本發(fā)明涉及一種柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置及試驗方法，屬于電力電子在電力系統(tǒng)應用領域。

背景技術：

基于電力電子模塊化的概念，模塊化多電平換流器(MMC)由若干個結構相同的子模塊(SM)串聯(lián)組成，其功率和電壓等級主要由閥子模塊串聯(lián)級數(shù)、閥子模塊的通流能力和耐壓強度決定，因此閥子模塊是影響換流閥可靠穩(wěn)定運行的關鍵組成部分?；贛MC的柔性直流輸電裝置，投入工程使用前，需從可靠性的角度對閥子模塊進行充分驗證，以保證換流閥系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

閥子模塊內(nèi)部各組件的失效與其在運行過程中經(jīng)受的電熱應力作用累積有關：既可能是電磁瞬態(tài)失效；也可能是依賴于時間的熱疲勞損傷累積導致的老化失效，主要是受各個組件內(nèi)部電熱應力不平衡導致的。因此閥子模塊試驗的可靠性驗證主要從其遭受的電熱應力角度入手。然而MMC換流閥通常具有高電壓、大電流、級數(shù)多、容量大等特點，直接搭建等同于實際運行工況的試驗環(huán)境是非常困難的，因此通常采取等效試驗的方法對MMC閥子模塊進行驗證。

功率運行試驗裝置的主要目的是測試子模塊的電壓、電流、溫度等應力能否滿足裝置的長期穩(wěn)定運行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置，可提供與實際工況相當甚至超過實際工況應力的功率運行試驗，為閥子模塊投入實際使用提供可靠驗證。

本發(fā)明的另外一個目的是提供一種柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗方法，利用上述的柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置進行試驗。

實現(xiàn)上述目的技術方案是：柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置，包括陪試模塊、待試模塊、負載電抗器L和直流補能電源，其中：

所述陪試模塊包括電容器C1、泄能電阻R1、IGBT器件T11、反并聯(lián)二極管器件D11、IGBT器件T12、反并聯(lián)二極管器件D12、晶閘管VT1和旁路開關K1，所述電容器C1和泄能電阻R1并聯(lián)，所述IGBT器件T11與IGBT器件T12串聯(lián)后與所述泄能電阻R1并聯(lián)，所述反并聯(lián)二極管器件D11與所述IGBT器件T11相連；所述反并聯(lián)二極管器件D12與所述IGBT器件T12相連；所述晶閘管VT1的一端與所述IGBT器件T11和IGBT器件T12的相接端相連，另一端與所述IGBT器件T12和泄能電阻R1的相接端相連；所述旁路開關K1與所述晶閘管VT1并聯(lián)；

所述待試模塊包括電容器C2、泄能電阻R2、IGBT器件T21、反并聯(lián)二極管器件D21、IGBT器件T22、反并聯(lián)二極管器件D22、晶閘管VT2和旁路開關K2，所述電容器C2和泄能電阻R2并聯(lián)，所述IGBT器件T21與IGBT器件T22串聯(lián)后與所述泄能電阻R2并聯(lián)，所述反并聯(lián)二極管器件D21與所述IGBT器件T21相連；所述反并聯(lián)二極管器件D22與所述IGBT器件T22相連；所述晶閘管VT2的一端與所述IGBT器件T21和IGBT器件T22的相接端相連，另一端與所述IGBT器件T22和泄能電阻R2的相接端相連；所述旁路開關K2與所述晶閘管VT2并聯(lián)；

所述IGBT器件T11和泄能電阻R1的相接端與所述IGBT器件T21和泄能電阻R2的相接端相連；

所述旁路開關K1和晶閘管VT1的一個相接端與所述旁路開關K2和晶閘管VT2的一個相接端相連；

所述旁路開關K1和晶閘管VT1的另一個相接端與所述旁路開關K2和晶閘管VT2的另一個相接端通過所述負載電抗器L相連；

所述直流補能電源包括補能電源E、充電電阻Rc和隔離開關Kc，所述隔離開關Kc與所述充電電阻Rc并聯(lián)；

所述補能電源E與所述充電電阻Rc串聯(lián)后與所述電容器C1并聯(lián)。

上述的柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置，其中，所述陪試模塊的輸出高壓側和待試模塊的輸出高壓側通過所述負載電抗器L相連，所述陪試模塊的輸出低壓側和待試模塊的輸出低壓側直接相連；

所述直流補能電源同時為所述陪試模塊和待試模塊提供功率輸入，所述功率輸入包括投入運行前的電容充電和投入后的電能補充；

所述試驗裝置投入穩(wěn)定運行后，所述隔離開關Kc閉合，減少所述充電電阻Rc的有功消耗。

上述的柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置，其中，所述陪試模塊和待試模塊均取自柔性直流輸電MMC閥。

柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗方法，利用上述的柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置進行試驗，包括以下步驟：

