專利名稱：一種模塊化多電平換流閥的集成試驗電路及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力電子領域，具體涉及一種模塊化多電平換流閥的集成試驗電路及其控制方法。
背景技術：
模塊化多電平換流閥在高壓直流輸電(HVDC)、靈活交流輸電(FACTS)等高壓大容量應用場合正日益推廣，其必須按照IEC相關標準和實際運行工況進行出廠試驗和型式試驗，以檢驗其設計和生產(chǎn)。目前模塊化多電平換流閥試驗方法和試驗裝置仍是空白。
模塊化多電平換流閥采用功率模塊PM級聯(lián)的方法來提升換流閥的電壓和容量等級，如圖1所示。功率模塊通常包括四個部分(見圖幻(1)由多個全控型器件如絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊組成的半橋結構電力電子單元，每個IGBT模塊內(nèi)集成了反并聯(lián)二極管； (2)起儲能和直流電壓支撐作用的電容C; (3)控制和保護功率模塊的模塊控制器；(4)為模塊控制器供電的高位取能電源。換流閥有4種基本運行工況(a)上電；(b)閉鎖；(c)解鎖；(d)掉電。其中，換流閥解鎖后，根據(jù)負載的不同，分為空載、滿載和過負載運行。此外， 換流閥通常配置有過壓、過流、過溫和短路等保護。模塊化多電平換流閥具有如下突出的特占.
1)換流閥功率模塊的級聯(lián)數(shù)需根據(jù)實際應用系統(tǒng)情況確定，可從幾只到上百只。
2)在高壓應用場合，模塊控制器帶電工作依賴于主電。這是由于換流閥各功率模塊處于不同的高電位(百千伏以上)，模塊控制器的供電電源通常采用從主電路部件高位取能方式，以避免與地電位的高電壓隔離難題。
換流閥試驗一方面要求完成換流閥控制保護功能和各種運行工況的試驗檢驗，另一方面必須要充分考慮到模塊化多電平換流閥特殊性，因此對換流閥的試驗方法和電路設計需滿足以下要求
(1)滿足換流閥功率模塊級聯(lián)數(shù)可變的試驗要求。
(2)通常來說，在換流閥上主電之前需要其控制器先正常工作，以實施換流閥上電過程中的可靠控制和保護。而高壓模塊化多電平換流閥采取高位取能供電模式，其控制器無法提前帶電工作，因此試驗方法必須考慮此工況下?lián)Q流閥的安全測試，在換流閥本身有故障的情況避免由于試驗導致其故障范圍擴大。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種模塊化多電平換流閥的集成試驗電路及其控制方法，該電路有效集成了換流閥的電壓調節(jié)、交流試驗電路和直流試驗電路，結合從交流充電到直流帶載、從低壓到額定電壓到過壓、從空載到滿載到過載到短路的試驗方法，對換流閥實施全面、系統(tǒng)和可靠的試驗。
本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流閥的集成試驗電路，其改進之處在于，所述集成試驗電路包括主電路、試品閥和控制保護電路，所述控制保護電路控制主電路和試品閥，進行試品閥充電和帶載試驗。
本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，所述主電路包括調壓回路、單相交流試驗回路、直流試驗回路和負載；所述單相交流試驗回路和所述直流試驗回路并聯(lián)后與所述調壓回路串聯(lián)；
所述單相交流試驗回路包括兩個輸出端(I、II)；所述直流試驗回路包括兩個輸出端(I、II)；
所述單相交流試驗回路的輸出端I和輸出端II之間設置負載。
本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，所述控制保護電路包括閥基控制器和主電路控制器；所述閥基控制器分別與所述試品閥連接和所述主電路控制器連接；所述主電路控制器與所述主電路連接。
本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，所述試品閥為換流閥，所述試品閥包括試品閥A和試品閥B ；
所述試品閥A的正極和所述試品閥B的正極分別與所述單相交流試驗回路的兩個輸出端(I、II)連接；
所述試品閥A的電容極或所述試品閥B的電容極與所述直流試驗回路的輸出端I 連接；
