特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，包括兩兩之間相互連接的12脈波換流器回路、高電壓回路與大電流回路，所述的高電壓回路為待試閥提供反向恢復電壓和正向電壓，所述的大電流回路為待試閥提供通過的大電流，所述的12脈波換流器回路為待試閥提供所需的高電壓、故障過電流和直流斷續電流。與現有技術相比，本發明具有等效性好、適用范圍廣、經濟性好以及試驗精度高等優點。
【專利說明】特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種特高壓直流換流閥試驗技術，尤其是涉及一種特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置。
【背景技術】
[0002]我國的能源資源和用電負荷分布極不平衡，東西部能源資源與用電負荷的逆向配置，決定了我國大范圍優化配置一次能源資源的必要性。直流輸電由于其技術特點，特別合適于大容量長距離輸電，故建設直流輸電工程，非常有利于資源的優化配置。隨著全國聯網及西電東送的發展，超高壓直流輸電工程以及直流背靠背連接工程不斷建成投產。為進一步優化能源配置，特高壓直流輸電(UHVDC)應運而生。直流換流閥是直流輸電工程中的關鍵設備，對換流閥進行運行試驗可直接考核換流閥在各個運行條件下的運行性能，確保直流輸電系統運行可靠性。對于大容量的特高壓換流閥的運行試驗，合成試驗方法是目前普遍采用的理想方法，可大幅降低試驗所需電源容量，從而降低成本，具有較高的等效性。
[0003]目前，世界上只有少數幾家電力設備廠商如瑞典ABB公司、西門子公司、法國Areva公司和日本東芝公司等擁有高壓直流換流閥合成試驗裝置，具備運行試驗的能力。我國大功率電力電子試驗技術起步遲，研究缺乏有效的分析方法及試驗裝置，導致我國在該領域技術研發能力和大功率試驗能力不足，與國外的試驗水平差距較大。1998年，中國電力科學研究院建立了大功率電力電子試驗室，開始對高壓換流閥的運行試驗進行研究，得到了一系列的研究成果，建成了自己的直流換流閥合成試驗裝置。西安高壓電器研究所也對直流換流閥的運行試驗進行了研究，建立了一套合成試驗回路，并對特高壓直流換流閥的運行試驗進行了探索。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種等效性好、適用范圍廣、經濟性好以及試驗精度高的特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置。
[0005]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0006]一種特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，其特征在于，包括兩兩之間相互連接的12脈波換流器回路、高電壓回路與大電流回路，所述的高電壓回路為待試閥提供反向恢復電壓和正向電壓，所述的大電流回路為待試閥提供通過的大電流，所述的12脈波換流器回路為待試閥提供所需的高電壓、故障過電流和直流斷續電流。 [0007]所述的12脈波換流器回路由兩個6脈波整流橋串聯而成，每個6脈波整流橋連接一組變壓器，其中一組為Y/Y連接變壓器，另一組為Y/△連接變壓器，所述的待試閥安裝在與Y/Y連接變壓器連接的整流橋橋臂上。
[0008]所述的兩個6脈波整流橋的三相電壓差30°。
[0009]所述的高電壓回路包括電容Ct、電感L1、晶閘管閥Vf、電容Cs、電感L2、穩壓管、晶閘管閥V2、晶閘管閥V5和第一直流電壓源，所述的晶閘管閥Vf與待試閥Vt正向并聯，所述的晶閘管閥Vf正極與電容Ct 一端、電感L1 一端連接，所述的電感L1另一端通過穩壓管分別與電容Cs —端、電感L2 —端連接，所述的電感L2另一端分別與晶閘管閥V2負極、晶閘管閥V5負極連接，所述的晶閘管閥V2正極與第一直流電壓源正極連接，所述的第一直流電壓源負極、晶閘管閥V5正極、電容Cs另一端、電容Ct另一端分別與晶閘管閥Vf負極連接。
