CN104698395A - 一种mmc低压动模子模块对拖功能测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MMC低压动模子模块对拖功能测试系统和方法，测试系统包括直流电源、第一低压动模子模块、第一电流传感器、电抗器、第二电流传感器、第二低压动模子模块和PWM控制器；直流电源与第一低压动模子模块和第二低压动模子模块并联，第一低压动模子模块通过电抗器与第二低压动模子模块相连接，第一电流传感器和第二电流传感器采集第一低压动模子模块和第二低压动模子模块的输出电流；PWM控制器与第一低压动模子模块和第二动模子模块连接。本发明能够通过调节PWM控制器，控制低压动模子模块主电路模块中的IGBT的开通关断时间长度，影响流经IGBT和均压电容的峰值电流和热电流，实现在不同工况下对低压动模子模块电压、电流和热应力的考核分析。

Description

一种MMC低压动模子模块对拖功能测试系统和方法

技术领域

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种MMC低压动模子模块对拖功能测试系统和方法。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流技术(VSC-HVDC)具有可向孤岛供电、有功和无功功率独立调节、不会出现换相失败、不需无功补偿、可进行长距离海底电缆输电等优点。近年来该类型输电技术理论及工程建设在世界范围内呈迅速发展的趋势。

模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter，MMC)是一种新型的电压变换电路，它通过将多个子模块级联的方式，可以叠加输出很高的电压，并且还具有输出谐波少、模块化程度高等特点，因而在电力系统中具有广泛的应用前景。

在以往的基础上，基于MMC的高压直流输电技术(MMC-HVDC)实现了在高压直流输电技术领域的应用。我国第一条MMC-HVDC工程-中国电力科学研究院与上海市电力公司联合研发的上海南汇风电场20MVA柔性直流输电示范工程已经投运成功，更大规模的城市供电直流输电系统建设已经展开，迫切需要对该工程的控制策略和控制保护系统平台，以及阀基电子控制系统的控制策略，进行各种关键技术验证。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种MMC低压动模子模块对拖功能测试系统和方法，能够通过调节PWM控制器，实现在不同工况下对低压动模子模块进行电压、电流和热应力的考核分析，通过调节PWM控制器，控制MMC低压动模子模块主电路模块中的IGBT的开通关断时间长度，来影响流经IGBT和均压电容的峰值电流和热电流。试验中回路消耗的能量靠该实验装置补偿实现平衡。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，所述测试系统包括直流电源、第一低压动模子模块、第一电流传感器、电抗器、第二电流传感器、第二低压动模子模块和PWM控制器；

所述直流电源与第一低压动模子模块和第二低压动模子模块分别并联，所述第一低压动模子模块通过电抗器与第二低压动模子模块相连接，所述第一电流传感器和第二电流传感器分别采集第一低压动模子模块和第二低压动模子模块的输出电流；所述PWM控制器通过光纤与第一低压动模子模块和第二动模子模块分别连接，并发送指令给第一低压子模块和第二低压子模块，从而控制第一低压子模块和第二低压子模块中主电路模块的通断。

所述第一电流传感器和第二电流传感器均采用霍尔传感器。

所述第一低压动模子模块包括第一主电路模块和第一控制模块；所述第二低压动模子模块包括第二主电路模块和第二控制模块。

所述第一主电路模块包括IGBT1、IGBT2、并联电容C1和均压电阻R1；所述IGBT1和IGBT2分别带反并联二极管D1和D2；

所述IGBT1的发射极连接IGBT2的集电极，形成IGBT1和IGBT2的连接点A；并联电容C1的正极连接IGBT1的集电极，负极连接IGBT2的发射极，均压电阻R1与并联电容C1并联。

所述第二主电路模块包括IGBT3、IGBT4、并联电容C2和均压电阻R2；所述IGBT3和IGBT4分别带反并联二极管D3和D4；

所述IGBT3的发射极连接IGBT4的集电极，形成IGBT3和IGBT4的连接点B；并联电容C2的正极连接IGBT3的集电极，负极连接IGBT4的发射极，均压电阻R2与并联电容C2并联。