所述試品閥A和所述試品閥B的負極短接并與所述直流試驗回路的輸出端II連接。
本發(fā)明提供的第四優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，所述主電路包括開關(K1-K4),所述開關K1設置在所述調壓回路和所述單相交流試驗電路之間；所述開關K2 設置在所述調壓回路和所述直流試驗回路之間；所述開關K3設置在所述直流試驗回路和所述試品閥之間；所述開關K4設置在所述單相交流試驗回路的兩個輸出端(I、II)之間，與所述負載串聯(lián)。
本發(fā)明提供的第五優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，所述調壓回路調節(jié)輸入交流試驗電源電壓幅值的大小，用于滿足不同功率模塊串聯(lián)級數(shù)換流閥的試驗電壓等級要求。
本發(fā)明提供的較優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，所述單相交流試驗回路包括電阻、電流傳感器和IGBT模塊；所述電流傳感器和所述IGBT模塊串聯(lián)后與所述單相交流試驗回路的輸出端II連接；所述電阻與所述單相交流試驗回路的輸出端I連接。
本發(fā)明基于另一目的提供的一種基于上述集成試驗電路的控制方法，其改進之處在于，所述方法包括如下步驟
(1)主電路控制器將所述開關(K1-K4)均設置為斷開狀態(tài)；
(2)主電路控制器閉合所述開關K1，調壓回路將電流經(jīng)過單相交流試驗回路傳給試品閥，閥基控制設備控制試品閥，進行試品閥充電試驗；
(3)根據(jù)步驟(2)的結果，若試品閥連接正確，則進行步驟G)，否則返回步驟 ⑴；
(4)主電路控制器斷開所述開關K1,閉合所述開關K2、K3和K4，調壓回路將電流經(jīng)過直流試驗回路轉化成直流傳給試品閥和負載，進行帶載試驗。
本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，在步驟( 所述進行試品閥充電試驗時，主電路控制器觸發(fā)閉合單相交流試驗回路的IGBT模塊。
本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的集成試驗電路，其改進之處在于，在步驟(4)所述主電路控制器斷開所述開關K1的同時，主電路控制器切斷單相交流試驗回路的IGBT模塊。
與現(xiàn)有技術比，本發(fā)明的有益效果為
1.本發(fā)明檢測并保證了換流閥的正常運行，當換流閥被誤操作時，通過電壓信號提出錯誤提示。
2.本發(fā)明有效集成了換流閥的調壓、交流、直流試驗電路，完成試驗電壓、電流可調整的換流閥充電及帶載試驗。
3.采用交流充電全面檢查換流閥正、反向充電通路中元器件工作狀態(tài)，確保后續(xù)試驗的安全可靠性。
4.利用無功能量交換產(chǎn)生大電流，減小主電路有功損耗和試驗輸入電源的容量。


圖1為現(xiàn)有的模塊化多電平換流閥。
圖2為現(xiàn)有的模塊化多電平換流閥功率模塊。
圖3為本發(fā)明提供的模塊化電平換流閥集成試驗電路。
圖4為本發(fā)明提供的模塊化多電平換流閥集成試驗電路平穩(wěn)切換控制。
其中，P禾Π N為換流閥輸出端；Ne為功率模塊的儲能電容極；E為直流電能；PM為換流閥的功率模塊；Np和Nn為換流閥的功率模塊的輸出端；Ctr和Ctrx為控制器的信號； K1-K4為開關；CTl為電流傳感器。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
如圖3所示，本實施例的集成試驗電流包括三個部分主電路、試品閥和控制保護電路?？刂票Ｗo電路控制主電路和試品閥，進行試品閥充電和帶載試驗。
主電路包括調壓回路、單相交流試驗回路、直流試驗回路、負載和開關K1-K4 ；單相交流試驗回路和直流試驗回路并聯(lián)后與調壓回路串聯(lián)；在單項交流試驗回路和調壓回路之間的支路上設置開關K1 ；在直流試驗回路和調壓回路之間的支路上設置開關κ2。單相交流試驗回路和直流試驗回路均包括兩個輸出端Ι、ΙΙ ；單相交流試驗回路的輸出端I和輸出端 II之間設置負載L和開關K4,負載L和開關K4串聯(lián)。
