CN109596906A - 用于测试功率模块的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测试功率模块的装置和方法。具体而言，用于测试连接在一起的成组功率模块（Mp）中的功率模块（Mp）的此装置包括：无功功率补偿器件（1,2），其能够补偿在测试的功率模块和其他功率模块之间传输的无功功率；以及用于监测由测试的功率模块产生的功率的器件（UT2），其包括用于将所述产生的功率与至少一个阈值进行比较的器件（Mcomp）。

Description

用于测试功率模块的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测试成组电功率模块的装置和方法，且更特别地，多相和多通道同步电力机器以及它们相关的多通道功率转换器的网络。
背景技术
例如，在非限制性应用中，意在将功率模块集成到风力涡轮机舱中。
并入功率模块的风力涡轮连接到彼此，且连接到消耗功率的电力网，以便建立离岸发电场。
在使功率模块进入生产之前，有必要检查每个模块的电特性和机械特性以及模块之间的连接，且将它们连接到电网。
测试程序设法验证每个功率模块的操作，即，控制和获取链(其包括：传感器，接口模块，促动器，功率链，且还有功率模块之间的连接，以及在功率模块和它们经由功率模块的网络所连接到的电网之间的连接)的操作。
图1示出离岸风电场（M），其中可执行现有技术水平的测试程序。
风力涡轮H一般经由大截面且长距离（例如，50km）的海底电缆C1,..., Cn以六个风力涡轮的组G1,..., Gn连接到离岸分站S。
每个涡轮H包括功率模块和涡轮控制器，功率模块包括多相和多通道同步电力机器以及其相关的多通道功率转换器。
例如，风力涡轮H提供6MW的额定电力输出。
分站S包括平台PT，平台PT锚定至海床且位于海平面之上。
分站S还包括发电机组G、电感器条L和风力涡轮场控制器MC，发电机组G带有至少一个柴油内燃机且一般输送1MW的电功率。
发电机组G产生操作风力涡轮H所需要的电功率，特别是在测试阶段期间。
将电感器条L连接到电缆C1,..., C2，以便补偿由风电场产生且由电缆C1和C2传输的无功功率且使电路稳定。
用于风电场的测试程序从现有技术水平已知。在测试程序期间，将电感器条Lt和电阻器组R连接到电缆C1和C2，以分别补偿无功功率和消耗有功功率。
现在将考虑用于风力涡轮Ha的测试程序。
测试程序的各个阶段由风力涡轮场控制器MC和并入风力涡轮Ha中的风力涡轮控制器控制。
在第一阶段中，风力涡轮Ha通过由发电机组G输送的功率驱动着旋转。
然后使涡轮Ha的叶片定向成使得它们由风驱动且涡轮Ha输送电功率。
在电阻器组R中消耗的由风力涡轮Ha产生的功率与参考值进行比较。
然而，通常的测试程序具有若干缺点。
在将调节站连接到网络之前，测试装置首先需要使用电感器条和电阻器组，电感器条和电阻器组将在测试程序的结尾移除。
这些元件仅在测试程序期间使用，且需要平台上的存储空间，该平台将仅在测试程序期间使用，测试程序一般持续6个月，而风力涡轮场的使用的期限一般是25年。
此外，测试程序限于减小的操作功率范围，一般达到模块的额定功率的20%。
因此，通常的测试程序不容许功率模块在其额定功率下测试。
发明内容
考虑到上文，提出克服根据现有技术水平的功率模块程序的不足。
因此，根据一个方面，提出用于测试连接在一起的成组功率模块中的模块的装置。
根据实现模式，该装置包括：无功功率补偿器件，其能够补偿在测试的功率模块和其他功率模块之间传输的无功功率；以及由测试的功率模块产生的功率控制器件，其包括用于将所述产生的功率与至少一个阈值进行比较的器件。
有利地，无功功率补偿器件由功率模块中构造成补偿与测试的功率模块交换的无功功率的一个功率模块构成。