S1，散熱系統(tǒng)投入運行，同時閉合所述直流補能電源為電容器C1和電容器C2充電；

S2，閉合隔離開關Kc旁路掉充電電阻Rc，通過控制器向所述陪試模塊的功率器件和待試模塊的功率器件下發(fā)觸發(fā)脈沖，散熱系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)；

S3，閉鎖所述陪試模塊的功率器件和待試模塊的功率器件觸發(fā)脈沖，切除所述直流補能電源；

S4，所述電容器C1和電容器C2中能量一一對應地通過所述泄能電阻R1和泄能電阻R2釋放，穩(wěn)定一段時間后，切除散熱系統(tǒng)。

上述的柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗方法，其中，所述陪試模塊的功率器件包括IGBT器件T11及其反并聯(lián)二極管器件D11；所述待試模塊的功率器件包括IGBT器件T12及其反并聯(lián)二極管器件D12。

本發(fā)明的柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置及試驗方法，通過電容和電抗器諧振產(chǎn)生試驗所需電流，該試驗裝置簡單易操作，可滿足MMC閥子模塊的型式試驗要求，測量閥子模塊的電壓應力、電流應力和熱應力等電磁瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)參量，可用于閥子模塊的工程設計，與現(xiàn)有技術相比，有益效果是：

1、本發(fā)明提供的試驗裝置中：陪試模塊與待試模塊均取自柔性直流輸電MMC閥，其內(nèi)部結構和在本發(fā)明的試驗裝置中的位置完全一致，可以互換，因此在測試時可以同時測試兩個試品閥子模塊，大大提高批量測試時的效率；

2、本發(fā)明提供的試驗裝置中：試品閥子模塊電容器與負載電抗器之間主要通過無功交換產(chǎn)生回路電流，補能電源E僅需建立電容器初始電壓與維持系統(tǒng)運行所需的少量有功損耗，因此試驗電路對補能電源E的容量要求較低；

3、本發(fā)明提供的試驗裝置中：直流補能電源同時為陪試和待試模塊提供功率輸入，能夠有效保證兩者電容器的電壓穩(wěn)定，易于實現(xiàn)試驗裝置的內(nèi)部控制和穩(wěn)定運行；

4、本發(fā)明提供的試驗裝置中：負載電抗器上的電流可控，通過一定的控制策略，可產(chǎn)生與實際運行工況一致的電流，該電流包含直流分量與交流分量，真正再現(xiàn)MMC閥子模塊實際電流；

5、本發(fā)明的試驗裝置采用的試驗電路可以滿足試驗要求，可提供與實際工況相當甚至超過實際工況應力的功率運行試驗，為閥子模塊投入實際使用提供可靠驗證。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置的電路拓撲圖；

圖2是采用本發(fā)明的試驗裝置進行柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗的電壓試驗波形；

圖3是采用本發(fā)明的試驗裝置進行柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗的電流試驗波形。

具體實施方式

為了使本技術領域的技術人員能更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖對其具體實施方式進行詳細地說明：

請參閱圖1，一種柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置，包括陪試模塊1、待試模塊2、負載電抗器L和直流補能電源3。

陪試模塊1包括電容器C1、泄能電阻R1、IGBT器件T11、反并聯(lián)二極管器件D11、IGBT器件T12、反并聯(lián)二極管器件D12、晶閘管VT1和旁路開關K1，電容器C1和泄能電阻R1并聯(lián)，IGBT器件T11與IGBT器件T12串聯(lián)后與所述泄能電阻R1并聯(lián)，反并聯(lián)二極管器件D11與所述IGBT器件T11相連；反并聯(lián)二極管器件D12與IGBT器件T12相連；晶閘管VT1的一端與IGBT器件T11和IGBT器件T12的相接端相連，另一端與IGBT器件T12和泄能電阻R1的相接端相連；旁路開關K1與晶閘管VT1并聯(lián)。

待試模塊2包括電容器C2、泄能電阻R2、IGBT器件T21、反并聯(lián)二極管器件D21、IGBT器件T22、反并聯(lián)二極管器件D22、晶閘管VT2和旁路開關K2，電容器C2和泄能電阻R2并聯(lián)，IGBT器件T21與IGBT器件T22串聯(lián)后與泄能電阻R2并聯(lián)，反并聯(lián)二極管器件D21與IGBT器件T21相連；反并聯(lián)二極管器件D22與IGBT器件T22相連；晶閘管VT2的一端與IGBT器件T21和IGBT器件T22的相接端相連，另一端與IGBT器件T22和泄能電阻R2的相接端相連；旁路開關K2與晶閘管VT2并聯(lián)；

IGBT器件T11和泄能電阻R1的相接端與IGBT器件T21和泄能電阻R2的相接端相連；旁路開關K1和晶閘管VT1的一個相接端與旁路開關K2和晶閘管VT2的一個相接端相連；旁路開關K1和晶閘管VT1的另一個相接端與旁路開關K2和晶閘管VT2的另一個相接端通過所述負載電抗器L相連。

