验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路

1.本实用新型属于高压直流输电测试技术领域，特别涉及一种验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路。


背景技术：

2.现有的高压直流输电技术(hvdc，high
‑
voltage direct current)由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目前被广泛应用。而换相失败是直流输电系统发生概率较高的故障之一。在换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。换相失败能够导致换流阀闭锁，中断直流系统的输电通道，严重的情况下可能会导致电网崩溃。
3.传统高压直流输电换流器采用晶闸管组成三相桥式整流作为基本单元，每个桥臂均由晶闸管阀串组成，由于晶闸管阀串无法主动控制电流关断，换流器具有较大的换流电流和无功支撑，存在换相失败的风险，可靠性有待提高。
4.新型高压直流输电混合换流器包含晶闸管和可关断管阀串的混合串联，其中，可关断管阀串可包含具有反向阻断能力的集成门极换流晶闸管 (igct)或可关断晶闸管(gto)或绝缘栅双极晶体管(igbt)改进型可关断器件中的一种或多种，也可为不具有反向阻断能力的igct或gto或igbt 可关断器件与二极管串联组合。
5.如图1所示为一种新型高压直流输电混合换流器，所述高压直流输电混合换流器的桥臂ap、bp、cp、an、bn、cn均由晶闸管阀串(由晶闸管s1，
…
，s
k
串联组成)和可关断管阀串(由可关断管q1，
…
，q
m
串联组成)串联构成。图1所示的新型高压直流输电混合换流器由于在每个桥臂中含有多个晶闸管和可关断管的直接串联，其串联的动静态电压分配特性，需要通过试验进行分析、提取和验证。而由于含三相六桥臂的混合换流器其全功率试验所需的电压和功率要求过高，现有技术无法满足该技术要求，因而所述高压直流输电混合换流器在实际工作中的性能如何，还有待测试和验证。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本实用新型提供提出一种验证所述新型高压直流输电混合换流器功能的测试回路。
7.本实用新型提供的验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路，连接至试验主阀串c，所述试验主阀串c中，
8.ns个晶闸管s1至s
ns
串联构成晶闸管阀串s1‑
s
ns
，ns为大于1的整数，设is为整数且1≤is≤ns
‑
1，则所述晶闸管s1至s
ns
中，晶闸管s
is
的阴极连接晶闸管s
is+1
的阳极，且晶闸管s1的阳极作为所述试验主阀串c的一端；
9.na个可关断管a1至a
na
串联构成可关断管阀串a1‑
a
na
，na为大于 1的整数，设ia为整数且1≤ia≤na
‑
1，则所述可关断管a1至a
na
中，可关断管a
ia
的第二电极连接可关断管a
ia+1
的
第一电极，且可关断管a1的第一电极连接晶闸管s
ns
的阴极，使得所述晶闸管阀串s1‑
s
ns
和所述可关断管阀串a1‑
a
na
串联，所述可关断管a
na
的第二电极作为所述试验主阀串c的另一端；
10.所述可关断管a1至a
na
分别对应地各自并联金属氧化物避雷器mov1至mov
na
；
11.当所述可关断管a
ia
或a
na
为逆阻型igbt时，所述可关断管a
ia
或a
na
的第一电极为集电极，第二电极为发射极；当所述可关断管a
ia
或a
na
为逆阻型igct时，所述可关断管a
ia
或a
na
的第一电极为阳极，第二电极为阴极；当所述可关断管a
ia
或a
na
为普通型igbt和二极管的组合时，所述可关断管a
ia
或a
na
的第一电极为普通型igbt的集电极，第二电极为二极管的阴极，或第一电极为二极管的阳极，第二电极为普通型igbt的发射极；当所述可关断管a
ia
或a
na
为非对称igct和二极管的组合时，所述可关断管a
ia
或a
na
的第一电极为非对称igct的阳极，第二电极为二极管的阴极，或第一电极为二极管的阳极，第二电极为非对称igct的阴极，
12.所述测试回路包括：主支路，辅助换流支路，金属氧化物避雷器mov，
13.其中，
14.所述主支路包括直流电容充电和放电支路a，主支路直流电容c1，主支路电感li，所述晶闸管阀串s1‑
s
ns
和所述可关断管阀串a1‑
a
na
；
15.所述辅助换流支路包括辅助晶闸管和二极管阀串b，辅助换流支路的直流电容c2，辅助换流支路的电感lc，所述晶闸管阀串s1‑
s
ns
和所述可关断管阀串a1‑
a
na
；
16.所述直流电容充电和放电支路a和主支路直流电容c1并联；