所述测试系统还包括隔离开关，隔离开关一端连接IGBT1和IGBT2的连接点A，其另一端连接IGBT3和IGBT4的连接点B。

所述第一控制模块和第二控制模块均包括数字处理器、电容电压检测模块、状态检测模块和开关元件驱动模块；所述数字处理器采用FPGA或DSP。

本发明还提供一种采用MMC低压动模子模块对拖功能测试系统对MMC低压动模子模块对拖功能进行测试方法，所述方法包括：

闭合隔离开关，PWM控制器分别向第一低压动模子模块和第二低压动模子模块发送调制深度M相等，相位相差π的SPWM波形忽略SPWM波形中的高频分量，并计算第一低压动模子模块的输出电压和第二低压动模子模块的输出电压；

调节直流电源，使直流电源两侧电压升高，并通过第一电流传感器采集第一低压动模子模块的输出电流；当第一电流传感器采集的第一低压动模子模块的输出电流峰值超过6A时，停止调节直流电源；

断开隔离开关，测量并计算电抗器的电气参数、第一低压动模子模块输出的有功功率及直流电源的输出电流；其中电抗器的电气参数包括电抗器两端的电压和通过电抗器的电流；

调节直流电源，使第一低压动模子模块的直流侧电容电压降低至0V，并关闭直流电源。

设第一低压动模子模块的输出电压和第二低压动模子模块的输出电压分别用U_A和U_B表示，有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_A=\frac{u_D}{2}(1+M\cos (100\mathrm{\π}\·t))\\ u_B=\frac{u_C}{2}(1-M\cos (100\mathrm{\π}\·t))\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_C为第二低压动模子模块的直流侧电容电压，M为PWM控制器所发送的SPWM波形的调制深度。

电抗器两端的电压为电抗器两端的直流分量u_AB(dc)和电抗器两端的交流分量u_AB(ac)之和，具体有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{dc}\right)}=\frac{u_{\mathrm{DC}}}{2}\\ u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{ac}\right)}=M\·\left(\frac{u_D+u_C}{2}\right)\·\cos (100\mathrm{\π}\·t)\\ u_{\mathrm{AB}}=u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{dc}\right)}+u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{ac}\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u_AB为电抗器两端的电压，u_DC为直流电源两侧电压，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_C为第二低压动模子模块的直流侧电容电压，M为PWM控制器所发送的SPWM波形的调制深度；

通过电抗器的电流为通过电抗器的直流电流分量i_A(dc)和交流电流分量i_A(ac)之和，具体有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{A\left(\mathrm{dc}\right)}=\frac{u_{\mathrm{DC}}}{2\·r}\\ i_{A\left(\mathrm{ac}\right)}=M\·\left(\frac{u_D+u_C}{200\mathrm{\π}\·L}\right)\·\cos (100\mathrm{\π}\·t-\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ i_A=i_{A\left(\mathrm{dc}\right)}+i_{A\left(\mathrm{ac}\right)}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_A为通过电抗器的电流，r为电抗器中所含电感的内阻。

第一低压动模子模块输出的有功功率用P₂表示，有：

$P_2=\frac{u_D\·u_{\mathrm{DC}}}{4\·r}---\left(4\right)$

其中，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_DC为直流电源两侧电压，r为电抗器中所含电感的内阻；

根据能量守恒定律，直流电源的输出功率P₁近似等于P₂，于是有：

P₁＝u_D·i_D≈P₂  (5)

其中，i_D为直流电源的输出电流，由式(4)可得：

$i_D\≈\frac{u_{\mathrm{DC}}}{4\·r}=\frac{i_{A\left(\mathrm{dc}\right)}}{2}---\left(6\right).$

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明为MMC低压动模子模块电气应力和热应力的性能验证，提供的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统容易实现，结构简单；

2.可以对MMC低压动模子模块的电压电流应力、器件失效率、器件损耗等进行实际测试、分析和计算；

3.MMC低压动模子模块对拖功能测试方法对检验低压子模块各器件的配合性能方面提供了有效的技术手段。

附图说明

图1是本发明实施例中MMC低压动模子模块对拖功能测试系统结构图；

图2是本发明实施例中第一主电路模块结构图；

图3是发明实施例中换流阀中低压动模子模块布局图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

因为大容量MMC工程的子模块数量非常多，在工程中要升级子模块的的控制保护逻辑几乎不可能，而动模平台采用和工程子模块中控板相同的硬件架构，动模平台的程序可以和工程上子模块控制保护逻辑一致，这样可以通过动模平台在工程之前对控制系统的控制保护逻辑及和阀基控制系统的配合进行充分长时间的验证。

