一种有源调压动模试验装置及方法

摘要

本发明提供的一种有源调压动模试验装置及方法，该装置包括：有源调压器、电网扰动装置及直流输电模拟系统，其中，电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在直流输电模拟系统上；有源调压器用于在电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，调节自身绕组电压，并将调节后的电压输送至直流输电模拟系统进行传输；直流输电模拟系统，包括晶闸管冷却/加热系统，晶闸管冷却/加热系统用于对直流输电模拟系统中的整流桥和逆变桥中的晶闸管器件进行温度控制，以模拟实际高压直流输电系统中晶闸管的关断时间。通过实施本发明，验证有源调压器稳态调压和暂态单相/两相/三相电压跌落故障快速补偿的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种有源调压动模试验装置及方法。

背景技术

高压直流输电系统中，需通过换流变压器有载调压开关调整阀侧电压，保证直流系统运行的安全性和经济性。目前均采用机械式有载调压开关，由于调压开关机械结构异常复杂、频繁调整开关档位，存在换流变压器匝间短路风险，容易引起各类机械故障。受限于现有机械式调压开关响应速度，在直流系统逆变发生故障引起阀侧电压跌落时，调压开关不能立即响应来提升阀侧电压，导致换相失败，影响直流输电的安全运行。有载调压开关运行中长期承受电、热、力、振动等复杂应力联合作用，运行工况恶劣，近年来出现多起因为调压开关故障引起换流变起火事故，给电网安全稳定运行带来极大挑战。

随着超/特高压交/直流输电工程规模化建设和FACTS技术的飞速发展，针对机械式有载调压开关调匝调压存在的问题，充分发挥高压大容量电力电子领域的技术优势和基础，探索基于电力电子技术的调幅调压技术方案，利用电力电子技术的快速响应特性，在系统低电压时能够快速支撑换流阀的换相电压，解决直流输电系统换相失败这一固有难题，大幅提升直流系统的运行可靠性。

为了验证有源调压原理与调压效果的有效性，现有通过软件仿真的方式无法准确模拟直流系统中换相过程和验证有源调压补偿换相失败的效果，在高压直流输电系统中直接进行验证存在经济性和安全性难题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中难以真实准确的对有源调压技术方案及功能进行验证缺陷，从而提供一种有源调压动模试验装置及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种有源调压动模试验装置，包括：有源调压器、电网扰动装置及直流输电模拟系统，其中，所述电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在所述直流输电模拟系统上；所述有源调压器用于在电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，调节自身绕组电压，并将调节后的电压输送至所述直流输电模拟系统进行传输；所述直流输电模拟系统，包括晶闸管冷却/加热系统，所述晶闸管冷却/加热系统用于对所述直流输电模拟系统中的整流桥和逆变桥中的晶闸管器件进行温度控制，以模拟实际高压直流输电系统中晶闸管的关断时间。

可选地，所述有源调压器包括主变压器和调压换流器，在所述主变压器高压绕组中性点与地之间串联接入幅值和相位可调节的所述调压换流器。

可选地，所述有源调压器包括整流端有源调压器及逆变端有源调压器，其中，所述整流端有源调压器和/或所述逆变端有源调压器用于在电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，通过调节所述调压换流器的输出电压，调整所述主变压器各绕组电压，并将调节后的电压输送至所述直流输电模拟系统进行传输。

可选地，所述电网扰动装置包括整流端电网扰动装置及逆变端电网扰动装置，其中，所述整流端电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在所述直流输电模拟系统整流端；所述逆变端电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在所述直流输电模拟系统逆变端。

可选地，所述主变压器包括：高压绕组、低压绕组和调压绕组，所述调压绕组为所述调压换流器提供能量。

可选地，所述调压换流器包括：取能变压器、换流模块和快速旁路模块，其中，所述取能变压器的副边侧绕组、所述换流模块和所述快速旁路模块依次顺序连接；所述取能变压器的原边侧绕组与所述调压绕组连接。

可选地，所述换流模块包括一个换流子模块或多个级联的换流子模块；所述换流子模块采用H桥或多电平结构；所述换流子模块使用的功率器件包括IGBT器件、碳化硅器件以及IGCT器件。

可选地，所述取能变压器采用多绕组结构，用于接入多个所述换流子模块。

可选地，所述快速旁路模块包括一个快速旁路子模块或多个级联的快速旁路子模块；所述快速旁路子模块包括机械开关和反并联的第一电力电子器件；所述第一电力电子器件使用的功率器件包括晶闸管器件和IGBT器件。

