CN104764943B - 一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模块化多电平变换器的试验电路，具体涉及一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路及其试验方法。本发明使用两个模块化多电平桥臂搭建单相试验电路，接无源阻感性负载，通过开环无源逆变算法和电容平衡算法，输出正弦电压和正弦电流，模拟模块化多电平变换器的正常工作，完成模块化多电平变换器电气和电容平衡算法的测试。试验电路中直流侧由电压源支撑，使得控制算法中不需要对直流电压进行控制，简化了试验的控制器算法。在试验电路直流侧直流电压源上并联电容器，使得直流母线和桥臂内可流通双向电流，解决了单独试验直流电压源时，子模块只能充电，不能放电的问题。
Description
技术领域
本发明涉及模块化多电平变换器的试验电路，具体涉及一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路及其试验方法。
背景技术
模块化多电平变换器利用子模块串联，可以使用较低电压的可关断器件实现高电压输出，并且可以运用较低的开关频率得到较优的输出电压波形，低开关频率带来器件开关损耗及系统总损耗的极大降低，提高了换流系统的效率、可靠性及经济性。模块化多电平变换器被应用于柔性直流输电，高压变频器等领域。
在模块化多电平变换器研制过程中，需要先针对功率器件，子模块，阀段等各个层次进行测试，再对整个变换器进行测试。这样可以先排除小的功能单元内的故障，便于分析解决测试中发现的问题。针对单相（两个桥臂）变换器进行的测试可实现对子模块电气特性，桥臂内和相内电容电压平衡策略进行验证。相对于完整的三相变换器测试，针对单相变换器的测试可以减少测试所使用的子模块数量，简化试验电路，降低可能由于故障而导致的损失。
为完成测试试验，需要搭建试验电路。试验电路应在能够等效实际运行状况的前提下，尽量简单，以便于实现。
模块化多电平变换器不同于两电平变换器。模块化多电平变换器没有像两电平变换器的集中的直流母线，其直流支撑电容分散于各个子模块中。由于桥臂电流会对子模块电容产生充电或放电作用，模块化多电平变换器每个桥臂中既要有正向电流，也要有负向电流，以使子模块既能充电，也能放电，电压才能维持在一定范围内，而不至于一直充电或一直放电导致电路最终无法工作。而常规的直流电压源只能输出正向电流，因此，模块化多电平变换器单相逆变电路不能直接与直流电压源并联。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路及其试验方法，该试验电路由单相模块化多电平桥臂构成，并配有必要的直流支撑电源和辅助器件，可实现对模块化多电平子模块电气特性和桥臂均压算法的验证。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路，其改进之处在于，所述试验电路包括并联的模块化多电平单相桥臂、电容器串联支路和直流电压源串联支路，负载的一端连接在模块化多电平单相桥臂的两个电抗器中间，另一端通过电容器串联支路连接在直流电压源串联支路的两个直流电压源中间。
进一步地，所述模块化多电平单相桥臂由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平变换器的交流输出端；
所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和n个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平变换器的交流输出端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端分别与电容器串联支路的一端和直流电压源串联支路的一端连接，形成模块化多电平变换器直流端的正负极母线；
所述模块化多电平单相桥臂的电流等于直流端的正负极母线之间的电流。
进一步地，所述子模块的个数n≥2，所述子模块由并联半桥结构和直流电容器支路构成；在半桥结构和直流电容器支路之间并联有均压电阻，用于子模块在闭锁状态下的均压，以及停机闭锁后子模块电容器电压的泄放；
所述半桥由上半桥臂和下半桥臂构成，所述上半桥臂和下半桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的二极管组成。
进一步地，所述电容器串联支路由串联的两个电容器组成；所述直流电压源串联支路由串联的两个直流电压源组成；所述两个直流电压源的输出电压相等，均为模块化多电平变换器额定直流电压的一半。
进一步地，所述负载为阻感性负载。
本发明基于另一目的提供的一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路的试验方法，其改进之处在于，在试验电路连接完成后，所述模块化多电平变换器中的子模块均处于闭锁状态，所述试验方法包括下述步骤：
