔ)能電源E2、負(fù)載電抗器L、充電限流電阻Rc以及隔離開關(guān)Kl和K2 ；所述閥組件1和2分別含η和m個(gè)子模塊，且η > m ；所述子模塊包括并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)與子模塊電容器；或所述子模塊包括并聯(lián)的H橋結(jié)構(gòu)與子模塊電容器；所述子模塊電
Csm1ii Csm2iii ；所述半橋結(jié)構(gòu)和H橋結(jié)構(gòu)均包括開關(guān)Kln或L、電阻Rln或Ra^晶閘管Tln或T2m、 IGBT器件Tlnl和Tln2或IGBT器件T2ml和T2m2以及二極管D2nl和D2n2或二極管D2ml和D2m2 ；
所述方法包括如下步驟(1)設(shè)定所述閥組件1和閥組件2的電壓幅值V1J2以及二者相位差δ，并設(shè)定所述補(bǔ)能電源Ε2的輸出電壓；(2)閉合所述隔離開關(guān)Κ1，令充電電源El對(duì)所述子模塊電容器(；-或。.充電；(3)當(dāng)所述子模塊電容器電壓達(dá)到設(shè)定值后，斷開隔離開關(guān)Kl將充電電源El退出，預(yù)充電完畢；(4)閉合所述隔離開關(guān)K2，投入所述補(bǔ)能電源E2 ；同時(shí)，按照一定的調(diào)制策略發(fā)出兩個(gè)閥組件所有子模塊IGBT的觸發(fā)脈沖，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)；所述閥組件1和閥組件 2兩端建立起試驗(yàn)所需的電壓應(yīng)力，兩個(gè)閥組件在子模塊電容器和負(fù)載電抗器L上進(jìn)行能量交換，回路中產(chǎn)生試驗(yàn)所需的電流應(yīng)力；(5)斷開所述隔離開關(guān)K2，退出補(bǔ)能電源E2，然后閉鎖子模塊中IGBT的觸發(fā)脈沖，
試驗(yàn)結(jié)束。本發(fā)明提供的一種優(yōu)選的技術(shù)方案是所述閥組件1的低壓輸出端和閥組件2的低壓輸出端直接相連后接地；所述閥組件1的高壓輸出端和閥組件2高壓輸出端通過所述負(fù)載電抗器L相連。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選的技術(shù)方案是所述充電電源El的一端與所述充電限流電阻Rc —端連接；所述充電電源El的另一端與閥組件1和2的低壓輸出端相連后接地；所述充電限流電阻Rc另一端與隔離開關(guān)Kl的一端連接；所述隔離開關(guān)Kl的另一端和所述負(fù)載電抗器L連接；所述補(bǔ)能電源E2的一端與所述隔離開關(guān)K2—端連接；所述補(bǔ)能電源E2的另一端與閥組件1和2的低壓輸出端相連后接地；所述隔離開關(guān)K2的另一端與閥組件1連接。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選的技術(shù)方案是所述一定的調(diào)制策略為開關(guān)頻率較低的正弦階梯波調(diào)制方式。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選的技術(shù)方案是所述IGBT器件Tlnl反并聯(lián)二極管Dlnl組成 IGBT模塊1 ；所述IGBT器件Tln2反并聯(lián)二極管Dln2組成IGBT模塊2 ；所述IGBT模塊1和 IGBT模塊2串聯(lián)，組成IGBT模塊1和IGBT模塊2串聯(lián)支路；所述IGBT模塊2、晶閘管Tln和開關(guān)Kln依次并聯(lián)；所述電阻Rln與IGBT模塊1和 IGBT模塊2串聯(lián)支路并聯(lián)。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選的技術(shù)方案是所述IGBT器件T2ml反并聯(lián)二極管D2ml組成 IGBT模塊3 ；所述IGBT器件T2m22反并聯(lián)二極管D2m組成IGBT模塊4 ；所述IGBT模塊3和 IGBT模塊4串聯(lián)，組成IGBT模塊3和IGBT模塊4串聯(lián)支路；所述IGBT模塊4、晶閘管T2m和開關(guān)K2m依次并聯(lián)；所述電阻R2m與IGBT模塊3和 IGBT模塊4串聯(lián)支路并聯(lián)。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選的技術(shù)方案是所述閥組件1為輔助閥；所述閥組件2為試品閥。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是1、本發(fā)明提供的試驗(yàn)方法用的試驗(yàn)裝置通過閥組件子模塊電容器與負(fù)載電抗器之間的能量交換產(chǎn)生回路電流，補(bǔ)能電源和充電電源分別用于建立子模塊工作電壓和補(bǔ)充電路運(yùn)行過程中相對(duì)較少的有功損耗，大大降低了試驗(yàn)電路對(duì)電源容量的要求。2、本發(fā)明提供的試驗(yàn)方法通過特定的正弦階梯波調(diào)制方式和控制方法，不僅能夠產(chǎn)生與實(shí)際工程等效的電壓應(yīng)力，而且與傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方式相比大大降低了開關(guān)頻率，減少了開關(guān)損耗。3、本發(fā)明提供的試驗(yàn)方法通過調(diào)節(jié)兩個(gè)閥組件兩端電壓的幅值和相位差，即可得到精確的交、直流疊加的電流應(yīng)力，不僅調(diào)節(jié)方式靈活、簡單，而且具有較高的等效性。
