CN109298255A - 一种地铁能量回馈变流器功率考核试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，包括电网交流电源、变压器和待测变流器，变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，待测变流器包括第一模块和第二模块，电网交流电源与所述变压器的原边绕组相连，第一副边绕组与第一模块相连，第二模块与第二副边绕组相连。本发明还相应公开了一种试验方法，包括两种试验模式，在第一种试验模式时，第一模块处于整流状态，第二模块处于逆变状态；在第二种试验模式时，第一模块处于逆变状态，第二模块处于整流状态；通过在两种试验模式下完成变流器全功率考核。本发明的试验系统及方法均具有降低陪试设备成本，节省电能损耗以及操作简便等优点。

Description

一种地铁能量回馈变流器功率考核试验系统及方法

技术领域

本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种地铁能量回馈变流器功率考核试验系统及方法。

背景技术

随着城市轨道交通飞速发展，用于城市轨道交通车辆制动能量吸收的能量回馈变流器应用越来越广泛，同时，针对需要回馈较大功率制动能量的情况，常常采用多模块并联，或者多柜拼接的方式组成一套能量回馈系统，以满足较大功率城市轨道交通车辆制动能量回馈的需求。对于地铁能馈变流器而言，其回馈的能量一般注入中压电网，所以地铁能馈变流器的功率考核需要进行并网试验，来检验变流器的输出电能质量是否达标。因此通常需要以一套复杂庞大的陪试试验系统，这个试验系统诸如变压器等设备众多，试验系统设备成本高，占地面积大，测试系统复杂，稳定性差。

通常，地铁能馈变流器功率考核系统主要包括电网电源，变压器，整流器（陪试机），中间直流电路，逆变器（待测的地铁能馈变流器）等组成。图1为变流器的功率考核的示意图，由交流电源，变压器T1，陪试机，待测的能馈变流器，变压器T2五部分组成。三相交流电源经过变压器T1（变压器的等效电抗）滤波后给整流器供电，整流器将交流电转成直流电，通过中间直流电路的支撑电容稳压滤波后送至待测试的变流器，变流器将直流电转化成三相交流电，再通过变压器T2滤波后回馈至电网。

同时，针对需要以较大功率回馈制动能量的情况，地铁能馈变流器通过多模块并联或者拼柜的方式，来提高回馈装置的容量，提升系统冗余度。但是多模块并联或者拼柜的变流器在功率考核时又会带来陪试试验系统复杂的问题，需要较大容量的电网以满足大功率变流器的功率考核试验需求，导致搭建陪试系统成本居高不下。

专利申请（申请号201320699558.4）公开了一套低压中功率电力变流器出厂例行功率考核试验平台，该发明公布了试验平台的组成与试验方法，该发明提升了测试效率和测试系统的通用性。但该专利未涉及到如何在电网容量限制情况下测试大功率的变流器功率考核方法。

为了完成多模块并联的大功率地铁能量回馈变流器的功率考核试验，目前常采用以下的两种试验方式。

方式一：采用“二极管不控整流器（陪试机）+待测变流器”的方式

如图2所示，该功率考核试验系统包括有三相交流电源、高压开关柜1、变压器T1、二极管不控整流器、预充电与短接电路、待测的能馈变流器、变压器T2和高压开关柜2组成。对待测变流柜体的功率考核测试时，三相交流电源经过变压器T1降压后送给给二极管不控整流器供电，整流器将交流电转成直流电，通过中间直流电路送至待测的能馈变流器柜，能馈变流器再将直流电转化成三相交流电，通过变压器T2滤波后回馈至电网。

该试验系统可进行轻载、电流考核、稳压、逆变以及空载整流的功能试验，而且可以进行功率因数、并网谐波、效率、温升的性能测试试验，但不能进行变流器整流的功能试验。该试验系统需要的陪试设备众多，需要两台变压器，两个高压开关柜以及功率等级大于待测的变流器的二极管不控整流器作为陪试机，并且，需要大容量的电网电源，所以搭建该试验系统成本高，占地面积大；此外，由于陪试设备的二极管不控整流器无法实现对中间直流电压的稳压功能，直流电压值会随着考核功率的增大而被拉低；再者，该试验系统所需电能资源较多，在试验过程中变压器以及不控整流器上电能损耗较大，而且损耗的电能以热的形式散发出去，需要额外配备散热设备，进一步增加系统的成本与试验过程的电能消耗。

