專利名稱：一種igbt直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種柔性輸電和電力電子的試驗裝置，具體講涉及一種IGBT直接串聯(lián)閥的脈沖試驗裝置。
背景技術：
隨著電力系統(tǒng)逐步應用柔性直流輸電(VSC-HVDC)技術、柔性交流輸電技術(FACTS)及定制電力(CP)技術，作為核心部件的大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)閥的可靠性成為影響電力系統(tǒng)安全的關鍵因素之一。由于大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)閥普遍應用于高電壓、大電流的電氣環(huán)境中，在研發(fā)和工程的試驗環(huán)境中很難構建與實際運行工況相同的電路進行運行試驗。因此，如何在研發(fā)和工程測試過程中構建等效的試驗裝置，進行與實際運行工況強度相當?shù)脑囼灣蔀榻鉀Q問題的關鍵。IGBT直接串聯(lián)換流閥可廣泛應用于柔性直流輸電(VSC-HVDC )、柔性交流輸電(FACTS)及定制電力(CP)技術領域。通常，先由一個IGBT器件及其相應的輔助電路組成換流閥層，再由多個閥層串聯(lián)成閥段，該閥段再經串聯(lián)連成一個完整的閥，來作為換流器的一個橋臂。IGBT直接串聯(lián)技術的主要問題是電壓不均衡引起的器件損壞，引起不均壓的原因諸多，如:驅動信號的細微不一致、器件本身特性不一致等，此外，電氣回路的分布電容、雜散電感以及器件在運行過程中的散熱不均都會引起IGBT串聯(lián)的電壓不均衡。根據(jù)相關標準，針對IGBT直接串聯(lián)換流閥的運行試驗內容包括:最大持續(xù)運行負載試驗、最大暫時過載運行試驗、最小直流電壓試驗、IGBT過電流關斷試驗和短路電流試驗。在各種試驗工況下考察換流閥對最大電流、電壓和溫度等關鍵應力的耐受能力，以驗證IGBT直接串聯(lián)換流閥的可靠性。運行試驗一般需要構建全功率試驗環(huán)境，但這種試驗回路較復雜，對于試驗電源容量、控制系統(tǒng)的設計等要求很高，尤其對于電壓等級較高的串聯(lián)閥，這些問題更加突出。同時，在IGBT直接串聯(lián)換流閥研發(fā)初期，電路、電磁環(huán)境、熱、強弱電等問題交織在一起，如果僅使用全功率試驗環(huán)境，不利于將復雜的問題進行分解和一一逐步解決。
發(fā)明內容為克服上述現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提出了一種針對IGBT直接串聯(lián)閥研發(fā)階段測試問題的改進方案；本實用新型提出的IGBT直接串聯(lián)換流閥脈沖試驗電路，在不考慮熱設計的情況下，實現(xiàn)了對IGBT模塊的電壓、電流電氣應力的考核。與其它試驗裝置比，本試驗裝置的優(yōu)異效果是:電路簡單、方法可靠、能夠快速驗證試品閥、對試驗電源和控制系統(tǒng)的設計要求低。同時還非常適合換流閥研發(fā)初期的實際需要，在不考慮熱設計的情況下在閥臂上產生電壓、電流應力，僅對閥臂的電氣性能進行驗證，試驗時僅需兩個閥臂，閥臂的制作和參數(shù)調整均十分方便。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了 一種試驗裝置，所述電路為IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其改進之處在于:所述電路包括試驗回路和由交流斷路器、調壓器、隔離變壓器、不控整流柜、充電電阻和快速直流熔斷器I組成的充電回路；所述交流斷路器、調壓器、隔離變壓器和不控整流柜依次串聯(lián)，所述交流斷路器接入電源；所述充電回路的不控整流柜高壓輸出端和試驗回路的脈沖電容器組高壓端連接；不控整流柜低壓輸出端依次串聯(lián)充電電阻和快速直流熔斷器I后接入所述脈沖電容器組的低壓端。進一步的，所述試驗回路包括放電回路、脈沖電容器組、IGBT直接串聯(lián)閥臂1、IGBT直接串聯(lián)閥臂I1、阻感負載和快速直流熔斷器II ;所述脈沖電容器組的高壓端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陽極端相串聯(lián)，所述脈沖電容器組的低壓端與快速直流熔斷器II串聯(lián)后與IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陰極端和阻感負載的電阻端相串接，所述脈沖電容器組兩端并聯(lián)放電回路，所述阻感負載的電感端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陰極端和IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陽極端相串接。進一步的，控制保護主機與VBC串聯(lián)，所述VBC與IGBT直接串聯(lián)閥臂I中各IGBT的柵極分別串聯(lián)。