CN110426649B - 级联型变流器子模块的单相测试方法及系统 - Google Patents

级联型变流器子模块的单相测试方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种级联型变流器子模块的单相测试方法及系统，包括：电流发生器和子模块系统，电流发生器向子模块系统提供测试电流；当子模块系统接收到电流发生器发送的测试电流时，子模块系统输出被测子模块的电压信号；级联变流器系统参数模型用于向电流控制器和电压控制器输出与实际级联型变流器的系统参数及运行工况相对应的电流和电压参考信号；电流控制器用于生成电流发生器中各开关器件的控制信号；电压控制器用于生成子模块系统各测试单元中开关器件的控制信号。本发明可以实现级联型变流器在整流、逆变运行模式下的工况模拟，并且能够实现对多个子模块的同时测试，提升测试效率。

Description

级联型变流器子模块的单相测试方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及级联型变流器子模块的单相测试方法及系统。
背景技术
级联型变流器由子模块级联构成，其自身结构使得其便于拓展，尤其在高电压、大容量的运行场景下具备良好前景。由于子模块的运行特性与变流器密切相关，为了确保变流器的长期可靠运行，对子模块在实际工况中的运行特性进行测试具有重要的意义。
然而现有的测试平台测试工况较为单一，由于测试直流电压的限制，无法实现对多个子模块的同时测试。因此，需要一种简单、可靠的测试方法及系统用来准确模拟被测子模块在实际系统中的运行工况，并实现多个子模块在多种工况下的同时测试并降低对测试直流电压的要求，以提高测试效率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种级联型变流器子模块的单相测试方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供的一种级联型变流器子模块单相测试系统，包括：电流发生器，子模块系统，级联变流器系统参数模型，电流控制器，电压控制器；
所述电流发生器，用于向所述子模块系统提供特定的测试电流；
所述子模块系统包括一个或多个测试桥臂，每个测试桥臂包含一个或多个串联连接的被测子模块，所述测试桥臂之间呈反向串联关系；或者，所述子模块系统包括一个或多个测试单元，每个所述测试单元包括两个反向串联的被测子模块，所述测试单元之间呈串联关系；当所述子模块系统接收到所述电流发生器发送的电流时，所述子模块系统输出所述被测子模块的电压信号；
级联变流器系统参数模型，用于向电流控制器和电压控制器输出与实际级联型变流器的系统参数及运行工况相对应的电流和电压参考信号；
电流控制器，用于控制所述电流发生器生成的测试电流，以及生成电流发生器所需的控制信号；
电压控制器，用于控制所述子模块系统中被测子模块的电容电压，以及生成子模块系统中被测子模块的开关控制信号。
可选地，所述电流控制器，具体用于：根据测试电流信号及所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号共同生成所述电流发生器的控制信号，并通过控制信号调节所述电流发生器输出的测试电流，使得所述电流发生器输出的测试电流与所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号相同。
可选地，所述电流控制器，具体用于：采集单相电流发生器的输出测试电流ia以及级联变流器系统参数模型输出的参考电流ia.ref，计算输出测试电流ia与参考电流ia.ref之间的电流差值，并将所述电流差值通过比例-积分-谐振控制器生成电流发生器输出电压参考值ua,参考电压ua经过脉宽调制之后作为电流发生器内开关器件的控制信号。
可选地，所述电压控制器，具体用于：根据所述子模块系统输出的内部各被测子模块的电容电压信号及所述级联变流器系统参数模型输出的参考电压信号，生成各被测子模块中开关器件的控制信号，以使得所述子模块系统内部各被测子模块的电容电压保持平衡，并且各被测子模块的电容电压与实际级联型变流器中需要模拟的子模块的电容电压相同。
