CN102621501A - 一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统及方法 - Google Patents
一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统及方法，该系统包括有大功率光伏逆变器、外接测试电路和控制主机，测试电路连接于电网和逆变器之间，控制主机分别与逆变器的公共直流母线、电流传感器、温度传感器和逆变器的输出端相连，采集并计算相应数据；该系统的测试方法是在控制主机内安装信号采集模块、数学运算模块、驱动输出模块、人机接口模块，数学运算模块通过采集到的信息，经运算生成六路脉冲信号，再经驱动输出模块控制逆变器的功率单元，得出计算结果，该系统电路简单，方法稳定，测试耗能少。
Description
技术领域
本发明属于电器产品试验领域，具体涉及的是一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统及方法。
背景技术
作为光伏并网电站的核心部件——并网型光伏逆变器的相关技术研究近年来已经成为国内外光伏领域研究的热点问题。由于光伏组件的发电效率有限，所以对于逆变器的效率要求越来越高。在并网电站中使用的逆变器的功率等级主要为125kw、250kw和500kw，中大功率的光伏逆变器的电路结构如图1所示，P1为光伏逆变器的内部电路结构，其中，B1和B2为三相两电平功率单元，R1和R2为装置B1和B2内的温度传感器，两套功率单元通过直流母线并联构成P1的能量变换装置；C1和C2为每套功率单元的滤波单元，分别用于B1和B2的输出滤波；D1为输出变压器，用于将P1和电网隔离；H1为功率单元B1的电流传感器，H2为功率单元B2的电流传感器，H3为光伏逆变器的总电流传感器。针对这些中大功率的光伏逆变器的额定功率下的效率和损耗测试逐渐成为了主要研究问题。
对应的额定功率测试，因为受到试验设备容量、场地和电源容量的限制，很难进行长期额定功率测试，大多采用间接的测试方法。因此研究有效、节能的额定功率测试方法变得非常重要。有效的测试方法不仅在产品的开发阶段利于提高产品性能，同时在产品生产后的出厂实验阶段，能够按照实际工作情况进行满载实验，切实的保证光伏逆变器的效率、损耗以及发热情况，保证产品的质量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有中大功率光伏逆变器额定功率下效率测试技术的不足，提供一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统及方法，该系统所需测试电路简单，操作方便，测试结果可靠；该方法构思巧妙，步骤易于控制。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统，它包括被测光伏逆变器P1，其中：被测光伏逆变器P1内的B1和B2为三相两电平功率单元，两套功率单元通过直流母线并联构成P1的能量变换装置；C1和C2为每套功率单元的滤波单元，分别用于B1和B2的输出滤波；D1为输出变压器，用于将P1和电网隔离，H1为功率单元B1的电流传感器，H2为功率单元B2的电流传感器，H3为光伏逆变器的电流传感器；还包括有：外部测试电路F1及逆变器控制主机CU，外部测试电路F1由预充电接触器K1与预充电电阻R3串联后并联在交流主接触器K2上，K2连接被测光伏逆变器P1的三相交流输出端；
所述逆变器控制主机CU由信号采集模块、数学运算模块、驱动输出模块、人机接口模块构成，其中数学运算模块包含有用于功率单元B1和B2的两路数学运算模块S1和S2、电网电压锁相环模块S3和效率计算模块S4，该数学运算模块对采集来的数据分别计算；其与外部测试电路F1及逆变器的连接结构是：
逆变器控制主机CU的UDC端子通过高压采集线与B1和B2的公共直流母线相连，采集直流电压，控制主机CU的UAC端子通过高压采集线与逆变器的输出端相连，采集电网电压，控制主机CU的IB1端子与电流传感器H1相连，采集B1的电流信号，控制主机CU的IB2端子与电流传感器H2相连，采集B2的电流信号，控制主机CU的IB3端子与电流传感器H3相连，采集逆变器的总输出电流，控制主机CU的TP1端子与功率单元B1上的温度传感器R1相连，采集功率单元B1的温度数据，控制主机CU的TP2端子与功率单元B2上的温度传感器R2相连，采集功率单元B2的温度数据。