如图1，本发明提供一种MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，所述测试系统包括直流电源D、第一低压动模子模块SM1、第一电流传感器、电抗器L、第二电流传感器、第 二低压动模子模块SM2和PWM控制器；

所述直流电源与第一低压动模子模块和第二低压动模子模块分别并联，所述第一低压动模子模块通过电抗器与第二低压动模子模块相连接，所述第一电流传感器和第二电流传感器分别采集第一低压动模子模块和第二低压动模子模块的输出电流；所述PWM控制器通过光纤与第一低压动模子模块和第二动模子模块分别连接，并发送指令给第一低压子模块和第二低压子模块，从而控制第一低压子模块和第二低压子模块中主电路模块的通断。

所述第一电流传感器和第二电流传感器均采用霍尔传感器。

所述第一低压动模子模块包括第一主电路模块和第一控制模块；所述第二低压动模子模块包括第二主电路模块和第二控制模块。

如图2，所述第一主电路模块包括IGBT1、IGBT2、并联电容C1和均压电阻R1；所述IGBT1和IGBT2分别带反并联二极管D1和D2；

所述IGBT1的发射极连接IGBT2的集电极，形成IGBT1和IGBT2的连接点A；并联电容C1的正极连接IGBT1的集电极，负极连接IGBT2的发射极，均压电阻R1与并联电容C1并联。

所述第二主电路模块包括IGBT3、IGBT4、并联电容C2和均压电阻R2；所述IGBT3和IGBT4分别带反并联二极管D3和D4；

所述IGBT3的发射极连接IGBT4的集电极，形成IGBT3和IGBT4的连接点B；并联电容C2的正极连接IGBT3的集电极，负极连接IGBT4的发射极，均压电阻R2与并联电容C2并联。

所述测试系统还包括隔离开关K，隔离开关K一端连接IGBT1和IGBT2的连接点A，其另一端连接IGBT3和IGBT4的连接点B。

所述第一控制模块和第二控制模块均包括数字处理器、电容电压检测模块、状态检测模块和开关元件驱动模块；所述数字处理器采用FPGA或DSP。

本发明还提供一种采用MMC低压动模子模块对拖功能测试系统对MMC低压动模子模块对拖功能进行测试方法，所述方法包括：

闭合隔离开关，PWM控制器分别向第一低压动模子模块和第二低压动模子模块发送调制深度M相等，相位相差π的SPWM波形忽略SPWM波形中的高频分量，并计算第一低压动模子模块的输出电压和第二低压动模子模块的输出电压；

调节直流电源，使直流电源两侧电压升高，并通过第一电流传感器采集第一低压动模子模块的输出电流；当第一电流传感器采集的第一低压动模子模块的输出电流峰值超过6A时， 停止调节直流电源；

断开隔离开关，测量并计算电抗器的电气参数、第一低压动模子模块输出的有功功率及直流电源的输出电流；其中电抗器的电气参数包括电抗器两端的电压和通过电抗器的电流；

调节直流电源，使第一低压动模子模块的直流侧电容电压降低至0V，并关闭直流电源。

设第一低压动模子模块的输出电压和第二低压动模子模块的输出电压分别用U_A和U_B表示，有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_A=\frac{u_D}{2}(1+M\cos (100\mathrm{\π}\·t))\\ u_B=\frac{u_C}{2}(1-M\cos (100\mathrm{\π}\·t))\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_C为第二低压动模子模块的直流侧电容电压，M为PWM控制器所发送的SPWM波形的调制深度。

电抗器两端的电压为电抗器两端的直流分量u_AB(dc)和电抗器两端的交流分量u_AB(ac)之和，具体有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{dc}\right)}=\frac{u_{\mathrm{DC}}}{2}\\ u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{ac}\right)}=M\·\left(\frac{u_D+u_C}{2}\right)\·\cos (100\mathrm{\π}\·t)\\ u_{\mathrm{AB}}=u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{dc}\right)}+u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{ac}\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u_AB为电抗器两端的电压，u_DC为直流电源两侧电压，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_C为第二低压动模子模块的直流侧电容电压，M为PWM控制器所发送的SPWM波形的调制深度；