（1）将两个直流电压源开启，并将两个直流电压源的输出电压调整到测试电压，设计测试电压为±250V；
（2）观测子模块电容器电压，并检测子模块电容器电压是否均衡，判断是否有子模块电容电压过高或过低，子模块设计电压范围为1V至6V；有子模块电容器电压出现异常，关闭两个直流电压源，待子模块电容器电压泄放完毕后，对故障子模块进行处理；若子模块电容器电压正常，则进行步骤（3）；
（3）两个直流电压源上电，子模块电容器电压均压正常后，通过子模块内部设计的控制器控制模块化多电平变换器内的子模块解锁，模块化多电平变换器采用最近电平逼近调制方式（如当前要求输出50个子模块电压和，则控制50个子模块输出为正，实时逼近当前电压要求），输出工频50Hz正弦电压，模块化多电平单相桥臂内应用电容器电压平衡算法保证其内子模块均压；
（4）模块化多电平变换器运行后，通过检测子模块均压效果和输出波形质量对子模块均压算法进行验证；如果模块化多电平变换器内子模块电容器电压之间的差异在设计范围之内，设计为子模块电容器电压为0.5V，输出电压波形畸变小，说明子模块均压算法效果好；反之，则需对子模块均压算法进行改进。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明使用两个模块化多电平桥臂搭建单相实试验电路，接无源阻感性负载，通过开环无源逆变算法和电容平衡算法，输出正弦电压和正弦电流，模拟模块化多电平变换器的正常工作，完成变换器电气和电容平衡算法的测试。
2、针对单相（两个桥臂）变换器进行的测试可实现对子模块电气特性，桥臂内和相内电容电压平衡策略进行验证。相对于完整的三相变换器测试，针对单相变换器的测试可以减少测试所使用的子模块数量，简化试验电路，降低可能由于故障而导致的损失。
3、在试验电路直流侧直流电压源上并联电容器串联支路，使得直流母线和桥臂内可流通双向电流，解决了单独试验直流电压源时，子模块只能充电，不能放电的问题。
4、在试验电路中直流侧由电压源支撑，使得控制算法中不需要对直流电压进行控制，简化了试验的控制器算法。
5、提出的试验电路简单，易实现。
附图说明
图1是本发明提供的模块化多电平变换器单相逆变试验电路拓扑图；
图2是本发明提供的子模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明的提供一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路，其拓扑图如图1所示，试验电路包括并联的模块化多电平单相桥臂、电容器串联支路和直流电压源串联支路，负载的一端连接在模块化多电平单相桥臂的两个电抗器中间，另一端通过电容器串联支路连接在直流电压源串联支路的两个直流电压源中间。
模块化多电平单相桥臂由串联的结构相同的上桥臂Leg1和下桥臂Leg2构成。上桥臂由n个子模块SM11，SM12，SM13……SM1n串联构成，下桥臂由n个子模块SM21，SM22，SM23……SM2n串联构成。每个桥臂的n个子模块级联后一端通过两个电抗器Lu和Ll相连于C点，中间C点作为模块化多电平变换器的交流输出端；每个桥臂的子模块级联后另一端分别与电容器串联支路的一端和直流电压源串联支路的一端连接，形成模块化多电平变换器直流端的正负极母线；模块化多电平单相桥臂的电流等于直流端的正负极母线之间的电流。桥臂内串联子模块个数n与实际应用时的三相变换器中相同。每个子模块的内部电路如图2所示。以上桥臂第一个子模块SM11为例，子模块内部电路包括一个直流电容C11，两个可关断器件T11，T12，和两个分别并联在可关断器件上的功率二极管D11，D12。为实现子模块在闭锁状态下的均压，以及停机闭锁后子模块电容电压泄放，子模块直流电容并联一个均压电阻R11。
直流侧直流电压源串联支路包括两个串联的独立直流电压源Udc1，Udc2。两电压源的输出电压相等，均为模块化多电平变换器的额定直流电压的一半，电压源Udc1下端与电压源Udc2上端连接于O点。两个直流电压源各并联一个电容，直流电压源Udc1与电容C1并联，直流电压源Udc2与电容C2并联。直流电压源Udc1的上端与上桥臂Leg1的上端连接于A点，直流电压源Udc2的下端与下桥臂Leg2的下端连接于B点。负载Z为阻感性，一端接电抗器中间C点，一端接串联直流电压源中间O。
试验电路中在直流电压源Udc1和Udc2并联电容C1和C2是为了让桥臂有双向电流流过。由于试验电路为单相，桥臂电流就是直流母线电流，如果直流母线只由直流电压源支撑，直流母线电流只能是单方向的，桥臂中流过单向电流，子模块只能充电，不能放电，最终将导致子模块过压损坏。并联电容后，电容可提供双向的电流，桥臂电流也为双向，桥臂子模块电压能够保持在一定范围内。
本发明还提供一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路的试验方法，试验中，在试验电路连接完成后，变换器内所有子模块处于闭锁状态，该方法包括下述步骤：
（1）将两个直流电压源开启，并将两个直流电压源的输出电压调整到测试电压，设计测试电压为±250V；