直流補能電源3包括補能電源E、充電電阻Rc和隔離開關Kc，隔離開關Kc與充電電阻Rc并聯(lián)；補能電源E與所述充電電阻Rc串聯(lián)后與所述電容器C1并聯(lián)。

陪試模塊1的輸出高壓側和待試模塊2的輸出高壓側通過負載電抗器L相連，陪試模塊1的輸出低壓側和待試模塊2的輸出低壓側直接相連；直流補能電源3同時為陪試模塊1和待試模塊2提供功率輸入，包括投入運行前的電容充電和投入后的電能補充；試驗裝置投入穩(wěn)定運行后，隔離開關Kc閉合，減少充電電阻Rc的有功消耗。通過電容和電抗器諧振產(chǎn)生試驗所需電流。該試驗裝置簡單易操作，可滿足MMC閥子模塊的型式試驗要求，測量閥子模塊的電壓應力、電流應力和熱應力等電磁瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)參量，可用于閥子模塊的工程設計。陪試模塊和待試模塊均取自柔性直流輸電MMC閥。

一種柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗方法，采用上述柔性直流輸電換流閥子模塊功率運行試驗裝置進行試驗，包括以下步驟：

S1，散熱系統(tǒng)投入運行，同時閉合直流補能電源為電容器C1和電容器C2充電；

S2，閉合隔離開關Kc旁路掉充電電阻Rc，通過控制器向陪試模塊1和待試模塊2的功率器件下發(fā)觸發(fā)脈沖，散熱系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)；

S3，閉鎖陪試模塊1和待試模塊2的功率器件觸發(fā)脈沖，切除直流補能電源；

S4，電容器C1和電容器C2中能量一一對應地通過泄能電阻R1和泄能電阻R2釋放，穩(wěn)定一段時間后，切除散熱系統(tǒng)。

陪試模塊1的功率器件包括IGBT器件T11及其反并聯(lián)二極管器件D11；待試模塊2的功率器件包括IGBT器件T12及其反并聯(lián)二極管器件D12。

陪試模塊1和待試模塊2的內(nèi)部結構完全一樣；補能電源E的作用主要是建立陪試模塊1和待試模塊2中電容的初始電壓以及補充試驗過程中的有功損耗，充電電阻Rc在補能電源E剛接通電容時起限制沖擊電流作用。

該試驗電路開始時，使得散熱系統(tǒng)和補能電源系統(tǒng)投入運行，保持隔離開關Kc斷開，將陪試模塊1的電容器C1和待試模塊2的電容器C2充電到設定值，然后閉合隔離開關Kc從而減少有功消耗；通過控制器向陪試模塊1和待試模塊2的功率器件(IGBT器件T11及其反并聯(lián)二極管器件D11、IGBT器件T12及其反并聯(lián)二極管器件D12)下發(fā)觸發(fā)脈沖，通過一定的控制策略，產(chǎn)生與實際運行工況一致的電流，該電流包含直流分量與交流分量，從而系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時補能系統(tǒng)為功率裝置提供功率消耗；試驗結束時，閉鎖陪試模塊1和待試模塊2的觸發(fā)脈沖，將補能系統(tǒng)切除，穩(wěn)定一段時間后，切除散熱系統(tǒng)。

請參閱圖2和圖3，下面結合本實施例說明本發(fā)明的優(yōu)點，實施例中陪試模塊1和待試模塊2的電容器電壓為u，負載電抗器L電流為i。柔性直流輸電MMC換流閥子模塊功率運行試驗裝置的運行試驗電壓波形如圖2所示，電流波形如圖3所示。運行試驗電壓波形為子模塊(陪試模塊1和待試模塊2)電容兩端電壓波形，電壓基本穩(wěn)定，波動很小(見圖2)；運行試驗電流為負載電抗器L上的電流，為同時含有直流分量與交流分量的交變電流。

本發(fā)明的運行試驗裝置，通過補能電源給子模塊電容建立設定的試驗電壓，即可通過施加一定的電力電子控制手段，通過對陪試模塊和待試模塊的IGBT進行開關調(diào)制，調(diào)節(jié)其輸出電壓，從而改變負載電抗器L兩端的電壓，進而改變負載電抗器L上通過的電流，得到試品子模塊所需要的電壓、電流應力試驗工況，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行熱試驗的目的。

綜上所述，本發(fā)明的運行試驗裝置及實驗方法，通過等效型式試驗的方法測試子模塊的電壓、電流、溫度等應力，其是否滿足閥子模塊的設計要求，保證整個閥系統(tǒng)的可靠運行，簡單易操作，能夠測量多個閥子模塊電熱應力的要求。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質精神范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權利要求書范圍內(nèi)。