CN110187192A - 一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于阀段对拖试验平台的柔性直流输换流阀的损耗测试系统及方法，系统包括阀段对拖模块、损耗计算模块和电流控制模块；所述的电流控制模块接收阀段对拖模块的实时电流值，并输出控制信号至阀段对拖模块，使得对拖模块内产生稳定的运行电流；所述损耗计算模块接收阀段对拖模块的电压电流测量数据，计算阀段对拖模块中试品阀段和陪试阀段损耗。其中阀段对拖平台中总的损耗由补能电源输出的直流电能提供，使得阀段对拖平台消耗的功率能够精确计算，避免交流供电方式导致损耗功率难以精确测量的问题，此外对于回路中负载电抗器产生的损耗，考虑了多个频率下的电抗器有功损耗，能够进一步保证换流阀损耗的精确计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压大功率电力电子变流器测试方法技术领域，特别涉及一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统及方法。
背景技术
柔性直流输电换流阀通常采用模块化多电平拓扑结构的电压源型换流阀，其中功率模块通常为门极可关断的全控型功率器件(IGBT，IEGT)，柔性直流输电技术是一种新型电力传输技术，与传统的直流输电技术相比较，具有能够连接弱交流系统、向无源网络供电、提高风电等新能源接入电网的穿透功率等优点。随着近年来国内外柔性直流变流器技术的不断发展，换流阀的电压等级和输电容量也不断增大，已开始应用于我国主干网系统，其损耗特性直接影响柔性直流输电系统效率，因此柔性直流输电工程均对换流阀损耗特性做出了具体要求，同时换流阀损耗的准确计算也直接影响换流阀水冷系统容量的配置和成本，因此在损耗理论计算的基础上，需要研究换流阀的损耗测量的实验方法，对损耗的理论计算结果进行校验。
在柔性直流输电工程建成投运之前，由于换流阀的电压等级和容量较高通常无法直接利用电网进行全功率测试，因此换流阀通常以换流阀组件为单位进行各种试验和测试，对于模块化多电平换流阀(MMC)是以阀段为单位进行测试，即由几个功率单元串联组成试品阀段。本发明中的损耗测量方法也针对阀段设计。在损耗测量方面由符松格申请的专利“变流器的损耗测量方法及系统.申请号：CN109459648A”中提出一种针对低压换流器损耗测量的方法和系统，将换流阀放入封闭柜体通过测量水冷流量和温度等参数间接测量变流器损耗。但对于模块化多电平换流器主要受体积和模块化结构等限制，无法将阀段装入封闭柜体，且试品阀段电压等级较高，实验项目较多，阀段试验平台通常专门设置场地或阀厅进行相关试验，且平台应考虑多种试验项目的兼容性，因此该发明所述系统和方法无法适用MMC拓扑。
发明内容
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统及方法，针对现有技术中的局限性，对MMC拓扑的试品阀段给出一种基于对拖实验平台的损耗测量方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统，包括阀段对拖模块、损耗计算模块和电流控制模块；所述的电流控制模块接收阀段对拖模块的实时电流值，并输出控制信号至阀段对拖模块，使得对拖模块内产生稳定的运行电流；所述损耗计算模块接收阀段对拖模块的电压电流测量数据，计算阀段对拖模块中试品阀段和陪试阀段损耗。
所述阀段对拖模块包括试品阀段、陪试阀段、负载电抗器、补能电源、预充电电源和水冷装置；其中试品阀段与负载电抗器串联后再与陪试阀段并联，试品阀段低压端和陪试阀段低压端连接后直接与接地点连接，并在两阀段低压端连接回路中安装电流霍尔TA01；补能电源的直流输出端与陪试阀段第一功率模块内电容并联，补能电源交流输入端与电网连接；预充电电源直流输出端串联隔离刀QS01后与再与试品阀段并联，预充电电源交流输入端与电网连接。
所述补能电源为低压可控整流器电源，预充电电源为高压不控整流电源。
所述试品阀段和陪试阀段均为级联型模块化多电平结构，是多个功率单元串联组成。
一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统的方法，包括电流控制模块的控制方法和损耗计算模块的计算方法。
一、所述电流控制模块的控制方法具体如下：
1)所述电流控制模块的输入信号为阀段对拖回路中的负载电流IL和电流设定值Iref,输出信号为第一参考信号Uref1和第二参考信号Uref2；