進一步的，所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I和IGBT直接串聯(lián)閥臂II均為試品閥。進一步的，所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I包括若干個串聯(lián)的IGBT模塊I，所述IGBT模塊I包括IGBT和反并聯(lián)二極管。進一步的，所述IGBT直接串聯(lián)閥臂II包括若干個串聯(lián)的IGBT模塊II，所述IGBT模塊II包括IGBT、反并聯(lián)二極管和15V電源，所述15V電源的正負極分別與IGBT的發(fā)射極和柵極相連。進一步的，所述阻感負載包括一個電阻和一個與之串聯(lián)的電感。進一步的，所述放電回路包括放電限流電阻和單相開關。進一步的，所述調壓器為三相電動調壓器，所述隔離變壓器為三相380V/10kV隔離變壓器，所述充電電阻為限流充電電阻，所述脈沖電容器為高密度脈沖電容器。與現(xiàn)有試驗裝置相比，本實用新型達到的有益效果是:I)試驗裝置的電路簡單、方法可靠，搭建容易。2)試驗裝置的基本思想是先利用較小的電源對儲能部件進行充電，然后利用儲能部件為試驗裝置提供一定電壓、電流水平的激勵，對試驗電源容量要求低。3)試驗裝置適合換流閥研發(fā)初期的實際需要，僅對閥臂的電氣性能進行快速驗證，試驗時僅需兩個閥臂，閥臂的制作和參數(shù)調整均較為方便。4)試驗裝置通過調節(jié)電路參數(shù)和驅動控制波形即可得到實際所需的電壓、電流應力，不僅調節(jié)方式簡單、靈活，且具有較高的等效性。

圖1是本實用新型IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗平臺的電路原理圖；圖2是本實用新型IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗平臺的試品閥臂I中IGBT的電壓、電流波形圖；附圖標記:1-電源；2_交流斷路器；3_三相電動調壓器；4_三相380V/10kV隔離變壓器；5-不控整流柜；6-限流充電電阻；7_快速直流熔斷器I ;8_放電回路；9_高密度脈沖電容器組；10-快速直流熔斷器II ；I1-1GBT直接串聯(lián)閥臂I ;12-1GBT直接串聯(lián)閥臂II ;13_阻感負載R和L ；14-控制保護主機。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步的詳細說明；1、試驗裝置如圖1所示，圖1為IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗平臺的電路原理圖，分為充電回路和試驗回路兩部分。(I)充電回路包括交流斷路器2、三相電動調壓器3、三相380V/10kV隔離變壓器
4、14kV不控整流柜5、限流充電電阻6和快速直流熔斷器17。不控整流柜5低壓輸出端和限流充電電阻6的一端相連接，限流充電電阻6的另一端與快速直流熔斷器17的一端相連接，快速直流熔斷器17的另一端與試驗回路中高密度脈沖電容器組9的低壓端相連接。快速直流熔斷器17用于保護充電回路中半導體電子器件和相關的電氣設備。(2)試驗回路包括放電回路8、高密度脈沖電容器組9、IGBT直接串聯(lián)閥臂111、IGBT直接串聯(lián)閥臂1112、阻感負載13、快速直流熔斷器1110。高密度脈沖電容器組9兩端并聯(lián)放電回路8，高密度脈沖電容器組9的低壓端與快速直流熔斷器IIlO的一端相連接，快速直流熔斷器IIlO的另一端與阻感負載13的一端及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的陰極端相連接，阻感負載13的另一端與IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill的陰極端及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的陽極端相連接，IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill的陽極端與高密度脈沖電容器組9的高壓端相連接?？焖僦绷魅蹟嗥鱅IlO用于保護試驗回路中半導體電子器件和相關的電氣設備。IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill和IGBT直接串聯(lián)閥臂1112均為試品閥。其中IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill用于考察各串聯(lián)IGBT的動、靜態(tài)均壓特性，IGBT直接串聯(lián)閥臂II12考察與IGBT反并聯(lián)的二極管及其反向恢復過程的影響。IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill包括若干個串聯(lián)的IGBT模塊I，IGBT模塊I包括IGBT (vgel-vgeN, N為自然系數(shù))和反并聯(lián)二極管(vcel-vceN，N為自然系數(shù));IGBT直接串聯(lián)閥臂II12包括若干個串聯(lián)的IGBT模塊II，IGBT模塊II包括IGBT (vgel-vgeN, N為自然系數(shù))、反并聯(lián)二極管(vcel_vceN, N為自然系數(shù))和15V電源，所述15V電源的正負極分別與IGBT的發(fā)射極E和柵極g相連。處于安全區(qū)域的控制保護主機14與VBC串聯(lián)，所述VBC與IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中IGBT的柵極g分別串聯(lián)。2、試驗方法該試驗裝置對應的試驗方法包括如下步驟:(I)準備階段:確定IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill和IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的試驗電壓應力、電流應力要求，調整相應的電路參數(shù)并確定驅動控制波形；(2)準備階段:確認三相電動調壓器3歸零，高密度脈沖電容器組9端電壓為零，IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill處于閉鎖關斷狀態(tài)，相關檢測儀器已正確連接；(3)對高密度脈沖電容器組9充電:閉合交流斷路器2，通過調節(jié)處于安全區(qū)域的控制臺，使三相電動調壓器3輸出電壓緩慢上升，通過三相隔離變壓器對不控整流柜5供電，對高密度脈沖電容器組9充電，觀察高密度脈沖電容器組9端電壓上升至所需試驗電壓時停止調節(jié)三相電動調壓器3，然后將三相電動調壓器3輸出電壓調至零，斷開交流斷路器2。(4)開始試驗:啟動控制保護主機向VBC (閥基控制設備，用于控制IGBT)輸出控制信號，VBC向IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中所有的IGBT輸入步驟I中確定的驅動控制波形；(5)通過使用相關檢測儀器觀察試驗過程中IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中各IGBT及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112中反并聯(lián)二極管的暫態(tài)電壓、電流波形，評估其動、靜態(tài)均壓性能，考察IGBT串聯(lián)閥在穩(wěn)態(tài)、過電流關斷和短路工況下對電壓、電流應力的耐受性；(6)結束試驗:先停止控制保護主機向VBC輸出控制信號，確定IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill處于閉鎖狀態(tài)，然后通過放電回路8將高密度脈沖電容器組9完全放電。IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗平臺旨在不考慮熱設計的情況下，在試品閥臂上施加電壓應力、電流應力。調節(jié)充電回路得到試驗所需的電壓，調節(jié)電路中負載的參數(shù)及相應的驅動控制波形得到所需的電流波形。試品閥臂I中IGBT在試驗過程中的電壓、電流波形圖如圖2所示，圖2為本實用新型IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗平臺的試品閥臂I中IGBT的電壓、電流波形圖，圖中有三個IGBT波形重合。整個閥臂承受的電壓約為10kV，單個IGBT靜態(tài)均壓約700V，電流約380A。3、舉例說明充電回路將高密度脈沖電容器組9充電至試驗所需電壓后，將三相電動調壓器3調零，高密度脈沖電容器組9為試驗電路提供所需電壓、電流水平的激勵。IGBT直接串聯(lián)閥臂1112中所有IGBT的柵極驅動信號恒為-15V，所有IGBT均處于關斷狀態(tài)；IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的反并聯(lián)二極管串聯(lián)作為感性負載的續(xù)流通道，在試驗時通過位于安全區(qū)域的控制保護主機控制IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中的所有IGBT的柵極驅動信號，實現(xiàn)整個IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill的開通、關斷；使用不同的電路參數(shù)、驅動控制波形和相關的檢測設備，考察各IGBT直接串聯(lián)閥的驅動電路工作的正確性，IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中各IGBT及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112中反并聯(lián)二極管的暫態(tài)電壓、電流波形及IGBT直接串聯(lián)閥在穩(wěn)態(tài)、過電流關斷和短路工況下對電壓、電流應力的耐受性，測試串聯(lián)閥的開關損耗并加以評估改進。最后應當說明的是:以上實施例僅用于說明本申請的技術方案而非對其保護范圍的限制，盡管參照上述實施例對本申請進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:本領域技術人員閱讀本申請后依然可對申請的具體實施方式
