换流阀高压运行电路及现场试验系统的制作方法

1.本技术涉及大功率电力电子变流技术领域，具体涉及换流阀高压运行电路及现场试验系统。


背景技术：

2.随着电力电子技术在电力系统中的应用和发展，电力电子设备向着高压大容量模块化方向发展，尤其在柔性直流输电系统和链式静止无功发生器等领域得到广泛的应用，一般由若干个串联或者并联连接的子模块组成。
3.以海上风电柔直系统举例，海上风电并网是柔性直流输电的一个重要应用，柔直海上换流站需要建设在海上平台。考虑海上施工条件限制，无法在海上完成大型设备的安装和试验，需要在码头上进行设备安装、调试后把海上平台整体送至指定海域。若海上柔直换流站到达指定海域后发现大型设备出现质量缺陷等问题，需要把平台整体运输至试验码头进行处理，费用和时间成本非常高。
4.因此，对于上述应用工况，在码头上进行设备试验的环节至关重要，但码头通常只能提供小容量的低压电源。现有试验技术需要借助高压对换流链进行试验，如专利“cn107561456a，一种功率模块试验装置及试验方法”，该方案需要借助外加高压电源为换流链的子模块进行充电，无法依靠小容量的低压电源完成实验。专利“cn111026082a一种换流链及其阀基控制器试验电路及试验方法”也提供了一种换流链试验电路和试验方法，该方法是利用一个低压输出的辅助换流阀和连接电抗器构造一个恒流源，利用低压恒流源为被测换流阀供能，由于辅助换流阀受到直流辅助电源输出电压的限制，无法通过级联方式输出高压，因此在充电和试验过程中，被测的换流阀两端不能承受高电压，换流阀子模块大多数处于旁路状态，很少量子模块轮换的投入到回路中，本质上还是一个低压试验系统，试验效率低，且不能验证高压大功率运行的工况。
5.另一方面，以柔性直流输电工程为例，通常在工程建设过程中需要先将子模块组装成阀塔，再对换流阀进行试验，换流阀成塔后极大的限制了试验的灵活性，现有试验方案只能进行子模块功能试验或者绝缘试验等分系统试验；由于缺少整个换流链的高压大功率运行试验方案，导致试验项目不完整，且试验效率低。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供一种换流阀高压运行电路，包括两个换流链、一个或两个级联式供能链，所述两个换流链分别包括n个子模块和m个子模块，n、m为大于等于1的整数；所述级联式供能链包括至少n
‑
1 个或至少m
‑
1个二极管单元；所述子模块包括并联连接的直流电容与功率单元，所述功率单元包括功率半导体器件构成的半桥电路或/和全桥电路；所述子模块的交流端串联连接，首端子模块和尾端子模块的交流端引出作为换流链交流端，所述两个换流链的一交流端经连接电抗器连接，另一交流端短接，所述首端子模块为与所述级联式供能链的阳极端连接的子模块，所述尾端子模块为与所述级联式供能链的阴极端连
接的子模块；所述二极管单元同方向串联连接，所述级联式供能链的阴极端与所述尾端子模块的直流电容正极连接，所有二极管单元的阳极端与对应换流链的所述子模块的直流电容的正极一一对应或经过第一限流器连接。
7.根据一些实施例，所述高压运行电路还包括至少一个充电补能模块，所述充电补能模块与对应换流链的首端子模块的直流电容并联连接；所述充电补能模块包括电源单元或串联连接的电源单元和二极管，所述电源单元包括直流电源，或交流电源与整流器。
8.根据一些实施例，所述二极管单元还包括第二限流器，所述第二限流器与二极管串联，所述第一限流器和所述第二限流器均包括电阻和/或电感。
9.根据一些实施例，所述二极管单元还包括隔离开关，所述隔离开关与二极管串联连接，所述隔离开关的分合受子模块的控制单元控制。
10.根据一些实施例，所述半桥电路包括串联连接的上管与下管，所述上管与下管串联后与所述直流电容并联，所述上管或下管的集电极与发射极引出作为子模块的交流端；所述全桥电路包括并联连接的两个桥臂，每个所述桥臂包括两个串联连接的上管与下管，所述桥臂与所述直流电容并联，两个所述桥臂的中点引出作为子模块的交流端；所述换流链中的子模块功率单元全部为半桥电路或全部为全桥电路或全部为全桥电路和半桥电路混合配置；所述子模块的交流端还并联旁路开关；所述旁路开关电动合闸，合闸后依靠机械力或磁力保持。
