CN108347055A - 一种并网滤波电感器参数评测电路及其控制方法 - Google Patents

一种并网滤波电感器参数评测电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子磁性元件设计技术领域，涉及一种并网滤波电感器参数性能测评电路及控制方法。其特点是：包括通过两条直流电压导线相连接的第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2，并且在该两条直流电压导线上串联有直流继电器，在该直流继电器两侧的两条直流电压导线上分别并联有参数相同的第一直流电容器Cdc1和第二直流电容器Cdc2。本发明的有益效果是：能够减少测量电路直流电容器容量，减小装置体积；滤波电感器输出基波电流时，能够降低部分电力电子开关器件开关损耗；能够模拟谐波电流源型负载，输出任意频次和幅值的谐波电流及其组合，基本不消耗电能的情况下实现滤波电感器谐波参数性能测评。

Description

一种并网滤波电感器参数评测电路及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子磁性元件设计技术领域，涉及一种并网滤波电感器参数性能测评电路及控制方法。
背景技术
在用户配电系统中，电力电子变换器使用电能已占了很大比例，这个比例在未来还将继续提高。而且，由于电力电子变换器可以实现对电能极其精准而快速的控制，电力系统电子化的趋势近年来逐渐稳固地向发电端以及输电和配电环节渗透。以并网变换器为代表的电力电子装置大规模应用，起到了增加电能供给、提高电能质量和电能利用效率的目的。
并网变换器当前正朝着高效率、高功率密度、高可靠性和智能化方向发展，作为并网变换器与传统电网能量传输接口的关键部件—滤波电感器，其体积和重量一般占到整个变换器的20～30％，损耗占总损耗的30％左右。滤波电感器的科学设计对并网变换器的发展和应用发挥着重要作用，与之相关的参数测量手段显得尤为关键。
并网滤波电感器大部分指标参数可以通过相关仪器设备短时间内完成测量，但对电感器温度场分布等参数的测量则需要长时间、大电流工况下进行，以检验磁路及结构设计是否合理。由于测量过程中电感器电流必须形成回路，但通过电感器串接阻性负载构成测量回路的方法会耗费大量电能，增大企业成本；另外一种方法是测量装置从电网取能，通过电感器回路将电能回馈至电网，但大量有功功率的传送对装置电力电子器件耐压和直流电容器容量都有一定要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种并网滤波电感器参数测量电路及控制方法，此拓扑能够降减小直流电容器容量和电力电子器件的开关损耗。
本发明的另一目的是构造测试电流源和测试电流补偿于一体的控制方法，对并网滤波器电感器参数性能进行测评。
一种并网滤波电感器参数评测电路，其特别之处在于：包括通过两条直流电压导线相连接的第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2，并且在该两条直流电压导线上串联有直流继电器，在该直流继电器两侧的两条直流电压导线上分别并联有参数相同的第一直流电容器Cdc1和第二直流电容器Cdc2。
一种并网滤波电感器参数评测电路的控制方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
步骤1：列写第一电压源换流器VSC1交流侧和第二电压源换流器VSC2交流侧电压平衡方程如下：
式(1)中：ii.rect和ii.tect分别表示第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2交流侧输出电流，ui.rect和ui.tect分别表示第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2交流侧输出电压，us表示网侧电压；
以us的a相电压为参考相位，且dq坐标系的d轴与a相相位重合，d轴表示有功分量参考轴，q轴表示无功分量参考轴，再对上述电压平衡方程进行abc-dq和拉普拉斯变换，得到下式：
式(2)中：dq坐标系下第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2交流侧工频基波有功电流分量分别为Ii.rect.d和Ii.tect.p，无功电流分量分别为Ii.rect.q和Ii.tect.q，工频基波电压分量分别为Ui.rect.d和Ui.tect.d，Us表示网侧电压d轴分量；
步骤2：当评测电路测试工频基波不同幅值脉宽调制下，被测电感器Ltect电感量、温度分布与第二电压源换流器VSC2输出工频基波电流之间的参数关系时，直流继电器断开，第一电压源换流器VSC1与第二电压源换流器VSC2直流侧无联系；第二电压源换流器VSC2根据并网滤波电感器测试要求，输出为Ii.test.q的工频基波无功电流，并从网侧获取极小的有功电流Ii.test.p，以稳定其第二直流电容器Cdc2上直流电压Udc2至给定电压使第一电压源换流器VSC1输出工频基波无功电流为Ii.rest.q，同时从网侧获取极小的有功电流Ii.rest.p并稳定其直流电容以维持第一直流电容器Cdc1上直流电压Udc1至给定电压使
