CN104865440A - 智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法 - Google Patents

Abstract

一种智能电能路由器直流单元谐振参数的测试方法，包括以下步骤：实时采集输入智能电能路由器直流单元低压侧的电压和电流值；计算输入智能电能路由器直流单元低压侧的有功功率；判断智能电能路由器直流单元开关频率的调整效果；确定智能电能路由器直流单元开关频率的调整方向；确定智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度。

Description

智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法

技术领域

本发明涉及一种智能电能路由器直流单元的测试方法，特别涉及一种智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法。

背景技术

随着智能电网的发展，采用包含高频隔离变压器的智能电能路由器作为一种先进的电力电子技术，不仅能实现不同直流电压等级的系统的电气隔离和电压匹配，还能实现功率流动的灵活和智能管理。直流单元作为智能电能路由器中的核心部件，其关键参数，如谐振频率，测试的准确程度直接影响智能电能路由器正常工作时性能的优劣。目前智能电能路由器直流单元谐振频率的测试主要是通过提取电压和电流的特征量，如电压和电流的相位差，判断智能电能路由器直流单元是否处于谐振状态，后离线调节开关频率，最终得到直流单元的谐振频率，其主要操作流程包括：采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路电压电流数据，通过示波器观测输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压和电流的相位差，根据此相位差确定开关频率调整方向和调整幅度，离线调整开关频率，重复以上步骤直到找到谐振频率点。在实际生产制造中，对于一批直流单元而言，由于其器件实际参数与标称参数间实际存在的误差，必须对每一组直流单元进行测量，获得其准确的谐振频率参数。同时，智能电能路由器直流单元在正常工作时，由于IGBT和二极管的开通和关断，会产生大量的谐波电流，在观测电压和电流相位差时，易引入较大误差。因此，在大规模的测试直流单元时，现有的基于提取电压和电流特征量的测试方法不仅步骤繁杂，效率低下，且测试精度较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有基于提取电压和电流特征量的智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法所带来的如测试步骤繁杂、测试效率低且精度较低等缺点，提出一种智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法。本发明采用的是基于智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路传输功率的自适应测试方法。该方法以能量传输为着眼点，将传统的测试方法中的电压和电流两个特征参量综合，统一用传输功率这一特征参量表征。采用此特征参量，不仅能够减小谐波电流对测试效果的影响，而且能实现自适应获取直流单元的谐振参数。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

应用本发明的智能电能路由器直流单元主要由3部分构成：带有谐振电容的高压侧H桥电路，高频变压器和带有谐振电容的低压侧H桥电路。高压侧H桥电路与高频变压器的高压侧相连，低压侧H桥电路与高频变压器的低压侧相连。

本发明智能电能路由器直流单元谐振参数的测试方法包括如下步骤：

1、实时采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压和电流值

启动智能电能路由器直流单元，在带阻性负载的工况下，使智能电能路由器直流单元进入稳态并输出额定电压。然后采集输入被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的瞬时电压值和瞬时电流值，分别记为u_sec和i_sec；

2、计算输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率

根据步骤1采集的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压u_sec的波形，在上位机中判断其极性翻转的时间间隔t，从而得到智能电能路由器直流单元当前的工作频率f_n＝1/(2t)，因此可以计算出输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的有功功率P，如下式(1)所示，其中t₀为计算的初始时刻，

$P=f_n{\∫}_{t_0}^{t_0+2\mathrm{\Δt}}{u}_{\sec }{i}_{\sec }\mathrm{dt}---\left(1\right);$

3、判断智能电能路由器直流单元开关频率的调整效果

假设一个计算周期为T，当前计算周期记为第n个周期，上一个计算周期记为第n-1个周期，下一个计算周期记为第n+1个周期。首先计算从上一个计算周期到当前计算周期的开关频率的变化率。上一个计算周期的开关频率记为第f_n-1个周期，当前计算周期的开关频率记为第f_n个周期，上一个计算周期到当前计算周期的开关频率的变化率记为s＝(f_n-f_n-1)/T，单位为赫兹/微秒，Hz/s；

然后计算从上周期到本周期输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率的变化率，记为q＝s＝(P_n-P_n-1)/T，单位为瓦特/微秒，W/s，其中P_n为当前计算周期输入被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率，P_n-1为上一个计算周期输入被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率。

4、确定智能电能路由器直流单元开关频率的调整方向

根据步骤3中计算得到的开关频率的变化率s和输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率的变化率q，作如下判断，从而得到下一个计算周期，即第n+1个周期的开关频率调整方向：