优选地，每个功率模块包括多相和多通道同步电力机器，该多相和多通道同步电力机器具有包括若干组三相的定子，其带有容许每个通道被单独地控制的磁耦合水平。
有利地，多相和多通道同步电力机器的每个通道在电动机模式或发电机模式中操作。
该装置还可包括功率生成器件，其连接到所述功率模块且能够加速被测试的模块。
有利地，发电的器件包括发电机组，其包括柴油发动机。
根据另一种实现方法，发电的器件包括额外的功率模块。
取决于一个方面，将如上文所限定的功率模块嵌入风力涡轮机舱中。
根据还有另一个方面，提出连接在一起的成组功率模块的测试程序。
根据实施模式，补偿在测试的功率模块和其他功率模块之间传输的无功功率，控制由测试的功率模块产生的功率，且将所述产生的功率与至少一个阈值进行比较。
优选地，该过程包括：
启动阶段，在启动阶段期间供应测试的功率模块直到它达到跟随的连接速度；
以及用于控制由测试的功率模块产生的所述功率的阶段，测试的功率模块具有多相和多通道同步电力机器，该多相和多通道同步电力机器具有定子，定子包括以三相的组连接在一起的相，且其中电力机器的转子经由至少一组三相在预定的旋转速度下驱动，所述测试的功率模块的一个或多个其他组三相在发电机模式中操作，且电磁转矩施加于所述测试的功率模块的多相和多通道同步电力机器的转子。
附图说明
在参照附图阅读随后的描述时，本发明的其他目标、特性和优点将变得显而易见，该描述仅通过非限制性示例给出，在附图中：
-已提到的图1示出在其中可执行现有技术水平的测试程序的离岸风电场；
-图2示出执行根据本发明的测试程序的离岸风电场；
-图3示出包括多相同步电力机器和多通道功率转换器的电功率模块的电功率图；
-图4示出多通道功率转换器的通道；且
-图5描述风力涡轮场测试程序；
-图6示出根据本发明的测试过程的电功率交换；以及
-图7描述用于风力涡轮机舱功率模块的测试程序。
具体实施方式
参考图2，其示出用于连接在一起的成组功率模块Mp的测试装置，每个功率模块包括多相和多通道同步电力机器以及相关的多通道功率转换器。
这里，功率模块Mp是发电机模块和功率消耗装置。
例如，在非限制性应用中，每个功率模块Mp被集成到风力涡轮的机舱中。
风力涡轮形成离岸风力涡轮（M）的场CH。
为改善表达的清楚，如所示出的风力涡轮场包括成组的六个可变叶片风力涡轮H1, H2, H3, H4, H5和H6，各自包括：用于连接到电缆C3的连接端子E1, E2, E3, E4, E5和E6；功率模块Mp；以及用于控制由功率模块产生的功率的器件，其包括功率处理和控制单元UT2。电缆C3将风力涡轮H1, H2, H3, H4, H5和H6连接到彼此，且连接到带有平台PT1的分站S1，平台PT1锚定至海床且位于海平面（M）之上。
当然，风力涡轮的场CH可包括若干组，每组包括若干风力涡轮，例如6个风力涡轮。
将相同批中的风力涡轮通过相同电缆连接到调节站，且连接到彼此。
分站S1包括：电感器L1，风力涡轮场处理和监控单元UT1，以及安装在平台PT上的发电机组Ge。
发电机组Ge产生电功率，其经由电缆C3供应站S1和风力涡轮H1, H2, H3, H4, H5和H6。例如，它包括带有1MW的电输出的至少一个柴油内燃机。
电感器L1使包括风力涡轮、电缆C3和分站S1的电路稳定。
风力涡轮H1, H2, H3, H4, H5和H6在结构上是相同的。
处理和监控单元UT1通过调节风力涡轮场中（特别是在风力涡轮和分站S1之间）的功率交换来控制风力涡轮场CH，且处理和功率控制单元UT2控制风力涡轮（其中实施处理和功率控制单元）。
换句话说，功率处理和控制单元UT2控制功率单元Mp和风力涡轮叶片的定向。
两个处理单元UT1和UT2与彼此相互作用。
例如，处理单元UT1和UT2基于微处理器。
它可为能够监控成组功率模块的任何装置。