17.所述直流电容充电和放电支路a的一端连接所述主支路电感li的一端；
18.所述主支路电感li的另一端连接所述金属氧化物避雷器mov的一端，所述主支路电感li的另一端还连接所述辅助晶闸管和二极管阀串b的一端和所述试验主阀串c的一端；
19.所述辅助晶闸管和二极管阀串b的另一端连接所述辅助换流支路的直流电容c2的一端；
20.所述辅助换流支路的直流电容c2的另一端与所述金属氧化物避雷器 mov的另一端均连接至所述直流电容充电和放电支路a的另一端；
21.所述试验主阀串c的另一端连接所述辅助换流支路的电感lc的一端；
22.所述辅助换流支路的电感lc的另一端连接所述辅助换流支路的直流电容c2的另一端。
23.进一步，
24.所述直流电容充电和放电支路a包括：直流电源udc，充电电阻r1，充电开关k1，放电电阻r2，放电开关k2，
25.其中，
26.所述充电开关k1的一端作为所述直流电容充电和放电支路a的一端连接所述主支路电感li的一端；
27.所述充电开关k1的一端还连接所述放电开关k2的一端；
28.所述充电开关k1的另一端与所述直流电源udc的正极间串联有所述充电电阻r1；
29.所述放电开关k2的另一端与所述直流电源udc的负极间串联有所述放电电阻r2；
30.所述直流电源udc的负极作为所述直流电容充电和放电支路a的另一端连接所述金属氧化物避雷器mov的另一端。
31.进一步，
32.所述辅助换流支路的直流电容c2配置有直流电容充电和放电支路aa，所述直流电容充电和放电支路aa与所述直流电容充电和放电支路a结构相同。
33.进一步，
34.所述直流电容充电和放电支路aa包括：直流电源uadc，充电电阻 ra1，充电开关ka1，放电电阻ra2，放电开关ka2，
35.其中，
36.所述充电开关ka1的一端连接至所述放电开关ka2的一端和金属氧化物避雷器mov的另一端；
37.所述充电开关ka1的另一端与所述直流电源uadc的正极间串联有所述充电电阻ra1；
38.所述放电开关ka2的另一端与所述直流电源uadc的负极间串联有所述放电电阻ra2；
39.所述直流电源uadc的负极作为所述直流电容充电和放电支路aa的另一端连接所述辅助晶闸管和二极管阀串b的另一端。
40.进一步，
41.所述辅助晶闸管和二极管阀串b包括nt个晶闸管t1至t
nt
以及nd 个高压二极管d1至d
nd
，nt和nd均为大于1的整数，
42.设it为整数且1≤it≤nt
‑
1，则所述晶闸管t1至t
nt
中，晶闸管t
it
的阴极连接晶闸管t
it+1
的阳极，即所述晶闸管t1至t
nt
依次串联构成晶闸管阀串t1‑
t
nt
；
43.设id为整数且1≤id≤nd
‑
1，则所述高压二极管d1至d
nd
中，高压二极管d
id
的阳极连接晶闸管d
id+1
的阴极，即高压二极管d1至d
nd
依次串联构成高压二极管阀串d1‑
d
nd
；
44.所述高压二极管d1的阴极连接所述晶闸管t1的阳极，所述高压二极管 d
nd
的阳极连接所述晶闸管t
nt
的阴极。
45.进一步，
46.所述晶闸管t1的阳极作为所述辅助晶闸管和二极管阀串b的一端连接所述主支路电感li的另一端，所述晶闸管t
nt
的阴极作为所述辅助晶闸管和二极管阀串b的另一端连接辅助换流支路的直流电容c2的一端。
47.本实用新型提供的测试回路用于验证新型高压直流输电混合换流器的功能，可在较低功率和电压的试验条件下，对新型高压直流输电混合换流器功能进行试验验证，极大增强试验的可操作性和可靠性、安全性；可通过试验回路中的各项一次系统中元件参数的调整和二次系统中的控制参数的调整，灵活的实现多种不同复杂工况下的试验验证和研究，具有很强的可调节性和灵活性。本实用新型的测试回路含有传统高压直流输电换流器的其中一桥臂和新型高压直流输电换流器的其中一桥臂，可以通过测试方法验证两种桥臂的换流特性。
48.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
49.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。
50.图1示出了根据现有技术的高压直流输电混合换流器；
51.图2示出了根据本实用新型实施例的验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路及应用结构图。
具体实施方式
52.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。
53.本实用新型提供的验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路及应用结构图如图2所示。其中，c为试验主阀串(即本实用新型测试目标的高压直流输电换流器的其中一桥臂)，试验主阀串c中，s1至s
n
为串联的 n个晶闸管(构成晶闸管阀串s1‑