一种利用权利要求1所述的系统对大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率的测试方法，测试方法的步骤是：
(1)外部测试电路F1接入电网后，闭合预充电接触器K1；
(2)在控制主机中设定逆变器工作在额定功率下的母线电压值为XV，当逆变器控制主机CU的人机接口中显示由信号采集模块的采集端子UDC采集的直流母线电压大于0.8XV后，手动闭合外部设备F1的主接触器K2；
(3)S2模块通过采集到的B2的三相交流电流值，结合S3模块输入的电网电压幅值及角度，经过运算生成B2的实际电压给定值，由实际电压给定值生成六路脉冲信号，六路脉冲信号经过驱动输出模块控制功率单元B2功率管的开关，直到将直流母线电压达到XV；
(4)当直流母线电压达到XV后，S1模块开始运行，通过采集到的B1的三相交流电流值，结合人机接口模块输入的额定电流值，实现B1的电流软启动，结合S3模块输入的电网电压幅值及角度，生成B1的实际电压给定值，由实际电压给定值生成六路脉冲信号，六路脉冲信号经过驱动输出模块控制B1功率管的开关，直到B1的输出电流达到额定输出电流；
(5)功率单元B1输出的电流经过变压器流向功率单元B2，实现能量的环形流动；
(6)当功率单元B1的电流达到额定电流后，维持当前状态一个小时，使功率单元达到热稳定；
(7)在功率单元达到热稳定后，受测光伏逆变器内位于功率单元上的温度传感器R1和R2，通过信号采集模块的TP1和TP2端子采集到控制主机，并经过人机接口模块，显示当前温度；
(8)在步骤(6)状态时，通过效率计算模块S4进行效率计算，分别计算功率单元B1和功率单元B2的有功功率，因为Iq1＝Iq2＝0，而且B1和B2的交流电压相同，最后通过效率计算模块S4计算出光伏逆变器的实际效率，并在人机接口中显示实际效率。
(9)完成额定功率测试后，通过人机接口将功率单元B1的电流给定ISET设置到1％，功率单元B1经过给定积分器A5将输出电流逐渐降到1％，功率单元B1和B2停止工作，整个测试过程结束。
而且、所述步骤(3)中的运算是将采集到的三相电流经过坐标变换转换为有功电流和无功电流，将无功电流经过比例积分运算调节成0A，将直流母线电压作为反馈信号输入到直流电压调节器，直流电压调节器的目标电压规定为XV，经过比例积分运算，直流电压调节器的输出作为有功电流调节器的目标值，有功电流调节器的反馈值是经过坐标变换得到的有功电流实际值，最后将电流调节器结果、电网电压角度和幅值经过运算得到三相电压给定。
而且、所述步骤(4)中的实现B1的电流软启动，首先是将采集到的三相电流经过坐标变换转换为有功电流和无功电流，分别作为有功电流调节器和无功电流调节器的电流反馈输入，其中无功电流调节器的目标值规定为0A，经过比例积分运算，最终将无功电流调节为0A，有功电流目标值设置为额定电流，输入给定积分器，经过积分运算使输出逐渐增加，从而控制有功电流调节器的目标值输入缓慢增加，实现功率单元B1的电流软启动。
而且、所述步骤(2)或(3)或(4)中所述的XV对于不同功率的光伏逆变器，其范围在400V到900V之间。
本发明的优点及效果是：
本发明能够实现光伏逆变器在额定功率下的温升测试和效率测试，在产品研发和产品出厂实验阶段都具有非常重要的意义，具体优点和效果如下：
1、本发明结合中大功率光伏逆变器本身的结构，只需要简单的测试用接触器和电阻；
2、本发明只需要将三相交流电网接入测试系统即完成外部接线，该方法对中大功率光伏逆变器进行全功率测试时基本上不消耗电网能量，可在小容量电网完成对装置的大功率测试试验。整个过程除在功率器件和线路上的损耗外，没有其他有功消耗。因此，试验只需从电网取用较少的能量即可使得逆变器输出较大功率，完成测试内容。
3、本发明可以利用光伏逆变器装置本身的特点实现对装置内的两套功率单元进行自动测试，无需外部过多干预，减少人为操作造成的故障。
附图说明
图1是本发明的电路连接结构原理图；
图2是本发明的软件控制流程逻辑框图；
图3是本发明工作在整流状态下的功率单元电压和电流实际波形；
