柔性直流輸電換流閥測試裝置的充電方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及柔性直流輸電換流閥測試裝置的充電方法。
【背景技術】
[0002] 柔性直流輸電換流閥是柔性直流輸電的核心設備，而功率模塊是換流閥的最小單 元，必須通過各種測試試驗來保證其可靠運行。功率模塊測試裝置盡可能地模擬實際運行 時的各種工作狀態，以檢測功率模塊是否能夠可靠運行。由于功率模塊采用自取能電源為 模塊中的控制板卡供電，在自取能電源達到工作電壓之前，模塊的控制板卡無法工作。因此 需要設計合理的充電方法。
[0003]目前，關于柔性直流輸電換流閥功率模塊的測試裝置的充電方法，國內已經有一 些相關的專利，如CN201310652351、CN201310407363、CN201210533984 等，這些專利提出的 功率模塊測試裝置充電方法的主要不足在于：測試裝置在充電環節主要是利用直流電源配 以充電限流電阻對半橋結構功率模塊依次逐個充電，充電時間較長，并且充電電阻的存在 使得裝置造價增加，控制變得復雜。
【發明內容】
[0004] 本發明旨在克服上述現有測試裝置充電方法的缺點，提出一種柔性直流輸電換流 閥功率模塊測試裝置的充電方法。本發明不需要額外附加充電限流電阻，可以對被試閥段 的模塊同時進行充電，無需逐個充電。
[0005] 適用本發明的柔性直流輸電換流閥測試裝置
[0006] 包括一次回路和二次回路兩部分。一次回路為測試提供電氣連接，二次回路用于 控制測試裝置工作，顯示各項參數，以及保護一次回路，在裝置故障時控制斷路器跳閘。
[0007] 所述的一次回路主要包括充電系統、陪試閥段、被試閥段和負載電感。
[0008] 所述的陪試閥段與被試閥段均由功率模塊串聯組成。陪試閥段與被試閥段所包含 的功率模塊的數目相等。陪試閥段與被試閥段通過負載電感串聯形成閉合回路。
[0009] 所述的充電系統由調壓器、升壓變壓器和二極管不控整流橋組成，用于在啟動階 段為陪試閥段充電。充電系統的一端與電網連接，充電系統的另一端與陪試閥段相連。
[0010] 所述的功率模塊由一個電容、上橋臂、下橋臂、旁路開關以及晶閘管構成。所述的 電容與上橋臂、下橋臂串聯形成閉合回路。上橋臂的中點、下橋臂的中點與電容負極引出的 端點作為半橋結構功率模塊輸出電壓的端口。旁路開關與晶閘管分別與下橋臂并聯，用于 短路故障時半橋結構功率模塊的切除與保護。上橋臂和下橋臂均由IGBT及其反并聯二極 管組成。
[0011] 所述的充電系統中，每個二極管不控整流橋的輸出端與一個功率模塊的電容兩端 連接，功率模塊的電容電壓等于二極管不控整流橋的輸出電壓。
[0012] 所述的二次回路主要由閥控機箱和電感電流監測電路板組成。閥控機箱通過光纖 與功率模塊連接，接收功率模塊的控制板發送的信息，同時向功率模塊發送控制指令。閥控 機箱通過網口通信協議與終端PC連接，將整個裝置的工作信息在終端PC的人機交互界面 上顯示，同時接收人機交互界面的工作指令。閥控機箱通過光纖與電感電流監測電路板連 接。電感電流監測電路通過光纖將電流傳感器監測到的一次回路的電感電流值傳送至閥控 機箱。
[0013] 本發明的充電方法的原理及步驟如下：
[0014]當功率模塊內部電容電壓較低時，無法使功率模塊內部的自取能電源正常工作。 功率模塊內部的控制板卡從自取能電源取電，自取能電源無法工作時，控制板卡也無法工 作，因此功率模塊上下橋臂的IGBT無法動作。這種情況下只能通過功率模塊上橋臂的反并 聯二極管來給功率模塊內部電容充電，使自取能電源能夠工作，這一環節稱為不控充電。當 功率模塊內部電容通過不控充電使其電壓達到自取能電源正常工作所需的最低電壓后，所 述的自取能電源能夠給模塊中的控制板卡供電，控制板卡才能正常工作。
[0015] 本發明對陪試閥段采用二極管不控整流橋不控充電的方法。陪試閥段功率模塊的 電容與所述充電系統的二極管不控整流橋連接。電容的電壓等于二極管不控整流橋的輸出 電壓。通過陪試閥段功率模塊全部投入，待陪試閥段不控充電完成之后，控制陪試閥段的輸 出電壓，則電感中開始流過電流。電感電流通過被試閥段功率模塊上橋臂的反并聯二極管 給功率模塊的電容充電。充電過程中，陪試閥段的模塊電容電壓保持不變，被試閥段的模塊 電容電壓從零開始增長。被試閥段的模塊電容電壓之和與陪試閥段的模塊電容電壓之和相 等時電感電流為零，被試閥段充電過程自動停止。因為被試閥段功率模塊的電容串聯連接 且電容大小一致，所以此時被試閥段功率模塊的電容電壓相等；并且，由于陪試閥段與被試 閥段包含的功率模塊的數目相等，所以，所以此時被試閥段功率模塊的電容電壓等于陪試 閥段功率模塊的電容電壓。