2)第一参考信号Uref1直接设定为带直流偏置的电压信号，Uref1＝Uac*[sin(wt)+0.5]；其中t为时间，w为给定电流角频率，通常为50Hz(100π弧度/秒)，Uac为参考信号幅值；
3)电流设定值Iref与负载电流IL相减，其差值与PR调节器模块连接，PR调节器输出信号与第一参考信号Uref1相加得到第二参考信号Uref2；
4)第一参考信号Uref1和第二参考信号Uref2分别连接到阀段对拖模块的试品阀段和陪试阀段，控制两个阀段工作，并在其中产生给定的电流Iref；
其中：负载电流IL为阀段对拖模块中试品阀段和陪试阀段间的环流，即流经负载电抗L1的电流实时值，由电流传感器TA01输出其测量值连接至电流控制模块；
其中：给定的电流值Iref为给定的带直流偏置的交流电流，可表示为其中t为时间，Iac，Idc，和w为设定常数；Iac为交流分量幅值给定，Idc，为直流分量给定，为电流给定相位，w为给定电流角频率，通常为50Hz(100π弧度/秒)
其中：PR调节器模块为准比例谐振调节器，表达式为
式中Kp为比例系数；Kr为谐振系数；ωc为谐振频率，s为微分算子。
二、所述损耗计算模块的计算方法如下：
损耗计算模块包括输入功率计算模块和负载电抗损耗计算模块，接收电流霍尔输出的电流采样信号，即阀段对拖模块中霍尔TA01测量的负载电流Iload，以及补能电源直流侧输出电压Uin和电流Iin信号，其中补能电源直流侧输出电压Uin和电流Iin信号与输入功率计算模块相连，负载电抗值L和霍尔TA01采样的电流信号Iload与负载电抗损耗计算模块连接，输入功率计算模块输出值Ptotal与负载电抗损耗计算模块输出值PL相减得到阀段损耗值P；
其中所述的输入功率计算模块用于计算输入阀段对拖平台的功率Ptotal，计算方法为Ptotal＝Uin*Iin；其中Uin和Iin分别为补能电源输出的直流电压和直流电流值。
所述负载电抗损耗计算模块用于计算负载电抗器L1在各种频率电流下所产生的有功损耗，计算方法如下：
第一步：将负载电流Iload一周期的采样数据进行傅里叶分析，确定电流中各频率谐波分量的幅值I0～In，共计算N个频率点的谐波电流有效值，n＝0时为直流分量；
第二步：用小功率变频器与电抗器L1并联，根据负载电流Iload所含的谐波频率，调节变频器输出电压频率由0～n Hz变化，变化步长小于等于n/N Hz；记录每个频率点的电压值ui和电流值ii；
第三步：计算电抗器L1各频率点下电阻ri，方法为：首先电抗器各频率下等效电阻产生的压降为uir＝ui-wL，其中w为变频器输出频率设定值，然后计算电抗器对应频率点的等效电阻为：ri＝uir/ii(i＝1…N)；
第四步：计算电抗器L1有功损耗，计算方法为利用负载电流Iload中各频率下电流有效值I0～Ii与对应频率点电阻ri直接计算电抗器有功损耗PL如下式
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、基于阀段对拖实验平台的损耗测试方法中，补能电源仅提供对拖实验中功率单元和回路器件的损耗，消耗电能较少，适用于大功率电力电子设备测试的应用。
2、补能电源输出为直流电压，为阀段对拖试验平台的损耗提供电能，因此输入阀段对拖试验平台的功率能够精确计算，避免交流供电方式导致损耗功率难以精确测量的问题，能够为换流阀损耗的精确计算提供必要条件。
3、损耗测试中主回路连接方式简单，主要为负载电抗器产生的损耗和阀段本身损耗，本发明中对电抗器的功率损耗考虑了多个频率下的电抗器有功损耗，能够为换流阀损耗的精确计算提供必要条件。
附图说明
图1为基于阀段对拖实验平台损耗测量方法的原理图；
图2为试品阀段和陪试阀段原理图；
图3为电流控制模块原理图；
图4为损耗计算模块原理图。
其中：1-阀段高压端 2-交流输出端 3-阀段低压端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
本发明提供一种基于阀段对拖试验平台的柔性直流输换流阀的损耗测试系统及方法，所述系统包括损耗计算模块、阀段对拖模块和电流控制模块。所述的电流控制模块接收阀段对拖模块的实时电流值，并输出控制信号连接阀段对拖模块，使得阀段对拖模块内产生稳定的运行电流。所述损耗计算模块接收阀段对拖模块的输出数据，阀段对拖模块将系统电压电流的测量数据经信号传输电缆发送至损耗计算模块，由损耗计算模块计算阀段对拖模块中试品阀段和陪试阀段损耗。