11.根据一些实施例，所述换流链还包括水冷却单元、控制单元和测量单元，所述冷却单元为换流链运行提供冷却；所述控制单元包括主控制单元、阀控制单元，所述主控制单元与所述阀控制单元通信，所述阀控制单元与子模块的控制单元通信；所述测量单元被配置用于测量所述连接电抗器或/和所述换流链的电流、电压，为所述换流链运行提供监视。
12.本技术实施例还提供一种换流阀高压运行电路的现场试验系统，包括至少一个如上所述的换流阀高压运行电路；其中，至少两个换流链以阀塔型式安装，定义为工程阀塔，所述连接电抗器与地电位之间保持绝缘距离d1，与两个工程阀塔之间保持绝缘距离分别为 d2和d3。
13.根据一些实施例，所述工程阀塔的支撑绝缘子之间搭建横梁，所述连接电抗器安装在所述横梁上，所述连接电抗器包括桥臂电抗器或桥臂电抗器的组合，所述连接电抗器接入所述工程阀塔之间。
14.本技术实施例提供的技术方案，利用级联式供能链实现了子模块直流电容的逐级充电，结合可低压取能的换流链的技术优势，本技术还提出了两个换流链功率对推的方案，利用低压电源供能，为一换流链充电，然后可利用一换流链输出电压为另一个换流链充电，仅增加一个连接电抗器即实现了两个换流链之间的功率对推，连接电抗器也可以利用工程中的桥臂电抗器，该方案成本低，可靠性高，解决了现有换流链难以进行高压大功率运行试验的问题。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图。
16.图1是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路示意图。
17.图2是本技术实施例提供的另一种换流阀高压运行电路示意图。
18.图3a是本技术实施例提供的一种二极管单元示意图。
19.图3b是本技术实施例提供的另一种二极管单元示意图。
20.图4a是本技术实施例提供的一种功率单元示意图。
21.图4b是本技术实施例提供的另一种功率单元示意图。
22.图4c是本技术实施例提供的又一种功率单元示意图。
23.图5是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路的现场试验系统示意图。
24.图6是本技术实施例提供的另一种换流阀高压运行电路的现场试验系统示意图。
25.图7是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路的现场试验系统接线示意图。
26.图8是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路的现场试验系统单桥臂接线示意图。
27.图9是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路的控制方法流程示意图。
28.图10是本技术实施例提供的一种顺控启动逻辑流程示意图。
29.图11是本技术实施例提供的一种直流充电逻辑流程示意图。
30.图12是本技术实施例提供的一种级联运行控制流程示意图。
31.图13是本技术实施例提供的一种运行结束后旁路检测流程示意图。
32.图14是本技术实施例提供的一种级联运行控制旁路检测流程示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.应当理解，本技术的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本技术的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