可选地，所述换流子模块与所述快速旁路子模块一一对应连接；所述快速旁路子模块的另一端通过串联接入所述主变压器高压绕组中性点与地之间。

可选地，所述直流输电模拟系统还包括：整流桥、逆变桥、第一平波电抗器、第二平波电抗器、直流断路器、第一滤波回路、第二滤波回路，其中，所述整流端电网扰动装置、所述整流端有源调压器中的主变压器、所述整流桥、所述第一平波电抗器、所述直流断路器、所述第二平波电抗器、所述逆变桥、所述逆变端有源调压器中的主变压器、所述逆变端电网扰动装置依次顺序连接；所述整流端电网扰动装置另一端通过交流断路器接入试验电源整流端；所述逆变端电网扰动装置另一端通过交流断路器接入试验电源逆变端；所述第一滤波回路，位于第一平波电抗器与直流断路器之间，并联接入直流输电模拟系统；所述第二滤波回路，位于第二平波电抗器与直流断路器之间，并联接入直流输电模拟系统。

可选地，所述整流桥和所述逆变桥均包括吸收回路和第二电力电子器件；所述吸收回路与所述第二电力电子器件并联连接；所述第二电力电子器件使用的功率器件包括晶闸管器件和IGBT器件。

可选地，有源调压动模试验装置，还包括：控制保护系统，所述控制保护系统分别与所述整流端电网扰动装置、所述逆变端电网扰动装置、所述整流端有源调压器、所述逆变端有源调压器、所述整流桥及所述逆变桥连接，所述控制保护系统用于采集有源调压动模试验装置的运行参数，并根据所述运行参数对所述整流端电网扰动装置、所述逆变端电网扰动装置、所述整流端有源调压器、所述逆变端有源调压器、所述整流桥及所述逆变桥进行控制，同时进行各回路的过压、过流保护。

第二方面，本发明实施例提供一种有源调压动模试验方法，基于本发明实施例第一方面所述的有源调压动模试验装置，所述有源调压动模试验方法包括：

通过所述电网扰动装置产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在所述直流输电模拟系统上；当电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，调节所述有源调压器的绕组电压，并将调节后的电压输送至所述直流输电模拟系统进行传输；利用所述晶闸管冷却/加热系统对所述直流输电模拟系统中的整流桥和逆变桥中的晶闸管器件进行温度控制，以模拟实际高压直流输电系统中晶闸管的关断时间。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的有源调压动模试验方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例第一方面所述的有源调压动模试验方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的一种有源调压动模试验装置，包括：有源调压器、电网扰动装置及直流输电模拟系统，其中，电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在直流输电模拟系统上；有源调压器用于在电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，调节自身绕组电压，并将调节后的电压输送至直流输电模拟系统进行传输；直流输电模拟系统，包括晶闸管冷却/加热系统，晶闸管冷却/加热系统用于对直流输电模拟系统中的整流桥和逆变桥中的晶闸管器件进行温度控制，以模拟实际高压直流输电系统中晶闸管的关断时间。

利用电网扰动装置产生扰动以模拟电网电压的升降、电网的各种故障和交流系统阻抗，通过模拟高压直流系统稳态运行和暂态故障下有源调压器的调压作用，验证有源调压器稳态调压和暂态单相/两相/三相电压跌落故障快速补偿的能力。利用加热控制直流输电系统中的晶闸管阀的结温，可以在试验室中以小电流模拟实际直流工程中晶闸管阀的大电流换相过程，以不同的结温灵活控制晶闸管的关断时间，具有模拟结果准确度高、操作简单、安全经济的优势。利用电力电子无弧切换、控制灵活、响应速度快、以及动作次数不受限制等技术优势，在高压直流输电变压器中建立有源调压装置，其幅值和相位灵活可调，在系统低电压时能够快速支撑换流阀的换相电压，大幅提升直流系统的运行可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例中有源调压动模试验装置的一个具体示例的原理框图；

图2为本发明实施例中有源调压动模试验装置的另一个具体示例的原理框图；

图3为本发明实施例中调压换流器拓扑结构图；

图4为本发明实施例中整流桥拓扑图；

图5为本发明实施例中逆变桥拓扑图；

图6为本发明实施例中有源调压动模试验方法的一个具体示例的流程图；

图7为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种有源调压动模试验装置，如图1所示，包括：有源调压器、电网扰动装置及直流输电模拟系统。

