CN116381394B - 静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台及试验方法，包括供电区、移相变压器、试验电源、直流母线以及控制装置，所述供电区包括外电源以及调压器，所述外电源通过所述调压器对所述移相变压器供电，所述移相变压器包含若干连接绕组，所述连接绕组与所述试验电源中的若干整流电路对应，所述整流电路通过负荷开关连接至所述直流母线，所述负荷开关用于改变所述直流母线的电压；若干待试验设备连接至所述直流母线，所述控制装置连接所述待试验设备并对所述待试验设备产生触发信号。相比于现有技术，可以实现更大范围的直流电压变化，因此可以兼容不同电压等级的阀组试验，兼容性和通用性更好。

Description

静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台及试验方法

技术领域

本申请属于电力电子领域，特别涉及一种静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台及试验方法

背景技术

电力电子技术的高比例渗透极大地促进了牵引供电***的发展。例如，传统的牵引供电***所使用的供电制式一直存在着过分相以及电能质量问题，随着电力电子技术的应用，出现的组合式同相供电方式在一定程度上改善了电能质量问题，由于该方式中同时使用了同相补偿装置和牵引变压器，因此无法彻底消除过分相。

现有技术中，如(田旭, 姜齐荣与魏应冬, 电气化铁路无断电过分相方案研究.电力***保护与控制, 2012. 40(21): 第14-18页)的记载，介绍了贯通同相供电方式，该方式使用电力电子变压器代替了牵引变压器，可以实现电能质量的主动治理，提高***的安全性和供电能力。背靠背变流器是实现贯通同相供电技术的关键设备，阀组或子模块是背靠背变流器的基本单元，阀组的单独试验是变流器安全稳定运行的保证。

交直交变流器在实际运行时，其直流侧电压不是恒定的，因此，对阀组的单独测试需要提供可变的输入直流电压，在不同电压等级下，电压波动范围不能太大。专利1(姚为正,刘刚,孙健,等. 柔性直流输电换流阀稳态大功率运行试验装置及试验方法[P]. 河南省：CN103033701B,2017-11-07.)提供了一种针对柔性直流输电功率单元的试验装置，该装置通过Buck-Boost电路可改变直流输入电压，该试验装置的不足是当待试验单元增加时，试验容量要受到变压器容量限制并且直流电压波动较大。专利2(汪伟,梁树甜,朱磊. 一种功率模块试验平台[P]. 湖北省：CN214409146U,2021-10-15.)提供了一种H桥对冲的试验平台，该实验平台基于可控整流提供灵活可变的直流输出电压，该方案的不足之处是电压变化范围较小，使用可控整流一方面会导致试验平台所提供的容量不足，另一方面，相比于不可控整流方案，会增加平台建造成本。

而且在实际运行时，在阀组间循环的可以是有功功率亦可以是无功功率。对阀组的单独测试需要试验平台提供不同功率循环方式。上述的试验平台，其共同的局限性在于，未涉及多种功率循环试验。在某一试验外电源接入时，试验容量会受到电源容量限制，试验容量无法灵活调节，试验平台的通用性还需进一步改善。

因此，需要一种新型的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台能够解决上述问题。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本申请提供了一种静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台，通过试验电源之间的连接方式并通过开关的灵活控制，可以根据待试验设备容量情况，实现灵活改变试验容，从而轻松实现不同电压变换，还可以实现直流电压输出波形更加稳定；通过控制控制器，丰富H桥功率对冲类型，本试验方案可以实现H桥有功功率对冲、无功功率对冲以及有功、无功功率同时对冲试验。

本申请所要达到的技术效果通过以下方案实现：

根据本发明的第一方面，提供了静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台，包括供电区、移相变压器、试验电源、直流母线以及控制装置，所述供电区包括外电源以及调压器，所述外电源通过所述调压器对所述移相变压器供电，所述移相变压器包含若干连接绕组，所述连接绕组与所述试验电源中的若干整流电路对应，所述整流电路通过负荷开关连接至所述直流母线，所述负荷开关用于改变所述直流母线的电压；若干待试验设备连接至所述直流母线，所述控制装置连接所述待试验设备并对所述待试验设备产生触发信号。

