本發(fā)明屬于柔性直流輸電試驗，具體涉及一種柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、柔性直流換流閥子模塊作為mmc系統(tǒng)中核心部分，其結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定和影響了mmc工作狀態(tài)。半橋子模塊以結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效率、高可靠性和靈活性強(qiáng)的特點，成為柔性直流輸電工程中最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)mmc系統(tǒng)中某一橋臂子模塊發(fā)生嚴(yán)重故障時，需通過旁路開關(guān)將其隔離，防止故障擴(kuò)散并保護(hù)整個系統(tǒng)。特別地，當(dāng)旁路開關(guān)由于不可控的原因拒動時，在極端工況下子模塊內(nèi)的功率器件承受電氣應(yīng)力變大可能過壓擊穿，甚至引發(fā)直流電容器直通短路，釋放的能量會對子模塊本體或相鄰的其他模塊造成嚴(yán)重?fù)p傷，因此需要采用其他辦法及時將子模塊從運(yùn)行回路中旁路，不影響整個系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2、目前在柔性直流換流閥子模塊研發(fā)設(shè)計階段，需要努力提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和減小產(chǎn)品的偏差性，從而盡量降低子模塊出口旁路的概率。對于發(fā)生嚴(yán)重故障必須切除的子模塊，實施多種旁路機(jī)制，當(dāng)故障旁路、下行通訊故障自旁路、軟件過壓旁路、硬件過壓旁路以及硬件電壓自旁路等主動旁路功能均失效時，采用子模塊無源旁路機(jī)制，利用具備長期通流能力的igbt器件或轉(zhuǎn)折晶閘管的失效特性形成穩(wěn)定的通流回路，實現(xiàn)子模塊的旁路切除，從而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。為了實現(xiàn)子模塊發(fā)生旁路開關(guān)拒動后其端口呈穩(wěn)定低阻且可靠短路狀態(tài)以及整個mmc系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需驗證子模塊在該極端工況下具備無源旁路功能，但會造成子模塊內(nèi)的電容器直通短路引發(fā)爆炸，具有一定破壞性，故要求子模塊具備高防爆性能，因此如何通過試驗驗證極端故障工況下子模塊無源旁路功能和防爆性能，對于子模塊設(shè)計優(yōu)化迭代以及mmc系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

3、然而，傳統(tǒng)的試驗平臺一般采用小安培的直流電源，無法在幾十毫秒內(nèi)達(dá)到試品子模塊過壓擊穿閾值電壓，導(dǎo)致無法精確模擬子模塊在發(fā)生故障時電容電壓瞬間抬升狀態(tài)，影響了最終試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗裝置及方法，以解決傳統(tǒng)的試驗平臺一般采用小安培的直流電源，無法在幾十毫秒內(nèi)達(dá)到試品子模塊過壓擊穿閾值電壓，導(dǎo)致無法精確模擬子模塊在發(fā)生故障時電容電壓瞬間抬升狀態(tài)，影響了最終試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性的技術(shù)問題；采用本裝置及方法一方面能夠驗證子模塊在多種主動旁路功能失效時無源旁路機(jī)制的可行性，另一方面驗證子模塊在極端工況下的防爆性能。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)內(nèi)容：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗裝置，包括：

4、高壓電容塔直流充電回路，包括高壓試驗電源s與電容塔電容c1；所述高壓試驗電源s與所述電容塔電容c1相連，所述高壓試驗電源s用于為所述電容塔電容c1充電；

5、電容塔lc振蕩回路，與所述高壓電容塔直流充電回路共用同一個所述電容塔電容c1；所述電容塔lc振蕩回路用于提供短路充電電流，使得試品子模塊vt電容電壓抬升至閾值電壓。

6、進(jìn)一步地，所述高壓電容塔直流充電回路還包括第一隔離開關(guān)ks1、第二隔離開關(guān)kr1和限流電阻r1；所述第一隔離開關(guān)ks1串接于所述高壓電容塔直流充電回路中，所述第二隔離開關(guān)kr1和所述限流電阻串聯(lián)r1后與所述電容塔電容c1并聯(lián)連接于所述高壓試驗電源s的兩端。

7、進(jìn)一步地，所述電容塔lc振蕩回路還包括依次串聯(lián)連接的第一可調(diào)電抗器l1_1、第二可調(diào)電抗器l1_2、第三隔離開關(guān)kv1、晶閘管閥v1以及限流電抗器l2，所述電容塔電容c1高壓端與所述第一可調(diào)電抗器l1_1連接，低壓端與試品模塊vt的端口的低壓端相連；所述限流電抗器l2與試品模塊vt的端口的高壓端相連。

8、進(jìn)一步地，所述試品子模塊vt根據(jù)igbt功率器件失效后是否具備長期通流能力劃分為igbt失效后具備長期通流能力的子模塊和igbt失效后不具備長期通流能力的子模塊。

