CN112737288A - 一种多功能的电力电子负载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能的电力电子负载装置，其包括负载模块、电容模块和馈能模块，所述负载模块、电容模块和馈能模块并联于第一连接端口和第二连接端口，所述负载模块接通连接三相电源；还包括第一开关和第二开关，所述电容模块包括第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容串联连接，所述第一开关连接第二连接端口，所述第二开关连接至第一电容和第二电容之间，第一开关和第二开关交汇连接至中性点；本发明通过控制负载模块的开关管以及中性线上的开关S1，下桥臂引出线上的开关S2，使得电路拓扑结构发生改变，以适合三相电源，单相电源以及直流电源的性能测试；扩宽了电力电子负载装置的功能和使用范围，改善了电力电子负载的经济实用性。

Description

一种多功能的电力电子负载装置
技术领域
本发明电力电子在电力***运用技术领域，特别是一种多功能的电力电子负载装置。
背景技术
随着科技的不断进步和经济的飞速发展，电能作为一种及其重要的能源形式变得越来越重要。电源作为提供电能的装置，其的性能优劣决定了它是否能够应用于用电设备上，是否能够达到用电设备所需要的供电标准。一旦在工作状态的电源发生故障，很有可能造成重大安全事故和经济损失，给人员带来危险，给国家带来不必要的损失。所以非常有必要对电源的性能进行测试以评价电源的安全性和可靠性等指标。以往测试电源所用到的测试负载体积较大，并且在测试过程中损耗电能，造成电能浪费。电力电子负载作为一种电力电子装置可以实现线性负载和非线性负载的模拟以及将电源的能量回馈至电网中，实现了能源的高效利用。目前常见的电力电子负载往往是基于背靠背的结构，由两个三相全桥逆变器组成负载模拟换流器和馈能换流器，中间并联电容，负载模拟换流器用来模拟各种负载的特性，馈能换流器能够将被测电源的电能变换成单位功率因数的三相交流电反馈给电网。目前电力电子负载只是针对三相电源，单相电源和直流电源中的一种来进行负载模拟换流器和馈能换流器的设计，使用范围较小，测试电源类型较单一。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的技术问题是目前电力电子负载只是针对三相电源，单相电源和直流电源中的一种来进行负载模拟换流器和馈能换流器的设计，使用范围较小，测试电源类型较单一。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种多功能的电力电子负载装置，其包括测试单元，其包括负载模块、电容模块和馈能模块，所述负载模块、电容模块和馈能模块并联于第一连接端口和第二连接端口；以及，控制单元，其包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接第二连接端口，所述第二开关连接至电容模块的中心点，第一开关和第二开关交汇连接至中性点。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述负载模块包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂相互并联。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由两个IGBT管串联组成。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述IGBT管由一个三极管反并联二极管形成。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述第一桥臂中的两个IGBT管之间连接至第一电感，所述第一电感接通三相电源中的A相。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述第二桥臂中的两个IGBT管之间连接至第二电感，所述第二电感接通三相电源中的B相。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述第三桥臂中的两个IGBT管之间连接至第三电感，所述第三电感接通三相电源中的C相。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述馈能模块与负载模块结构一致。
作为本发明所述多功能的电力电子负载装置的一种优选方案，其中：所述馈能模块中每组桥臂上的两个IGBT管之间分别通过电感连接至电网。
本发明的有益效果：本发明结合了多种适用条件下电力电子负载的的拓扑结构，形成了一中多功能的电力电子负载装置，通过控制负载模块的开关管以及中性线上的开关S1，下桥臂引出线上的开关S2，使得电路拓扑结构发生改变，以适合三相电源，单相电源以及直流电源的性能测试；扩宽了电力电子负载装置的功能和使用范围，改善了电力电子负载的经济实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为第一、第二和第三个实施例中的多功能电力电子负载结构示意图。