如图1所示。所述阀段对拖模块包括试品阀段、陪试阀段、负载电抗器、补能电源、预充电电源和水冷装置，所述补能电源S1为低压可控整流器电源，预充电电源S2为高压不控整流电源。其中试品阀段与负载电抗器L1串联后再与陪试阀段并联，L为2.3mH，试品阀段低压端和陪试阀段低压端连接后直接与接地点连接，并在两阀段低压端连接回路中安装电流霍尔TA01。补能电源的直流输出端与陪试阀段1#功率模块内电容并联，补能电源交流输入端与电网连接。所述预充电电源直流正极输出端串联隔离刀QS01后与再与试品阀段并联，预充电电源交流输入端与电网连接。水冷装置经水冷管与试品阀段和陪试阀段连接。
所述试品阀段和陪试阀段均为级联型模块化多电平结构。是多个功率单元(如半桥功率单元、全桥功率单元)直接串联组成。如图2所示，试品阀段和陪试阀段中功率单元均由四只全控功率器件(包含反并联二极管)G1、G2、G3、G4按照全桥结构连接，再与电容器C并联组成。再由6级(1#～6#)全桥功率模块交流输出端依次串联组成阀段，功率模块额定电压2.0kV。
所述基于对拖实验的换流阀损耗测量系统的方法，包括电流控制模块的控制方法和损耗计算模块的计算方法。
如图3所示，所述电流控制模块输入信号为阀段对拖回路中的负载电流IL和电流设定值Iref,输出信号为第一参考信号Uref1和第二参考信号Uref2。电流设定值Iref与负载电流IL相减，其差值与PR调节器模块连接，PR调节器输出信号与第一参考信号Uref1相加得到第二参考信号Uref2。而第一参考信号Uref1直接设定为带直流偏置的电压信号，设功率模块电容额定电容电压2kV,则Uref1＝12*[sin(314t)+0.5]kV。Uref1和Uref2分别连接到阀段对拖模块的试品阀段和陪试阀段，控制两个阀段工作，并在其中产生给定的电流Iref。其中负载电流IL为阀段对拖模块中试品阀段和陪试阀段间的环流，即流经负载电抗L1的电流实时值，由电流传感器TA01输出其测量值连接至电流控制模块。设定电流值Iref为给定的带直流偏置的交流电流，可表示为 即Iac＝1.42，Idc＝1.0，和w＝314弧度/秒。其中PR调节器模块为准比例谐振调节器，其表达式为
式中Kp＝0.45为比例系数；Kr＝10为谐振系数；ωc＝314弧度/秒为谐振频率，s为微分算子。
如图4所示，所述损耗计算模块包括输入功率计算模块和负载电抗损耗计算模块，接收电流霍尔输出的电流采样信号，即阀段对拖模块中霍尔TA01测量的负载电流Iload，以及补能电源直流侧输出电压Uin和电流Iin信号，其中补能电源直流侧输出电压Uin和电流Iin信号与输入功率计算模块相连，负载电抗值L和霍尔TA01采样的电流信号Iload与负载电抗损耗计算模块连接，输入功率计算模块输出值Ptotal与负载电抗损耗计算模块输出值PL相减得到阀段损耗值P。即P＝Ptotal-PL
其中所述的输入功率计算模块用于计算输入阀段对拖平台的功率Ptotal，计算方法为Ptotal＝Uin*Iin。其中Uin和Iin分别为补能电源输出的直流电压和直流电流值。
所述负载电抗损耗计算模块用于计算负载电抗器L1在各种频率电流下所产生的有功损耗，计算方法如下：
第一步：将负载电流Iload一周期的采样数据进行傅里叶分析，确定电流中各频率谐波分量的幅值I0～In，计算N个频率点的谐波电流有效值，n＝0时为直流分量。
第二步：用小功率变频器与电抗器L1并联，调节变频器输出电压频率由0～600Hz变化，变化步长小于等于10Hz(N＝600/10＝60)。记录每个频率点的电压值ui和电流值ii。
第三步：计算电抗器L1各频率点下电阻ri，方法为：首先电抗器各频率下等效电阻产生的压降为uir＝ui-wiL，其中wi为变频器输出频率设定值wi＝(0,10……600)*2π，然后计算电抗器对应频率点的等效电阻为：ri＝uir/ii。(i＝1…60)，
第四步：计算电抗器L1有功损耗，计算方法为利用负载电流Iload中各频率下电流有效值I0～I60与对应频率点电阻ri直接计算电抗器有功损耗PL如下式
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (7)
1.一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统，其特征在于，包括阀段对拖模块、损耗计算模块和电流控制模块；所述的电流控制模块接收阀段对拖模块的实时电流值，并输出控制信号至阀段对拖模块，使得对拖模块内产生稳定的运行电流；所述损耗计算模块接收阀段对拖模块的电压电流测量数据，计算阀段对拖模块中试品阀段和陪试阀段损耗。