通过电抗器的电流为通过电抗器的直流电流分量i_A(dc)和交流电流分量i_A(ac)之和，具体有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{A\left(\mathrm{dc}\right)}=\frac{u_{\mathrm{DC}}}{2\·r}\\ i_{A\left(\mathrm{ac}\right)}=M\·\left(\frac{u_D+u_C}{200\mathrm{\π}\·L}\right)\·\cos (100\mathrm{\π}\·t-\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ i_A=i_{A\left(\mathrm{dc}\right)}+i_{A\left(\mathrm{ac}\right)}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_A为通过电抗器的电流，r为电抗器中所含电感的内阻。

第一低压动模子模块输出的有功功率用P₂表示，有：

$P_2=\frac{u_D\·u_{\mathrm{DC}}}{4\·r}---\left(4\right)$

其中，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_DC为直流电源两侧电压，r为电抗器中所含电感的内阻；

根据能量守恒定律，直流电源的输出功率P₁近似等于P₂，于是有：

P₁＝u_D·i_D≈P₂  (5)

其中，i_D为直流电源的输出电流，由式(4)可得：

$i_D\≈\frac{u_{\mathrm{DC}}}{4\·r}=\frac{i_{A\left(\mathrm{dc}\right)}}{2}---\left(6\right).$

采用以上测试系统和测试方法共测试了三组数据：A组M为75％、电抗20mH；B组M为99％、电抗20mH、C组M为99％、电抗9mH。每组试验测量了A点电压、电流，B点电压、电流，C点电压、电流，AB两点电压。电流传感器的传递函数为1A/100mV。数据如表1：

表1

	A	B	C
				uD(V)	20.5	20.5	16.3
iD(A)	0.14	0.19	0.59
				uC(Vrms)	20.3	19.9	15.6
uC(Vp-p)	1.75	1.8	3.2
				iA(Arms)	1.83	2.25	4.48
iA(Adc)	0.2	0.4	1.2

经过测试后，可得到如下有益结论：

C组实验运行1小时20分钟后，Q1～Q4与电容温度和室温相近。根据表1中的原始数据可以得出：

1.ABC三组测试中U_A超前I_A相位π/2；

2.ABC三组测试中U_B落后I_B相位π/2；

3.ABC三组测试中U_AB超前I_B相位π/2；

4.当I_B>0时，电容充电，U_C上升；I_B<0时，电容放电，U_C下降；

5.图1中显示，Q3两端电压与I_C有同步关系；

6.表1中显示，ABC三组中的I_A均含有直流分量I_A(dc)，其与i_D的关系大致满足式(6)；

7.该低压动模子模块工作良好，长期工作在20V、4.48A的情况下没有明显发热。

以上结论均与理论分析吻合。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，其特征在于：所述测试系统包括直流电源、第一低压动模子模块、第一电流传感器、电抗器、第二电流传感器、第二低压动模子模块和PWM控制器；

所述直流电源与第一低压动模子模块和第二低压动模子模块分别并联，所述第一低压动模子模块通过电抗器与第二低压动模子模块相连接，所述第一电流传感器和第二电流传感器分别采集第一低压动模子模块和第二低压动模子模块的输出电流；所述PWM控制器通过光纤与第一低压动模子模块和第二动模子模块分别连接，并发送指令给第一低压子模块和第二低压子模块，从而控制第一低压子模块和第二低压子模块中主电路模块的通断。

2.根据权利要求1所述的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，其特征在于：所述第一电流传感器和第二电流传感器均采用霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，其特征在于：所述第一低压动模子模块包括第一主电路模块和第一控制模块；所述第二低压动模子模块包括第二主电路模块和第二控制模块。

4.根据权利要求3所述的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，其特征在于：所述第一主电路模块包括IGBT1、IGBT2、并联电容C1和均压电阻R1；所述IGBT1和IGBT2分别带反并联二极管D1和D2；

所述IGBT1的发射极连接IGBT2的集电极，形成IGBT1和IGBT2的连接点A；并联电容C1的正极连接IGBT1的集电极，负极连接IGBT2的发射极，均压电阻R1与并联电容C1并联。

5.根据权利要求3所述的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，其特征在于：所述第二主电路模块包括IGBT3、IGBT4、并联电容C2和均压电阻R2；所述IGBT3和IGBT4分别带反并联二极管D3和D4；

所述IGBT3的发射极连接IGBT4的集电极，形成IGBT3和IGBT4的连接点B；并联电容C2的正极连接IGBT3的集电极，负极连接IGBT4的发射极，均压电阻R2与并联电容C2并联。