方式二：采用“PWM整流器（陪试机）+待测变流器”的方式

如图3所示，该功率考核试验系统包括有三相交流电源，高压开关柜1，变压器T1，PWM整流陪试柜，预充电与短接电路，待测的能馈变流器，变压器T2，高压开关柜2。对待测变流器的功率考核测试时，三相交流电源经过变压器T1（一般以变压器集成漏抗代替滤波电抗器）滤波后给PWM整流陪供电，整流器将交流电转成直流电，通过中间直流电路送至待测试的能馈变流器柜，能馈变流器再将直流电转化成三相交流电，通过变压器T2（一般也是以变压器集成漏抗代替滤波电抗器）滤波后回馈至电网。

该方式可以实现对待测变流器的双向功能测试，可以对待测变流器进行功率考核试验，测试试验项目可以包括轻载、电流考核、稳压、整流和逆变等功能试验，也包括稳压精度、功率因数、并网谐波、效率、温升等性能测试试验。

同样的，该试验系统需要的陪试设备众多，需要两台变压器，两个高压开关柜以及大功率的PWM整流陪试机，搭建该试验系统成本高，占地面积大，虽然能够避免方式一只能测试能馈变流器逆变功能的缺点，并且能够回馈能量到电网，节约试验过程中电能消耗，但是仍无法避免试验过程中两个变压器上的电能损耗，不符合节能减排的环保理念。

综上所述，方式二可以实现对待测能馈变流器的整流与逆变功能的双向功率考核测试，但是其前提条件是需要配置一台大于或等于待测变流器功率的PWM整流陪试机；而且方式一与方式二均需要大于待测的地铁能馈变流器容量的外部电网电源，才能实现对被试变流器的满功率考核。该种方法对陪试系统要求较高，搭建陪试系统一般占地面积也大，成本高，而且对对电网有较大容量要求，搭建该系统成本巨大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种节省陪试设备成本以及电能消耗的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，并相应提供一种操作简便、测试效率高的试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，包括电网交流电源、变压器和待测变流器，所述变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，所述待测变流器包括第一模块和第二模块，所述电网交流电源与所述变压器的原边绕组相连，所述第一副边绕组与所述第一模块相连，所述第二模块与所述第二副边绕组相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述变压器为高阻抗比双分裂变压器。

所述变压器包括双分裂变压器和电抗器。

本发明还相应公开了一种基于如上所述的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统的试验方法，包括两种试验模式，在第一种试验模式时，所述第一模块处于整流状态，所述第二模块处于逆变状态；在第二种试验模式时，所述第一模块处于逆变状态，所述第二模块处于整流状态；通过在两种试验模式下完成变流器全功率考核。

作为上述技术方案的进一步改进：

第一种试验模式包括以下步骤：

S01、调整第一模块处于整流状态，第二模块处于逆变状态；

S02、电网交流电源通过第一模块向直流母线侧输电，当检测到直流母线侧直流电压上升至预定门槛值时，第二模块启动，进行逆变；

S03、逐渐使第一模块工作在额定功率下并维持一定时间，直至第一模块和第二模块的温度稳定。

第二种试验模块包括以下步骤：

S11、调整第一模块处于整流状态，第二模块处于逆变状态；

S12、电网交流电源通过第二模块向直流母线侧输电，当检测到直流母线侧直流电压上升至预定门槛值时，第一模块启动，进行逆变；

S13、逐渐使第二模块工作在额定功率下并维持一定时间，直至第一模块和第二模块的温度稳定。

处于整流状态的第一模块或第二模块的控制方式为电流单闭环控制。

处于逆变状态的第一模块或第二模块的控制方式为电压电流双闭环方式。

所述电压电流双闭环方式的具体过程为：电压外环用于控制整流模块的直流电压稳定，根据电网交流电源的工作特性，设定电压稳定目标值，将直流电压稳定目标值与采样的直流母线电压进行差值处理，产生误差信号，经过PI调节，送入电流内环，作为电流内环的给定值，电流内环用于按电压外环输出的电流指令进行电流调节，实现单位功率因数正弦电流控制。

