[发明专利]一种柔性直流输电阀的故障运行试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统阀的试验装置。

背景技术

模块化多电平变流器（modular multilevel converter，MMC）由于其易扩展性，可实现故障状况下的冗余，其自2003年提出以来受到广泛关注，被认为是实现柔性直流输电（HVDC-Flexible）工程化的换流器拓扑之一。MMC的桥臂不仅是执行开关动作的阀，而且是连接在变流器某相交流输出端与直流母线之间的可控电压源。每相桥臂单元由若干个阀塔与一个阀电抗器构成，每个阀塔由若干个阀组件成，是独立的支持部分，每个阀组件由若干子模块串联构成。子模块的核心器件为大功率高压绝缘栅双极型晶体管（IGBT），也称模块化多电平变流器阀（MMC阀）。在正常运行状态中，子模块通过上下两个IGBT的配合，输出两种电平：0电平和电容器电压。

在基于模块化多电平变流器的柔性直流输电系统（MMC-HVDC）的实际运行中，会发生由于系统故障、直流侧短路故障等原因引起桥臂过电流，此时桥臂所有子模块的IGBT均闭锁，桥臂过电流会通过子模块中下管IGBT的二极管与外部构成回路，由于二极管的不可控性，无法自身关断过电流，同时由于系统保护动作时间较长，断路器还未动作，二极管必须承受故障期间的过电流。由于故障时的过电流会远远超过器件本身的耐受值，因此必须通过子模块中与下管IGBT反并联的保护晶闸管动作来分担大部分的过电流，以达到保护器件本身及装置的目的。

由于柔性直流输电装置普遍具有电压高、电流大、容量大的特点，很难在试验环境中构建同实际运行工况相同的全载电路进行故障试验，因此必须在试验环境中构建等效的试验电路，进行与实际运行工况强度相当的试验。

模块化多电平变流器阀的故障电流运行试验目的就是考验在故障电流出现时，控制系统能及时闭锁IGBT，同时触发晶闸管，保护子模块下管IGBT反并联的二极管，同时验证MMC子模块各功能参数对最大电流、电压和温度应力作用的设计是否适宜。试验中须通过外围电路向被试阀注入实际工况下的大电流和反向高电压。

专利201110036675.8《一种柔性直流输电MMC阀的故障电流运行试验方法》提出一种试验装置，其装置由衰减电流注入回路、正弦电流注入回路、高电压注入回路和试品阀组成。衰减电流注入回路中的控制阀V1、正弦电流注入回路中的双向控制阀V2和高电压注入回路中的双向控制阀V3分别与试品阀的输出端连接；衰减电流注入回路的低压端、正弦电流注入回路的低压端和高电压注入回路的低压端分别与试品阀的低压端相连后接地。衰减电流注入回路包括电源E1、充电开关Kc1、直流电容器C1、负载电抗器L1、控制阀V1、集成门极换流阀晶体管IGCT、衰减电阻R和二极管D；电源E1经过充电开关Kc1与直流电容器C1连接；IGCT反并联二极管D组成可关断器件G；可关断器件G与衰减电阻R串联，组成G-R支路；G-R支路与直流电容器C1并联后经过负载电抗器L1和控制阀V1连接与试品阀的输出端。该装置中衰减电流注入回路的拓扑为电阻电容并联后与电感串联，即RC-L拓扑。试验开始后，衰减电流注入回路始终工作在这一种拓扑模式下。为了使试验开始阶段电流有较快的上升速率同时保持后续衰减电流衰减速率较慢，电感L和电阻R的选取比较困难。同时，该电路中电阻R消耗的瞬时功率和总的能量都很大，系统需配备较强的散热系统。为获得一定数值的最大电流，电容的预充电电压会很大，要求电容要有比较大的耐压。当衰减电流注入回路退出运行时，电容上会有一定反向充电电压，不利于操作安全。

中国电机工程学报第31卷第1期文献《模块化多电平换流器HVDC直流双极短路子模块过电流分析》的分析结果表明，柔性直流输电系统在发生直流侧双极短路故障时，每相桥臂工作在两种模式下：1子模块电容向桥臂电感和线路杂散电阻放电；2当子模块上下IGBT闭锁后，电感电流通过杂散电阻放电。即桥臂工作模式为RLC+RL模式。整个过程中，电网侧向上下桥臂注入交流电流。

发明内容

本发明的目的是简化现有试验装置的参数选择，模拟实际系统故障时桥臂的工作模式，提出一种基于模块化多电平变流器的柔性直流输电阀故障电流试验装置拓扑。该装置将指数衰减电流、正弦电流叠加施加于被试模块化多电平变流器阀上，使被试阀耐受同实际故障工况相当的暂态电流、暂态的热与损耗强度，实现对被试阀的故障运行工况的试验考核。