可选地，所述电压控制器包括：电容均压模块和开关调制模块；其中：
所述电容均压模块，具体用于根据所述电流发生器输出的测试电流、所述子模块系统输出的内部各被测子模块的电容电压、所述级联变流器系统参数模型输出的参考电压信号，生成所述子模块系统的目标电压信号；其中，所述参考电压信号包括平均电容电压和子模块参考电压；
所述开关调制模块，具体用于：根据所述电容均压模块生成的目标电压信号，确定投入被测子模块个数，并根据所述电流发生器输出的测试电流信号控制所述子模块系统中各被测子模块的投切状态。
可选地，所述电容均压模块包括求取平均值元件、符号判断元件、加法器、乘法器以及PI控制器，其中，所述取平均值元件通过加法器的输出端与符号判断元件连接，并通过乘法器后与PI控制器串联连接。
可选地，所述电容均压模块，具体用于：对所述子模块系统中被测子模块的电容电压进行闭环控制；所述闭环控制策略如下：
将所述测试桥臂中被测子模块电容电压的平均值Vavg1与Vavg2分别与级联变流器系统参数模型输出的参考电容电压信号Vref1与Vref2作差，得到电容电压差值；
将所述电容电压差值分别与电流发生器输出的测试电流信号的方向相乘，经过比例-积分控制器后再与级联变流器系统参数模型输出的电压参考信号uref1与uref2叠加，作为所述开关调制模块的输入信号；电容均压模块输出信号确定下一开关周期投入子模块数量，所述开关调制模块根据电容电压对被测子模块进行排序，结合测试电流方向确定子模块系统中各被测子模块的脉冲信号，以使得所述子模块系统中被测子模块的电容电压与实际级联型变流器中需要模拟的子模块电容电压相同。
可选地，所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号和参考电压信号的生成方式包括以下任一方式：
方式一：与实际级联型变流器系统参数及运行工况相同的仿真系统中得到仿真数据；
方式二：实际级联型变流器运行过程中记录的数据；
方式三：根据实际级联型变流器系统参数及运行工况计算得到的等效数据。
第二方面，本发明实施例提供一种级联型变流器子模块的单相测试方法，应用如第一方面中任一项所的级联型变流器子模块单相测试系统，执行对级联型变流器子模块的测试。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的级联型变流器子模块的单相测试方法及系统，可以根据所述电流发生器、电流控制器，产生与实际运行状态相同的待测子模块输入电流；并且通过电压控制器控制被测子模块的投切状态，产生与实际运行状态相同的待测子模块电容电压，从而实现对级联型变流器中多个子模块在整流、逆变运行工况的同时模拟，在确保测试的准确性提高测试效率。
2、本发明提供的级联型变流器子模块的单相测试方法及系统，可以通过改变电流发生器的输出电流及被测子模块的数量灵活地配置测试对应的工况条件，提高了实验的灵活性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的级联型变流器子模块的单相测试方法的原理图；
图2为本发明一实施例的级联型变流器子模块单相测试系统中电流控制器的示意性框图；
图3为本发明一实施例的级联型变流器子模块单相测试系统中电压控制器实现方式的示意性框图；
图中，1-电流发生器；2-子模块系统；3-系统参数模型；4-电流控制器；5-电压控制器；51-电容均压模块；52-开关调制模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一实施例的级联型变流器子模块的单相测试方法的原理图，如图1所示，电流发生器生成测试电流；子模块系统生成电容电压，所述子模块系统包括两个结构相同的测试桥臂(第一测试桥臂、第二测试桥臂)，每个测试桥臂包含若干串联的被测子模块，测试桥臂之间呈反向串联关系；子模块系统接收生成的测试电流，并向电压控制器输出子模块系统中各被测子模块的电容电压；根据实际级联型变流器系统参数及运行工况，级联变流器系统参数模型模块分别向所述电流控制器和所述电压控制器输出相应的参考电流信号和参考电压信号；采用电流控制器控制并调节所述电流发生器生成的测试电流；采用电压控制器控制并平衡所述被测桥臂中被测子模块的电容电压。