2.根据权利要求1所述的一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统，其特征在于，所述阀段对拖模块包括试品阀段、陪试阀段、负载电抗器、补能电源、预充电电源和水冷装置；其中试品阀段与负载电抗器串联后再与陪试阀段并联，试品阀段低压端和陪试阀段低压端连接后直接与接地点连接，并在两阀段低压端连接回路中安装电流霍尔TA01；补能电源的直流输出端与陪试阀段第一功率模块内电容并联，补能电源交流输入端与电网连接；预充电电源直流输出端串联隔离刀QS01后与再与试品阀段并联，预充电电源交流输入端与电网连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统，其特征在于，所述补能电源为低压可控整流器电源，预充电电源为高压不控整流电源。
4.根据权利要求2所述的一种基于对拖实验的换流阀损耗测量系统，其特征在于，所述试品阀段和陪试阀段均为级联型模块化多电平结构，是多个功率单元串联组成。
5.一种权利要求1或2所述的基于对拖实验的换流阀损耗测量系统的方法，其特征在于，包括电流控制模块的控制方法和损耗计算模块的计算方法，所述电流控制模块的控制方法具体如下：
1)所述电流控制模块的输入信号为阀段对拖回路中的负载电流IL和电流设定值Iref,输出信号为第一参考信号Uref1和第二参考信号Uref2；
2)第一参考信号Uref1直接设定为带直流偏置的电压信号，Uref1＝Uac*[sin(wt)+0.5]；其中t为时间，w为给定电流角频率，Uac为参考信号幅值。
3)电流设定值Iref与负载电流IL相减，其差值与PR调节器模块连接，PR调节器输出信号与第一参考信号Uref1相加得到第二参考信号Uref2；
4)第一参考信号Uref1和第二参考信号Uref2分别连接到阀段对拖模块的试品阀段和陪试阀段，控制两个阀段工作，并在其中产生给定的电流Iref；
其中：负载电流IL为阀段对拖模块中试品阀段和陪试阀段间的环流，即流经负载电抗L1的电流实时值，由电流传感器TA01输出其测量值连接至电流控制模块；
其中：给定的电流值Iref为给定的带直流偏置的交流电流，可表示为其中t为时间，Iac，Idc，和w为设定常数，Iac为交流分量幅值给定，Idc为直流分量给定，为电流给定相位，w为给定电流角频率；
其中：PR调节器模块为准比例谐振调节器，表达式为
式中Kp为比例系数；Kr为谐振系数；ωc为谐振频率，s为微分算子。
6.根据权利要求5所述的基于对拖实验的换流阀损耗测量系统的方法，其特征在于，所述损耗计算模块的计算方法如下：
损耗计算模块包括输入功率计算模块和负载电抗损耗计算模块，接收电流霍尔输出的电流采样信号，即阀段对拖模块中霍尔TA01测量的负载电流Iload，以及补能电源直流侧输出电压Uin和电流Iin信号，其中补能电源直流侧输出电压Uin和电流Iin信号与输入功率计算模块相连，负载电抗值L和霍尔TA01采样的电流信号Iload与负载电抗损耗计算模块连接，输入功率计算模块输出值Ptotal与负载电抗损耗计算模块输出值PL相减得到阀段损耗值P；
其中所述的输入功率计算模块用于计算输入阀段对拖平台的功率Ptotal，计算方法为Ptotal＝Uin*Iin；其中Uin和Iin分别为补能电源输出的直流电压和直流电流值。
7.根据权利要求6所述的基于对拖实验的换流阀损耗测量系统的方法，其特征在于，所述负载电抗损耗计算模块用于计算负载电抗器L1在各种频率电流下所产生的有功损耗，计算方法如下：
第一步：将负载电流Iload一周期的采样数据进行傅里叶分析，确定电流中各频率谐波分量的幅值I0～In，共计算N个频率点的谐波电流有效值，n＝0时为直流分量；
第二步：用小功率变频器与电抗器L1并联，根据负载电流Iload所含的谐波频率，调节变频器输出电压频率由0～n Hz变化，变化步长小于等于n/N Hz；记录每个频率点的电压值ui和电流值ii；
第三步：计算电抗器L1各频率点下电阻ri，方法为：首先电抗器各频率下等效电阻产生的压降为uir＝ui-wL，其中w为变频器输出频率设定值，然后计算电抗器对应频率点的等效电阻为：ri＝uir/ii(i＝1…N)；
第四步：计算电抗器L1有功损耗，计算方法为利用负载电流Iload中各频率下电流有效值I0～Ii与对应频率点电阻ri直接计算电抗器有功损耗PL如下式
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