CN202305695U - 一种通用变流器产品的试验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种通用变流器产品的试验平台，其包括：第一电路单元、第二电路单元、信号传输单元及上位机单元，所述第一电路单元及第二电路单元用于试验变流器产品的相关参数，并将相关实验数据传入上位机单元；所述上位机单元通过信号传输单元与试验主电路单元连接，用于控制试验主电路单元，并处理从信号传输单元传入的变流器产品的相关数据；所述实验平台具有通用性，可作为海上风电柔性直流输电变流器、静止无功发生器、四象限变频调速装置、有源电力滤波器、新能源并网等装置的通用试验平台，避免了重复设计，缩短了开发周期，节省研发成本，而且操作方便，安全可靠。

Description

一种通用变流器产品的试验平台

技术领域

本实用新型涉及电力电子变流器试验领域，尤其涉及一种通用变流器产品的试验平台。

背景技术

随着电力电子的不断发展，基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等全控电力电子器件的变流器技术应用范围不断扩大，其主要应用在电机驱动、无功补偿、有源电力滤波、新能源并网及海上风电柔性直流输电领域，在上述各种应用中，虽然控制算法几乎完全不同，但电路结构相差不大，大部分应用中都是基于三相桥式结构，包含检测、保护、驱动等部分。

经对现有技术的检索发现，Poh Chiang Loh等人在IEEE TRANSACTIONS ONPOWER ELECTRONIC期刊上发表的《Implementation and Control of DistributedPWM Cascaded Multilevel Inverters With Minimal Harmonic Distortion andCommon-Mode Voltage》(《具有最小谐波和共模电压的级联多电平脉宽调制(PWM)传输***的实现和控制》)设计了一种多电平的脉宽调制(PWM)变流器，其以一种独特的微处理器(DSP)为核心，将主电路、检测电路、触发电路和控制方法集成于一体，能够完成对多电平***触发算法的验证。但该变流器产品的试验平台对于实际产品的开发及测试存在如下不足：

1)该试验平台的设计方案中只针对单一控制目标和***设计，缺乏通用性，不能涵盖各种变流器类产品的开发；

2)该试验平台主电路部分采用星形连接，没有公共直流侧，给有功功率传输带来一定的困难；

3)试验平台只为其触发算法验证设计，容量较小，使得试验平台向实际产品的转化存在一定困难；

4)主电路为级联多电平结构，适用于高压大功率***设计，对于中小功率***，该结构过于复杂，***成本过高。

该实验***的主电路拓扑结构过于复杂，不适用于中小功率***使用，缺乏通用性，不能作为多种变流器产品设计开发和和性能测试的通用平台。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种通用变流器产品的试验平台，海上风电柔性直流输电变流器、静止无功发生器、四象限变频调速装置、有源电力滤波器、新能源并网等***的算法验证以及试验样机开发都可在该试验平台上完成，具有通用性，不仅避免了重复设计，缩短了开发周期，节省研发成本，而且操作方便，安全可靠。

为达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种通用变流器产品的试验平台，其包括：第一电路单元、第二电路单元、信号传输单元及上位机单元，所述第一电路单元及第二电路单元用于试验变流器产品的相关参数，并将相关实验数据传入上位机单元；所述上位机单元通过信号传输单元与试验主电路单元连接，用于控制试验主电路单元，并处理从信号传输单元传入的变流器产品的相关数据。