图2为第一、第二和第三个实施例中的三相IGBT管结构图。
图3为第一个实施例中的三相电源档测试电源示意图。
图4为第二个实施例中的单相电源档测试电源示意图。
图5为第三个实施例中的直流电源档测试电源示意图。
图6为第三个实施例中的中间电容电压波形图。
图7为第三个实施例中的网侧电压电流波形图。
图8为第三个实施例中的谐波分析图。
图9为第一个实施例中的中间电容电压波形图。
图10为第一个实施例中的网侧电压电流波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～3和9、10，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种多功能的电力电子负载装置，其包括测试单元500，测试单元500包括负载模块200、电容模块300和馈能模块400，其中负载模块200和馈能模块400为三相全桥逆变器。
具体的，负载模块200、电容模块300和馈能模块400相互并联于第一连接端口T和第一连接端口K，负载模块200和馈能模块400结构相同，两者均由6个IGBT管204组成，负载模块200中的三极管V在图中标识有V1至V6，二极管D在图中的标识有D1至D6，馈能模块400中的三极管V在图中标识有V7至V12，，二极管D在图中的标识有D7至D12。
进一步的，负载模块200包括第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203，第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203相互并联，每一组桥臂均由两个IGBT管204串联组成，而IGBT管204由一个三极管V反并联二极管D形成。
进一步的，V1、V3和V5组成负载模块200中的上桥臂，相对应V4、V6和V2组成负载模块200中的下桥臂，其中V1和V4串联成第一桥臂201，V3和V6串联成第二桥臂202，V5和V2串联成第三桥臂203；第一桥臂201中的两个IGBT管204之间连接至第一电感L1，即V1和V4之间连接导线接通至第一电感L1；第二桥臂202中的两个IGBT管204之间连接至第二电感L2，即V3和V6之间连接导线接通至第二电感L2；第三桥臂203中的两个IGBT管204之间连接至第三电感L3，即V5和V2之间连接导线接通至第三电感L3；一电感L1接通三相电源中的A相，第二电感L2接通三相电源中的B相，第三电感L3接通三相电源中的C相。
还包括控制单元100，其包括第一开关101和第二开关102，具体的，电容模块300包括第一电容C1和第二电容C2，电容模块300的中心点位于第一电容C1和第二电容C2之间，第一电容C1和第二电容C2串联连接，第一电容C1连接至负载模块200中的上桥臂，即与V1、V3和V5中的集电极相连接，而第二电容C2连接至负载模块200中的下桥臂，即与V4、V6和V2中的发射极相连接，第一开关101连接下桥臂处的第一连接端口K，第二开关102连接至第一电容C1和第二电容C2之间，第一开关101和第二开关102交汇连接至中性点N。
馈能模块400与负载模块200结构一致，馈能模块400中每组桥臂上的两个IGBT管204之间分别通过电感M连接至电网。
当第一开关101和第二开关102均断开时，电路处于三相电源档，用于测量三相交流电源，当第二开关102闭合，第一开关101断开时，电路处于单相电源档，用于测量单相交流电源当第二开关102断开，第一开关101闭合时，电路处于直流电源档，用于测量直流电源。
进一步的，位于三相电源档时，负载模块200拓扑结构等效为三相全桥整流电路，实现AC-DC功能，各桥臂中点引出线与第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3串联形成A、B、C三个测试点。在使用时三相电源分别连接在A、B、C三个测试点，控制V1-V6导通和关断来控制负载模拟电流大小，具体参数如下：
名称 数值
交流电压峰值(V) 311
基波频率(Hz) 50
交流侧电感(mH) 8
直流参考电压(V) 700
交流开关频率(Hz) 5000
测试交流电源(V) 311
中间电容(uF) 4000
中间电容电压波形图如图9所示，网侧电压电流波形图如图10所示。
实施例2
参照图1、2和4，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种多功能的电力电子负载装置，其包括测试单元500，测试单元500包括负载模块200、电容模块300和馈能模块400，其中负载模块200和馈能模块400为三相全桥逆变器。
具体的，负载模块200、电容模块300和馈能模块400相互并联于第一连接端口T和第一连接端口K，负载模块200和馈能模块400结构相同，两者均由6个IGBT管204组成，负载模块200中的三极管V在图中标识有V1至V6，二极管D在图中的标识有D1至D6，馈能模块400中的三极管V在图中标识有V7至V12，，二极管D在图中的标识有D7至D12。
