大容量链节等价工况运行试验及过电流保护试验

大容量链节等价工况运行试验及过电流保护试验

statcom是st氏系列中使用链式多平压逆变量的优点。上海西郊变电站的50MVASTATCOM装置采用了基于IGCT器件的链式逆变器。图1为50MVASTATCOM的系统接线图。图中，逆变器采用链式逆变结构，三相链式逆变器LINKA、LINKB、LINKC的输出各连接两个连接电抗器后接成三角形连接，逆变器额定输出线电压为10kV。每相逆变器由10个链节串连而成，其中1个为冗余运行单元。由于装置出厂前不可能进行全载或故障下的试验考核，为了在装置出厂前检验链节在额定工况下运行时电源、控制、保护、冷却、电磁兼容等方面的设计是否达到了技术标准的要求，有必要进行有效的等价试验，其中最重要的就是链节的额定工况运行等价试验及等价过电流保护。文献提出了一种大功率链节的背靠背试验方法及过电流试验方法。但文中没有给出详细的原理、参数设计方法及控制方法。本文给出了链节的参数设计、两种等价试验方法的原理、参数设计及控制方法，并给出了链节的试验结果。150igct阀组成图2为每个链式单元逆变器主电路图。图中逆变开关器件采用4500V/4000AIGCT-5SHY35L4510；反并联二极管采用5SDF16L4503；直流电容电压为8000µF;LA、DA、RA和CCL构成阳极箝位电路；LA为7µH,RA为0.6Ω；CCL为10µF;S和R构成直流电容放电电路。每相IGCT阀由10个链节串连而成，其中1个为冗余运行链节，当发生链节故障时冗余链节自动投入。每相连接电抗为2.88mH，分成两个1.44mH电抗布置。每相IGCT阀两端连接一台氧化锌避雷器，用于对IGCT阀进行瞬态过电压保护。表1给出了IGCT阀的主要运行参数。2igct背靠背试验等价额定工况运行试验的目的是：(1）验证链节在周期开通和关断过程中，耐受电压和电流的极限强度。(2）检验链节控制板在额定工况运行下抗干扰能力。(3）检验各元件水冷散热效果。(4）检测链节控制电源消耗功率大小。等价额定工况运行试验采用单相无功发生器的原理实现。试验时两个被试验链节输出通过一个连接电抗相连，其中一个链节的直流电容由外接直流电源供电，另一个链节直流电容悬浮，通过控制两个链节输出电压相位角来控制链节间交换的无功功率方向和大小，如图3所示。由于两个链节间只交换无功功率，直流电源DC只提供两个链节的损耗，因此不需要大容量电源即可实现大功率负载试验。这种试验方法又称为背靠背试验。IGCT的触发脉冲采用50Hz和150Hz两种方式，采用背靠背试验控制器进行控制，使得一个链节发出额定无功时，另一个链节吸收额定无功。每个链节发出和吸收额定无功各进行一遍。图4给出了一个周期内各链节输出电压、连接电抗电压及电流的波形。链节1输出电压相位落后链节2一个小的角度，使链节1为容性工况链节2为感性工况。下面以50Hz开关频率为例分析各个时段内开关管动作情况。T1-T2:1RB/1LA及2RB/2LB导通，电抗电压为负，电流为负并继续增加，方向为1RB-C1-1LA-2LB-D2RB-L,T2处1LA关断1LB开通，1LA关断负载电流；T2-T3:1RB/1LB及2RB/2LB导通，电抗电压为零，电流为负并保持不变，方向为1RB-D1LB-2LB-D2RB-L,T3处2RB关断2RA开通，2RB关断时电流处于续流状态；T3-T4:1RB/1LB及2RA/2LB导通，电抗电压为负，电流为负并继续增加，方向为1RB-D1LB-2LB-C2-2RA-L,T4处1RB关断1RA开通，1RB关断负载峰值电流；T4-T5:1RA/1LB及2RA/2LB导通，电抗电压为零，C1、C2和L形成串联谐振。如果使C1、C2和L串联谐振周期的一半等于(T5-T4)，则L中电流波形近视于正弦波。连接电抗L为1.44mH时谐振周期的一半约为7.5ms。如果试验控制器使T5-T4=8.33ms(对应150度)，则选用1.44mH的连接电抗可以使L中电流波形近似正弦波。电流为正时，方向为1RA-L-D2RA-C2-D2LB-1LB-C1-1RA,T5处2LB关断2LA开通，2LB关断时电流处于续流状态。同样可推出T5-T8时段内，1LB、1RA、关断负载电流，2LA、2RA关断时电流续流。由以上分析可知，链节1(容性工况的链节)开关管关断时都关断正向导通电流，链节2(感性工况的链节)开关管关断时电流都处于续流状态。对于150Hz调制，只需选用较大的连接电抗即可使输出电流接近正弦波。