特别的，所述第一电路单元包括：第一调压器单元与电网或负载连接，用于调节试验***的输入电压；

第一输入/输出控制单元，用于接通或切断与第一调压器单元的连接，并将接通或切断信息反馈给上位机单元；

第一电压检测单元，通过第一输入/输出控制单元与第一调压器单元连接，用于检测交流电压；

第一隔离变压器单元，用于作为变流器单元并网连接时的隔离变压器，所述上位机单元根据试验***运行需要控制第一隔离变压器单元是否接入试验***；

第一电抗器单元，用于作为试验***输入电流滤波及变流器单元直流电压泵升，所述上位机单元根据试验***运行需要控制第一电抗器单元是否接入试验***；

第一电流检测单元，用于检测变流器单元的电流，所述上位机单元根据试验***的需要控制第一电流检测单元与第一电抗器单元连接或第一电压检测单元连接；

第一变流器单元，与第一电流检测单元连接，用于控制试验***运行及处理变流器产品相关试验数据；

直流连接单元，与变流器单元连接，所述上位机单元根据试验的变流器产品的需要选择是否将直流连接单元接入试验***。

特别的，所述第二电路单元包括：第二调压器单元、第二输入/输出控制单元、第二电压检测单元、第二隔离变压器单元、第二电抗器单元、第二电流检测单元及第二变流器单元。

特别的，所述第二调压器单元、第二输入/输出控制单元、第二电压检测单元、第二隔离变压器单元、第二电抗器单元、第二电流检测单元及第二变流器单元的连接方式及顺序与第一电路单元中的同种单元相同，所述第二变流器单元连接直流连接单元另一端。

特别的，所述第一变流器单元和第二变流器单元均包括主控电路、功率电路、驱动电路、信号调理电路。

特别的，所述主控电路以微处理器(DSP)为核心，与上位机单元、驱动电路、信号调理电路及第一变流器单元和第二变流器单元对应的第一电流检测单元和第二电流检测单元连接，并与上位机单元进行控制信号交换，所述微处理器将运算后生成的触发脉冲信号传递至驱动电路控制各开关器件，驱动电路将过压、短路故障信号送回主控电路。所述第一电压检测单元、第二电压检测单元、第一电流检测单元及第二电流检测单元将试验平台运行中的电流、电压信息送至主控电路进行运算，控制试验平台运行；

所述功率电路为两电平全控桥，其包括交流侧和直流侧，所述交流侧连接第一电抗器单元或第二电抗器单元，所述直流侧连接直流连接单元的一端；

所述驱动电路用于接收主控电路发出的触发脉冲信号，并将脉冲信号进行光电隔离和功率放大处理后传入功率电路；

所述信号调理电路与主控电路相连接，用于将第一电压检测单元、第二电压检测单元、第一电流检测单元及第二电流检测单元获得的试验平台参数进行滤波及变换处理。

特别的，所述主控电路通过通讯接口与上位机单元连接，用于完成控制信号交换。

特别的，所述上位机单元用于采集整个试验平台的数据和监控试验平台的状态，其包括可编程控制器(PLC)和触摸屏，所述可编程控制器与第一变流器单元及第二变流器单元的主控电路连接，所述触摸屏与可编程控制器连接，用于传输试验平台的运行信息和指令信号。

特别的，所述可编程控制器通过转换接口与第一变流器单元的主控电路及第二变流器单元的主控电路连接。

特别的，所述信号传输单元为端子排，用于连接不同结构的变流器产品、外部输入接线以及检测设备。

本实用新型的有益效果为，所述一种通用变流器产品的试验平台，其第一电路单元及第二电路单元为背靠背结构，基于全控电力电子器件和能量双向流动可作为海上风电柔性直流输电变流器、静止无功发生器、四象限变频调速装置、有源电力滤波器、新能源并网等装置的通用试验平台，加快了变流器产品的研发速度，节约成本；所述试验平台的第一变流器单元及第二变流器单元以微处理器(DSP)为控制核心，处理器速度快，具备浮点运算功能，能够满足各类变流器产品控制算法实现的要求；通过可编程控制器(PLC)和触摸屏完成变流器产品的功能切换，操作方便，人机界面友好。

附图说明

下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型通用变流器产品的试验平台的结构示意图；

图2为本实用新型通用变流器产品的试验平台的结构框图；

图3为本实用新型中变流器单元各电路的连接结构示意图；

图4为本实用新型中变流器单元的功率电路拓扑结构示意图；

图5为本实用新型中上位机单元的内部连接示意图；

图6为本实用新型中端子排的接线点分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。参照图1至图6所示。