所述变流器中的各模块均可实现四象限运行。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，在不降低试验效果的前提下，省去了部分变压器和陪试机器，设备少、占地面积小，大大降低了搭建试验系统的投资成本；在试验过程中，可以实现能量仅仅在被测试的变流器内部的两个模块之间流动，电网电源仅仅需要提供在变压器和功率器件上损耗的有功功率，大大节约了试验过程中的电能消耗，节能减排，进一步降低了试验成本。本发明的试验方法同样具有如上系统所述的优点，而且步骤简单、操作简便且试验效率高。

附图说明

图1为现有变流器考核的方框原理图。

图2为现有方式一的方框原理图。

图3为现有方式二的方框原理图。

图4为本发明的试验系统的结构示意图。

图5为本发明的电流单闭环控制原理图。

图6为本发明的电压电流双闭环控制原理图。

图中标号表示：1、电网交流电源；2、高压开关柜；3、变压器；4、变流器；41、第一模块；42、第二模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图4至图6所示，本实施例的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，包括电网交流电源1、高压开关柜2、变压器3和待测变流器4，变压器3包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，待测变流器4包括第一模块41和第二模块42，电网交流电源1通过高压开关柜2与变压器3的原边绕组相连，第一副边绕组与第一模块41相连，第二模块42与第二副边绕组相连。在进行待测变流器4的功率考核测试时，电网交流电源1（三相交流电源）经过变压器3（图4中的T1）的第一副边绕组后给待测能馈变流器4的第一模块41供电，第一模块41运行在整流工况作为陪试机，将交流电转成直流电，通过能馈变流器4的中间直流母线，将直流电能送至第二模块42，第二模块42工作在逆变工况，将直流电转化成三相交流电，通过变压器3的第二副边绕组回馈至电网。同理，在电网交流电源1（三相交流电源）经过变压器3（图4中的T1）的第二副边绕组后给待测能馈变流器4的第二模块42供电，第二模块42运行在整流工况作为陪试机，将交流电转成直流电，通过能馈变流器4的中间直流母线，将直流电能送至第一模块41，第一模块41工作在逆变工况，将直流电转化成三相交流电，通过变压器3的第一副边绕组回馈至电网。在此两种情况下，电网仅仅只需要提供消耗在变压器3以及线路上的有功功率损耗，就可以完成双向的功率流动考核试验，有功功率流动方向如图3箭头方向所示。变压器3的第一模块41和第二模块42通过并联在一起的直流母线之间实现有功功率的传递。第一模块41和第二模块42交替工作在逆变与整流工况下，通过控制第一模块41与第二模块42之间的直流母线电压恒定，同时，使得各个模块实现单位功率因数整流与逆变，就可以完成对拖功能，实现有功功率仅仅在两模块之间流动，从而可以达到小容量的电网交流电源1就可以实现变流器4“全功率”考核试验的目的，电网交流电源1仅仅提供在变压器3以及功率器件上的有功损耗。

本实施例中，变压器3为高阻抗比双分裂变压器，或者为双分裂变压器和电抗器的组合。

本发明还相应公开了一种基于如上所述的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统的试验方法，包括两种试验模式，在第一种试验模式时，第一模块41处于整流状态，第二模块42处于逆变状态；在第二种试验模式时，第一模块41处于逆变状态，第二模块42处于整流状态；通过在两种试验模式下完成变流器4全功率考核。本发明的试验方法不仅具有如上试验系统所述的优点，而且操作简便，测试效率高。

本实施例中，第一种试验模式包括以下步骤：

S01、调整第一模块41处于整流状态，第二模块42处于逆变状态；

S02、通过对第一模块41设定有功电流指定值给定，电网交流电源1通过第一模块41向中间直流母线侧输电，当检测到直流母线侧直流电压上升至预定门槛值时，第二模块42启动，进行逆变；