3过电流保护装置时，应注意的几个链节输出过电流保护是确保链节安全的最基本的保护手段。当链节输出过电流时，保护电路检测到过电流信号后，发出链节IGCT驱动脉冲的封锁信号，从而切断过电流。等价过电流试验的目的是验证链节主要(一次)设备是否能够耐受由过电流引起结温升高后的电压应力和检验过电流保护装置在最大关断电流出现时关断IGCT的能力。试验时，链节输出连接320uH电抗器负载(实际装置每相2.88mH连接电抗折算到单个链节)，通过同时触发链节中的对角开关管，使直流电容电压(2500V)加在负载电抗器上，引起输出电流线性上升。当保护电路检测到电流到保护整定值3000A时，封锁全部开关管的驱动脉冲。关断IGCT后，IGCT阳阴极过电压不得超过最大允许电压(4500V)。试验时需将IGCT及反并联二极管外壳加热至实际工作最大温度80℃。4个体链节损耗估算对50Hz和150Hz两种开关频率进行了试验，以检验链节的损耗、水冷效果和电磁兼容性等。试验时冷却水系统流量：70L/min；去离子水电阻率：10.75MΩ。对50Hz和150Hz两种开关频率进行了试验。图5为链节等价试验接线图，等价试验控制器采用专门研制的控制器，通过计算机设定开关频率、输出电压脉宽及输出电压之间的相位角，控制器发出的脉冲及复位命令送到链节控制板。图6为链节实物照片。(1)50Hz触发脉冲时的额定工况运行试验试验结果记录见表2。图7为50Hz触发脉冲时容性工况的链节1输出电压波形和输出电流波形。试验时链节输出电压脉宽为8.33ms，对应150°；链节1输出电压相位滞后链节2的相位角3.2°。输出电流为有效值1700A，峰值2500A。图7中通道4为电压，纵座标每格2kV，通道1和2为输出电流，实际输出电流为通道1和2之和，纵座标每格1500A，横座标为每格4ms。图8所示，为50Hz触发脉冲时感性工况的链节2输出电压波形和输出电流波形。输出电流为有效值1700A，峰值2500A。图8中通道4为电压，纵座标每格2kV，通道1和2为输出电流，实际输出电流为通道1和2之和，纵座标每格1500A，横座标为每格4ms。由表2数据可计算得，50Hz开关频率时额定工况运行试验总功耗为：2400V×18.0A=43.2kW，根据连接电抗器上电压、电流波形测算的其功耗为18kW，单个链节损耗估算为(43.2-18.0)/2=12.6kW。在进水温度为45°时，热稳定后最高温度为续流二极管外壳温度，达到72°。(2)150Hz触发脉冲时的额定工况运行试验试验结果记录见表3。图9为150Hz触发脉冲且连接电抗器为1.44mH时，容性工况的链节1输出电压波形和输出电流波形。试验时链节1输出电压相位滞后链节2的相位角7.2°。输出电流为有效值1700A，峰值2600A。由于连接电抗值较大且开关频率较高，因此输出电流波形接近正弦波。图9中通道4为电压，纵座标每格2kV，通道1和2为输出电流，实际输出电流为通道1和2之和，纵座标每格1500A，横座标为每格4ms。图10所示，为150Hz触发脉冲且连接电抗器为1.44mH时，感性工况的链节2输出电压波形和输出电流波形。输出电流为有效值1700A，峰值2600A。图10中通道4为电压，纵座标每格2kV，通道1和2为输出电流，实际输出电流为通道1和2之和，纵座标每格1500A，横座标为每格4ms。由表3数据可计算得，50Hz开关频率时额定工况运行试验总功耗为：2350V×22.0A=51.7kW，根据连接电抗器上电压、电流波形测算的其功耗为19kW，单个链节损耗估算：(51.7-19.0)/2=16.4kW。在进水温度为45度时，热稳定后最高温度为续流二极管外壳温度，达到82度。估算二极管结温达105度，在允许的125度范围内。(3）等价过电流试验。50MSTATCOM实际运行时每相连接电抗为2.88mH，以每相最小运行链节数为9计算，等效的等价过电流试验电抗应为0.32mH。实际试验时电抗值为340µH。图11为链节直流电压为2500V时链节输出电流上升到3000A后IGCT关断时阳阴极间电压波形。图12为IGCT关断过程中对应的链节直流电流波形。图11纵坐标每格1000V，横坐标每格40µs。图12纵坐标每格833A，横坐标每格200µs。从图11可看出，IGCT在关断3000A后，阳阴极峰值电压VDM约为4000V，小于允许的重复关断峰值电压4500V，证明在发生过电流故障时，IGCT可以安全地关断。5链节设备特性设计并