本实施例中，一种通用变流器产品的试验平台，包括：第一电路单元、第二电路单元、信号传输单元及上位机单元，所述第一电路单元及第二电路单元整体呈背靠背结构，所述第一电路单元包括：第一调压器单元T1、第一输入/输出控制单元KM1、第一电压检测单元Q1、第一隔离变压器单元G1、第一电抗器单元Q3、第一电流检测单元Q5、第一变流器单元Q7及直流连接单元Q9；所述第二电路单元包括：第二调压器单元T2、第二输入/输出控制单元KM7、第二电压检测单元Q2、第二隔离变压器单元G2、第二电抗器单元Q4、第二电流检测单元Q6及第二变流器单元Q8；所述信号传输单元为端子排。

所述的第一调压器单元T1和第二调压器单元T2均为三相交流自耦变压器，与电网或负载连接，额定电压为0-430V，额定功率500kVA，对试验平台输入电压进行调节，可为初期试验平台控制算法测试提供任意等级电压，保证安全，避免器件损坏。

所述第一输入/输出控制单元KM1和第二输入/输出控制单元KM7均为三相交流接触器，主触点额定电流1000A，辅助触点将分/合状态反馈回上位机单元，合闸后将交流电能最终送入第一变流器单元及第二变流器单元进行电能变换；分闸后切断试验平台与电网或负载的连接，其分、合由上位机单元根据试验平台需要进行控制。

所述第一电压检测单元Q1和第二电压检测单元Q2均由三只电压霍尔传感器构成，与对应的第一输入/输出控制单元KM1的三相交流接触器及第二输入/输出控制单元KM7的三相交流接触器连接，分别检测三相交流电压，其一次侧额定电压AC0-500V，二次侧输出4-20mA电流信号。

所述第一隔离变压器单元G1和第二隔离变压器单元G2均包括Y/Y连接三相变压器和旁路接触器，作为变流器单元并网连接时的隔离变压器，一次侧、二次侧额定电压均为500V，容量500kVA，旁路接触器的分合动作由上位机单元根据试验平台运行需要进行控制，合闸时将隔离变压器从试验平台中切除，分闸时将变压器接入试验平台。

所述第一电抗器单元Q3和第二电抗器单元Q4均包括三相交流电抗器和旁路接触器，其中，电抗器额定电流为1000A，电感量取0.2mH，作为***输入电流滤波及变流器直流电压泵升使用；旁路接触器为三相交流接触器，额定电流1000A，其分合动作由上位机根据试验平台运行需要控制，合闸时将交流电抗器从***中切除，分闸时将交流电抗器接入试验平台。

所述第一电流检测单元Q5和第二电流检测单元Q6均由三只电流霍尔传感器构成，分别检测变流器交流侧三相电流，其额定电流0-1500A，输出4-20mA电流信号。

所述直流连接单元Q9包括第一组直流电容、第二组直流电容及直流接触器KM4，容量均为3000μF，额定耐压1500V，其中第一组直流电容与第一变流器单元连接Q7，第二组直流电容与第二变流器单元Q8直流侧连接，第一组直流电容、第二组直流电容均与直流接触器KM4并联，同时，第一组直流电容、第二组直流电容接线均连接至端子排；根据试验平台需要可将第一组直流电容、第二组直流电容互相连接，即将第一变流器单元Q7与第二变流器单元Q8组成背靠背的连接结构。