9、進(jìn)一步地，所述igbt失效后具備長期通流能力的子模塊包括：上管二極管d1、下管二極管d2、上管igbt?t1、下管igbt?t2和電容c；上管二極管d1與上管igbt?t1并聯(lián)，下管二極管d2與下管igbt?t2并聯(lián)，上管igbt?t1與下管igbt?t2串聯(lián)后并聯(lián)在電容c兩端；

10、所述igbt失效后不具備長期通流能力的子模塊包括：上管二極管d1、下管二極管d2、上管igbt?t1、下管igbt?t2、電容c以及轉(zhuǎn)折晶閘管t；上管二極管d1與上管igbt?t1并聯(lián)，下管二極管d2與下管igbt?t2并聯(lián)，上管igbt?t1與下管igbt?t2串聯(lián)后并聯(lián)在電容c兩端，轉(zhuǎn)折晶閘管t并聯(lián)在下管igbt?t2兩端。

11、進(jìn)一步地，所述高壓試驗電源s、所述電容塔電容c1和所述試品子模塊的電容c的低壓端均接地。

12、一種柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗方法，基于上述柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗裝置，包括：

13、去除試品子模塊vt中的旁路開關(guān)，從而模擬試品子模塊的旁路開關(guān)拒動狀態(tài)；

14、啟動高壓電容塔直流充電回路的高壓試驗電源s，為電容塔電容c1充電；

15、通過電容塔lc振蕩回路，產(chǎn)生短路充電電流并引入至試品子模塊vt；使得試品子模塊vt電容電壓抬升至閾值電壓，引起試品子模塊vt內(nèi)部器件過壓擊穿導(dǎo)致電容直通放電，釋放能量引起爆炸；

16、斷開試驗電源s，接地放電，試品子模塊vt電容接地放電后，記錄試品子模塊vt試驗后物理狀態(tài)作為防爆性能測試的試驗結(jié)果；

17、針對爆炸后的試品子模塊vt進(jìn)行預(yù)設(shè)時長的通流試驗，記錄端口電壓、電流和阻抗作為無源旁路功能驗證的試驗結(jié)果；

18、根據(jù)記錄的防爆性能測試的試驗結(jié)果、無源旁路功能驗證的試驗結(jié)果，結(jié)合多維度判定依據(jù)判斷試品子模塊的防爆性能是否滿足要求以及無源旁路功能是否可靠。

19、進(jìn)一步地，在進(jìn)行試驗前，進(jìn)行調(diào)波處理過程，具體包括：

20、調(diào)節(jié)電容塔lc振蕩回路中的第一可調(diào)電抗器l1_1、第二可調(diào)電抗器l1_2以及試驗電源的直流輸出電壓us，使得短路充電電流振蕩寬度滿足18～20?ms以及電流峰值滿足試驗要求，具體公式如下：

21、短路充電電流振蕩寬度td：

22、

23、其中，l=?l1_1+l1_2+l2；

24、短路充電電流峰值ipeak：

25、

26、式中，td表示短路充電電流振蕩寬度；c1表示電容塔電容值；l表示振蕩回路總電抗值；l1_1表示第一可調(diào)電抗器電抗值；l1_2表示第二可調(diào)電抗器電抗值；l2表示限流電抗器電抗值；us表示高壓試驗電源的直流輸出電壓。

27、進(jìn)一步地，試品子模塊vt內(nèi)部形成電容直通放電的具體過程如下：

28、針對igbt失效后具備長期通流能力的子模塊，電容塔短路充電電流流過上管二極管d1給試品子模塊vt的電容c充電，達(dá)到閾值電壓后，下管igbt?t2的驅(qū)動板中有源鉗位動作，使得下管igbt?t2導(dǎo)通，上管二極管d1反向擊穿，上管二極管d1與下管igbt?t2形成放電回路，電容直通短路能量釋放引起爆炸；

29、針對igbt失效后不具備長期通流能力的子模塊，電容塔短路充電電流流過上管二極管d1給試品子模塊vt電容c充電，達(dá)到閾值電壓后，轉(zhuǎn)折晶閘管t過壓擊穿，上管二極管d1反向擊穿，上管二極管d1與轉(zhuǎn)折晶閘管t形成放電回路，電容直通短路能量釋放引起爆炸。

30、進(jìn)一步地，所述多維度判定依據(jù)為：

31、試品子模塊內(nèi)部母排受沖擊無脫落斷裂、外部框架無脫落、無固體飛濺到模塊外、冷卻水管無漏水；試品子模塊在最大運(yùn)行電流下通流預(yù)設(shè)時長，通流期間無明火，端口阻抗小于規(guī)定值；若防爆性能測試的試驗結(jié)果以及無源旁路功能驗證的試驗結(jié)果均滿足試驗判定依據(jù)，則判定試品子模塊呈現(xiàn)可靠短路狀態(tài)，試品子模塊的防爆性能和無源旁路功能滿足工程應(yīng)用需求；否則，判定試品子模塊的防爆性能和無源旁路功能不滿足工程應(yīng)用需求。