4、本發(fā)明提供的試驗(yàn)方法滿足MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的要求，能夠提供與實(shí)際運(yùn)行工況相當(dāng)?shù)姆€(wěn)態(tài)電流應(yīng)力、電壓應(yīng)力和熱強(qiáng)度等。


圖1是MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的基本電氣結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明提供的功率環(huán)式MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)電路原理圖；圖3是本發(fā)明提供的功率環(huán)試驗(yàn)方法流程圖；圖4是本發(fā)明提供的MMC閥組件穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)電壓波形示意圖；圖5是本發(fā)明提供的MMC閥組件穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)電流波形示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的功率環(huán)式MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)電路原理圖如圖2所示，整個(gè)試驗(yàn)電路由閥組件1和2、充電電源E1、補(bǔ)能電源E2、負(fù)載電抗器L、充電限流電阻Rc和隔離開關(guān) Kl和K2組成；閥組件1的低壓輸出端和閥組件2的低壓輸出端直接相連后接地，兩者的高壓輸出端通過所述負(fù)載電抗器L相連；其中，閥組件1為輔助閥；閥組件2為試品閥。閥組件1和2分別含η和m個(gè)子模塊；且η彡m，m為實(shí)際工程中一個(gè)閥組件所含子模塊的個(gè)數(shù)；所述子模塊包括并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)與子模塊電容器；或所述子模塊包括并聯(lián)的H橋結(jié)構(gòu)與子模塊電容器；所述子模塊電容器為Csmn或CSM2m ；半橋結(jié)構(gòu)和H橋結(jié)構(gòu)均包括開關(guān)Kln或K2m、電阻Rln或I 2m、晶閘管Tln或T2m、IGBT器件Tlnl和Tln2或IGBT器件T2ml和 Tlffl2以及二極管Dlnl和Dln2或二極管D2ml和D2m2。IGBT器件Tlnl反并聯(lián)二極管Dlnl組成IGBT模塊1 ；所述IGBT器件Tln2反并聯(lián)二極管Dln2組成IGBT模塊2 ；所述IGBT模塊1和IGBT模塊2串聯(lián)，組成IGBT模塊1和IGBT模塊2串聯(lián)支路；所述IGBT模塊2 ；晶閘管Tln和開關(guān)Kln依次并聯(lián)；所述電阻Rln與IGBT模塊1和IGBT模塊2串聯(lián)支路并聯(lián)。IGBT器件T2ml反并聯(lián)二極管D2ml組成IGBT模塊3 ；所述IGBT器件T2m2反并聯(lián)二極管D2m2組成IGBT模塊4 ；所述IGBT模塊3和IGBT模塊4串聯(lián)，組成IGBT模塊3和IGBT 模塊4串聯(lián)支路；所述IGBT模塊4、晶閘管T2m和開關(guān)K2m依次并聯(lián)；所述電阻R2m與IGBT模塊3和IGBT模塊4串聯(lián)支路并聯(lián)。充電電源El的一端與充電限流電阻Rc —端連接；充電電源El的另一端與閥組件 1和閥組件2的低壓輸相連后接地；充電限流電阻Rc另一端與隔離開關(guān)Kl的一端連接；隔離開關(guān)Kl的另一端和負(fù)載電抗器L連接；補(bǔ)能電源E2的一端與隔離開關(guān)K2 —端連接；補(bǔ)能電源E2的另一端與閥組件1和閥組件2的低壓輸相連后接地；隔離開關(guān)K2的另一端與閥組件1連接；補(bǔ)能電源E2并聯(lián)在所述閥組件1的接地子模塊電容器Csmn的兩端。充電電源El用于電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之前對(duì)兩個(gè)閥組件的所有子模塊電容器預(yù)充電， 充電完畢后El退出電路。補(bǔ)能電源E2并聯(lián)于閥組件1的接地子模塊電容器Csmn兩端，用于補(bǔ)充電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的有功損耗。Rc為充電限流電阻，用于限制充電階段回路中的電流。