35.图1是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路示意图，换流阀高压运行电路包括两个换流链、连接电抗器2、一个或两个级联式供能链1。
36.两个换流链分别包括n个子模块3和m个子模块3，n、m为大于等于1的整数，两个换流链的一交流端经连接电抗器2连接，两个换流链的另一交流端短接。
37.子模块3包括并联连接的直流电容c1与功率单元，功率单元包括功率半导体器件构成的半桥电路或/和全桥电路。子模块3的交流端串联连接，首端子模块和尾端子模块的交流端引出作为换流链交流端，两个换流链的一交流端经连接电抗器2连接，另一交流端短接。首端子模块为与级联式供能链的阳极端连接的子模块，尾端子模块为与级联式供能链的阴极端连接的子模块。子模块还包括子模块控制单元，控制功率单元工作。
38.级联式供能链1包括至少n
‑
1个或至少m
‑
1个二极管单元4。
39.二极管单元4同方向串联连接，级联式供能链1的阴极端与尾端子模块的直流电容c1的正极连接，所有二极管单元4的阳极端与对应换流链的子模块3的直流电容c1的正极一一对应或经过第一限流器连接。二极管单元包括二极管，二极管阳极指向二极管单元的阳极端，阴极指向阴极端。
40.可选地，换流阀高压运行电路还包括至少一个充电补能模块5，充电补能模块5与对应换流链的首端子模块的直流电容并联连接。充电补能模块5包括电源单元或串联连接的电源单元和二极管，电源单元包括直流电源，或交流电源与整流器。
41.充电补能模块5的输出电压固定或可调整，在本实施例中，充电补能模块5的输出电压小于子模块功率单元半导体器件的耐压值。如功率半导体器件耐压值是3300v，充电补能模块5可采用 1500v的输出电压。
42.当一个换流链配置级联式供能链时，充电补能模块的数量为 1，与配置级联式供能链的换流链首端子模块的直流电容并联连接，如图1所示。
43.当两个换流链都配置级联式供能链时，充电补能模块的数量为2，分别与两个换流链首端子模块的直流电容并联，如图2所示。
44.本实施例提供的技术方案，通过低压输出的充电补能模块可以解决众多子模块的供电问题，通过低压输出即可实现整个换流链的充电，降低了试验条件和试验需求，适用于现场不具备高压大功率电源的场合。
45.可选地，二极管单元4还包括第二限流器，主要用于限制充电过程中的电流冲击，如图3a所示，第二限流器与二极管串联，第二限流器包括电阻和/或电感。
46.可选地，二极管单元还包括隔离开关，隔离开关与二极管串联连接，隔离开关的分合受子模块的控制单元控制，如图3b所示。
47.功率单元中，半桥电路包括串联连接的上管与下管，上管与下管串联后与所述直流电容并联，上管或下管的集电极与发射极引出作为子模块的交流端，如图4a所示。半桥电路子模块交流端功率器件的反并联二极管方向和级联式供能系统的二极管方向一致。如图1 所示。
48.功率单元中，全桥电路包括并联连接的两个桥臂，每个桥臂包括两个串联连接的上管与下管，桥臂与直流电容并联，两个桥臂的中点引出作为子模块的交流端，如图4b所示。
49.换流链中的子模块功率单元全部为相同的电路，全为半桥电路或全部为全桥电路或全部为全桥电路和半桥电路混合配置；
50.可选地，子模块的交流端还并联旁路开关，旁路开关电动合闸，合闸后依靠机械力或磁力保持，如图4c所示。
51.具体而言，换流链还包括水冷却单元或/和控制单元或/和测量单元。
52.水冷却单元为换流链运行提供冷却。控制单元包括主控制单元、阀控制单元，主控制单元与阀控制单元通信，阀控制单元与子模块的控制单元通信。测量单元被配置用于测量连接电抗器或/ 和换流链的电流、电压，为换流链运行提供监视。
53.图5是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路的现场试验系统示意图，换流阀高压运行电路的现场试验系统包括至少一个换流阀高压运行电路。