s
n
)，n为大于1的整数，设i为整数1≤i≤n
‑
1，则晶闸管s1至s
n
中，晶闸管s
i
的阴极连接晶闸管s
i+1
的阳极，且晶闸管s1的阳极作为试验主阀串c的一端；a1至a
n
为串联的n个可关断管(构成可关断管阀串a1‑
a
n
)，可关断管a1至a
n
中，可关断管a
i
的第二电极连接可关断管a
i+1
的第一电极，且可关断管a1的第一电极连接晶闸管s
n
的阴极，使得晶闸管阀串s1‑
s
n
和可关断管阀串a1‑
a
n
串联，可关断管a
n
的第二电极作为试验主阀串c的另一端；每一个可关断管分别对应地并联有一个金属氧化物避雷器，即可关断管a1至a
n
分别对应地各自并联金属氧化物避雷器mov1至mov
n
，以用于防止试验过程中可关断管执行关断时的过电压将可关断管过压击穿。晶闸管阀串s1‑
s
n
两端、可关断管阀串a1‑
a
n
两端均可配备均压电阻和缓冲吸收支路。可关断管阀串a1‑
a
n
适用于具有反向阻断能力的igct或igbt改进型可关断器件中的一种或多种，也适用于不具有反向阻断能力的igct或igbt可关断器件与二极管串联组合，当可关断管 a
i
或a
n
为igbt时，可关断管a
i
或a
n
的第一电极为集电极，可关断管a
i
或a
n
的第二电极为发射极；当可关断管a
i
或a
n
为igct时、可关断管a
i
或a
n
的第一电极为阳极，可关断管a
i
或a
n
的第二电极为阴极。
54.本实用新型的验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路包括：直流电容充电和放电支路a，主支路直流电容c1，主支路电感li，金属氧化物避雷器mov，辅助晶闸管和二极管阀串b，辅助换流支路的直流电容 c2，辅助换流支路的电感lc。其中，直流电容充电和放电支路a，主支路直流电容c1，主支路电感li，晶闸管阀串s1‑
s
n
和可关断管阀串a1‑
a
n
构成了主支路；辅助晶闸管和二极管阀串b，辅助换流支路的直流电容c2，辅助换流支路的电感lc，晶闸管阀串s1‑
s
n
和可关断管阀串a1‑
a
n
构成了辅助换流支路；直流电容充电和放电支路a和主支路直流电容c1并联；直流电容充电和放电支路a的一端连接主支路电感li的一端，主支路电感li的另一端连接金属氧化物避雷器mov的一端、辅助晶闸管和二极管阀串b 的一端和所述试验主阀串c的一端，辅助晶闸管和二极管阀串b的另一端连接辅助换流支路的
直流电容c2的一端，辅助换流支路的直流电容c2的另一端与金属氧化物避雷器mov的另一端均连接至直流电容充电和放电支路a的另一端；所述辅助晶闸管和二极管阀串b的一端连接试验主阀串c的一端，试验主阀串c的另一端连接辅助换流支路的电感lc的一端，辅助换流支路的电感lc的另一端连接辅助换流支路的直流电容c2的另一端。所述金属氧化物避雷器mov用于避免本实用新型的测试回路两端的过电压，具有限制并箝位过电压的功能。
55.所述直流电容充电和放电支路a用于为给试验的直流电容充电和放电。直流电容充电和放电支路a包括：直流电源udc，充电电阻r1，充电开关 k1，放电电阻r2，放电开关k2。其中，充电开关k1的一端作为所述直流电容充电和放电支路a的一端连接主支路电感li的一端，充电开关k1的一端还连接放电开关k2的一端，充电开关k1的另一端与所述直流电源 udc的正极间串联有所述充电电阻r1；放电开关k2的另一端与所述直流电源udc的负极间串联有所述放电电阻r2；所述直流电源udc的负极作为所述直流电容充电和放电支路a的另一端连接金属氧化物避雷器mov的另一端。图2中的所述直流电容充电和放电支路a是为主支路直流电容c1 充电和放电的支路，实际上对辅助换流支路的直流电容c2也配置有与所述直流电容充电和放电支路a结构相同的直流电容充电和放电支路aa(未在图2中示出)，即直流电容充电和放电支路aa包括：直流电源uadc，充电电阻ra1，充电开关ka1，放电电阻ra2，放电开关ka2。充电开关 ka1的一端连接至放电开关ka2的一端和金属氧化物避雷器mov的另一端，充电开关ka1的另一端与所述直流电源uadc的正极间串联有所述充电电阻ra1；放电开关ka2的另一端与所述直流电源uadc的负极间串联有所述放电电阻ra2；所述直流电源uadc的负极作为所述直流电容充电和放电支路aa的另一端连接所述辅助晶闸管和二极管阀串b的另一端。在需要为所述直流电容c1或c2充电时，合闸充电开关k1或ka1；当需要为所述直流电容c1和c2放电时，合闸放电开关k2或ka2。
56.所述辅助晶闸管和二极管阀串b包括晶闸管t1至t
n
以及高压二极管 d1至d
n
，晶闸管t1至t
n
中，晶闸管t
i
的阴极连接晶闸管t
i+1
的阳极，即晶闸管t1至t
n
依次串联构成晶闸管阀串t1‑
t
n
，且晶闸管t1的阳极作为所述辅助晶闸管和二极管阀串b的一端连接主支路电感li的另一端，晶闸管 t