該試驗(yàn)電路對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法流程如圖3所示，具體步驟如下(1)設(shè)定閥組件1和閥組件2的電壓幅值Vp V2以及二者相位差δ，并設(shè)定Ε2的輸出電壓；(2)閉合Κ1，令El對(duì)所有子模塊電容器充電；(3)當(dāng)子模塊電容器電壓達(dá)到設(shè)定值后，斷開Kl將El退出，預(yù)充電完畢；(4)閉合Κ2，投入Ε2 ；同時(shí)，按照一定的調(diào)制策略發(fā)出兩個(gè)閥組件所有子模塊IGBT 的觸發(fā)脈沖，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。閥組件1和閥組件2兩端建立起試驗(yàn)所需的電壓應(yīng)力，兩個(gè)閥組件子模塊電容器和負(fù)載電抗器L上進(jìn)行能量交換，回路中產(chǎn)生試驗(yàn)所需的電流應(yīng)力；(5)斷開Κ2，退出Ε2，然后閉鎖IGBT觸發(fā)脈沖，試驗(yàn)結(jié)束。電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力是多大取決于實(shí)際工程，不同的工程應(yīng)力大小不同，步驟(1) 中的參數(shù)是可調(diào)的，需要每次試驗(yàn)開始都要設(shè)定的。所以，試驗(yàn)所需的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力因?qū)嶋H工況而不同。電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，閥組件1和閥組件2中的IGBT工作在某種開關(guān)頻率較低的正弦階梯波調(diào)制方式下，兩端將分別得到如圖4所示的電壓波形U1和u2，二者交流分量幅值分
別為V1和V2，直流偏置均為’。因此，兩個(gè)閥組件即可等效為如圖2虛線框內(nèi)所示的交流
電壓源V1(V2)和直流電壓源$的串聯(lián)復(fù)合電源。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)閥組件各自正弦參考波的
幅值和相位差，即可改變回路中的功率分布，進(jìn)而改變回路電流i的交流分量Ia。和直流分量Id。的大小，回路電流即閥組件電流的波形如圖5所示。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本申請(qǐng)的技術(shù)方案而非對(duì)其保護(hù)范圍的限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀本申請(qǐng)后依然可對(duì)申請(qǐng)的具體實(shí)施方式
進(jìn)行種種變更、修改或者等同替換，這些變更、修改或者等同替換，其均在其申請(qǐng)待批的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.柔性直流輸電MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其特征在于，所述功率環(huán)試驗(yàn)方法用的裝置為MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)裝置，所述裝置包括兩個(gè)閥組件1和2、充電電源E1、補(bǔ)能電源E2、負(fù)載電抗器L、充電限流電阻Rc以及隔離開關(guān)Kl和K2 ；所述閥組件1和2分別含η和m個(gè)子模塊，且η > m ；所述子模塊包括并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)與子模塊電容器；或所述子模塊包括并聯(lián)的H橋結(jié)構(gòu)與子模塊電容器；所述子模塊電容器為 CSMln 或 CSM2m ；所述半橋結(jié)構(gòu)和H橋結(jié)構(gòu)均包括開關(guān)Kln或K2m、電阻Rln或Ra^晶閘管Tln或T2m、IGBT 器件Tlnl和Tln2或IGBT器件T2ml和T2m2以及二極管D2nl和D2n2或二極管D2ml和D2m2 ；所述方法包括如下步驟(1)設(shè)定所述閥組件1和閥組件2的電壓幅值V1J2以及二者相位差δ，并設(shè)定所述補(bǔ)能電源Ε2的輸出電壓；(2)閉合所述隔離開關(guān)Κ1，令充電電源El對(duì)所述子模塊電容器充電；(3)當(dāng)所述子模塊電容器Csmn或CSM2m電壓達(dá)到設(shè)定值后，斷開隔離開關(guān)Kl將充電電源 El退出，預(yù)充電完畢；(4)閉合所述隔離開關(guān)Κ2，投入所述補(bǔ)能電源Ε2；同時(shí)，按照一定的調(diào)制策略發(fā)出兩個(gè)閥組件所有子模塊IGBT的觸發(fā)脈沖，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)；所述閥組件1和閥組件2兩端建立起試驗(yàn)所需的電壓應(yīng)力，兩個(gè)閥組件在子模塊電容器和負(fù)載電抗器L上進(jìn)行能量交換，回路中產(chǎn)生試驗(yàn)所需的電流應(yīng)力；(5)斷開所述隔離開關(guān)Κ2，退出補(bǔ)能電源Ε2，然后閉鎖子模塊中IGBT的觸發(fā)脈沖，試驗(yàn)結(jié)束。