优选地，所述供电区与所述移相变压器之间、所述移相变压器与所述试验电源之间以及所述试验电源与所述直流母线之间均设置有熔断器及量测装置。

优选地，所述试验电源与所述直流母线之间还设置有断路器；所述待试验设备均通过第一开关连接至所述直流母线；所述待试验设备上通过第二开关连接有电抗器。

优选地，每个所述整流电路的正负极分别通过负荷开关连接至所述直流母线的正负极，相邻的所述整流电路之间分别额通过负荷开关串联连接。

优选地，所述待试验设备的IGBT模块上均连接有所述控制装置，所述控制装置能够根据对冲试验类型发出相应的触发信号。

根据本发明的第二方面，提供一种采用上述静止功率转化器阀组级功率对冲试验平台的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：根据待试验设备的试验需求，确定试验电源与直流母线的接线方案；

步骤2：确定移相变压器的绕组连接方式，实现交直流电力变换；

步骤3：对调压器进行配置，以适应试验需求的调压范围；

步骤4：确定供电区中外电源的供电方案；

步骤5：确定待试验设备种类、容量，通过第一开关和第二开关将待试验设备连接至直流母线和电抗器，通过控制装置实现不同功率形式的对冲试验。

优选地，在步骤1中，通过控制负荷开关的通断，控制试验电源中不同整流电路与直流母线的连接关系，实现不同电压输出。

优选地，在步骤2中，通过控制第一开关控制移相变压器与整流电路的供电相序；在步骤4中，外电源采用两路进线方式进行供电。

优选地，在步骤5中，通过控制装置发出的控制信号中调制波的相角以及幅值的控制，进行无功功率对冲试验和/或有功功率对冲试验，具体为：

当试验中仅要求无功功率对冲时，保持两个控制装置中调制波的相角一致，通过改变两个调制波的幅值不同以进行无功功率对冲；

当试验中仅要求有功功率对冲时，保持两个控制装置中调制波的幅值一致，通过改变调制波的相角以产生相角差以进行有功功率对冲；

当试验中要求有功和无功功率对冲时，调整两个控制装置中调制波的幅值和相角，产生幅值差和相角差，以进行有功和无功功率对冲实验。

根据本发明的一个实施例，使用本静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台进行阀组试验的有益效果在于：相比于现有技术，可以实现更大范围的直流电压变化，因此可以兼容不同电压等级的阀组试验，兼容性和通用性更好。

可以实现全功率类型对冲试验，试验平台和方法的兼容性和通用性比现有技术有更大提高；

可以根据待试验阀组容量灵活调整试验电源投入容量，避免了不必要的功率损耗，试验平台运行更加节能高效；

与现有技术相比，本发明方案在开关控制上更加灵活，并且直流母线输出电压波形更加稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请中记载的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请一实施例中一种静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台的结构示意图；

图2为图1中试验电源中整流电路的简化结构和完整结构的示意图；

图3为本发明实施例的移相变压器和试验电源的连接方式示意图；

图4a为移相变压器的连接绕组的一次侧+7.5°移相接线原理图与向量图；

图4b为移相变压器的连接绕组的一次侧-7.5°移相接线原理图与向量图；

图5为本申请一实施例中的对冲实验方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请一实施例中的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台，包括供电区、移相变压器、试验电源、直流母线以及控制装置。

其中，所述供电区包括外电源、调压器、熔断器P1以及量测装置VC1和量测装置VC2，量测装置VC1用于测量供电区母线线路上的电压、电流，量测装置VC2用于测量调压器输出至移相变压器中的电压、电流，供电区中的调压器用于改变外电源的电压幅值，调压器的调节方法包括确定调压器的变比以及选型，在试验电源各工作模式下，确定调压器的变比范围、最大负载电流以及最大功率；

该实施例中的外电源采用两路进线方式进行供电，两路供电进线分别通过开关S01和开关S02连接至供电区母线上，供电区母线通过开关S03连接至调压器，调压器通过开关S04连接至熔断器P1以及量测装置VC1。

