CN111551798A - 低压储能式大功率短路测试装置和测试方法 - Google Patents

低压储能式大功率短路测试装置和测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压储能式大功率短路测试装置和测试方法，测试装置包括依次连接的电压输入端、充电模块、超级电容器组、DC/DC变换器、逆变单元和电压输出端，其中，电压输入端配置成输入电能，充电模块连接所述电压输入端以基于所述电能调节电压，超级电容器组连接充电模块充电，DC/DC变换器连接所述超级电容器组以将超级电容器组两端电压升高到预定值，逆变单元生成预定波形的电压，电压输出端配置成将预定波形的电压施加到待测试品。

Description

低压储能式大功率短路测试装置和测试方法
技术领域
本发明属于高电压大功率测试技术领域，特别是一种低压储能式大功率短路测试装置和测试方法。
背景技术
随着社会对供电可靠性要求的提高，变压器突发短路测试逐渐成为变压器性能检测必不可少的环节，而现有的突发短路测试电源虽然在容量上、功能上已能够满足当前测试的需求，但无论电网专线还是冲击发电机都存在投资造价高、场地要求高、审批难度大等难以克服的制约。另外，测试电源的短时工况对电网存在很大的冲击，测试***调试操作复杂，在输出参数的控制精度上也不尽如人意。伴随着半导体开关器件技术和储能技术的发展，目前已有有测试单位利用半导体开关器件搭建电力电子式测试平台进行了相关短路测试。但是由于储能成本以及整体装置的稳定性等问题，该类装置及其整体方案未被普遍推广。
电力电子式大功率短路测试装置的核心技术主要有两部分，一是大容量能量的存储及大功率释放，二是能量的释放控制。目前用于大功率短路测试装置可供选择的储能器件有蓄电池、超级电容器、普通电容、电解电容器等，储能器件是决定测试电源性能的关键因素，需要综合考虑设备体积、重量、运行维护等因素。其中，铝电解电容器以电压高、能量密度大等特点成为储能式突发短路测试电源的重要选择，但是目前铝电解电容存在体积较大、成本较高等问题，而超级电容器合理组合后也可以成为不错的原则，其特点是容量大，储能能量高。由于大功率短路测试装置对储能电压要求较高，所有的储能电容都存在电容串联均压问题，而串联电容出现电压不平衡会导致***电源效率较低，严重甚至会导致整体***的崩溃。因此，处理好电容均压串联问题是解决储能式大功率短路测试装置的关键技术之一，是保证整体***正常运行的必要条件。目前国内的测试单位研制的短路测试装置的储能电容大多为铝电解电容组，其整体体积较大，成本较高，不利于该类电力电子装置的普及推广。
对于大功率能量的释放目前主要是利用半导体开关器件的开通关断来实现，由于器件的耐压通流能力有限，常用的方法是通过器件的串并联来是实现更高的参数。常用拓扑结构有MMC和中点箝位(neutral point clamped，NPC)变流器等拓扑。由于CHB具有高度模块化、可扩展以及易实现冗余设计等优点，在中压测试装置中得到了广泛的运用。其控制策略目前主要有最近电平逼近调制和载波移相调制等。但是由于大功率能量的释放，储能电容单元上的电压会下降，这会导致输出电压电流不稳定输出。有学者利用脉宽调制对输出波形进行校正，但是调节具有一定局限性，只能进行小范围的电压控制。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种低压储能式大功率短路测试装置和测试方法，避免了铝电解电容储能的局限性和不稳定输出问题。采用超级电容器储能，利用DC/DC变换装置连接逆变单元直流侧，实现了测试装置低压储能、高压大功率释放，在较低成本下和较小体积下实现了大功率电压电流输出，并且能够灵活控制输出相位和幅值，输出稳定可靠性高，能够满足不同规格的试品测试需求，解决了电容器大规模串联问题和提高了测量装置输出性能。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种低压储能式大功率短路测试装置包括依次连接的电压输入端、充电模块、超级电容器组、DC/DC变换器、逆变单元和电压输出端，其中，
电压输入端，其配置成输入电能，
充电模块，其连接所述电压输入端以基于所述电能调节电压，
超级电容器组，其连接充电模块充电，
DC/DC变换器，其连接所述超级电容器组以将超级电容器组两端电压升高到预定值，