2.如權(quán)利要求1所述的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其特征在于，所述閥組件1的低壓輸出端和閥組件2的低壓輸出端直接相連后接地；所述閥組件1的高壓輸出端和閥組件2高壓輸出端通過所述負(fù)載電抗器L相連。
3.如權(quán)利要求1所述的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其特征在于，所述充電電源El的一端與所述充電限流電阻Rc —端連接；所述充電電源El的另一端與閥組件1和2的低壓輸出端相連后接地；所述充電限流電阻Rc另一端與隔離開關(guān)Kl的一端連接；所述隔離開關(guān)Kl的另一端和所述負(fù)載電抗器L連接；所述補(bǔ)能電源Ε2的一端與所述隔離開關(guān)Κ2 —端連接；所述補(bǔ)能電源Ε2的另一端與閥組件1和2的低壓輸出端相連后接地；所述隔離開關(guān)Κ2的另一端與閥組件1連接。
4.如權(quán)利要求1所述的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其特征在于，所述一定的調(diào)制策略為開關(guān)頻率較低的正弦階梯波調(diào)制方式。
5.如權(quán)利要求1所述的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其特征在于，所述IGBT器件Tlnl反并聯(lián)二極管Dlnl組成IGBT模塊1 ；所述IGBT器件Tln2反并聯(lián)二極管Dln2組成IGBT模塊2 ；所述IGBT 模塊1和IGBT模塊2串聯(lián)，組成IGBT模塊1和IGBT模塊2串聯(lián)支路；所述IGBT模塊2、晶閘管Tln和開關(guān)Kln依次并聯(lián)；所述電阻Rln與IGBT模塊1和IGBT 模塊2串聯(lián)支路并聯(lián)。
6.如權(quán)利要求1所述的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其特征在于，所述IGBT器件T2ml反并聯(lián)二極管D2ml組成IGBT模塊3 ；所述IGBT器件T2m22反并聯(lián)二極管D2m組成IGBT模塊4 ；所述IGBT模塊3和IGBT模塊4串聯(lián)，組成IGBT模塊3和IGBT模塊4串聯(lián)支路；所述IGBT模塊4、晶閘管T2m和開關(guān)K2m依次并聯(lián)；所述電阻R2m與IGBT模塊3和IGBT 模塊4串聯(lián)支路并聯(lián)。
7.如權(quán)利要求1所述的功率環(huán)試驗(yàn)方法，其特征在于，所述閥組件1為輔助閥；所述閥組件2為試品閥。
全文摘要
本發(fā)明涉及柔性直流輸電MMC閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的功率環(huán)試驗(yàn)方法，包括設(shè)定閥組件1和2的電壓幅值V1、V2以及二者相位差δ，并設(shè)定補(bǔ)能電源E2的輸出電壓；閉合隔離開關(guān)K1，令充電電源E1對(duì)子模塊電容器充電；當(dāng)子模塊電容器電壓達(dá)到設(shè)定值后，斷開K1將E1退出，預(yù)充電完畢；閉合隔離開關(guān)K2，投入補(bǔ)能電源E2；同時(shí)，按照調(diào)制策略發(fā)出兩個(gè)閥組件所有子模塊IGBT的觸發(fā)脈沖，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)；閥組件1和2兩端建立起試驗(yàn)所需的電壓應(yīng)力，兩個(gè)閥組件子模塊電容器和負(fù)載電抗器上進(jìn)行能量交換，回路中產(chǎn)生試驗(yàn)所需的電流應(yīng)力；斷開K2，退出E2，閉鎖子模塊中IGBT的觸發(fā)脈沖，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)方法簡單、靈活，試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)方式簡便。
文檔編號(hào)G01R31/327GK102323545SQ20111024469
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者吳亞楠, 查鯤鵬, 羅湘, 高沖 申請(qǐng)人:中國電力科學(xué)研究院