所述第一变流器单元Q7和第二变流器单元Q8均包括主控电路、功率电路、驱动电路、信号调理电路及供电电路，其中：1)主控电路以DSP28335芯片为核心，与上位机单元、驱动电路、信号调理电路及第一变流器单元Q7和第二变流器单元Q8对应的第一电流检测单元Q5和第二电流检测单元Q6连接，通过通讯接口与上位机单元进行控制信号交换，控制信号的交换包括第一变流器单元Q7和第二变流器单元Q8的运行状态信息传递和指令信号的传递，将运算后生成的触发脉冲信号通过光纤传递至驱动电路，从而控制各开关器件的动作，同时驱动电路将过压、短路故障信号送回主控电路，第一电压检测单元Q1、第二电压检测单元Q2、第一电流检测单元Q5及第二电流检测单元Q6将试验平台运行中的电流、电压信息送至主控电路进行运算，控制试验平台运行。2)功率电路为基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的常规两电平全控桥，其包括交流侧和直流侧，交流侧连接对应的第一电抗器单元Q3或第二电抗器单元Q4，直流侧连接至直流连接单元Q9的一端，同时，接收驱动电路的触发脉冲信号，三相桥内与IGBT门极相连。3)驱动电路接收主控电路发出的触发脉冲信号，经光电隔离和功率放大后与IGBT门极相连。4)与主控电路相连接，用于将第一电压检测单元Q1、第二电压检测单元Q2、第一电流检测单元Q5及第二电流检测单元Q6获得的试验平台参数进行滤波及变换处理，主要利用集成运算放大器将检测信号调整至0-3V范围。5)供电电路为开关电源结构，输入为AC 220V市电，输出三组直流电源分别为±15V、5V、24V，为主控电路、驱动电路、信号调理电路、第一电压检测单元Q1、第二电压检测单元Q2、第一电流检测单元Q5及第二电流检测单元Q6供电。

所述上位机单元包括可编程控制器(PLC)和触摸屏，负责采集整个试验平台的数据和监控试验平台的状态，其中PLC与第一变流器单元Q7及第二变流器单元Q8的主控电路以RS-232通讯电缆相连，中间串联接入RS-485/232的转换接口，达到匹配电平的目的；第一变流器单元Q7、第二变流器单元Q8与PLC组成串口的通讯网络，试验平台经通讯电缆采集第一变流器单元Q7及第二变流器单元Q8的运行信息，所述运行信息包括：输入及输出的交流电压、电流，输入及输出的直流电压、电流，运行温度，以及传输指令信号信息；触摸屏经RS-485通讯电缆与PLC连接，传输试验平台的运行信息和指令信号。

所述信号传输单元为端子排，所述端子排将交流输入/输出接线A0-C0和U0-W0、第一调压器单元T1输出端接线A1-C1和第二调压器单元T2输出端接线U1-W1、直流连接单元Q9接线P1，N1和P2，N2、第一变流器单元Q7交流侧接线A2-C2、第二变流器单元Q8交流侧接线U2-W2均引至端子，用于连接不同结构的变流器产品、外部输入接线以及检测设备。所述A0-C0和U0-W0可根据需要连接交流电网。所述A1-C1和U1-W1可根据需要连接交流电网或负载。所述P1，N1和P2，N2可根据需要连接外部太阳能输入或二者互连。所述A2-C2和U2-W2可根据需要外接无源滤波器。

所述试验平台基于全控电力电子器件和能量双向流动可作为海上风电柔性直流输电变流器、静止无功发生器、四象限变频调速装置、有源电力滤波器、新能源并网等装置的通用试验平台，加快了变流器产品的研发速度，节约成本；通过可编程控制器(PLC)和触摸屏完成试验的变流器产品的功能切换，操作方便，人机界面友好，所述试验平台的强、弱电部分采用光电隔离，从而保证试验平台运行安全可靠。

上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种通用变流器产品的试验平台，其特征在于，包括：第一电路单元、第二电路单元、信号传输单元及上位机单元，所述第一电路单元及第二电路单元用于试验变流器产品的相关参数，并将相关实验数据传入上位机单元；所述上位机单元通过信号传输单元与试验主电路单元连接，用于控制试验主电路单元，并处理从信号传输单元传入的变流器产品的相关数据。