外电源通过调压器对移相变压器供电，移相变压器包含若干连接绕组，连接绕组与试验电源中的若干整流电路对应，移相变压器经熔断器和量测装置与试验电源连接；如图1中四个连接绕组分别通过熔断器P2至P5，量测装置VC3至VC6与试验电源连接，用于测量输入至连接绕组的电压、电流。

移相变压器通过移相的方式改变与整流电路的连接方式，具体可以改变一次侧相序，连接绕组的一次侧可以以A-B-C的相序供电，也可以B-C-A的相序供电，相应地，连接绕组的二次侧可以是△接法亦可以是Y接法。

试验电源中的整流电路通过负荷开关连接至直流母线，负荷开关用于改变直流母线的电压，具体的，每个整流电路的正负极分别通过负荷开关连接至直流母线的正负极，相邻的整流电路之间分别通过负荷开关串联连接，通过负荷开关的通断来实现不同整流电路与直流母线的连接；如整流电路#1通过负荷开关SS1与整流电路#2连接，通过负荷开关SS4与直流母线连接；整流电路#2通过负荷开关SS5和SS6与直流母线连接，通过负荷开关SS2与整流电路#3连接；整流电路#3通过负荷开关SS7和SS8与直流母线连接，通过负荷开关SS3与整流电路#4连接；整流电路#4通过负荷开关SS9和SS10与直流母线连接。

该实施例中的试验电源包括三种工作模式，模式1、模式2以及模式3，对应试验电源输出电压为：V_d1~ V_d2、V_d2~ V_d3、V_d3~ V_d4；试验电源的模式切换依赖所述负荷开关工作状态切换实现，试验电源中的每一个负荷开关的工作状态包括，0和1，其中0代表开关分离，1代表开关闭合。

试验电源与直流母线之间还设置有断路器CB1；试验电源与直流母线之间同样设置有熔断器及量测装置VCS1，其中各整流电路的正负极输出均设置有熔断器，如图中的熔断器PS1至熔断器PS8。

在本申请一实施例中，若干待试验设备连接至直流母线，具体到本实施例，如图1所示，由一个试验中的全桥阀组和一个待试验设备板桥阀组，控制装置连接待试验设备并对待试验设备产生触发信号。

试验设备均通过第一开关SQ连接至直流母线；待试验设备上通过第二开关SL连接有电抗器LL1、LL2，在电抗器的两端分别设置有熔断器PL以及量测装置VCL。

试验设备的IGBT模块上均连接有控制装置g11、g12、g13、g14以及g21、g22、g23、g24，控制装置能够根据对冲试验类型发出相应的触发信号。控制装置的调节包括改变控制装置中调制波和载波的幅值或者相位，以使得控制装置输出要求的控制信号；对冲试验的功率类型包括无功功率对冲、有功功率对冲、无功和有功功率同时对冲。

本申请一实施例中，采用上述静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台的测试方法，主要包括：确定试验电源接线方案以及开关操作、确定移相变压器类型以及接线方案、确定调压器配置方案以及调压范围、确定试验平台供电区方案、确定待试验设备类型、接线以及试验类型。进而根据上述方案和类型确定调压器的调节方法、试验电源的模式切换、负荷开关工作状态切换、整流电路的工作状态切换、控制装置的调节、对冲试验的功率类型等。

具体的，测试方法如图5所示，主要包括如下步骤：

S101、确定试验电源方案。本发明所提试验电源共包含2n个整流电路单元，其中n=1.2.3…，本发明方案以n=2为例进行原理阐述。移相变压器与试验电源接线如图3所示，整流电路单元简化形式以及完整形式如附图2所示，整流出线分别接有保护装置PS1~PS8，电压电流量测装置VCS1，负荷开关SS1~SS11，出线断路器CB1。通过操作负荷开关，本发明所提试验电源共有三种可选的工作模式，可实现不同电压输出。假设每个整流电路单元输出电压等级为Vd，直流母线有功功率假设为Pd，则试验电源工作模式以及开关状态如下表所示：

模式1：

模式2：

模式3：

根据试验电源工作模式计算整流单元最大额定电流，如下列各式所示：

(1)

(2)

(3)