n
的阴极作为所述辅助晶闸管和二极管阀串b的另一端连接辅助换流支路的直流电容c2的一端。高压二极管d1至d
n
中，高压二极管d
i
的阳极连接高压二极管d
i+1
的阴极，即高压二极管d1至d
n
依次串联构成高压二极管阀串d1‑
d
n
，且高压二极管d1的阴极连接晶闸管t1的阳极，高压二极管 d
n
的阳极连接晶闸管tn的阴极。晶闸管阀串t1
‑
tn的两端、高压二极管阀串d1
‑
dn的两端均可配备均压电阻和缓冲吸收支路。
57.在图2中，辅助晶闸管和二极管阀串b中晶闸管的个数nt和高压二极管的个数nd，以及试验主阀串c中晶闸管的个数ns和可关断管的个数 na均取为相同个数n，在实际工作中，nt、nd、ns、na中任意两个均可相同或不同。
58.采用上述验证高压直流输电混合换流器功能的测试回路的测试方法包括如下步骤：
59.1.试验预备，首先，合闸充电开关k1和ka1，给主支路直流电容c1 电容充上电压值为u1的电压(图2中上正下负)，给辅助换流支路的直流电容c2电容充上电压值为u2的电压(图2中上负下正)，u2参考辅助晶闸管和二极管阀串b、试验主阀串c的电压等级而定；
60.2.给试验主阀串c中的晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
以触发脉冲信号，导通晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
。此时主支路直流电容c1通过主支路电感li给晶闸
管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
注入电流，使得晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
中电流逐渐上升；
61.3.在晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
中的电流上升到电流值i1 (通过电流传感器测量并反馈至试验控制平台)后，给辅助晶闸管和二极管阀串b中的晶闸管阀串t1‑
t
n
以触发脉冲信号，导通晶闸管阀串t1‑
t
n
，其中，i1的电流值为预设的试验目标值，以晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
的最大可持续电流为上限，且i1与步骤1中的u1满足cc1为所述直流电容c1的电容值，lli为主支路电感 li的电感值；
62.4.晶闸管阀串t1‑
t
n
中的电流将会上升，而晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
中电流则会下降。待c2电容的电压变为与步骤1中的电压反向(即在图2中上正下负)时，晶闸管阀串t1‑
t
n
中的电流又会下降，而晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
中电流又会上升；
63.5.监测由电流传感器测量并反馈的电流，当晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
的电流达到预设的电流值i2时，给可关断管阀串a1‑
a
n
以关断信号，使得可关断管a1至a
n
关断，电流换流至辅助晶闸管和二极管阀串b，待主试验器件自然恢复耐压能力，结束测试。其中，i2根据具体试验时的要求设定，并以可关断管阀串a1‑
a
n
的最大可重复关断电流值为上限。
64.在上述方法中：
65.1)可以通过调节直流电容c1和c2的电容值和电感li和lc的电感值调节试验主阀串c的电压变化率和电流变化率，从而验证多种不同的试验工况下，试验主阀串c中晶闸管阀串和可关断管阀串的串联动静态电压分配特性。
66.2)可以通过调节晶闸管阀串s1‑
s
n
、可关断管阀串a1‑
a
n
、晶闸管阀串a1‑
a
n
的触发脉冲、关断脉冲的脉冲宽度和延迟时间，调节试验的电流大小，来验证不同的试验工况下，试验主阀串c中晶闸管阀串和可关断管阀串的串联动静态电压分配特性。
67.本实用新型提供的测试回路用于验证新型高压直流输电混合换流器的功能，可避免了全功率全电压试验所需的难以实现的大功率和高电压，可在较低功率和电压的试验条件下，对新型高压直流输电混合换流器功能进行试验验证，极大增强试验的可操作性和可靠性、安全性；可通过试验回路中的各项一次系统中元件参数的调整和二次系统中的控制参数的调整，灵活的实现多种不同复杂工况下的试验验证和研究，具有很强的可调节性和灵活性。本实用新型的测试回路含有传统高压直流输电换流器的其中一桥臂和新型高压直流输电换流器的其中一桥臂，可以通过所述测试方法验证两种桥臂的换流特性。
68.尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。