当评测电路测试不同频率、不同幅值谐波脉宽调制下，被测电感器Ltect电感量、温度分布与第二电压源换流器VSC2输出的谐波电流之间的参数关系时，直流继电器闭合；第二电压源换流器VSC2根据并网滤波电感器测试要求，输出谐波电流ii.test.h，同时从网侧获取极小的有功电流Ii.test.p，Ii.test.p用于稳定其第一直流电容器Cdc1和第二直流电容器Cdc2直流电压Udc至给定电压使第一电压源换流器VSC1输出谐波电流为
本发明的有益效果是：能够减少测量电路直流电容器容量，减小装置体积；滤波电感器输出基波电流时，能够降低部分电力电子开关器件开关损耗；能够模拟谐波电流源型负载，输出任意频次和幅值的谐波电流及其组合，基本不消耗电能的情况下实现滤波电感器谐波参数性能测评；不会对网侧电能质量产生影响。
附图说明
图1是传统并网滤波电感器参数测量电路拓扑图；
图2是本发明并网滤波电感器参数测量电路拓扑图；
图3是本发明与传统并网滤波电感器测试电路中换流器输入输出功率运行范围示意图；
图4是传统并网滤波电感器测试电路参数仿真结果波形图；
图5是本发明并网滤波电感器测试电路参数仿真结果波形图；
图6是本发明并网滤波电感器测试电路参数仿真结果波形图；
图7是本发明并网滤波电感器测试电路谐波控制逻辑结构框图；
图8是本发明并网滤波电感器测试电路谐波电流仿真结果波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1是并网滤波电感器输出基波电流时参数测试电路的一种典型拓扑结构。图中，电压源换流器VSC1从电网获取电能，具体如图4所示，其直流侧输出直流电流Ii.rect为VSC1交流侧输出有功电流ii.rect的有效值，直流电容器Cdc稳定直流电压Udc于给定，VSC2根据并网滤波电感器参数测试需要，控制其输出基波有功电流ii.test，并保持
ii.rect＝-ii.test (1)
由式(1)可知is＝0，即除去图1装置自身损耗，并网滤波电感器参数测试电路将从网侧获取的电能又回馈至电网，测试过程基本并不耗费能量，图3给出了VSC1输出的基波电流变化范围Ii.rect∈[0,Ii.MAX]，其从网侧获取的有功功率大小用线段表示为[0,OA]，VSC2输出的电流变化范围为Ii.tect∈[0,-Ii.MAX]，相应的表示为[0,OB(-OA)]，VSC1和VSC2输出的基波电压幅值均为
式中，表示VSC1侧滤波电感器Lrect或VSC2侧滤波电感器Ltest的电感率。可见，VSC1和VSC2对测量电路直流环节电压幅值要求要高一些。此外，测试过程中直流电容器Cdc支撑的直流导线有较大电流Idc流过(参见图4)，为保持直流电压Udc幅值稳定，直流电容器容量Cdc一般取值要大一些。
图2给出了本发明的并网滤波电感器参数测评电路，与图1相比，其直流电压导线中接入了控制其通断的继电器。作为本发明的目的之一，并网滤波电感器Ltest作基本参数测量时直流继电器处于断开状态，VSC1和VSC2各自自持其直流电压，同于两个相对独立工作的静止同步补偿器。VSC1从网侧吸收感性无功电流ii.rect.q，VSC2从网侧吸收容性无功电流ii.test.q，相关参数波形如图5、6所示。通过控制保持
ii.rect.q＝-ii.test.q (3)
可使is＝0，即图2所示并网滤波电感器参数测评电路不从网侧获取电能，除了测量电路开关元件和电感器自身等元件产生损耗外，并不耗费电能。
图3给出了VSC2输出的电流变化范围为Ii.tect.q∈[0,Ii.MAX]，从网侧获取的无功功率用线段表示为[0,OD]，VSC1输出的电流变化范围为Ii.rect.q∈[-Ii.MAX,0]，相应的其无功功率表示为[OC(-OD),0]，VSC1和VSC2逆变输出基波电压幅值分别为
由式(4)和式(5)可知，VSC1对其直流侧电压Udc1要求较低，VSC2对其直流环节电压Udc2要求较高，两者工作过程中的直流电压具体如图5所示。此外，VSC1和VSC2直流电容器Cdc1和Cdc2支撑的直流导线上均无电流流过，其容量较图1所示的直流电容器Cdc容量可以小许多。
综合式(2)和式(4)、(5)，本发明电路与传统典型电路的开关损耗比为
可见，本发明能够降低并网并网滤波电感器测试装置中电力电子开关元件损耗。另外，根据企业需要还可调整VSC1从网侧吸收的感性无功功率，满足企业无功补偿需要。
图2所示本发明对并网滤波器电感器谐波电流参数性能测评时继电器吸合，直流导线接通，建立了谐波电流源构造和谐波电流补偿于一体的控制方法。VSC2根据并网滤波电感器Ltest的测试要求，构造不同频次、幅值和相位的谐波电流指令输出谐波测试电流iitest..h，ii.h跟随的变化。同时，VSC1被控为谐波电流源，输出补偿谐波电流ii.rect.h，使
ii.rect＝-ii.test.h (7)
由式(7)可知is＝0，本发明对并网滤波电感器谐波参数进行测评时，不需要购置和设计专用谐波电流负载和谐波电流补偿装置，能够有效降低测试成本和电能损耗，图7给出了测评装置控制逻辑结构框图，图8给出了0.15p.u.的5th、7th和0.10p.u.的11th、13th构造谐波测试电流ii.test.h和补偿谐波电流ii.rect.h的波形图(电感器允许通过的额定基波电流为150A)。