試品閥為換流閥，試品閥包括試品閥A和試品閥B ；試品閥A的正極(設為P極) 和試品閥B的正極(設為P極)分別與單相交流試驗回路的兩個輸出端Ι、ΙΙ連接；試品閥 A的電容極(設為E極)或所述試品閥B的電容極(設為E極)與直流試驗回路的輸出端 I連接；；試品閥A和試品閥B的負極(設為N極)短接并與直流試驗回路的輸出端II連接，并且直流試驗回路的輸出端II接地。在所述直流試驗回路和所述試品閥之間設置開關 Κ3。
控制保護電路包括閥基控制器和主電路控制器；閥基控制器分別與試品閥連接和主電路控制器連接；主電路控制器與主電路連接。
調壓回路與單相交流試驗連接。調壓回路調節(jié)輸入交流試驗電源電壓幅值的大小，用于滿足不同功率模塊串聯(lián)級數(shù)換流閥的試驗電壓等級要求。
具體的，本實施例對繼承試驗電流的控制方法包括如下步驟
(1)主電路控制器將所述開關(K1-K4)均設置為斷開狀態(tài)；
(2)主電路控制器閉合所述開關K1，調壓回路將電流經(jīng)過單相交流試驗回路傳給試品閥，閥基控制設備控制試品閥，進行試品閥充電試驗；
單相交流試驗回路輸出的正極和地分別接至試品閥A和試品閥B的正極P，兩試品閥負極N短接，實現(xiàn)帶載試驗前兩試品的交流充電試驗。交流充電克服了直流單向充電的缺點，可以在帶載試驗之前全面檢查換流閥正、反向充電通路中元器件工作狀態(tài)，可及早發(fā)現(xiàn)換流閥本身有故障，避免由于試驗導致其故障范圍擴大，確保后續(xù)試驗的安全可靠性。
(3)根據(jù)步驟(2)的結果，若試品閥連接正確，則進行步驟，否則返回步驟⑴ 并且調換試品閥的接入方法；
(4)主電路控制器斷開所述開關K1,閉合所述開關K2、K3和K4，調壓回路將電流經(jīng)過直流試驗回路轉化成直流傳給試品閥和負載，進行帶載試驗。
換流閥的帶載試驗通常為了在產(chǎn)生大電流同時減小主電路有功損耗和試驗輸入電源的容量，通常利用無功能量交換產(chǎn)生大電流，有功功率主要為試品閥開關器件損耗。試品閥A的正極P和試品閥B的正極P直接連接了一個電抗器負載L，通過主電路控制器控制兩試品閥分別產(chǎn)生相位差0 180度的正弦PWM波或階梯波，使兩試品閥中的儲能電容 C和電抗器L之間產(chǎn)生能量交換，實現(xiàn)兩試品閥的帶載試驗，通過調節(jié)試品閥生成的正弦波的相位差、調制比或電抗器電感值均可調節(jié)試驗電流的大小。由于兩試品的正極、負極和電感間構成了能量交換回路，無法采用交流回路通過試品正極持續(xù)供電，而是采用直流回路的正極和地分別連接至試品閥A或試品閥B的儲能電容極E和負極N，給儲能電容持續(xù)供電以保證持續(xù)帶載運行。
由于兩試品閥在交流試驗回路和直流試驗回路中接地點不同，因此在交、直流試驗回路切換是必須要解決平穩(wěn)電位切換問題，即切換點N極切換前和切換后電位一致，均為地極電位，以保證試驗安全。如圖3，在交流正向充電時，試品閥A功率模塊下半橋的反并聯(lián)二極管導通，N極電位為交流回路地極電位；而在交流負向充電時，試品閥B功率模塊下半橋的反并聯(lián)二極管導通，N極電位為交流回路正極電位。為此，本實施例提出采用如圖4 所示的交、直流回路平穩(wěn)切換控制方法，即在單相交流回路中串入一個電流傳感器和IGBT 輔助閥，在交流充電試驗時通過控制器開通IGBT輔助閥接通反向充電回路，在試驗回路切換時，通過控制器關閉IGBT輔助閥切斷反向充電回路，使主電路處于正向充電狀態(tài)，保證N 極電位為地極，然后再關斷開關K1退出交流試驗回路，閉合開關1(3投入直流試驗路，達到實現(xiàn)交、直流回路平穩(wěn)切換的目的。
最后應該說明的是結合上述實施例僅說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制。所屬領域的普通技術人員應當理解到本領域技術人員可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權利要求保護范圍之中。
權利要求
1.一種模塊化多電平換流閥的集成試驗電路，其特征在于，所述集成試驗電路包括主電路、試品閥和控制保護電路，所述控制保護電路控制主電路和試品閥，進行試品閥充電和帶載試驗。