其中，，/>，/>分别为模式1、模式2、模式3下的最大额定电流。

S102、确定移相变压器方案。附图3是移相变压器与对应整流电路的连接关系，本发明中的移相变压器可选择公用磁芯亦可以选择独立磁芯，本文以独立磁芯为例进行原理阐述，如附图4a和图4b所示，A,B,C为原边绕组，a,b,c为副边绕组，AA₁，BB₁，CC₁为增加的移相绕组，AB之间的电压为线电压，大小为V_t1。设AA₁上的电压为V_t2，A₁B₁上的电压为V_t3。则V_t1与V_t2之间的关系为：

(4)

V_t3与V_t1之间的关系为：

(5)

设二次侧Y接法时电压为V_Y,△接法时其电压为，则二者的关系为：

(6)

连接绕组的一次侧可以通过改变相序的方式产生两种接线方式即一次侧+7.5°移相接线以及一次侧-7.5°移相接线，具体可以改变一次侧相序，连接绕组的一次侧可以以A-B-C的相序供电，也可以B-C-A的相序供电，相应地，连接绕组的二次侧可以是△接法亦可以是Y接法。

如图4a中，当一次侧为+7.5°移相接线时，二次侧为△接法；如图4b中，当一次侧为-7.5°移相接线时，二次侧为Y接法。

假设移相变压器输出相电压V₂，整流电路电压变换系数为k_R，则移相变压器在试验电源各工作模式下的输出电压为：

(7)

(8)

(9)

移相变压器最大负载电流由下式计算：

(10)

其中，P_sT是移相变压器额定功率，I_sT是移相变压器最大负载电流，η_sT是移相变压器效率，η_R是整流电路效率。

S103、确定调压器的调压范围。假设试验电源母线电压为U₀，进线阻抗为Z_L，调压器输入侧电压为U₁，电流为I₁，输出侧电压为U₂.电流为Z₂，调压器变比为k；则装设调压器两侧电压、电流的关系为：

(11)

装设调压器后输入侧电压变化为：

(12)

其中，为装设调压器后输出侧节点电压和电流；

输出节点装设调压器后电压、电流变化：

(13)

其中，为装设调压器后输出侧节点电压和电流；为电压和电流的变化量。假设调压器输出侧相电压V₁，则对应于试验电源各工作模式，其电压范围如下式所示：

(14)

(15)

(16)

调压器在模式1、模式2以及模式3下的变比范围为：

(17)

(18)

(19)

其中，D ¹，D ²，D ³分别为调压器在模式1、模式2以及模式3下的调压范围。调压器的最大负载电流以及最大功率为：

(20)

(21)

其中，I_D，P_DM分别是调压器最大功率。

S104、确定试验平台供电区方案。所述外电源取自城市电网，外电源电压等级一般为V0，在本文的实施例中取0.4kV。考虑到试验平台用电可靠性要求，要求外电源有两路进线并连接至试验平台母线，S01和S02为试验平台母线进线负荷开关，S03为试验平台母线出线负荷开关。VC1为试验平台母线进线电压、电流量测装置。来自试验平台母线的电能经调压器进行电能变换后为移相变压器供电，S04为调压器出线负荷开关，P1为调压器保护装置，VC2为调压器出线电压、电流量测装置。

S105、确定待试验设备的种类、容量以及功率循环方式。本发明方案所提出的试验平台，允许试验的阀组类型包括，由IGBT组成的双H桥以及单H桥，其中双H桥接线有，并联方式接入以及两个单H桥分别接入方式。本发明所提的试验平台可提供2n组双H桥或4n组单H桥同时进行功率对冲实验，其中n为不大于10的自然数。待试验阀组通过开关或插排SQ接试验电源正负母线，所述插排SQ为多接口形式，以双接口为例，正负极对应的接口为SQ1，SQ2，则待试验设备通过其正负引出线分别接SQ1和SQ2。通过开关或插排SL接试验平台上的电抗器，所述插排SQ为多接口形式，以四接口为例，对应接头为SL1~SL4，电抗器通过其引接头分别接SL1~SL4。每个待试验设备正母线进线侧安装有电压电流量测装置VCQ，用于各待试验设备工作状态监测，电抗器支路上安装有电压、电流量测装置，用以监测负荷信息，同时安装有保护装置PL，用来进行故障保护。