逆变单元，其连接DC/DC变换器以生成预定波形的电压，
电压输出端，其配置成将预定波形的电压施加到待测试品。
所述的测试装置中，测试装置还包括，
控制单元，其连接充电模块和DC/DC变换器以调节电压，
测量回路，其一端连接电压输出端，另一端连接待测试品以基于预定波形的电压测量电学参数。
所述的测试装置中，控制单元连接逆变单元以基于控制命令生成预定波形的电压。
所述的测试装置中，所述控制***，电压输入端电连接电网以接收电压为10kV，频率为50Hz的交流电。
所述的测试装置中，DC/DC变换器为双向变换器。
所述的测试装置中，逆变单元包括H桥拓扑，其包括级联H桥主回路。
所述的测试装置中，所述预定值为级联H桥主回路直流侧对应电压。
所述的测试装置中，所述充电模块变换电压形式和改变电压幅值。
所述的测试装置中，所述控制单元包括微处理器，所述微处理器包括数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制单元包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
本发明所述的测试装置中，充电模块基于所述电能调节的电压属于低压，其小于所述预定值。超级电容器组中的超级电容器包括高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液。超级电容器包括双电层电容或法拉第准电容。DC/DC变换器为升压型DC/DC转换器。DC-DC转换器包括控制芯片，电感线圈，二极管，三极管和电容器。
根据本发明另一方面，一种所述的测试装置的测试方法包括以下步骤，
第一步骤，电压输入端输入电能，充电模块基于所述电能调节电压以充电所述超级电容器组，
第二步骤，DC/DC变换器将超级电容器组两端电压升高到预定值，逆变单元生成预定波形的电压，
第三步骤，电压输出端将预定波形的电压施加到待测试品以测量电学参数。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出了直流侧储能供能的带有DC/DC变换器的新应用电路，逆变单元直流侧储能电压较低，通过DC/DC变换器变换升高电压，维持直流侧供能。此举解决了大规模储能串联得到高压储能带来的系列问题。控制DC/DC变换器可以维持储能单元直流侧电压稳定，解决了有限储能下输出电压电流稳定问题。本发明可以在低压大容量储能情况下，使得短路测试装置稳定输出高电压大电流，且该装置具有体积小、重量轻和控制灵活等优点。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的低压储能式大功率短路测试装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的电路图；
图3是本发明实施例的三相连接及滤波回路示意图；
图4是本发明实施例的测试方法流程图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1所示，低压储能式大功率短路测试装置包括依次连接的电压输入端、充电模块、超级电容器组、DC/DC变换器、逆变单元和电压输出端，其中，
电压输入端，其配置成输入电能，
充电模块，其连接所述电压输入端以基于所述电能调节电压，
超级电容器组，其连接充电模块充电，
DC/DC变换器，其连接所述超级电容器组以将超级电容器组两端电压升高到预定值，
逆变单元，其连接DC/DC变换器以生成预定波形的电压，
电压输出端，其配置成将预定波形的电压施加到待测试品。
所述的测试装置的优选实施例中，测试装置还包括，
控制单元，其连接充电模块和DC/DC变换器以调节电压，
测量回路，其一端连接电压输出端，另一端连接待测试品以基于预定波形的电压测量电学参数。
所述的测试装置的优选实施例中，控制单元连接逆变单元以基于控制命令生成预定波形的电压。
所述的测试装置的优选实施例中，所述控制***，电压输入端电连接电网以接收电压为10kV，频率为50Hz的交流电。
所述的测试装置的优选实施例中，DC/DC变换器为双向变换器。
所述的测试装置的优选实施例中，逆变单元包括H桥拓扑，其包括级联H桥主回路。
所述的测试装置的优选实施例中，所述预定值为级联H桥主回路直流侧对应电压。