2.根据权利要求1所述的通用变流器产品的试验***，其特征在于，所述第一电路单元包括：

第一调压器单元与电网或负载连接，用于调节试验***的输入电压；

第一输入/输出控制单元，用于接通或切断与第一调压器单元的连接，并将接通或切断信息反馈给上位机单元；

第一电压检测单元，通过第一输入/输出控制单元与第一调压器单元连接，用于检测交流电压；

第一隔离变压器单元，用于作为变流器单元并网连接时的隔离变压器，所述上位机单元根据试验***运行需要控制第一隔离变压器单元是否接入试验***；

第一电抗器单元，用于作为试验***输入电流滤波及变流器单元直流电压泵升，所述上位机单元根据试验***运行需要控制第一电抗器单元是否接入试验***；

第一电流检测单元，用于检测变流器单元的电流，所述上位机单元根据试验***的需要控制第一电流检测单元与第一电抗器单元连接或第一电压检测单元连接；

第一变流器单元，与第一电流检测单元连接，用于控制试验***运行及处理变流器产品相关试验数据； 

直流连接单元，与变流器单元连接，所述上位机单元根据试验的变流器产品的需要选择是否将直流连接单元接入试验***。

3.根据权利要求2所述的通用变流器产品的试验***，其特征在于，所述第二电路单元包括：第二调压器单元、第二输入/输出控制单元、第二电压检测单元、第二隔离变压器单元、第二电抗器单元、第二电流检测单元及第二变流器单元。

4.根据权利要求3所述的通用变流器产品的试验***，其特征在于，所述第二调压器单元、第二输入/输出控制单元、第二电压检测单元、第二隔离变压器单元、第二电抗器单元、第二电流检测单元及第二变流器单元的连接方式及顺序与第一电路单元中的同种单元相同，所述第二变流器单元连接直流连接单元另一端。

5.根据权利要求4所述的通用变流器产品的试验平台，其特征在于，所述第一变流器单元和第二变流器单元均包括主控电路、功率电路、驱动电路、信号调理电路。

6.根据权利要求5所述的通用变流器产品的试验平台，其特征在于，所述主控电路以微处理器(DSP)为核心，与上位机单元、驱动电路、信号调理电路及第一变流器单元和第二变流器单元对应的第一电流检测单元和第二电流检测单元连接，并与上位机单元进行控制信号交换，所述微处理器将运算后生成的触发脉冲信号传递至驱动电路控制各开关器件，驱动电路将过压、短路故障信号送回主控电路，所述第一电压检测单元、第二电压检测单元、第一电流检测单元及第二电流检测单元将试验平台运行中的电流、电压信息送至主控电路进行运算，控制试验平台运行；

所述功率电路为两电平全控桥，其包括交流侧和直流侧，所述交流侧连接 第一电抗器单元或第二电抗器单元，所述直流侧连接直流连接单元的一端；

所述驱动电路用于接收主控电路发出的触发脉冲信号，并将脉冲信号进行光电隔离和功率放大处理后传入功率电路；

所述信号调理电路与主控电路相连接，用于将第一电压检测单元、第二电压检测单元、第一电流检测单元及第二电流检测单元获得的试验平台参数进行滤波及变换处理。

7.根据权利要求6所述的通用变流器产品的试验平台，其特征在于，所述主控电路通过通讯接口与上位机单元连接，用于完成控制信号交换。

8.根据权利要求3至5之一所述的通用变流器产品的试验平台，其特征在于，所述上位机单元用于采集整个试验平台的数据和监控试验平台的状态，其包括可编程控制器(PLC)和触摸屏，所述可编程控制器与第一变流器单元及第二变流器单元的主控电路连接，所述触摸屏与可编程控制器连接，用于传输试验平台的运行信息和指令信号。

9.根据权利要求8所述的通用变流器产品的试验平台，其特征在于，所述可编程控制器通过转换接口与第一变流器单元的主控电路及第二变流器单元的主控电路连接。

10.根据权利要求9所述的通用变流器产品的试验平台，其特征在于，所述信号传输单元为端子排，用于连接不同结构的变流器产品、外部输入接线以及检测设备。 

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