[0016]本發明的充電方法與現有充電方法相比，在充電環節的工作回路中不引入限流電 阻即可抑制充電時沖擊電流的作用，即通過控制陪試閥段的模塊投入，如此以限制充電時 沖擊電流的大小。
[0017]本發明的步驟如下：
[0018] 首先對陪試閥段進行不控充電。將充電系統與陪試閥段連接，檢查測試裝置完好， 調整調壓器指示在零刻度。斷路器合閘，控制調壓器升壓，直至功率模塊達到最小工作電 壓。此時在終端PC上可以讀到模塊的電容電壓及故障狀態信息。繼續升壓，同時通過終端 PC的人機交互界面監測，功率模塊達到正常工作電壓即可停止調壓器升壓。此時可下發復 位清故障指令，觀察功率模塊的故障狀態。無故障表示功率模塊可以正常工作，陪試閥段充 電過程完成。
[0019] 然后對陪試閥段的功率模塊下發解鎖指令。以N個控制周期為一組。在第一個控 制周期內，陪試閥段的所有功率模塊的上橋臂IGBT全部導通，下橋臂IGBT全部關斷，功率 模塊的輸出電壓為電容電壓，且功率模塊串聯輸出。在第一個工作周期內，陪試閥段輸出的 電壓為全部功率模塊的電容電壓之和。在接下來的第二至第N個工作周期內，陪試閥段的 所有功率模塊的上橋臂IGBT全部關斷，下橋臂IGBT全部導通，功率模塊的輸出電壓為零， 且功率模塊串聯輸出。在第二至第N個工作周期內，陪試閥段的輸出電壓為零。以此方式 循環，直至被試閥段的功率模塊達到正常工作電壓。通過終端PC的人機交互界面下發復位 清故障指令，觀察功率模塊的故障狀態。無故障表示功率模塊可以正常工作，被試閥段充電 過程完成。N為整數，N的取值計算方法如下：
[0020]
(1)
[0021] 其中，I為負載電感的電流，L為負載電感值，T為控制周期，為陪試閥段功率模 塊電容電壓和，(；q為被試閥段模塊電容串聯之后的等效電容。
[0022] 被試閥段充電過程中，電感電流從陪試閥段流向被試閥段，且流經被試閥段的上 橋臂的反并聯二極管和電容，以此方式為電容充電。在第一個控制周期內，陪試閥段的輸 出電壓高于被試閥段的功率模塊電容電壓之和，電感電流增加，被試閥段電容充電，電壓升 高。在第二至第N個工作周期內，陪試閥段的輸出電壓為零，小于被試閥段功率模塊電容電 壓之和。此時被試閥段未解鎖，IGBT不能工作。電感電流通過被試閥段的上橋臂的反并聯 二極管和電容續流，繼續為電容充電，直至電感電流為零并保持不變。當被試閥段的功率模 塊電壓之和與陪試閥段的功率模塊電壓之和相等時，被試閥段充電過程結束。N的最小值可 以采用公式（5)估算，推導過程如下：
[0023] 每N個控制周期為一組。第一個控制周期內，陪試閥段輸出直流電壓，等效為一個 直流電壓源，電壓為仏，被試閥段功率模塊上橋臂的反并聯二極管和電容串聯接入電路，功 率模塊與功率模塊之間串聯連接，被試閥段等效為一個二極管和一個電容。被試閥段有Μ 個功率模塊串聯，每個模塊的電容值為(；，則等效電容的電容值(；q=C"Μ。整個裝置等效 為一個直流電壓源、一個電感、一個二極管、一個電容串聯；直流電壓源正極與電感一端連 接，電感另一端與二極管的陽極連接；二極管陰極與電容一端連接；電容另一端與直流電 壓源負極連接。第二至第N個控制周期內，陪試閥段從電路中切除，輸出電壓為零，被試閥 段功率模塊上橋臂的反并聯二極管和電容串聯接入電路，功率模塊與功率模塊之間串聯連 接。由于二極管的單向導電特性，電感電流減小為零之后被試閥段功率模塊的電容不能向 陪試閥段放電，所以被試閥段功率模塊的電容的電壓保持不變，等效為一個直流電壓源。被 試閥段有Μ個功率模塊串聯，每個模塊的電容值為Cm，則等效電容的電容值(；q=Cm/M，等效 電容的電壓為U2。整個裝置等效為一個電感、一個二極管、一個直流電壓源串聯；電感一端 與二極管的陽極連接；二極管陰極與直流電壓源正極連接；直流電壓源負極與電感另一端 連接。
[0024] 被試閥段電感電流I的大小與陪試閥段輸出電壓&和被試閥段輸出電壓U2之差 成正比，所以在開始充電的第一組N個控制周期，被試閥段輸出電壓為零，電流增長的幅值 最大，對第一組N個控制周期進行分析。近似認為，電感電流線性變化。根據//+ = ?，第一 dt 個控制周期結束后，電感電流幅值為：
[0025]
(2)
[0026]根據= /可得，第一個控制周期結束后，電容電壓為： α?
[0027]
Π)
[0028] 之后的N-1個控制周期，電感續流。電流減小到零之后，由于二極管的存在而不能 反向增加，保持為零不變。電感續流的時間t由（4)式計算：
[0029]
{4)
[0030] (2)式、（3)式代入⑷式，且t= (N-l)T，即可求得（5)式：
[0031]
(5)
[0032] 根據（5)式可以估算N的取值。（5)式中，L為負載電感的值，單位為亨⑶。Ceq 為被試閥段功率模塊串聯連接的等效電容值，單位為法（F)。如果被試閥段有Μ個功率模 塊