進行種種變更、修改或者等同替換，這些變更、修改或者等同替換，均在申請待批的權利要求保護范圍之內。
權利要求1.一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述裝置的電路包括試驗回路和由交流斷路器、調壓器、隔離變壓器、不控整流柜、充電電阻和快速直流熔斷器I組成的充電回路； 所述交流斷路器、調壓器、隔離變壓器和不控整流柜依次串聯(lián)，所述交流斷路器接入電源；所述充電回路的不控整流柜高壓輸出端和試驗回路的脈沖電容器組高壓端連接；不控整流柜低壓輸出端依次串聯(lián)充電電阻和快速直流熔斷器I后接入所述脈沖電容器組的低壓端。
2.如權利要求1所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述試驗回路包括放電回路、脈沖電容器組、IGBT直接串聯(lián)閥臂1、IGBT直接串聯(lián)閥臂I1、阻感負載和快速直流熔斷器II ;所述脈沖電容器組的高壓端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陽極端相串聯(lián)，所述脈沖電容器組的低壓端與快速直流熔斷器II串聯(lián)后與IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陰極端和阻感負載的電阻端相串接，所述脈沖電容器組兩端并聯(lián)放電回路，所述阻感負載的電感端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陰極端和IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陽極端相串接。
3.如權利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:控制保護主機與VBC串聯(lián)，所述VBC與IGBT直接串聯(lián)閥臂I中各IGBT的柵極分別串聯(lián)。
4.如權利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I和IGBT直接串聯(lián)閥臂II均為試品閥。
5.如權利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I包括若干個串聯(lián)的IGBT模塊I，所述IGBT模塊I包括IGBT和反并聯(lián)二極管。
6.如權利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述IGBT直接串聯(lián)閥臂II包括若干個串聯(lián)的IGBT模塊II，所述IGBT模塊II包括IGBT、反并聯(lián)二極管和15V電源，所述15V電源的正負極分別與IGBT的發(fā)射極和柵極相連。
7.如權利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述阻感負載包括一個電阻和一個與之串聯(lián)的電感。
8.如權利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述放電回路包括放電限流電阻和單相開關。
9.如權利要求1或2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，其特征在于:所述調壓器為三相電動調壓器，所述隔離變壓器為三相380V/10kV隔離變壓器，所述充電電阻為限流充電電阻，所述脈沖電容器為高密度脈沖電容器。
專利摘要本實用新型提供了一種試驗裝置，所述電路為IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗裝置，該裝置包括試驗回路和由交流斷路器、調壓器、隔離變壓器、不控整流柜、充電電阻和快速直流熔斷器組成的充電回路；試驗回路包括放電回路、脈沖電容器組、IGBT直接串聯(lián)閥臂I、IGBT直接串聯(lián)閥臂II、阻感負載和快速直流熔斷器。和現(xiàn)有技術比，該裝置滿足換流閥研發(fā)初期的需要，在不考慮熱設計的情況下在閥臂上產生電壓、電流應力，對閥臂的電氣性能進行驗證，試驗時僅需兩個閥臂，閥臂的制作和參數(shù)調整均較為方便。
文檔編號G01R31/327GK203164375SQ20132007799
公開日2013年8月28日 申請日期2013年2月20日 優(yōu)先權日2013年2月20日
發(fā)明者陳永華, 侯凱, 李偉邦, 范鎮(zhèn)淇, 盧文兵, 董長城, 武迪 申請人:國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司