如果q>0，s>0，即开关频率增大后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率会增加，此时应该在下一周期增大开关频率；

如果q>0，s<0，即开关频率减小后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率会增加，此时应该在下一周期减小开关频率；

如果q<0，s>0，即开关频率增大后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率会降低，此时应该在下一周期继续减小或维持当前周期的开关频率，具体情况由步骤5确定；

如果q<0，s<0，即开关频率较小后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率会降低，此时应该在下一周期继续增大或维持当前周期的开关频率，具体情况由步骤5确定。

5、确定智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度

如果0.1≤|q|≤1，|q|为q的绝对值，智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度为f，其中f为常值100Hz，下同；

如果|q|<0.1，智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度为0倍的f，即此时开关频率已经满足要求，不需要做调整；

如果|q|>1，智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度为2倍的f。

进一步地，所述的步骤2中所计算的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率为智能电能路由器直流单元的传输功率。因此，本发明所述的方法本质上是通过最小化智能电能路由器直流单元的传输功率，从而自适应调整得到智能电能路由器直流单元的谐振参数。

进一步地，所述的步骤5中，智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度□f＝100Hz和输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的有功功率变化率q的取值范围所包含的关键参数，即q＝1和q＝0.1，均由实际工程经验总结得到。

本发明基于智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路传输功率的谐振频率自适应测试方法，由于加入了根据当前工况和反馈信息自适应调整直流单元谐振参数的控制策略，因此可以通过闭环控制，实现快速、准确地获得智能电能路由器直流单元的谐振频率，从而提高了智能电能路由器的测试效率。同时，当输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥的电流中包含谐波分量时，由于式(1)在计算有功功率的过程中求平均值减弱了谐波的影响，所以本发明提出的基于智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路传输功率的谐振频率自适应测试方法，相比于现有基于提取电压和电流特征量的测试方法，能够提高智能电能路由器直流单元谐振参数的测试精度。

附图说明

图1为本发明智能电能路由器直流单元的电路原理图；

图2为本发明中所述的智能电能路由器直流单元谐振参数的测试方法流程图；

图3为本发明在开关频率和谐振频率不匹配时，智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的输入电压电流波形图；

图4为本发明在开关频率和谐振频率匹配时，智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的输入电压电流波形图；

图5为本发明在开关频率和谐振频率不匹配时，智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的输入瞬时功率仿真波形图；

图6为本发明在开关频率和谐振频率匹配时，智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的输入瞬时功率仿真波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的智能电能路由器直流单元谐振参数的测试电路如图1所示，智能电能路由器直流单元高压侧H桥的储能电容C₀与直流电源U_dc并联，为整个智能电能路由器直流单元提供能量；负载与智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的储能电容C₁相连，使负载获得稳定的直流电压；带有谐振电容C_pre的智能电能路由器直流单元高压侧H桥和带有谐振电容C_sec的智能电能路由器直流单元低压侧H桥通过高频变压器T相连，实现电压转换的功能；智能电能路由器直流单元高压侧H桥和低压侧H桥的IGBT的触发脉冲均由上位机控制下发。

本发明智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法的实施例如图2所示，包括如下步骤：

(1)启动智能电能路由器直流单元，使智能电能路由器直流单元进入稳态并输出额定电压750V，实时采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压u_sec和电流值i_sec；

(2)根据采集的智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压u_sec的波形，在上位机中判断其极性翻转的时间间隔t，从而得到直流单元当前的工作频率f_n＝1/(2t)，因此可以式(1)根据计算出输入直流单元的有功功率P_n；

(3)根据上一个计算周期的有功功率值P_n-1和当前计算周期的有功功率值P_n，以及上一个计算周期的开关频率值f_n-1、当前计算周期的开关频率值f_n，计算有功功率变化率q和开关频率变化率s，将有功功率变化率q和开关频率变化率s作为评估开关频率调整效果的两个指标；

(4)根据有功功率和开关频率变化率的正负关系，判定开关频率的调整方向；

(5)根据有功功率变化的绝对值的大小，确定开关频率调整的幅度，如果|q|<0.1，则认为开关频率与谐振频率相匹配，不需要调整开关频率，否则，调整开关频率，然后返回步骤(3)。