32、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

33、本發(fā)明提供了一種柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗裝置，本試驗裝置包括高壓電容塔直流充電回路和電容塔lc振蕩回路；通過引入相對獨(dú)立的電壓源系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電容塔電容的高效穩(wěn)定充電；電容塔lc振蕩回路的引入，使得在試驗過程中能夠迅速提供單周波短路充電電流，同時作用于試品子模塊，使其電容電壓在短時間內(nèi)抬升至閾值電壓，從而準(zhǔn)確模擬了在發(fā)生故障時子模塊電壓的瞬間抬升狀態(tài)；采用本裝置將短路充電電流按照設(shè)定的時間精確引入試品，并在幾十毫秒內(nèi)抬升子模塊電容電壓，增強(qiáng)了試驗的可靠性和有效性，能夠更準(zhǔn)確地評估柔性直流換流閥子模塊在極端工況下的防爆性能和無源旁路功能；為柔性直流換流閥在極端工況下的防爆能力提供了技術(shù)支撐，顯著提升了大容量柔性直流系統(tǒng)的安全性能。

34、優(yōu)選地，本發(fā)明中，在高壓電容塔直流充電回路中加入了第一隔離開關(guān)、第二隔離開關(guān)和限流電阻，增強(qiáng)了電路的安全性和可控性，隔離開關(guān)可用于隔離電源和電容塔電容，限流電阻可限制充電電流，防止電流過大對電路造成損壞。

35、優(yōu)選地，本發(fā)明中，在電容塔lc振蕩回路中加入了可調(diào)電抗器、隔離開關(guān)、晶閘管閥和限流電抗器，使得短路充電電流可以精確調(diào)節(jié)，滿足不同的試驗需求；同時，也增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性和靈活性。

36、優(yōu)選地，本發(fā)明中，根據(jù)igbt功率器件失效后是否具備長期通流能力將試品子模塊劃分為兩類，使得試驗更加具有針對性和準(zhǔn)確性；這有助于研究人員更好地了解不同類型子模塊在故障時的表現(xiàn)。

37、本發(fā)明還提供了一種柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗方法，基于上述柔性直流換流閥子模塊無源旁路防爆性能試驗裝置，本方法首先去除了試品子模塊中的旁路開關(guān)，以模擬旁路開關(guān)拒動的極端情況；隨后，通過開啟高壓電容塔直流充電回路，為電容塔電容進(jìn)行高效充電，確保有足夠的能量儲備用于后續(xù)的電壓抬升；接著，通過電容塔lc振蕩回路，利用電容塔lc振蕩回路產(chǎn)生短路充電電流并引入至試品子模塊，迅速將試品子模塊的電容電壓抬升至閾值電壓，從而引起試品子模塊內(nèi)部器件過壓擊穿導(dǎo)致電容直通放電，釋放能量引起爆炸；最終通過記錄的試驗結(jié)果結(jié)合多維度判定依據(jù)判斷試品子模塊的防爆性能是否滿足要求以及無源旁路功能是否可靠；本方法通過使用高壓電流電容塔直流充電試驗電源以及電容塔lc振蕩回路試驗裝置產(chǎn)生單周波短路充電電流，并將單周波短路充電電流按照設(shè)定的時間精確引入試品，在幾十毫秒內(nèi)抬升子模塊電容電壓達(dá)到閾值電壓，引起子模塊內(nèi)部器件過壓擊穿形成放電回路導(dǎo)致電容直通短路釋放能量；采用本方法為柔性直流換流閥在極端工況下的防爆能力提供了技術(shù)支撐，顯著提升了大容量柔性直流系統(tǒng)的安全性能。

38、優(yōu)選地，本發(fā)明中，將試品子模塊劃分成igbt失效后具備長期通流能力的子模塊和igbt失效后不具備長期通流能力的子模塊的情況；這有助于研究人員更深入地了解不同類型子模塊在故障時的放電機(jī)理，為防爆性能評估提供有力支持。

39、優(yōu)選地，本發(fā)明中，提供了具體的多維度判定依據(jù)，用于判斷試品子模塊的防爆性能和無源旁路功能是否滿足工程應(yīng)用需求，多維度判定依據(jù)具體包括母排受沖擊無脫落斷裂、外部框架無脫落、無固體飛濺到模塊外、冷卻水管無漏水以及試品子模塊在最大運(yùn)行電流下通流168h無明火且端口阻抗小于規(guī)定值等；這些判斷依據(jù)為試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性提供了有力保障。