S03、逐渐增大给定电流，使第一模块41工作在额定功率下并维持一定时间，直至第一模块41和第二模块42的温度稳定。

本实施例中，第二种试验模式包括以下步骤：

S11、调整第一模块41处于整流状态，第二模块42处于逆变状态；

S12、通过对第二模块42设定有功电流指定值给定，电网交流电源1通过第二模块42向直流母线侧输电，当检测到直流母线侧直流电压上升至预定门槛值时，第一模块41启动，进行逆变；

S13、逐渐增大给定电流，使第二模块42工作在额定功率下并维持一定时间，直至第一模块41和第二模块42的温度稳定。

如图5所示，本实施例中，处于整流状态的第一模块41或第二模块42的控制方式为电流单闭环控制。通过设定有功电流指定值给定，模块就工作整流方式，将交流侧电网能量注入直流母线侧，开始抬升直流母线电压，处于整流工况下的模块在试验系统中扮演陪试机角色。

如图6所示，本实施例中，处于逆变状态的第一模块41或第二模块42的控制方式为电压电流双闭环方式。具体过程为：电压外环用于控制整流模块的直流电压稳定，根据电网交流电源1的工作特性，设定电压稳定目标值，将直流电压稳定目标值与采样的直流母线电压进行差值处理，产生误差信号，经过PI调节，送入电流内环，作为电流内环的给定值，电流内环用于按电压外环输出的电流指令进行电流调节，实现单位功率因数正弦电流控制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，其特征在于，包括电网交流电源（1）、变压器（3）和待测变流器（4），所述变压器（3）包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，所述待测变流器（4）包括第一模块（41）和第二模块（42），所述电网交流电源（1）与所述变压器（3）的原边绕组相连，所述第一副边绕组与所述第一模块（41）相连，所述第二模块（42）与所述第二副边绕组相连。

2.根据权利要求1所述的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，其特征在于，所述变压器（3）为高阻抗比双分裂变压器。

3.根据权利要求1所述的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统，其特征在于，所述变压器（3）包括双分裂变压器和电抗器。

4.一种基于权利要求1至3中任意一项所述的地铁能量回馈变流器功率考核试验系统的试验方法，其特征在于，包括两种试验模式，在第一种试验模式时，所述第一模块（41）处于整流状态，所述第二模块（42）处于逆变状态；在第二种试验模式时，所述第一模块（41）处于逆变状态，所述第二模块（42）处于整流状态；通过在两种试验模式下完成变流器（4）全功率考核。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，第一种试验模式包括以下步骤：

S01、调整第一模块（41）处于整流状态，第二模块（42）处于逆变状态；

S02、电网交流电源（1）通过第一模块（41）向直流母线侧输电，当检测到直流母线侧直流电压上升至预定门槛值时，第二模块（42）启动，进行逆变；

S03、逐渐使第一模块（41）工作在额定功率下并维持一定时间，直至第一模块（41）和第二模块（42）的温度稳定。

6.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，第二种试验模块包括以下步骤：

S11、调整第一模块（41）处于整流状态，第二模块（42）处于逆变状态；

S12、电网交流电源（1）通过第二模块（42）向直流母线侧输电，当检测到直流母线侧直流电压上升至预定门槛值时，第一模块（41）启动，进行逆变；

S13、逐渐使第二模块（42）工作在额定功率下并维持一定时间，直至第一模块（41）和第二模块（42）的温度稳定。

7.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，处于整流状态的第一模块（41）或第二模块（42）的控制方式为电流单闭环控制。

8.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，处于逆变状态的第一模块（41）或第二模块（42）的控制方式为电压电流双闭环方式。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述电压电流双闭环方式的具体过程为：电压外环用于控制整流模块的直流电压稳定，根据电网交流电源（1）的工作特性，设定电压稳定目标值，将直流电压稳定目标值与采样的直流母线电压进行差值处理，产生误差信号，经过PI调节，送入电流内环，作为电流内环的给定值，电流内环用于按电压外环输出的电流指令进行电流调节，实现单位功率因数正弦电流控制。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述变流器（4）中的各模块均可实现四象限运行。