图4是本发明工作在逆变状态下的功率单元电压和电流实际波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统，它包括被测光伏逆变器P1、外部测试电路F1及逆变器控制主机CU。
所述光伏逆变器的内部结构电路如图1中P1部分所示，光伏逆变器内的B1和B2为三相两电平功率单元，两套功率单元通过直流母线并联构成P1的能量变换装置；C1和C2为每套功率单元的滤波单元，分别用于B1和B2的输出滤波；D1为输出变压器，用于将P1和电网隔离，H1为功率单元B1的电流传感器，H2为功率单元B2的电流传感器，H3为光伏逆变器的电流传感器。
所述外部测试电路F1如图1中的F1部分所示，该测试电路由预充电接触器K1与预充电电阻R3串联后并联在交流主接触器K2上。
所述逆变器控制主机CU如图1中的CU部分所示，其与光伏逆变器的连接为：
控制主机CU的UDC端子通过高压采集线与B1和B2的公共直流母线相连，采集直流电压，控制主机CU的UAC端子通过高压采集线与逆变器的输出端相连，采集电网电压，控制主机CU的IB1端子与电流传感器H1相连，采集B1的电流信号，控制主机CU的IB2端子与电流传感器H2相连，采集B2的电流信号，控制主机CU的IB3端子与电流传感器H3相连，采集逆变器的总输出电流，控制主机CU的TP1端子与功率单元B1上的温度传感器R1相连，采集功率单元B1的温度数据，控制主机CU的TP2端子与功率单元B2上的温度传感器R2相连，采集功率单元B2的温度数据。
逆变器控制主机CU的构成及功能为：
信号采集模块：对B1和B2相连的公共直流母线电压进行采集，对逆变器的输出端电网电压进行采集，通过电流传感器H1、H2和H3对功率单元B1、B2的电流和逆变器的总输出电流进行采集，采样时间间隔为400微秒，如图1所示；
数学运算模块：如图2所示，对信号采集模块采集到的数据进行相关控制与数学运算，包括：功率单元B1的数学运算模块S1，功率单元B2的数学运算模块S2，电网电压锁相环模块S3和效率计算模块S4。其中模块S3是将来自信号采集模块的电网电压UAC，转换为电网电压角度和幅值，模块S4接入来自模块S1和S2的信号量，计算出B1和B2的有功功率及光伏逆变器的效率，并通过人机接口模块显示。模块S1与S2中所包含的子模块的功能分别为：
A2、A11为Clark变换模块，其输入信号是来自信号采集模块的电流IB1和IB2，经过运算将三相电流转换到静止坐标系；
A5是给定积分器模块，其输入是来自人机接口模块的外部控制命令，经过积分运算实现有功电流调节器A6的给定信号的软启动功能；
A14为直流电压调节器，其输入信号来自信号采集模块的直流电压UDC，经过比例积分运算输出电流给定到电流调节器；
A3、A12为Park变换模块，将静止坐标系下电流分量转换到和电网同步旋转的坐标系；A6、A15为旋转坐标系下的有功电流调节器，A4、A13为旋转坐标系下的无功电流调节器；A7、A16为Park反变换，将旋转坐标系下的电流给定量转换到静止坐标系；
A8、A17为Clark反变换，将静止坐标系下的电流给定量转换为三相交流电流给定；
A9、A18为电压给定计算模块，将电流给定、电网电压角度和幅值经过运算得到三相电压给定。
A10、A19为PWM脉冲形成，通过三角载波比较计算六路驱动脉冲信号，通过驱动模块输出到装置B1和B2，用于控制每套装置中的六个功率管开关。
驱动输出模块：将控制信号转换为驱动脉冲信号发送给受测装置B1和B2控制功率管开关。
人机接口模块：使用外部键盘将命令信号输入到数学运算模块，实现受测装置B1的电流给定信号的输入和直流电压信号的外部显示和功率单元的温度数据显示。
一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率的测试方法(以250kw光伏逆变器为例具体说明)，测试方法的步骤是：
1、图1中外部设备F1接入电网后，闭合预充电接触器K1；
2、当控制器CU的人机接口中显示由信号采集模块的采集端子UDC采集的直流母线电压大于500V后，手动闭合外部设备F1的主接触器K2；