54.其中，换流阀高压运行电路的两个换流链以阀塔型式安装，定义为工程阀塔10。
55.如图5所示，工程阀塔支撑绝缘子之间搭建横梁，连接电抗器 2安装在横梁11上。横梁可以搭建在n1,n2,n3绝缘支撑位置，连接电抗器2也可独立放置于地面。
56.连接电抗器2与地电位之间保持绝缘距离d1，与两个工程阀塔之间保持绝缘距离分别为d2和d3，如图6所示。
57.连接电抗器2包括桥臂电抗器或桥臂电抗器的组合，连接电抗器2接入工程阀塔10之间。
58.在实际工程应用中，接线方式如图7所示，包括三相六桥臂，本实施例中每个桥臂包括两个工程阀塔10，两个工程阀塔的串联连接一端连接交流，另一端引出后通过穿墙套管12与桥臂电抗器2连接后与换流阀正极连接。
59.根据一些实施例，也可对现有接线方式进行更改，利用桥臂电抗器作为连接电抗器2，以一个桥臂为例，更改后接线如图8 所示。更改后构成的运行电路即为图1所示的运行电路。
60.图9是本技术实施例提供的一种换流阀高压运行电路的控制方法流程示意图，包括级联充电控制和级联运行控制两种控制模式。
61.级联充电控制利用充电补能模块及级联式供能链为所有子模块直流电容充电，子模块的控制单元从直流电容取电后运行。
62.级联充电控制中，当充电补能模块的数量为1时，与充电补能模块连接的换流链设为第一换流链，另一个换流链为第二换流链。第一换流链先执行顺控启动逻辑，启动完成后，执行直流充电逻辑，控制输出电压，为第二换流链的子模块充电。当充电补能模块的数量为2时，2个换流链分别执行顺控启动逻辑。
63.根据一些实施例，顺控启动逻辑如图10所示，包括：启动充电补能模块，为首端子模块直流电容充电，首端子模块控制电元上电运行；通过子模块的控制单元控制功率单元中的对应位置的功率半导体器件导通，输出零电平状态，为相邻子模块的直流电容建立导通回路，为相邻子模块直流电容充电，子模块控制单元上电；依次完成所有子模块的直流电容充电，使子模块控制单元均带电。
64.根据一些实施例，直流充电逻辑如图11所示，包括：调节与充电补能模块连接的换流链输出电压，使电压由零逐渐升高，为第二换流链子模块的直流电容充电，直至使第二换流链子模块控制单元上电；控制第二换流链中投入到充电回路中的子模块数量，使第二换流链子模块直流电容电压达到预设值。
65.级联运行控制，级联充电控制完成后，两个换流链控制电压与电流，复现换流链的子模块电压和电流应力，充电补能模块在此过程中持续为两个换流链持续补充损耗能量。
66.根据一些实施例，级联运行控制如图12所示，包括：任一换流链子模块功率单元解锁启动，输出交流电压目标值；待交流电压稳定，另一换流链子模块功率单元解锁启动，控制流过连接电抗器电流到目标值；待系统稳定后，检测电流控制换流链的电压、电流，与给定值比较，判断是否满足试验要求。
67.其中，控制方法应用于现场试验系统时，交流电压目标值的设定根据连接电抗器的绝缘水平以及d1,d2,d3调整。
68.可选地，控制方法还包括：旁路开关检测控制，进行级联运行控制旁路检测以及运
行结束后旁路检测，用于测试旁路开关是否能够正常工作。
69.根据一些实施例，运行结束后旁路检测如图13所示，包括：退出级联运行控制；停止充电补能模块输出；依次旁路两个换流链的子模块；检查旁路开关是否动作正确。
70.根据一些实施例，级联运行控制旁路检测如图14所示，包括：进入级联运行控制；稳定后，控制两个换流链中子模块的旁路开关相继旁路动作；检测动作后运行状态正常，则减小级联运行控制时的交流电压目标值，否则执行运行结束后旁路检测。
71.本实施例提供的控制方法，包括启动充电、级联运行控制以及旁路检测，控制方法覆盖了换流阀试验的关键项目，本技术之前在换流阀现场试验时仅能够完成子模块的相关试验，本技术提出的方法实现了换流链试验，为换流阀的工程应用提供了可靠保障。
72.以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。