其中，电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在直流输电模拟系统上。具体地，电网扰动装置可灵活调整系统电压，模拟交流电网的稳态运行和暂态故障状态。暂态故障包括但不限于交流系统单相电压跌落、两相电压跌落和三相电压跌落故障，电压跌落幅度和持续时间可灵活调节，电网扰动装置可模拟交流电网等效阻抗。在本发明实施例中，如图2所示，电网扰动装置包括整流端电网扰动装置及逆变端电网扰动装置，其中，整流端电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在直流输电模拟系统整流端；逆变端电网扰动装置用于产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在直流输电模拟系统逆变端。

有源调压器用于在电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，调节自身绕组电压，并将调节后的电压输送至直流输电模拟系统进行传输，实现直流系统各种运行方式对稳态和暂态电压的调节需求。

直流输电模拟系统，包括晶闸管冷却/加热系统，晶闸管冷却/加热系统用于对直流输电模拟系统中的整流桥和逆变桥中的晶闸管器件进行温度控制，以模拟实际高压直流输电系统中晶闸管的关断时间。具体地，利用加热控制直流输电系统中的晶闸管阀的结温，可以在试验室中以小电流模拟实际直流工程中晶闸管阀的大电流换相过程，以不同的结温灵活控制晶闸管的关断时间，具有模拟结果准确度高、操作简单、安全经济的优势。

进一步地，有源调压动模试验装置可在其内部设置试验电源整流端及试验电源逆变端以模拟整流端电网及逆变端电网，也可直接与外部的试验电源整流端及试验电源逆变端连接。

在本发明实施例中，有源调压动模试验装置通过利用电力电子无弧切换、控制灵活、响应速度快、以及动作次数不受限制等技术优势，在高压直流输电变压器中建立有源电压调节器，其幅值和相位灵活可调，在系统低电压时能够快速支撑换流阀的换相电压，大幅提升直流系统的运行可靠性。进一步地，有源调压动模试验装置通过模拟高压直流系统稳态运行和暂态故障下有源调压器的调压作用，验证有源电压调节器稳态调压和暂态单相/两相/三相电压跌落故障快速补偿的能力。

在一实施例中，如图2所示，有源调压器包括整流端有源调压器及逆变端有源调压器。其中，整流端有源调压器和逆变端有源调压器均包括主变压器和调压换流器。具体地，在主变压器高压绕组中性点与地之间串联接入幅值和相位可调节的调压换流器。

在一具体实施例中，整流端有源调压器和/或逆变端有源调压器用于在电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，通过调节调压换流器的输出电压，调整主变压器各绕组电压，在直流系统各种运行方式下进行稳态和暂态电压调节，并将调节后的电压输送至直流输电模拟系统进行传输。

在本发明实施例中，在主变压器高压绕组中性点与地之间串联接入幅值和相位可灵活调节的调压换流器，避免了传统机械式调压过程中的匝间短路。

在一实施例中，如图2所示，主变压器包括：高压绕组、低压绕组和调压绕组，调压绕组为调压换流器提供能量。

在一具体实施例中，调压换流器通过主变压器调压绕组取能，有源调压器通过稳态调压可满足直流系统各种运行需求，通过快速暂态调压，抵御交流故障引起的换相失败。

在一实施例中，如图3所示，调压换流器包括：取能变压器、换流模块和快速旁路模块，其中，取能变压器的副边侧绕组、换流模块和快速旁路模块依次顺序连接；取能变压器的原边侧绕组与调压绕组连接。其中，取能变压器的原边侧绕组与调压绕组连接关系在图3中均未示出。

在一具体实施例中，快速旁路模块包括一个快速旁路子模块或多个级联的快速旁路子模块。快速旁路子模块采用机械开关与反并联的第一电力电子器件并联连接，第一电子器件使用的功率器件包括但不限于晶闸管器件和IGBT器件。当有源调压器需检修或故障退出时，可通过快速旁路子模块进行实现，提高装置的运行可靠性。

换流模块包括一个换流子模块或多个级联的换流子模块。换流子模块采用技术成熟的单相背靠背H桥结构或者多电平结构。其中，每个换流子模块所使用的功率器件包括但不限于IGBT器件、碳化硅器件、以及IGCT器件。通过换流子模块，可快速产生不同幅值和相位的电压值。

取能变压器采用多绕组结构，用于接入多个换流子模块。取能变压器为调压换流器提供能量，将调压换流器与主变压器在电气上隔离，同时，为抑制调压换流器的电流脉动量，需较大的换流电抗，为减小装置的占地面积，将换流电抗集成于取能变压器中。