3、数学运算模块S2首先将功率单元B2的三相交流电流经过Clark变换模块A11转换成为静止坐标系下的电流值，再经过Park变换模块A12将静止坐标系下的电流值转换成为旋转坐标系下的有功电流Id2和无功电流Iq2。然后将直流母线电压作为反馈信号输入到直流电压调节器A14，A14的目标电压规定为600V，经过比例积分运算，A14的输出作为有功电流调节器A15的目标值，A15的反馈值是经过坐标变换得到的有功电流实际值Id2。无功电流调节器A13的作用是将无功电流Iq2经过比例积分运算调节成0A。A13和A15调节的结果作为旋转坐标系下的电压给定再经过Park反变换模块A16和Clark反变换模块A17转换为三相电压给定传给模块A18，模块S3也将电网电压的角度、幅值给到模块A18，由电压给定计算模块A18生成实际电压给定值，最后经过PWM脉冲生成模块A19通过三角波载波比较的方法生成六路PWM脉冲信号，经过驱动输出模块用于控制功率单元B2的功率管的开关，最终将直流母线电压调节到600V；
4、当直流母线电压达到600V后，数学运算模块S1开始运行，首先功率单元B1的三相电流经过Clark变换模块A2和Park变换模块A3转换为有功电流Id1和无功电流Iq1，分别作为有功电流调节器A6和无功电流调节器A4的电流反馈输入，其中A4的目标值规定为0A，经过比例积分运算，最终将无功电流Iq1调节为0A，有功电流目标值ISET设置为额定电流，经过人机接口模块输入到数学运算模块的给定积分器A5，A5经过积分运算使输出逐渐增加，从而控制有功电流调节器A6的目标值输入缓慢增加，从而实现功率单元B1的电流软启动。经过有功电流调节器A6和无功电流调节器A4的运算得到旋转坐标系下的电流给定，再经过Park反变换A7和Clark反变换A8转换为三相电流给定传输给模块A9，模块S3也将电网电压的角度、幅值给到模块A9，由电压给定计算模块A9生成实际电压给定值，最后经过PWM脉冲生成模块A10通过三角波载波比较的方法生成六路PWM脉冲信号，经过驱动输出模块用于控制功率单元B1的功率管的开关，最终保证功率单元B1输出额定电流；
5、功率单元B1输出的电流经过变压器流向功率单元B2，实现能量的环形流动。图3为功率单元B2额定功率下的电压和电流波形，通道1为a相电压波形，通道2为a相电流波形，电压和电流波形同相位，说明装置B2工作于整流状态。图4为功率单元B1额定功率下的电压和电流波形，通道1为a相电压波形，通道2为a相电流波形，电压和电流相位相反，说明装置B1工作于逆变状态；
6、当功率单元B1的电流达到额定电流后，维持当前状态一个小时，使功率单元达到热稳定；
7、在功率单元达到热稳定后，受测光伏逆变器内位于功率单元上的温度传感器R1和R2，通过信号采集模块的TP1和TP2端子采集到控制主机，并经过人机接口模块，显示当前温度。
8、在步骤6状态时，通过效率计算模块S4进行效率计算，分别计算功率单元B1和功率单元B2的有功功率，因为Iq1＝Iq2＝0，而且B1和B2的交流电压相同，最后通过效率计算模块S4计算出光伏逆变器的实际效率，并在人机接口中显示实际效率。
9、完成额定功率测试后，通过人机接口将功率单元B1的电流给定ISET设置到1％，功率单元B1经过给定积分器A5将输出电流逐渐降到1％，功率单元B1和B2停止工作，整个测试过程结束。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率测试系统，它包括被测光伏逆变器P1，其中：被测光伏逆变器P1内的B1和B2为三相两电平功率单元，两套功率单元通过直流母线并联构成P1的能量变换装置；C1和C2为每套功率单元的滤波单元，分别用于B1和B2的输出滤波；D1为输出变压器，用于将P1和电网隔离，H1为功率单元B1的电流传感器，H2为功率单元B2的电流传感器，H3为光伏逆变器的电流传感器；
其特征在于：还包括有：外部测试电路F1及逆变器控制主机CU，外部测试电路F1由预充电接触器K1与预充电电阻R3串联后并联在交流主接触器K2上，K2连接被测光伏逆变器P1的三相交流输出端；
所述逆变器控制主机CU由信号采集模块、数学运算模块、驱动输出模块、人机接口模块构成，其中数学运算模块包含有用于功率单元B1和B2的两路数学运算模块S1和S2、电网电压锁相环模块S3和效率计算模块S4，该数学运算模块对采集来的数据分别计算；其与外部测试电路F1及逆变器的连接结构是：