[0010]所述的大電流回路包括集成門極換流晶閘管IGCT、電感L3、電容C3和第二直流電壓源，所述的集成門極換流晶閘管IGCT的陽極通過電感L3分別與電容C3 —端和第二直流電壓源正極連接，第二直流電壓源負極與電容C3另一端連接，所述的集成門極換流晶閘管IGCT陰極與待試閥Vt正極連接。
[0011]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0012]I)為滿足各個試驗的等效性，新型回路設置了 3部分的回路，即高電壓回路，12脈動換流器回路和IGCT控制的大電流回路，對于各項試驗時，選取其中的兩部分回路進行試驗。
[0013]2)采用“半波電流引入”的方式進行合成試驗，試驗中引入了高電壓回路LC振蕩產生的半波正弦電流，可以通過調節電感L1和電容Cs的值來方便的調節電流下降率。試品閥兩端并聯有雜散電容Ct，可用來模擬換流閥開通時的電流上升率。高電壓回路中的電感L2設置為可調，可以通過調節電感L2的值來方便的調節反向電壓上升率。
[0014]3)高電壓回路中，在試品閥兩端并聯了輔助閥Vf。進行最大暫時運行試驗時，在試品閥阻斷期間觸發導通Vf，從而達到使試品閥承受的電壓翻轉的目的，而不需要在阻斷期間再導通試品閥，使得試驗更接近于實際運行工況，提高了等效性。而ABB回路在試品閥阻斷期間對試品閥進行了觸發導通，與換流閥實際運行情況有所不符。
[0015]4)進行高電壓運行試驗和過電流運行試驗時，采用了 12脈波換流器作為大電流源。相比于ABB公司采用背靠背6脈動換流器，12脈波換流器產生的直流電流波形更加平滑，在交流側的交流電流波形也更接近正弦波，相比于6脈波整流橋，消除了交流側的5次和7次諧波，減低了諧波的干擾。
[0016]在進行斷續直流電流試驗時，12脈波換流器可以每個晶閘管導通的120°的時間內產生4個斷續電流波，而6脈動整流橋只能產生2個斷續電流波，12脈波換流器比6脈動整流器更接近于實際斷續電流情況。
[0017]5)試驗回路的經濟性好。12脈波換流器回路作為電流源時，采用零功率運行方式，電流源回路的功率低。例如進行連續運行試驗時，直流負載電阻設為0.025Ω，整流橋的觸發角α設置為81°，則輸出電流等于5.09kA，電流源的功率僅為648kW。另外，采用該運行方式的控制難度低，而ABB公司的6脈動換流器背靠背運行方式控制難度較大，容易發生換相失敗。
[0018]6)最小交流電壓試驗時，12脈動換流器回路以背靠背方式運行，作為試驗的電壓源，而IGCT控制的大電流回路作為電流源。具有以下優點:電壓源產生的試驗波形與實際工況下的波形基本一致，等效很高；電流源由于采用可關斷器件IGCT，可控制其導通的持續時間，試驗的靈活性好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的具體電路圖；[0020]圖2為本發明最大連續運行試驗的電壓電流波形及觸發信號時序圖；
[0021]圖3為連續運行試驗的電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0023]實施例
[0024]如圖1所示，一種特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，包括兩兩之間相互連接的12脈波換流器回路1、高電壓回路3與大電流回路2，所述的高電壓回路3為待試閥提供反向恢復電壓和正向電壓，所述的大電流回路2為待試閥提供通過的大電流，所述的12脈波換流器回路I為待試閥提供所需的高電壓、故障過電流和直流斷續電流。
[0025]所述的12脈波換流器回路I由兩個6脈波整流橋串聯而成，與特高壓直流輸電工程采用的換流單元相同，每個6脈波整流橋連接一組變壓器，其中一組為Y/Y連接變壓器，另一組為Υ/Λ連接變壓器，所述的待試閥安裝在與Y/Y連接變壓器連接的整流橋橋臂上。所述的兩個6脈波整流橋的三相電壓差30°。