（2）观测子模块电容器电压，并检测子模块电容器电压是否均衡，判断是否有子模块电容电压过高或过低，子模块设计电压范围为1V至6V；有子模块电容器电压出现异常，关闭两个直流电压源，待子模块电容器电压泄放完毕后，对故障子模块进行处理；若子模块电容器电压正常，则进行步骤（3）；
（3）两个直流电压源上电，子模块电容器电压均压正常后，通过子模块内部设计的控制器控制模块化多电平变换器内的子模块解锁，模块化多电平变换器采用最近电平逼近调制方式（如当前要求输出50个子模块电压和，则控制50个子模块输出为正，实时逼近当前电压要求），输出工频50Hz正弦电压，模块化多电平单相桥臂内应用电容器电压平衡算法保证其内子模块均压；
（4）模块化多电平变换器运行后，通过检测子模块均压效果和输出波形质量对子模块均压算法进行验证；如果模块化多电平变换器内子模块电容器电压之间的差异在设计范围之内，设计为子模块电容器电压为0.5V，输出电压波形畸变小，说明子模块均压算法效果好；反之，则需对子模块均压算法进行改进。
本发明提供的模块化多电平变换器单相逆变试验电路及其试验方法，使用两个模块化多电平桥臂搭建单相试验电路，接无源阻感性负载，通过开环无源逆变算法和电容平衡算法，输出正弦电压和正弦电流，模拟模块化多电平变换器的正常工作，完成模块化多电平变换器电气和电容平衡算法的测试。
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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路，其特征在于，所述试验电路包括并联的模块化多电平单相桥臂、电容器串联支路和直流电压源串联支路，负载的一端连接在模块化多电平单相桥臂的两个电抗器中间，另一端通过电容器串联支路连接在直流电压源串联支路的两个直流电压源中间；
所述模块化多电平单相桥臂由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平变换器的交流输出端；
所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和n个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平变换器的交流输出端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端分别与电容器串联支路的一端和直流电压源串联支路的一端连接，形成模块化多电平变换器直流端的正负极母线；
所述模块化多电平单相桥臂的电流等于直流端的正负极母线之间的电流；
所述子模块的个数n≥2，所述子模块由并联半桥结构和直流电容器支路构成；在半桥结构和直流电容器支路之间并联有均压电阻，用于子模块在闭锁状态下的均压，以及停机闭锁后子模块电容器电压的泄放；
所述半桥由上半桥臂和下半桥臂构成，所述上半桥臂和下半桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的二极管组成；
所述电容器串联支路由串联的两个电容器组成；所述直流电压源串联支路由串联的两个直流电压源组成；所述两个直流电压源的输出电压相等，均为模块化多电平变换器额定直流电压的一半；
所述负载为阻感性负载。
2.一种模块化多电平变换器单相逆变试验电路的试验方法，其特征在于，在试验电路连接完成后，所述模块化多电平变换器中的子模块均处于闭锁状态，所述试验方法包括下述步骤：
(1)将两个直流电压源开启，并将两个直流电压源的输出电压调整到测试电压，设计测试电压为±250V；
(2)观测子模块电容器电压，并检测子模块电容器电压是否均衡，判断是否有子模块电容电压过高或过低，子模块设计电压范围为1V至6V；有子模块电容器电压出现异常，关闭两个直流电压源，待子模块电容器电压泄放完毕后，对故障子模块进行处理；若子模块电容器电压正常，则进行步骤(3)；
(3)两个直流电压源上电，子模块电容器电压均压正常后，通过子模块内部设计的控制器控制模块化多电平变换器内的子模块解锁，模块化多电平变换器采用最近电平逼近调制方式，输出工频50Hz正弦电压，模块化多电平单相桥臂内应用电容器电压平衡算法保证其内子模块均压；
(4)模块化多电平变换器运行后，通过检测子模块均压效果和输出波形质量对子模块均压算法进行验证；如果模块化多电平变换器内子模块电容器电压之间的差异在设计范围之内，设计为子模块电容器电压为0.5V，输出电压波形畸变小，说明子模块均压算法效果好；反之，则需对子模块均压算法进行改进。
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2014
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| CN104764943A (zh) | 2015-07-08 |
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