所述的测试装置的优选实施例中，所述充电模块变换电压形式和改变电压幅值。
所述的测试装置的优选实施例中，所述控制单元包括微处理器，所述微处理器包括数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制单元包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
所述的测试装置的优选实施例中，逆变单元为级联拓扑。
所述的测试装置的优选实施例中，充电模块基于所述电能调节的电压属于低压，其小于所述预定值。超级电容器组中的超级电容器包括高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液。超级电容器包括双电层电容或法拉第准电容。DC/DC变换器为升压型DC/DC转换器。DC-DC转换器包括控制芯片，电感线圈，二极管，三极管和电容器。
所述的测试装置的优选实施例中，逆变单元包括三相级联H桥电路和LC滤波器。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，装置中，利用低压超级电容器组并联，实现更高容量储能，大容量超级电容器组与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器将电压升压至每级逆变单元对应储能电压，各级储能单元通过H桥逆变单元实现级联输出，通过调整IGBT控制策略，可以实现大功率电压电流输出。其中，由于超级电容器组储能电压较低，通过将各子模块超级电容器组并联，可以实现大容量能量存储。而超容能量密度高，体积和重量可以得到很好的控制。双向DC/DC变换器使得储能两端电压达到要求，并且储能电容电压较低，解决了大规模电容串联问题，同时，通过调整策略，可以维持逆变单元直流侧电压维持稳定，简化了后续稳定控制策略。
本发明实施例提供一种低压储能式大功率短路测试装置，图1是本发明实施例提供的一种低压储能式大功率短路测试装置的单级结构示意图。参见图1，储能式短路测试装置包括依次连接的电压输入端、充电模块、超级电容器组、DC/DC变换器、逆变单元和电压输出端。电压输出端与电网或者其他能量供给接口连接，主要为超级电容器组提供充电能量；充电模块的作用是实现电能的变换和隔离，主要是电压形式的变换和电压幅值的改变，以适应超级电容器组充电要求；DC/DC变换器将超级电容器的两端电压升高至级联H桥主回路直流侧对应电压，这里一般需要双向变换，以适应不同负载需求；逆变单元为H桥拓扑，通过改变控制策略，可产生满足不同测试条件的波形。
图2为本发明实施例的一种级联式低压储能大功率短路测试装置电路拓扑。级联H桥可以克服半导体开关器件参数的限制，输出满足需求的更高的电压电流。该拓扑将低压储能模块和级联H桥结合起来，低压储能和DC/DC变换器保证了级联H桥直流侧电压的稳定，有利于逆变电路输出的稳定性，而级联H桥提高了整体***的性能参数。其中，双向DC/DC变换器除了升高电压作用外，它还具备宽范围输入、恒压输出的功能。因此，随着储能容量的降低，超级电容器组两端的电压降低，但逆变单元的直流侧电压基本维持稳定。当该装置对变压器做突发短路测试时，其输出功率较高，储能电压下降较大，在传统的直接连接的储能电容的情况下，通过脉宽调制很难使得输出电压维持稳定。但是当加了DC/DC变换器之后，可以维持直流电压的稳定，进而维持电压稳定输出，这种方式很好的解决了直流侧电压不稳定问题导致输出效果差等问题。
图2中通过N级全桥子模块级联，可以输出有效值不高于N倍直流侧电压的任意电压波形。由于直流侧电压较为稳定，且一般中压***级联级数较多，此时通过最近电平逼近的控制策略更适用。一方面开关频率较低，可以大幅度提高开关器件的使用寿命和性能参数，另一方面，控制较为简单，有利于开发设计。针对级联H桥中出现的储能电容电压分布问题，也就是各子模块出力不同的问题，该拓扑有比较好的解决方案。通过DC/DC变换器，可以基本维持直流侧电压基本稳定。另外，利用闭环均压策略，以超级电容器组的电压为参考，控制各级电路的投入时间和投入时长，来维持各级电压平衡。
图3为三相输出大功率短路测试装置，包括三相级联H桥电路和LC滤波器。电力电子式短路测试装置由于控制灵活的特点，可以省去合闸开关，通过控制开关器件的导通关断来达到类似的效果。滤波器为LC低通滤波器，目的是滤除高频谐波分量，提高输出电压电流质量。