2.如權利要求1所述的集成試驗電路，其特征在于，所述主電路包括調壓回路、單相交流試驗回路、直流試驗回路和負載；所述單相交流試驗回路和所述直流試驗回路并聯(lián)后與所述調壓回路串聯(lián)；所述單相交流試驗回路包括兩個輸出端(I、II)；所述直流試驗回路包括兩個輸出端 (I、II)；所述單相交流試驗回路的輸出端I和輸出端II之間設置負載。
3.如權利要求1所述的集成試驗電路，其特征在于，所述控制保護電路包括閥基控制器和主電路控制器；所述閥基控制器分別與所述試品閥連接和所述主電路控制器連接；所述主電路控制器與所述主電路連接。
4.如權利要求1所述的集成試驗電路，其特征在于，所述試品閥為換流閥，所述試品閥包括試品閥A和試品閥B;所述試品閥A的正極和所述試品閥B的正極分別與所述單相交流試驗回路的兩個輸出端(I、II)連接；所述試品閥A的電容極或所述試品閥B的電容極與所述直流試驗回路的輸出端I連接；所述試品閥A和所述試品閥B的負極短接并與所述直流試驗回路的輸出端II連接。
5.如權利要求1所述的集成試驗電路，其特征在于，所述主電路包括開關(K1-K4),所述開關K1設置在所述調壓回路和所述單相交流試驗電路之間；所述開關K2設置在所述調壓回路和所述直流試驗回路之間；所述開關K3設置在所述直流試驗回路和所述試品閥之間；所述開關K4設置在所述單相交流試驗回路的兩個輸出端(I、II)之間，與所述負載串聯(lián)。
6.如權利要求1所述的集成試驗電路，其特征在于，所述調壓回路調節(jié)輸入交流試驗電源電壓幅值的大小，用于滿足不同功率模塊串聯(lián)級數(shù)換流閥的試驗電壓等級要求。
7.如權利要求2所述的集成試驗電路，其特征在于，所述單相交流試驗回路包括電阻、 電流傳感器和IGBT模塊；所述電流傳感器和所述IGBT模塊串聯(lián)后與所述單相交流試驗回路的輸出端II連接；所述電阻與所述單相交流試驗回路的輸出端I連接。
8.一種基于如權利要求1所述的集成試驗電路的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(1)主電路控制器將所述開關(K1-K4)均設置為斷開狀態(tài)；(2)主電路控制器閉合所述開關K1,調壓回路將電流經(jīng)過單相交流試驗回路傳給試品閥，閥基控制設備控制試品閥，進行試品閥充電試驗；(3)根據(jù)步驟O)的結果，若試品閥連接正確，則進行步驟G)，否則返回步驟(1)；(4)主電路控制器斷開所述開關K1,閉合所述開關K2、K3和K4，調壓回路將電流經(jīng)過直流試驗回路轉化成直流傳給試品閥和負載，進行帶載試驗。
9.如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，在步驟(2)所述進行試品閥充電試驗時，主電路控制器觸發(fā)閉合單相交流試驗回路的IGBT模塊。
10.如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，在步驟(4)所述主電路控制器斷開所述開關K1的同時，主電路控制器切斷單相交流試驗回路的IGBT模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流閥的集成試驗電路及其控制方法，集成試驗電路包括主電路、試品閥和控制保護電路，控制保護電路控制主電路和試品閥，進行試品閥充電和帶載試驗。本發(fā)明檢測并保證了換流閥的正常運行，當換流閥被誤操作時，通過電壓信號提出錯誤提示。本發(fā)明還有效集成了換流閥的調壓、交流、直流試驗電路，完成試驗電壓、電流可調整的換流閥充電及帶載試驗。本發(fā)明采用交流充電全面檢查換流閥正、反向充電通路中元器件工作狀態(tài)，確保后續(xù)試驗的安全可靠性。并且本發(fā)明利用無功能量交換產(chǎn)生大電流，減小試驗電路有功損耗和試驗輸入電源的容量。
文檔編號G01R31/00GK102520276SQ201110392878
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權日2011年12月1日
發(fā)明者馮靜波, 呂錚, 姬大潛, 易榮, 湯廣福 申請人:中國電力科學研究院