例如，在所描述的示例中，它是能够控制风力涡轮功率模块且使风力涡轮的叶片定向的装置。这些可包括微控制器。
该装置还包括：无功功率补偿器件，其能够补偿在测试的功率模块和其他功率模块之间传输的无功功率；以及用于将测试的功率模块产生的功率与至少一个阈值进行比较的器件Mcomp。
优选地将比较器件Mcomp并入被测试的风力涡轮的处理单元UT2中。
当然，它可为能够将由测试的功率模块产生的功率与至少一个阈值进行比较且并入控制器件中的任何装置。
它可为由微处理器制成的装置。
参考图3，其示出风力涡轮H1机舱的电功率图。
如我们可看到的那样，风力涡轮机舱包括：连接到连接器E1的三相变压器3，以及包括多相和多通道电力机器2和三相多通道功率转换器1的电功率模块。
功率转换器1的同相输入连接到彼此，且连接到三相变压器3的对应输出。
包括功率转换器1和多相和多通道电力机器2的整个装置由处理单元UT2控制。
同步多相和多通道电力机器2包括定子和转子。定子包括3的倍数的多个相。相由三相的组连接到彼此。通过下面的非限制性示例，一个组的三个相以星形构造连接。当然，当相按任何构造（特别地但不排他地以三角形构造）连接时，其不偏离本发明。星形在它们之间具有强的磁去耦。因此，由一个星形构造产生的磁通量不干扰另一个星形构造。磁去耦水平容许每个通道被单独地控制。
在图3中，机器2具有例如九个相，九个相分组成三组星形连接的三相4, 5和6。
功率转换器1具有多个相同地形成的通道。通道的每个输出连接到电力机器2的呈星形构造的一组三相。因此，功率转换器1的通道的数量等于机器2的呈星形构造的三相组的数量。同相通道的输入连接到彼此，且连接到变压器3的对应输出。
在图3中，电力机器具有三组呈星形构造的三相4, 5和6。因此，功率转换器1包括三个通道7, 8, 9。
参考图4，其示出在电动机或发电机模式中操作的多通道功率转换器1的通道7的构造。所有通道相同地形成。
通道7包括谐波过滤装置10，意在将其输入连接到功率转换器通道1的其他输入和变压器3。
过滤装置10的输出连接到可逆控制的桥式整流器11的输入。
桥式整流器11的输出连接到电容器组12。
电容器组12包括两组串联连接的电容器，其端部连接到桥式整流器11，连接到制动斩波器13，且连接到可逆电压逆变器15的输入，且其在两个电容器之间的中点连接到制动斩波器。第二电容器组14与电容器组12相同，第二电容器组14连接到可逆电压逆变器15的输入。
电容器组14的两个电容器分组之间的中点连接到可逆电压逆变器15。电压逆变器15的输出连接到dV/dT过滤器16。过滤器16的输出连接到电力机器2的呈星形构造的成组三相。
这里不详细论述过滤装置10、受控的且可逆的桥式整流器11、制动斩波器13、可逆电压逆变器15和dV/dT过滤器16，因为这些元件是技术人员已知的。
现在，在图5中描述图2中示出的风力涡轮场测试程序的第一实施模式。
在风力涡轮场测试程序的此实施模式中，涡轮中的一个在无功功率补偿模式中操作，且另一个涡轮的操作通过控制由涡轮产生的功率来测试。
换句话说，补偿在测试的功率模块和其他功率模块之间传输的无功功率，控制由测试的功率模块产生的功率，且将所述产生的功率与至少一个阈值进行比较。
在步骤1中，第一功率模块Mp并入风力涡轮中的一个（在此情况下参考的风力涡轮H1）中，且包括多相和多通道电力机器2和多通道功率转换器1，第一功率模块Mp操作以便补偿由风电场CH产生且由电缆C3传输的无功功率。风力涡轮的此操作模式称为无功功率补偿模式CPR。
待补偿的无功功率设定点通过处理单元UT1确定，且传送到风力涡轮H1的处理单元UT2，其控制H1功率模块使得补偿无功功率。
然后在步骤2中，并入另一涡轮H2中的功率模块通过控制由涡轮产生的功率来测试。
当然，对于并入风力涡轮H1, H2, H3, H4, H5和H6中的一个中的每个模块，功率模块测试程序是相同的。