逆变器控制主机CU的UDC端子通过高压采集线与B1和B2的公共直流母线相连，采集直流电压，控制主机CU的UAC端子通过高压采集线与逆变器的输出端相连，采集电网电压，控制主机CU的IB1端子与电流传感器H1相连，采集B1的电流信号，控制主机CU的IB2端子与电流传感器H2相连，采集B2的电流信号，控制主机CU的IB3端子与电流传感器H3相连，采集逆变器的总输出电流，控制主机CU的TP1端子与功率单元B1上的温度传感器R1相连，采集功率单元B1的温度数据，控制主机CU的TP2端子与功率单元B2上的温度传感器R2相连，采集功率单元B2的温度数据。
2.一种利用权利要求1所述的系统对大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率的测试方法，其特征在于：测试方法的步骤是：
(1)外部测试电路F1接入电网后，闭合预充电接触器K1；
(2)在控制主机中设定逆变器工作在额定功率下的母线电压值为XV，当逆变器控制主机CU的人机接口中显示由信号采集模块的采集端子UDC采集的直流母线电压大于0.8XV后，手动闭合外部设备F1的主接触器K2；
(3)S2模块通过采集到的B2的三相交流电流值，结合S3模块输入的电网电压幅值及角度，经过运算生成B2的实际电压给定值，由实际电压给定值生成六路脉冲信号，六路脉冲信号经过驱动输出模块控制功率单元B2功率管的开关，直到将直流母线电压达到XV；
(4)当直流母线电压达到XV后，S1模块开始运行，通过采集到的B1的三相交流电流值，结合人机接口模块输入的额定电流值，实现B1的电流软启动，结合S3模块输入的电网电压幅值及角度，生成B1的实际电压给定值，由实际电压给定值生成六路脉冲信号，六路脉冲信号经过驱动输出模块控制B1功率管的开关，直到B1的输出电流达到额定输出电流；
(5)功率单元B1输出的电流经过变压器流向功率单元B2，实现能量的环形流动；
(6)当功率单元B1的电流达到额定电流后，维持当前状态一个小时，使功率单元达到热稳定；
(7)在功率单元达到热稳定后，受测光伏逆变器内位于功率单元上的温度传感器R1和R2，通过信号采集模块的TP1和TP2端子采集到控制主机，并经过人机接口模块，显示当前温度；
(8)在步骤(6)状态时，通过效率计算模块S4进行效率计算，分别计算功率单元B1和功率单元B2的有功功率，因为Iq1＝Iq2＝0，而且B1和B2的交流电压相同，最后通过效率计算模块S4计算出光伏逆变器的实际效率，并在人机接口中显示实际效率；
(9)完成额定功率测试后，通过人机接口将功率单元B1的电流给定ISET设置到1％，功率单元B1经过给定积分器A5将输出电流逐渐降到1％，功率单元B1和B2停止工作，整个测试过程结束。
3.根据权利要求2所述的大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率的测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中的运算是将采集到的三相电流经过坐标变换转换为有功电流和无功电流，将无功电流经过比例积分运算调节成0A，将直流母线电压作为反馈信号输入到直流电压调节器，直流电压调节器的目标电压规定为XV，经过比例积分运算，直流电压调节器的输出作为有功电流调节器的目标值，有功电流调节器的反馈值是经过坐标变换得到的有功电流实际值，最后将电流调节器结果、电网电压角度和幅值经过运算得到三相电压给定。
4.根据权利要求2所描述的大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率的测试方法，其特征在于：所述步骤(4)中的实现B1的电流软启动，首先是将采集到的三相电流经过坐标变换转换为有功电流和无功电流，分别作为有功电流调节器和无功电流调节器的电流反馈输入，其中无功电流调节器的目标值规定为0A，经过比例积分运算，最终将无功电流调节为0A，有功电流目标值设置为额定电流，输入给定积分器，经过积分运算使输出逐渐增加，从而控制有功电流调节器的目标值输入缓慢增加，实现功率单元B1的电流软启动。
5.根据权利要求2所描述的大功率光伏逆变器额定功率下的温升和效率的测试方法，其特征在于：步骤(2)或(3)或(4)中所述的XV对于不同功率的光伏逆变器，其范围在400V 到900V之间。
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