本实施例中，电流发生器的输出端与子模块系统相连，用于生成测试电流，其包括单相变流器及其对应的滤波器。子模块系统，包括两个结构相同的测试桥臂，每个测试桥臂包含若干串联的被测子模块，两个测试桥臂呈反向串联的电气连接关系；子模块系统接收所述电流发生器生成的电流，并向电压控制器输出各被测子模块的电容电压；级联变流器系统参数模型模块，根据实际级联型变流器系统参数及运行工况，分别向所述电流控制器和所述电压控制器输出相应的参考电流信号和参考电压信号；电流控制器，用于控制并调节所述电流发生器输出电流；电压控制器，用于控制并平衡所述子模块系统中被测子模块电容电压。
本实施例中，电流控制器、电压控制器和级联变流器系统参数模型模块分别通过包含数字信号处理器或FPGA等在内的芯片、运算电路或软件实现其功能；其中：所述级联变流器系统参数模型用于获得实际级联型变流器的系统参数及运行工况，并提供电压电流参考给定；所述电流控制器、电压控制器分别根据所述级联变流器系统参数模型输出的电流及电压参考信号实现电流控制与电压控制。
本实施例中，电流控制器接收所述电流发生器输出电流信号及所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号共同生成所述电流发生器的控制信号，并通过控制信号调节所述电流发生器输出电流，使得所述电流发生器的输出电流信号与所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号近似相同。
本实施例中，所述电压控制器接收所述电流发生器输出电流的电流信号、所述子模块系统输出的内部各被测子模块的电容电压信号及所述级联变流器系统参数模型输出的参考电压信号，生成所述各子模块系统中被测子模块的开关器件的控制信号，使所述子模块系统内部各被测子模块的电容电压平衡，并且与实际级联型变流器中需要模拟的子模块的电容电压近似相同。
本实施例中，所述电压控制器包括：电容均压模块及开关调制模块；其中：所述电容均压模块包括取平均值元件、符号判断元件、加法器、乘法器及PI控制器，所述取平均值元件经过加法器的输出端和符号判断元件经过乘法器后与PI控制器串联连接；所述开关调制模块包括选择及排序算法。
本实施例中，所述电容均压模块的输入包括所述电流发生器输出电流的电流信号、所述子模块系统输出的内部各被测子模块的电容电压信号以及所述级联变流器系统参数模型模块输出的参考电压信号，所述参考电压信号包括平均电容电压与子模块参考电压；所述电容均压模块输出所述子模块系统的目标电压信号；所述开关调制模块采用选择及排序算法，根据所述电容均压模块生成的目标电压信号确定投入被测子模块个数，并根据所述电流发生器输出电流的电流信号控制所述子模块系统中各被测子模块的投切状态。
需要说明的是，本实施例中可选的电压调制方法包括但不限于：最近电平逼近控制(nearest level control)。下面对本发明上述实施例的技术方案进一步详细描述。本发明上述的基于反向串接结构的级联型变流器子模块单相测试方法及系统，可模拟的级联变流器包括但不限于半桥、全桥型模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)以及级联H桥型变流器(Cascaded H-Bridge Converter,CHB)。
具体地，如图1所示，电流发生器1，输出端与子模块系统2上端相连接，用于生成流经子模块系统2内部被测子模块的测试电流。子模块系统2，输入端与电流发生器1相连接用于接收测试电流，并将内部被测子模块的电容电压信号输出至电压控制器5。级联变流器的系统参数模型3，用于根据实际级联型变流器的系统参数及运行工况生成参考电流、电压信号用于模拟实际工况，并将参考电流、电压信号分别输出至电流控制器4和电压控制器5作为相应的目标电流信号和目标电压信号。电流控制器4，用于接收级联变流器系统参数模型3输出的参考电流信号，并通过控制所述电流发生器中各器件的开关脉冲，使得电流发生器1的输出电流与级联变流器的系统参数模型3输出的参考电流近似相同。电压控制器5，用于采集电流发生器1输出电流的电流信号、子模块系统2输出的内部各被测子模块的电容电压信号和级联变流器的系统参数模型3输出的平均电容电压与子模块参考电压(参考电压信号)，生成子模块系统2中各被测子模块的控制信号，使得子模块系统2内部各被测子模块的电容电压与实际级联型变流器中需要模拟的子模块的电容电压近似相同。