进一步的，负载模块200包括第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203，第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203相互并联，每一组桥臂均由两个IGBT管204串联组成，而IGBT管204由一个三极管V反并联二极管D形成。
进一步的，V1、V3和V5组成负载模块200中的上桥臂，相对应V4、V6和V2组成负载模块200中的下桥臂，其中V1和V4串联成第一桥臂201，V3和V6串联成第二桥臂202，V5和V2串联成第三桥臂203；第一桥臂201中的两个IGBT管204之间连接至第一电感L1，即V1和V4之间连接导线接通至第一电感L1；第二桥臂202中的两个IGBT管204之间连接至第二电感L2，即V3和V6之间连接导线接通至第二电感L2；第三桥臂203中的两个IGBT管204之间连接至第三电感L3，即V5和V2之间连接导线接通至第三电感L3；一电感L1接通三相电源中的A相，第二电感L2接通三相电源中的B相，第三电感L3接通三相电源中的C相。
还包括控制单元100，其包括第一开关101和第二开关102，具体的，电容模块300包括第一电容C1和第二电容C2，电容模块300的中心点位于第一电容C1和第二电容C2之间，第一电容C1和第二电容C2串联连接，第一电容C1连接至负载模块200中的上桥臂，即与V1、V3和V5中的集电极相连接，而第二电容C2连接至负载模块200中的下桥臂，即与V4、V6和V2中的发射极相连接，第一开关101连接下桥臂处的第一连接端口K，第二开关102连接至第一电容C1和第二电容C2之间，第一开关101和第二开关102交汇连接至中性点N。
馈能模块400与负载模块200结构一致，馈能模块400中每组桥臂上的两个IGBT管204之间分别通过电感M连接至电网。
当第一开关101和第二开关102均断开时，电路处于三相电源档，用于测量三相交流电源，当第二开关102闭合，第一开关101断开时，电路处于单相电源档，用于测量单相交流电源当第二开关102断开，第一开关101闭合时，电路处于直流电源档，用于测量直流电源。
进一步的，位于单相电源档时，测量点A通过第一电感L1连接负载模块200中的第一桥臂201，同时，第一桥臂201并联电容模块300，在电容模块300中第一电容C1和第二电容C2之间的电容电压中性点引出线接至中性线测量点N，这些结构组成单相半桥整流电路。在使用时单相电源连接在A测试点和中性线测试点之间，控制V1和V4交替导通来控制电流大小。
实施例3
参照图1、2和5～8，为本发明第三个实施例，该实施例提供了一种多功能的电力电子负载装置，其包括测试单元500，测试单元500包括负载模块200、电容模块300和馈能模块400，其中负载模块200和馈能模块400为三相全桥逆变器。
具体的，负载模块200、电容模块300和馈能模块400相互并联于第一连接端口T和第一连接端口K，负载模块200和馈能模块400结构相同，两者均由6个IGBT管204组成，负载模块200中的三极管V在图中标识有V1至V6，二极管D在图中的标识有D1至D6，馈能模块400中的三极管V在图中标识有V7至V12，，二极管D在图中的标识有D7至D12。
进一步的，负载模块200包括第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203，第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203相互并联，每一组桥臂均由两个IGBT管204串联组成，而IGBT管204由一个三极管V反并联二极管D形成。
进一步的，V1、V3和V5组成负载模块200中的上桥臂，相对应V4、V6和V2组成负载模块200中的下桥臂，其中V1和V4串联成第一桥臂201，V3和V6串联成第二桥臂202，V5和V2串联成第三桥臂203；第一桥臂201中的两个IGBT管204之间连接至第一电感L1，即V1和V4之间连接导线接通至第一电感L1；第二桥臂202中的两个IGBT管204之间连接至第二电感L2，即V3和V6之间连接导线接通至第二电感L2；第三桥臂203中的两个IGBT管204之间连接至第三电感L3，即V5和V2之间连接导线接通至第三电感L3；一电感L1接通三相电源中的A相，第二电感L2接通三相电源中的B相，第三电感L3接通三相电源中的C相。
还包括第一开关101和第二开关102，具体的，电容模块300包括第一电容C1和第二电容C2，电容模块300的中心点位于第一电容C1和第二电容C2之间，第一电容C1和第二电容C2串联连接，第一电容C1连接至负载模块200中的上桥臂，即与V1、V3和V5中的集电极相连接，而第二电容C2连接至负载模块200中的下桥臂，即与V4、V6和V2中的发射极相连接，第一开关101连接下桥臂处的第一连接端口K，第二开关102连接至第一电容C1和第二电容C2之间，第一开关101和第二开关102交汇连接至中性点N。