6.根据权利要求4或5所述的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括隔离开关，隔离开关一端连接IGBT1和IGBT2的连接点A，其另一端连接IGBT3和IGBT4的连接点B。

7.根据权利要求3所述的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统，其特征在于：所述第一控制模块和第二控制模块均包括数字处理器、电容电压检测模块、状态检测模块和开关元件驱动模块；所述数字处理器采用FPGA或DSP。

8.一种采用权利要求1-7任一所述的MMC低压动模子模块对拖功能测试系统对MMC低压动模子模块对拖功能进行测试方法，其特征在于：所述方法包括：

闭合隔离开关，PWM控制器分别向第一低压动模子模块和第二低压动模子模块发送调制深度M相等，相位相差π的SPWM波形忽略SPWM波形中的高频分量，并计算第一低压动模子模块的输出电压和第二低压动模子模块的输出电压；

调节直流电源，使直流电源两侧电压升高，并通过第一电流传感器采集第一低压动模子模块的输出电流；当第一电流传感器采集的第一低压动模子模块的输出电流峰值超过6A时，停止调节直流电源；

断开隔离开关，测量并计算电抗器的电气参数、第一低压动模子模块输出的有功功率及直流电源的输出电流；其中电抗器的电气参数包括电抗器两端的电压和通过电抗器的电流；

调节直流电源，使第一低压动模子模块的直流侧电容电压降低至0V，并关闭直流电源。

9.根据权利要求8所述的对MMC低压动模子模块对拖功能进行测试方法，其特征在于：设第一低压动模子模块的输出电压和第二低压动模子模块的输出电压分别用U_A和U_B表示，有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_A=\frac{u_D}{2}(1+M\cos (100\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;t))\\ u_B=\frac{u_C}{2}(1-M\cos (100\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;t))\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_C为第二低压动模子模块的直流侧电容电压，M为PWM控制器所发送的SPWM波形的调制深度。

10.根据权利要求8所述的对MMC低压动模子模块对拖功能进行测试方法，其特征在于：电抗器两端的电压为电抗器两端的直流分量u_AB(dc)和电抗器两端的交流分量u_AB(ac)之和，具体有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{dc}\right)}=\frac{u_{\mathrm{DC}}}{2}\\ u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{ac}\right)}=M\&CenterDot;\left(\frac{u_D+u_C}{2}\right)\&CenterDot;\cos (100\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;t)\\ u_{\mathrm{AB}}=u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{dc}\right)}+u_{\mathrm{AB}\left(\mathrm{ac}\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u_AB为电抗器两端的电压，u_DC为直流电源两侧电压，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_C为第二低压动模子模块的直流侧电容电压，M为PWM控制器所发送的SPWM波形的调制深度；

通过电抗器的电流为通过电抗器的直流电流分量i_A(dc)和交流电流分量i_A(ac)之和，具体有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{A\left(\mathrm{dc}\right)}=\frac{u_{\mathrm{DC}}}{2\&CenterDot;r}\\ i_{A\left(\mathrm{ac}\right)}=M\&CenterDot;\left(\frac{u_D+u_C}{200\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;L}\right)\&CenterDot;\cos (100\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;t-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\\ i_A=i_{A\left(\mathrm{dc}\right)}+i_{A\left(\mathrm{ac}\right)}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_A为通过电抗器的电流，r为电抗器中所含电感的内阻。

11.根据权利要求8所述的对MMC低压动模子模块对拖功能进行测试方法，其特征在于：第一低压动模子模块输出的有功功率用P₂表示，有：

$P_2=\frac{u_D\&CenterDot;u_{\mathrm{DC}}}{4\&CenterDot;r}---\left(4\right)$

其中，u_D为第一低压动模子模块的直流侧电容电压，u_DC为直流电源两侧电压，r为电抗器中所含电感的内阻；

根据能量守恒定律，直流电源的输出功率P₁近似等于P₂，于是有：

P₁＝u_D·i_D≈P₂  (5)

其中，i_D为直流电源的输出电流，由式(4)可得：

$i_D\&ap;\frac{u_{\mathrm{DC}}}{4\&CenterDot;r}=\frac{i_{A\left(\mathrm{dc}\right)}}{2}---\left(6\right).$