[0026]所述的高電壓回路包括電容Ct、電感L1、晶閘管閥Vf、電容Cs、電感L2、穩壓管、晶閘管閥V2、晶閘管閥V5和第一直流電壓源，所述的晶閘管閥Vf與待試閥Vt正向并聯，所述的晶閘管閥Vf正極與電容Ct 一端、電感L1 一端連接，所述的電感L1另一端通過穩壓管分別與電容Cs —端、電感L2 —端連接，所述的電感L2另一端分別與晶閘管閥V2負極、晶閘管閥V5負極連接，所述的晶閘管閥V2正極與第一直流電壓源正極連接，所述的第一直流電壓源負極、晶閘管閥V5正極、電容Cs另一端、電容Ct另一端分別與晶閘管閥Vf負極連接。
[0027]所述的高電壓回路仍然采用LC振蕩來產生相應的電壓波形，通過控制輔助閥的開通，在試品閥上產生反向恢復電壓與正向電壓。Ct代表實際工程中的雜散電容,L1為實際運行中的換相電感。另外，試品閥上并聯了一個輔助的晶閘管閥Vf，進行最大暫時運行試驗時，可導通該輔助晶閘管閥Vf，從而在試品閥阻斷期間內，試品閥承受的電壓兩次翻轉。
[0028]所述的大電流回路包括集成門極換流晶閘管IGCT、電感L3、電容C3和第二直流電壓源，所述的集成門極換流晶閘管IGCT的陽極通過電感L3分別與電容C3 —端和第二直流電壓源正極連接，第二直流電壓源負極與電容C3另一端連接，所述的集成門極換流晶閘管IGCT陰極與待試閥Vt正極連接。
[0029]電流回路采用了大功率集成門極換流晶閘管IGCT，通過控制IGCT的導通關斷來產生相應的電流。在該電流回路中串聯一個可調電感，用以調節電流的上升率di/dt。
[0030]集成門極換流晶閘管IGCT是在晶閘管和門極可關斷晶閘管GTO的基礎上發展而成的一種大功率半導體開關器件，其門極驅動電路和IGCT芯片通過印刷電路板結合在一起，最小程度地降低了門極驅動回路電感(限制在nH的水平)從而實現IGCT的硬關斷和門極換流技術。IGCT不但擁有GTO的穩定關斷能力、低通態損耗和容量大的優點，還具有IGBT的高速開關性能，其開關速度達GTO的10倍以上，而且無需復雜的緩沖電路，是理想的MW級功率開關器件，因而具有很好的應用前景。從最近幾年的應用情況看，IGCT有望成為高壓大容量領域中的首選開關器件。目前，IGCT的最大可控關斷電流可達5-6kA，可以滿足換流閥合成運行試驗的要求。
[0031]由于各類試驗等級和試驗項目的要求不同，合成試驗回路的元件參數，包括電壓源的大小，應能夠實現可調。例如代表實際運行中的換相電感L1和代表實際回路的雜散電容Ct均通過歸算得出。電容器Cs的值也與電壓源引入電流的時間以及晶閘管電流變化率有關，應能實現可調。
[0032]電感L1是一個重要參數，代表直流換流閥實際運行中的換相電感。根據錦屏-蘇南+800kV特高壓直流輸電工程的技術參數，可計算得換相電抗為5.1 Ω，換相電感約為16mH。
[0033]本發明換流閥合成試驗回路的原理分析
[0034]合成試驗回路的基本原理是由大電流回路及高電壓回路分別提供所需的大電流及高電壓。新型合成試驗回路分為三個部分，各個試驗項目根據其特點選擇其中的兩部分進行合成試驗。最大連續運行試驗、最大暫時運行試驗、斷續直流試驗以及故障過電流試驗由12脈動換流器回路為試品閥提供大電流，由高電壓回路提供高電壓。最小觸發角試驗和最小關斷角試驗選用12脈動換流器回路以及大電流回路來為試品閥提供所需的電壓、電流波形。
[0035]以下以最大連續運行試驗為例對新型合成試驗回路的原理進行介紹，選用12脈動換流器回路以及高電壓回路進行試驗，其重點在于高電壓回路的時序控制。
[0036]最大連續運行負載試驗考察換流閥持續耐受的最大負載電流及其正反向電壓的能力，這需要試驗回路產生周期性的電流與電壓來模擬其工況。試驗回路的被試閥的電壓電流波形如圖2所示。被試閥串接在12脈動換流橋的橋臂上，流過12脈動換流橋橋臂的電流用來模擬換流閥的負載電流，電壓回路模擬產生換流閥兩端的負載電壓。
[0037]A.控制策略分析
[0038]a) t0時刻，Vt開始關斷(因換流橋的正常開通關斷)，電流開始減小，至t2時換流橋完全關斷。
[0039]b) &時刻，觸發導通V3,電壓回路開始起作用，此時電容Cs處于充滿正向電壓的狀態，換流閥中疊加通過一個正弦半波，持續至t3時刻。