在本发明部分实施例中，级联变流器的系统参数模型3用于根据级联型变流器的系统及运行参数模拟实际系统的电气特征，电流控制器4、电压控制器5分别用于电流控制运算与电压控制运算。
具体的，电流控制器4的示意性框图包括但不限于图2所示的结构，电流控制器4对电流发生器1的输出电流进行闭环控制。如图2所示，电流控制器4采集电流发生器1的输出电流ia及级联变流器的系统参数模型3输出的参考电流ia.ref，将电流差值经过比例-积分-谐振控制器(可选)生成电流发生器1的调制波，经过脉宽调制技术作为电流发生器1内开关器件的控制信号。
具体的，
Figure BDA0002139946450000061
式中：ua为电流发生器1的调制波，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Kr为谐振控制系数，ω0为电流频率。
在本发明的实施例中，电压控制器5的示意性框图包括但不限于图3所示的结构。电压控制器5中由电容均压模块51及开关调制模块52共同构成。
在本发明的实施例中，电容均压模块51采集所述电流发生器1输出电流的电流信号、子模块系统2输出的内部各被测子模块的电容电压信号和级联变流器的系统参数模型3输出的平均电容电压与子模块参考电压，并生成子模块系统2中测试桥臂1及测试桥臂2的合成参考电压信号(即目标电压信号)。
在本发明的实施例中，开关调制模块52采用可选的选择及排序算法根据所述电容均压模块生成的目标电压信号确定投入所述子模块系统2中被测子模块个数，并根据所述电流发生器1输出电流的电流信号控制所述子模块系统2中各被测子模块的投切状态。
具体的，所述电压控制器5对所述子模块系统2中被测子模块的电容电压进行闭环控制，所述电压均压模块51将第一测试桥臂及第二测试桥臂中被测子模块电容电压的平均值Vavg1与Vavg2分别与级联变流器系统参数模型模块输出的参考电容电压信号Vref1与Vref2作差得到电容电压差值分别与电流发生器输出电流的方向相乘，经过比例-积分调节器(可选)再与级联变流器系统参数模型模块输出的电压参考信号uref1与uref2叠加后，作为所述开关调制模块52的输入信号，分别用于生成所述测试桥臂1及所述测试桥臂2中被测子模块的脉冲信号，从而使所述子模块系统2中被测子模块的电容电压与实际级联型变流器中需要模拟的子模块电容电压相同。
具体的，
Figure BDA0002139946450000071
式中：Kp为电压控制器的比例控制系数，Ki为电压控制器的积分控制系数，sign表示符号函数，用于提取电流发生器1输出电流ia的方向，uref1*与uref2*分别为第一测试桥臂及第二测试桥臂的调制波。
需要说明的是，本发明提供的所述级联型变流器子模块的单相测试方法中的步骤，可以利用所述级联型变流器子模块单相测试系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种级联型变流器子模块单相测试系统，其特征在于，包括：电流发生器，子模块系统，级联变流器系统参数模型，电流控制器，电压控制器；
所述电流发生器，用于向所述子模块系统提供特定的测试电流；
所述子模块系统包括一个或多个测试桥臂，每个测试桥臂包含一个或多个串联连接的被测子模块，所述测试桥臂之间呈反向串联关系；或者，所述子模块系统包括一个或多个测试单元，每个所述测试单元包括两个反向串联的被测子模块，所述测试单元之间呈串联关系；当所述子模块系统接收到所述电流发生器发送的电流时，所述子模块系统输出所述被测子模块的电压信号；
级联变流器系统参数模型，用于向电流控制器和电压控制器输出与实际级联型变流器的系统参数及运行工况相对应的电流和电压参考信号；
电流控制器，用于控制所述电流发生器生成的测试电流，以及生成电流发生器所需的控制信号；
电压控制器，用于控制所述子模块系统中被测子模块的电容电压，以及生成子模块系统中被测子模块的开关控制信号；