换句话说，无功功率补偿器件由并入参考的风力涡轮H1中的功率模块Mp构成，其构造成补偿与测试的H2功率模块交换的无功功率。
在无功功率补偿模式中操作的风力涡轮是除了被测试的风力涡轮外的风力涡轮H1, H2, H3, H4, H5和H6中的任一个。
在带有若干批的风电场的情况下，每批至少一个风力涡轮应当在测试程序期间在无功功率补偿模式CPR中操作。
此程序对于风电场中的每个风力涡轮重复。
该程序可一次对于一个风力涡轮、一次对于若干风力涡轮或在一个测试操作中对于场中所有风力涡轮实行。
使用的功率将根据同时测试的风力涡轮的数量调整。
在CPR模式中，电力机器2的相组4, 5和6的线圈用作电感器。
可逆电压逆变器15调节流过每个相的电流和每个相的终端处的电压之间的相偏移，以便补偿格网中的无功功率。
电压逆变器由风力涡轮场处理单元UT1控制，以便输送无功功率补偿设定点。
有利地，不需要额外的电感器条来执行风力涡轮场测试程序。
图6示出并入风力涡轮H2中的星形组件和相关的电压逆变器的电功率交换流。
如此图中示出的那样，功率PGe由变压器3传送且供应功率转换器1。
机器2的相组4和5由电动机功率Pmot1和Pmot2供应，电动机功率Pmot1和Pmot2由功率转换器1供应，且相组6产生供应转换器1的功率Pgen。
对于每组三相或对于电力机器2的呈星形构造的多组三相以及测试的功率转换器1的相关通道，重复测试程序。
图7详述用于测试风力涡轮机舱的功率模块（先前在图5的步骤2中描述）且特别地在图6中可见的组21的程序，组21包括呈星形构造的三相分组6和功率转换器1的通道9。
通过组件20使电力机器2的转子运转，组件20包括呈星形构造的三相4和5，其由功率转换器1的通道7和8供给。
在开始测试程序的步骤2.1期间，组件20由功率生成器件供电，功率生成器件能够加速被测试的功率模块直到它达到连接速度。
连接速度对应于电力机器和功率转换器将产生足够供应电网的功率（如果它们在发电机模式中操作）的旋转速度。例如，在风力涡轮的情况下，连接速度是3.7rpm。
功率生成器件包括分站S1的发电机组Ge，其经由变压器3连接到终端E1。
由发电机组Ge供应的电功率PGe经由电缆C3传送到风力涡轮H2。
电功率传输由在功率调节模式中的风力涡轮场处理单元UT1且由风力涡轮H2的风力涡轮处理单元UT2控制。
呈星形构造的三相组4和5称为电动机组。
呈星形构造的三相电动机组的数量选择成使得由星形输送的总额定驱动功率至少等于测试的组的额定功率。
电力机器2由测试的风力涡轮H2的处理单元UT2控制速度。
在步骤2.2中，当电力机器2的转子达到连接速度时，且在组件21的同步之后，控制测试的组件21，使得它在发电机模式中操作。
组21控制电力机器2的转矩。
由组件21产生的电功率Pgen传输到电动机组件20。
风力涡轮的处理单元UT2控制组21，且使风力涡轮H2的叶片定向，使得由组20消耗的电动机功率Pmot1和Pmot2的总和等于功率Pgen。
在步骤2.3中，当由组20消耗的电动机功率Pmot1和Pmot2的总和等于功率Pgen时，由测试的功率模块产生的功率控制阶段开始。
发电机组Ge不再向风力涡轮H2供应电功率。
风力涡轮H2现在是自发的且由处理单元UT2控制。
组件21包括呈星形构造的一组三相6和相关的功率转换器1的通道9，由组件21产生的施加于电力机器2的转子的抗性电磁转矩逐渐增加。结果，转子的旋转速度降低。处理单元UT2增加由单元20输送的驱动功率，直到达到速度设定点。因此，可增加抗性转矩，直到由抗性转矩产生的功率等于由组件20产生的电动机功率。
由组件21产生的功率与期望值进行比较，以便通过比较Mcomp验证组件21的操作。
此测试程序具有如下优点：通过使用模块的获取链、控制链和功率链在它的整个功率范围内测试功率模块，例如在风力涡轮的情况下。