所述的智能电能路由器直流单元谐振参数测试流程均在智能电能路由器直流单元测试平台的上位机控制系统中实现。

本发明实施例的仿真分析结果如下：

仿真电路如图1所示。智能电能路由器直流单元高压侧额定电压为1000V，低压侧额定电压为750V，电容C₀、C₁为800F，放电电阻R为350k，谐振电容C_pre和C_sec为20F，负载电阻为12，为高频变压器，且U_dc为1000V，此时智能电能路由器直流单元的理论谐振频率为10kHz。在仿真中向智能电能路由器直流单元高压侧和低压侧的H桥电路同步发送固定开关频率的开关信号，然后通过上位机实现如图2所示的智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法，确定整个智能电能路由器直流单元的谐振频率，并将此频率作为开关频率供此单元使用。在仿真过程中，分别在初始开关频率(9kHz)和最终自适应调整得到谐振频率(10kHz)的时刻，采集了输入到智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压u_sec和电流i_sec波形，如图3、图4所示。通过此电压电流波形，可计算得到输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的瞬时功率，如图5、图6所示，由此可知，在稳态条件下，当使用初始开关频率，初始时刻为t₀＝0.004s时，根据公式(1)可计算得到输入到智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率为28.05kW；当使用谐振频率，初始时刻t₀＝0.004s时，根据公式(1)可计算输入到智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率为40.47kW。由这些仿真计算结果可见，本发明所述的一种基于最大传输功率的智能电能路由器直流单元谐振参数测试方法能够精确地获得智能电能路由器直流单元的谐振参数。

Claims (2)

1.一种智能电能路由器直流单元谐振参数的测试方法，包括以下步骤：

(1)实时采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压和电流值；

启动智能电能路由器直流单元，在带阻性负载的工况下，使智能电能路由器直流单元进入稳态并输出额定电压；

然后采集输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的瞬时电压值u_sec和瞬时电流值i_sec；

(2)计算输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率；

根据步骤(1)采集的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的电压u_sec的波形，在上位机中判断其极性翻转的时间间隔t，得到智能电能路由器直流单元当前的工作频率f_n＝1/(2t)，计算出输入智能电能路由器直流单元低压侧H桥电路的有功功率P，如下式(1)所示，其中t₀为计算的初始时刻，

$P=f_n{\&Integral;}_{t_0}^{t_0+2\mathrm{\&Delta;t}}{u}_{\sec }{i}_{\sec }\mathrm{dt}---\left(1\right);$

(3)判断智能电能路由器直流单元开关频率的调整效果；

假设一个计算周期为T，当前计算周期记为第n个周期，上一个计算周期记为第n-1个周期，下一个计算周期记为第n+1个周期，首先计算从上一个计算周期到当前计算周期的开关频率的变化率；上一个计算周期的开关频率记为第f_n-1个周期，当前计算周期的开关频率记为第f_n个周期，上一个计算周期到当前计算周期的开关频率的变化率记为s＝(f_n-f_n-1)/T，单位为赫兹/微秒，Hz/s；

然后计算从上周期到本周期输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率的变化率，记为q＝(P_n-P_n-1)/T，单位为瓦特/微秒，W/s，其中P_n为当前计算周期输入被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率，P_n-1为上一个计算周期输入被测智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率；

(4)确定智能电能路由器直流单元开关频率的调整方向；

根据步骤(3)中计算得到的开关频率的变化率s和输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率的变化率q，作如下判断，得到下一个计算周期，即第n+1个周期的开关频率调整方向：

如果q>0，s>0，即开关频率增大后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率增加，此时在下一周期增大开关频率；

如果q>0，s<0，即开关频率减小后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率增加，此时在下一周期减小开关频率；

如果q<0，s>0，即开关频率增大后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率降低，此时在下一周期继续减小或维持当前周期的开关频率；

如果q<0，s<0，即开关频率较小后，输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率降低，此时在下一周期继续增大或维持当前周期的开关频率；

(5)确定智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度；

如果0.1≤|q|≤1，|q|为q的绝对值，智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度为f；

如果|q|<0.1，智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度为0倍的f，即此时开关频率已经满足要求，不需要做调整；

如果|q|>1，智能电能路由器直流单元开关频率的调整幅度为2倍的f；

f为常值100Hz。

2.根据权利要求1所述的智能电能路由器直流单元谐振参数的测试方法，其特征在于：所述的步骤(2)中计算的输入智能电能路由器直流单元的低压侧H桥电路的有功功率P为智能电能路由器直流单元的传输功率。