所述电压控制器，具体用于：根据所述子模块系统输出的内部各被测子模块的电容电压信号及所述级联变流器系统参数模型输出的参考电压信号，生成各被测子模块中开关器件的控制信号，以使得所述子模块系统内部各被测子模块的电容电压保持平衡，并且各被测子模块的电容电压与实际级联型变流器中需要模拟的子模块的电容电压相同；
所述电压控制器包括：电容均压模块和开关调制模块；其中：
所述电容均压模块，具体用于根据所述电流发生器输出的测试电流、所述子模块系统输出的内部各被测子模块的电容电压、所述级联变流器系统参数模型输出的参考电压信号，生成所述子模块系统的目标电压信号；其中，所述参考电压信号包括平均电容电压和子模块参考电压；
所述开关调制模块，具体用于：根据所述电容均压模块生成的目标电压信号，确定投入被测子模块个数，并根据所述电流发生器输出的测试电流信号控制所述子模块系统中各被测子模块的投切状态；
所述电容均压模块，具体用于：对所述子模块系统中被测子模块的电容电压进行闭环控制；所述闭环控制策略如下：
Figure FDA0003052638550000021
其中，Vavg1与Vavg2分别为所述测试桥臂中被测子模块电容电压的平均值；Vref1与Vref2分别为所述级联变流器系统参数模型输出的参考电容电压信号；uref1与uref2分别为级联变流器系统参数模型输出的电压参考信号；Kp为电压控制器的比例控制系数，Ki为电压控制器的积分控制系数，sign表示符号函数，用于提取电流发生器输出电流ia的方向，uref1*与uref2*分别为第一测试桥臂及第二测试桥臂的调制波，将所述调制波作为所述开关调制模块的输入信号；
电容均压模块输出信号确定下一开关周期投入子模块数量，所述开关调制模块根据电容电压对被测子模块进行排序，结合测试电流方向确定子模块系统中各被测子模块的脉冲信号，以使得所述子模块系统中被测子模块的电容电压与实际级联型变流器中需要模拟的子模块电容电压相同；
通过改变电流发生器的输出电流及被测子模块的数量灵活地配置测试对应的工况条件。
2.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块单相测试系统，其特征在于，所述电流控制器，具体用于：根据测试电流信号及所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号共同生成所述电流发生器的控制信号，并通过控制信号调节所述电流发生器输出的测试电流，使得所述电流发生器输出的测试电流与所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号相同。
3.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块单相测试系统，其特征在于，所述电流控制器，具体用于：采集单相电流发生器的输出测试电流ia以及级联变流器系统参数模型输出的参考电流ia.ref，计算输出测试电流ia与参考电流ia.ref之间的电流差值，并将所述电流差值通过比例-积分-谐振控制器生成电流发生器输出电压参考值ua,参考电压ua经过脉宽调制之后作为电流发生器内开关器件的控制信号。
4.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块单相测试系统，其特征在于，所述电容均压模块包括求取平均值元件、符号判断元件、加法器、乘法器以及PI控制器，其中，所述取平均值元件通过加法器的输出端与符号判断元件连接，并通过乘法器后与PI控制器串联连接。
5.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块单相测试系统，其特征在于，所述级联变流器系统参数模型输出的参考电流信号和参考电压信号的生成方式包括以下任一方式：
方式一：与实际级联型变流器系统参数及运行工况相同的仿真系统中得到仿真数据；
方式二：实际级联型变流器运行过程中记录的数据；
方式三：根据实际级联型变流器系统参数及运行工况计算得到的等效数据。
6.一种级联型变流器子模块的单相测试方法，其特征在于，应用如权利要求1-5中任一项所的级联型变流器子模块单相测试系统，执行对级联型变流器子模块的测试。
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