基于阀组控制装置，以实现不同功率形式的对冲试验。进一步地，阀组的控制主要控制装置提供控制信号，阀组控制单元内部是由三角波作为载波、正弦波作为调制波调制出控制信号，采用的调制方式为双极性调制，根据实验类型的不同，两个控制单元输出信号需做如下调整。

当试验中仅要求无功功率对冲时，需要保持两个控制单元中调制波的相角一致，通过改变两个调制波的幅值不同以进行无功功率对冲。

当试验中仅要求有功功率对冲时，需要保持两个控制单元中调制波的幅值一致，通过改变调制波的相角以产生相角差以进行有功功率对冲。

当试验中要求有功和无功功率对冲时，调整两个控制单元中调制波的幅值和相角，产生幅值差和相角差，以进行有功和无功功率对冲实验。

确定阀组交流侧连接的电抗器的大小，双极性调制时，电抗器的值主要影响的是***的损耗以及阀组交流侧电流的纹波。应根据实际情况选择电抗器的大小。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台，其特征在于，包括供电区、移相变压器、试验电源、直流母线以及控制装置，所述供电区包括外电源以及调压器，所述外电源通过所述调压器对所述移相变压器供电，所述移相变压器包含若干连接绕组，所述连接绕组与所述试验电源中的若干整流电路对应，所述整流电路通过负荷开关连接至所述直流母线，每个所述整流电路的正负极分别通过负荷开关连接至所述直流母线的正负极，相邻的所述整流电路之间分别通过负荷开关串联连接，所述负荷开关用于改变所述直流母线的电压，并实现试验电源的三种模式切换；若干待试验设备连接至所述直流母线，所述控制装置连接所述待试验设备并对所述待试验设备产生触发信号，所述待试验设备的IGBT模块上均连接有所述控制装置，所述控制装置能够根据对冲试验类型发出相应的触发信号。

2.根据权利要求1所述的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台，其特征在于，所述供电区与所述移相变压器之间、所述移相变压器与所述试验电源之间以及所述试验电源与所述直流母线之间均设置有熔断器及量测装置。

3.根据权利要求1所述的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台，其特征在于，所述试验电源与所述直流母线之间还设置有断路器；所述待试验设备均通过第一开关连接至所述直流母线。

4.根据权利要求1所述的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台，其特征在于，所述待试验设备上通过第二开关连接有电抗器。

5.一种采用权利要求1至4任一项所述的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1:根据待试验设备的试验需求，确定试验电源与直流母线的接线方案；

步骤2：确定移相变压器的绕组连接方式，实现交直流电力变换；

步骤3：对调压器进行配置，以适应试验需求的调压范围；

步骤4：确定供电区中外电源的供电方案；

步骤5：确定待试验设备种类、容量，通过第一开关和第二开关将待试验设备连接至直流母线和电抗器，通过控制装置实现不同功率形式的对冲试验。

6.根据权利要求5所述的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台的试验方法，其特征在于，在步骤1中，通过控制负荷开关的通断，控制试验电源中不同整流电路与直流母线的连接关系，实现不同电压输出。

7.根据权利要求5所述的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台的试验方法，其特征在于，在步骤2中，通过控制第一开关控制移相变压器与整流电路的供电相序；在步骤4中，外电源采用两路进线方式进行供电。

8.根据权利要求5所述的静止功率转换器阀组级功率对冲试验平台的试验方法，其特征在于，在步骤5中，通过控制装置发出的控制信号中调制波的相角以及幅值的控制，进行无功功率对冲试验和/或有功功率对冲试验，具体为：

当试验中仅要求无功功率对冲时，保持两个控制装置中调制波的相角一致，通过改变两个调制波的幅值不同以进行无功功率对冲；

当试验中仅要求有功功率对冲时，保持两个控制装置中调制波的幅值一致，通过改变调制波的相角以产生相角差以进行有功功率对冲；

当试验中要求有功和无功功率对冲时，调整两个控制装置中调制波的幅值和相角，产生幅值差和相角差，以进行有功和无功功率对冲实验。