[0040]c) t2時刻整流橋關斷，電壓回路導入的正弦半波處于最大值。
[0041]d)t3時刻,試品閥電流過零關斷，同時觸發導通V4,試品閥開始承受反向電壓。
[0042]e)t4時刻，觸發導通VjP V5，使電容Cs的電壓從負向重新振蕩為正向電壓，同時試品閥開始承受正向電壓。
[0043]f)t5時刻，觸發導通V2，引入直流電源，其作用為補償Cs上的電壓降，使Cs的電壓在下一個周期之前保持在U0,同時Vt上的正向電壓也有略微提高。在Cs的電壓補償至U0后，由于電流振蕩反向，V2關斷，直流電源被隔離。
[0044]g) t6時刻，經過一個周期，觸發導通被試閥Vt，實際運行中由雜散電容產生的初始浪涌電流由并聯電容器Ct通過Vt放電模擬產生，然后立刻觸發V1使試驗大電流通過被試閥Vt。
[0045]電壓電流如此周期性循環，考察換流閥正常連續運行的能力。本項試驗的控制難點在于電壓回路的電流引入時間的確定，即輔助閥V3第一個觸發脈沖時間的確定。試驗回路的工作原理要求電流回路的大電流過零時，電壓回路引入電流剛好達到最大值。
[0046]B.電路原理分析
[0047]①&?t3時刻的電路原理分析如下:[0048]電路中存在兩個導通回路:換流橋回路和Cs-V3-L1-Vt回路。至t2時，V1關斷，換流橋回路關斷，被隔離；至t3時，電流振蕩過零，V3和Vt關斷。Cs-V3-L1-Vt回路時一個無阻尼的LC 二階振蕩電路，初始條件Ucs (O) = U0 ；i(0) =0，電路的微分方程為
【權利要求】
1.一種特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，其特征在于，包括兩兩之間相互連接的12脈波換流器回路、高電壓回路與大電流回路，所述的高電壓回路為待試閥提供反向恢復電壓和正向電壓，所述的大電流回路為待試閥提供通過的大電流，所述的12脈波換流器回路為待試閥提供所需的高電壓、故障過電流和直流斷續電流。
2.根據權利要求1所述的特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，其特征在于，所述的12脈波換流器回路由兩個6脈波整流橋串聯而成，每個6脈波整流橋連接一組變壓器，其中一組為Y/Y連接變壓器，另一組為Y/ Δ連接變壓器，所述的待試閥安裝在與Y/Y連接變壓器連接的整流橋橋臂上。
3.根據權利要求2所述的特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，其特征在于，所述的兩個6脈波整流橋的三相電壓差30°。
4.根據權利要求2所述的特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，其特征在于，所述的高電壓回路包括電容Ct、電感L1、晶閘管閥Vf、電容Cs、電感L2、穩壓管、晶閘管閥V2、晶閘管閥V5和第一直流電壓源，所述的晶閘管閥Vf與待試閥Vt正向并聯，所述的晶閘管閥Vf正極與電容Ct 一端、電感L1 一端連接,所述的電感L1另一端通過穩壓管分別與電容Cs —端、電感L2 —端連接，所述的電感L2另一端分別與晶閘管閥V2負極、晶閘管閥V5負極連接，所述的晶閘管閥V2正極與第一直流電壓源正極連接，所述的第一直流電壓源負極、晶閘管閥V5正極、電容Cs另一端、電容Ct另一端分別與晶閘管閥Vf負極連接。
5.根據權利要求4所述的特高壓直流換流閥運行合成試驗裝置，其特征在于，所述的大電流回路包括集成門極換流晶閘管IGCT、電感L3、電容C3和第二直流電壓源，所述的集成門極換流晶閘管IGCT的陽極通過電感L3分別與電容C3 —端和第二直流電壓源正極連接，第二直流電壓源負極與電容C3另一端連接，所述的集成門極換流晶閘管IGCT陰極與待試閥Vt正極連接。
【文檔編號】G01R31/327GK103744017SQ201410015973
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】吳振躍, 魯成棟, 肖登明, 譚東現, 鄧云坤 申請人:上海交通大學