有利地，测试装置具有确保功率模块内的有功功率交换的构造。
换句话说，在第二测试阶段期间，功率模块通过不再与风力涡轮场交换有功功率自发地操作。
因此，执行测试程序不需要阻力测试台，且发电机组的功率消耗减小。
相比于现有技术的已知水平，集装（packaging）站的平台有利地较小。
根据执行测试程序的另一种方法，发电的器件包括例如并入风力涡轮中的在发电机模式中操作的额外的功率模块。
这些生成器件代替发电机组Ge。
风力涡轮在发电机模式中操作，且向被测试的风力涡轮供应电功率。
测试程序与在先前的实施模式中描述的那样相同。
在此实施模式中，风电场控制器在电压调节模式中操作，且风力发电机控制器通过向格网输出功率在功率调节模式中操作。
换句话说，在测试程序的启动阶段期间需要的功率由风产生。因此，发电机组的燃料消耗是零。

Claims (10)

1. 一种用于测试连接在一起的成组功率模块（Mp）中的功率模块（Mp）的装置，其特征在于，所述装置包括：无功功率补偿器件（1, 2），其能够补偿在测试的功率模块和其他功率模块之间传输的无功功率；以及用于控制由所述测试的功率模块产生的功率的器件（UT2），其包括用于将所述产生的功率与至少一个阈值进行比较的器件（Mcomp）。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无功功率补偿器件由所述功率模块中构造成补偿与被测试的功率模块交换的无功功率的一个功率模块构成。
3. 根据权利要求1和权利要求2中的一项所述的装置，其特征在于，每个功率模块包括多相和多通道同步电力机器（2），所述多相和多通道同步电力机器具有包括多组三相（4,5, 6）的定子，其带有容许每个通道被单独地控制的磁耦合水平。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多相、多通道同步电力机器（2）的每个通道在电动机模式或发电机模式中操作。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括功率生成器件，其连接到所述功率模块且能够加速所述测试的模块。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述功率生成器件包括发电机组（Ge），所述发电机组包括柴油发动机。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述功率生成器件包括额外的功率模块（Mp）。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的装置，其特征在于，所述功率模块是嵌入风力涡轮机舱中的功率模块（Mp）。
9.一种用于测试成组连接的功率模块中的功率模块（Mp）的方法，其特征在于，补偿在测试的功率模块和其他功率模块之间传输的无功功率，监测由所述测试的功率模块产生的功率，且将所述产生的功率与至少一个阈值进行比较。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
启动阶段，在所述启动阶段期间供应所述测试的功率模块直到它达到跟随的连接速度；以及
用于控制由被测试的功率模块产生的所述功率的阶段，所述被测试的功率模块包括多相和多通道同步电力机器（2），所述多相和多通道同步电力机器包括定子，所述定子包括由成组三相（4, 5, 6）连接在一起的相，且其中所述电力机器的转子经由至少一组三相在预定的旋转速度下驱动，所述测试的功率模块的一个或多个其他组三相在发电机模式中操作，且电磁转矩施加于所述测试的功率模块的多相和多通道同步电力机器的转子。
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