Claims (2)

1.一种并网滤波电感器参数评测电路，其特征在于：包括通过两条直流电压导线相连接的第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2，并且在该两条直流电压导线上串联有直流继电器，在该直流继电器两侧的两条直流电压导线上分别并联有参数相同的第一直流电容器Cdc1和第二直流电容器Cdc2。
2.一种并网滤波电感器参数评测电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：列写第一电压源换流器VSC1交流侧和第二电压源换流器VSC2交流侧电压平衡方程如下：
式(1)中：ii.rect和ii.tect分别表示第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2交流侧输出电流，ui.rect和ui.tect分别表示第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2交流侧输出电压，us表示网侧电压；
以us的a相电压为参考相位，且dq坐标系的d轴与a相相位重合，d轴表示有功分量参考轴，q轴表示无功分量参考轴，再对上述电压平衡方程进行abc-dq和拉普拉斯变换，得到下式：
式(2)中：dq坐标系下第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2交流侧工频基波有功电流分量分别为Ii.rect.d和Ii.tect.p，无功电流分量分别为Ii.rect.q和Ii.tect.q，工频基波电压分量分别为Ui.rect.d和Ui.tect.d，Us表示网侧电压d轴分量；
步骤2：当评测电路测试工频基波不同幅值脉宽调制下，被测电感器Ltect电感量、温度分布与第二电压源换流器VSC2输出工频基波电流之间的参数关系时，直流继电器断开，第一电压源换流器VSC1与第二电压源换流器VSC2直流侧无联系；第二电压源换流器VSC2根据并网滤波电感器测试要求，输出为Ii.test.q的工频基波无功电流，并从网侧获取极小的有功电流Ii.test.p，以稳定其第二直流电容器Cdc2上直流电压Udc2至给定电压使第一电压源换流器VSC1输出工频基波无功电流为Ii.rest.q，同时从网侧获取极小的有功电流Ii.rest.p并稳定其直流电容以维持第一直流电容器Cdc1上直流电压Udc1至给定电压使
当评测电路测试不同频率、不同幅值谐波脉宽调制下，被测电感器Ltect电感量、温度分布与第二电压源换流器VSC2输出的谐波电流之间的参数关系时，直流继电器闭合；第二电压源换流器VSC2根据并网滤波电感器测试要求，输出谐波电流ii.test.h，同时从网侧获取极小的有功电流Ii.test.p，Ii.test.p用于稳定其第一直流电容器Cdc1和第二直流电容器Cdc2直流电压Udc至给定电压使第一电压源换流器VSC1输出谐波电流为
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