在一实施例中，如图2所示，直流输电模拟系统，还包括整流桥、逆变桥、第一平波电抗器、第二平波电抗器、直流断路器、第一滤波回路、第二滤波回路。

其中，整流端电网扰动装置、整流端有源调压器中的主变压器、整流桥、第一平波电抗器、直流断路器、第二平波电抗器、逆变桥、逆变端有源调压器中的主变压器、逆变端电网扰动装置依次顺序连接。第一滤波回路，位于第一平波电抗器与直流断路器之间，并联接入直流输电模拟系统；第二滤波回路，位于第二平波电抗器与直流断路器之间，并联接入直流输电模拟系统。

在一具体实施例中，整流桥用于将三相交流电压转换成直流电压。整流桥由吸收回路和第二电力电子器件并联组成，第二电力电子器件使用的功率器件包括但不限于晶闸管器件和IGBT器件。整流桥采用六脉动或者十二脉动桥，每个六脉动桥由6只晶闸管元件组成，每支晶闸管配置吸收回路和触发单元，将三相交流电压转换成直流电压，整流桥拓扑如图4所示。

逆变桥用于将直流电压转换成三相交流电压，逆变桥由吸收回路和第二电力电子器件并联组成，第二电力电子器件使用的功率器件包括但不限于晶闸管器件和IGBT器件。逆变桥采用六脉动或十二脉动桥，每个六脉动桥由6只晶闸管元件组成，每支晶闸管配置吸收回路和触发单元，将直流电压转换成三相交流电压，逆变桥拓扑如图5所示。

在一实施例中，如图2所示，有源调压动模试验装置，还包括：控制保护系统，控制保护系统分别与整流端电网扰动装置、逆变端电网扰动装置、整流端有源调压器、逆变端有源调压器、整流桥及逆变桥连接，控制保护系统用于采集有源调压动模试验装置的运行参数，并根据运行参数对整流端电网扰动装置、逆变端电网扰动装置、整流端有源调压器、逆变端有源调压器、整流桥及逆变桥进行控制，同时进行各回路的过压、过流保护。

本实施例提出的有源调压动模试验装置，考虑阻抗参数的直流系统参数低压等效折算、晶闸管定制设计与结温控制相结合的换流过程模拟方法，开展电网单相/两相/三相电压跌落故障下的换相失败模拟与复现研究，通过搭建直流等效低压物理模型与有源调压器物理样机，实验室搭建有源调压动模试验平台，真实模拟有源调压器应用于高压直流变压器时稳态调压功能与暂态电压跌落时快速补偿、抵御换相失败的能力，提高电网运行的灵活性和可控性，提升电力电子技术整体水平，支撑未来新型电工技术与装备发展。

本发明实施例还提供一种有源调压动模试验方法，基于上述有源调压动模试验装置，如图6所示，有源调压动模试验方法，包括如下步骤：

步骤S1：通过电网扰动装置产生扰动或模拟故障，并将扰动或故障施加在直流输电模拟系统上。

步骤S2：当电网扰动装置产生扰动或模拟故障时，调节有源调压器的绕组电压，并将调节后的电压输送至直流输电模拟系统进行传输。

步骤S3：利用晶闸管冷却/加热系统对直流输电模拟系统中的整流桥和逆变桥中的晶闸管器件进行温度控制，以模拟实际高压直流输电系统中晶闸管的关断时间。

本发明实施例提供的有源调压动模试验方法的技术方案描述详细参见上述实施例中源调压动模试验装置描述，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种有源调压动模试验方法，利用电网扰动装置产生扰动以模拟电网电压的升降、电网的各种故障和交流系统阻抗，通过模拟高压直流系统稳态运行和暂态故障下有源调压器的调压作用，验证有源调压器稳态调压和暂态单相/两相/三相电压跌落故障快速补偿的能力。

本发明实施例提供一种计算机设备，如图7所示，该设备可以包括处理器81和存储器82，其中处理器81和存储器82可以通过总线或者其他方式连接，图7以通过总线连接为例。

处理器81可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器81还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器82作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器81通过运行存储在存储器82中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的有源调压动模试验方法。

存储器82可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器81所创建的数据等。此外，存储器82可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器82可选包括相对于处理器81远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器81。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、企业内网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器82中，当被处理器81执行时，执行如图1所示实施例中的有源调压动模试验方法。

上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1-图6所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，所述程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。