馈能模块400与负载模块200结构一致，馈能模块400中每组桥臂上的两个IGBT管204之间分别通过电感M连接至电网。
当第一开关101和第二开关102均断开时，电路处于三相电源档，用于测量三相交流电源，当第二开关102闭合，第一开关101断开时，电路处于单相电源档，用于测量单相交流电源当第二开关102断开，第一开关101闭合时，电路处于直流电源档，用于测量直流电源。
进一步的，位于直流电源档时，测量点A通过第一电感L1连接负载模块200中的第一桥臂201，同时，第一桥臂201并联电容模块300，第一电容C1,第二电容C2，V4集电极引出线连接中性线测量点N组成电流可逆斩波电路。在使用时直流电源连接在A测试点和中性线测试点之间，控制V1和V4的导通或关断可以形成降压斩波电路和升压斩波电路。当V1导通，V4关断时，负载模块200为降压型DC-DC电路，V4和D2总处于断态，V1关断后，由于第一电感L1中的能量较小，第一电感L1中的能量释放完后电流为零，可以通过控制V1的占空比控制负载模拟电流大小，实现降压斩波功能，此时适用于被测电源电压高于电容电压的场合。当V1关断，V4导通时，负载模块200为升压型DC-DC电路，V1和D1总处于断态，V4导通后，电感L1中积累能量，等到V4关断后，电感L1中的能量和被测电源的能量同时释放电能给第一电容C1和第二电容C2，可以通过控制V4的占空比控制负载模拟电流大小，实现升压斩波功能，此时适用于被测电源电压低于电容电压的场合，具体测试参数如下：
名称 数值
交流电压峰值(V) 380
基波频率(Hz) 50
交流侧电感(mH) 2
直流参考电压(V) 800
交流开关频率(Hz) 1000
直流电源(V) 200
中间电容(uF) 3000
中间电容电压波形图如图6所示，网侧电压电流波形图如图7所示，谐波分析如图8所示，仿真结果表明，所述多功能电力电子负载能实现测试直流电源和交流电源，从波形上分析，中间电容电压相对于现有技术能够快速稳定在设置值，三相电源测试时中间电容电压无超调，***快速达到稳定，反应速度快。馈能侧实现单位因数并网，通过谐波分析得出直流电源并网总谐波畸变率为3.19％，不会产生谐波危害，满足并网条件。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多功能的电力电子负载装置，其特征在于：包括，
测试单元(500)，其包括负载模块(200)、电容模块(300)和馈能模块(400)，所述负载模块(200)、电容模块(300)和馈能模块(400)并联于第一连接端口(T)和第二连接端口(K)；以及，
控制单元(100)，其包括第一开关(101)和第二开关(102)，所述第一开关(101)连接第二连接端口(K)，所述第二开关(102)连接至电容模块(300)的中心点，第一开关(101)和第二开关(102)交汇连接至中性点。
2.如权利要求1所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述负载模块(200)包括第一桥臂(201)、第二桥臂(202)和第三桥臂(203)，所述第一桥臂(201)、第二桥臂(202)和第三桥臂(203)相互并联。
3.如权利要求2所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述第一桥臂(201)、第二桥臂(202)和第三桥臂(203)均由两个IGBT管(204)串联组成。
4.如权利要求3所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述IGBT管(204)由一个三极管(V)反并联二极管(D)形成。
5.如权利要求3所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述第一桥臂(201)中的两个IGBT管(204)之间连接至第一电感(L1)，所述第一电感(L1)接通三相电源中的A相。
6.如权利要求3或5所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述第二桥臂(202)中的两个IGBT管(204)之间连接至第二电感(L2)，所述第二电感(L2)接通三相电源中的B相。
7.如权利要求6所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述第三桥臂(203)中的两个IGBT管(204)之间连接至第三电感(L3)，所述第三电感(L3)接通三相电源中的C相。
8.如权利要求1所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述馈能模块(400)与负载模块(200)结构一致。
9.如权利要求8所述的多功能的电力电子负载装置，其特征在于：所述馈能模块(400)中每组桥臂上的两个IGBT管(204)之间分别通过电感(M)连接至电网。
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