所述的测试装置的测试方法包括以下步骤，
第一步骤，电压输入端输入电能，充电模块基于所述电能调节电压以充电所述超级电容器组，
第二步骤，DC/DC变换器将超级电容器组两端电压升高到预定值，逆变单元生成预定波形的电压，
第三步骤，电压输出端将预定波形的电压施加到待测试品以测量电学参数。
在一个实施方式中，如图4所示，首先通过利用电网或者发电机等对超级电容器组充电，待电容充满之后断开充电电源，装置输出侧连接好试品。然后调整控制策略，输出测试要求波形，并设置好开通时间和关断时间。将波形整体幅值降低，进行预实验，测试波形合理后调整至标准测试波形，开始正式测试，记录测试数据并分析结果。
针对一种低压储能式大功率短路测试装置，这里根据现场测试条件，提供两种不同充电方式。若现场供电条件允许，可以将整流后的充电电源连接至装置的输出端，进行反向充电，这种充电方式可以避免各级子模块在充电放电过程中拆线或者开关动作，减少了整体***的复杂性和精简了测试操作。若现场条件不允许，及提供电压较低或者功率较低，可将各子模块断开，然后用充电模块直接连接超级电容器组进行充电。
在一个实施方式中，一种所述的测试装置的测试方法包括以下步骤，
第一步骤，电压输入端输入电能，充电模块基于所述电能调节电压以充电所述超级电容器组，
第二步骤，待测试品接入测量回路进行预测试以生成试品的等效参数，
第三步骤，基于等效参数，控制单元控制逆变单元生成预定波形的电压，
第四步骤，待测试品接入测量回路以基于所述预定波形的电压测量电学参数，
第五步骤，重复执行第三步骤至第四步骤直到完成待测试品的短路测试。
综上所述，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：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公开的各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种低压储能式大功率短路测试装置，其包括依次连接的电压输入端、充电模块、超级电容器组、DC/DC变换器、逆变单元和电压输出端，其中，
电压输入端，其配置成输入电能，
充电模块，其连接所述电压输入端以基于所述电能调节电压，
超级电容器组，其连接充电模块充电，
DC/DC变换器，其连接所述超级电容器组以将超级电容器组两端电压升高到预定值，
逆变单元，其连接DC/DC变换器以生成预定波形的电压，
电压输出端，其配置成将预定波形的电压施加到待测试品。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其中，优选的，测试装置还包括，
控制单元，其连接充电模块和DC/DC变换器以调节电压，
测量回路，其一端连接电压输出端，另一端连接待测试品以基于预定波形的电压测量电学参数。
3.根据权利要求2所述的测试装置，其中，控制单元连接逆变单元以基于控制命令生成预定波形的电压。
4.根据权利要求1所述的测试装置，其中，所述控制***，电压输入端电连接电网以接收电压为10kV，频率为50Hz的交流电。
5.根据权利要求1所述的测试装置，其中，DC/DC变换器为双向变换器。
6.根据权利要求1所述的测试装置，其中，逆变单元包括H桥拓扑，其包括级联H桥主回路。
7.根据权利要求6所述的测试装置，其中，所述预定值为级联H桥主回路直流侧对应电压。
8.根据权利要求1所述的测试装置，其中，所述充电模块变换电压形式和改变电压幅值。
9.根据权利要求2所述的测试装置，其中，所述控制单元包括微处理器，所述微处理器包括数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制单元包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的测试装置的测试方法，其包括以下步骤，
第一步骤，电压输入端输入电能，充电模块基于所述电能调节电压以充电所述超级电容器组，
第二步骤，DC/DC变换器将超级电容器组两端电压升高到预定值，逆变单元生成预定波形的电压，
第三步骤，电压输出端将预定波形的电压施加到待测试品以测量电学参数。
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