CN110609182A - 一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置及其测试方法 - Google Patents

一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置及其测试方法。本发明属于电力电子技术领域；本发明可以使两台待测半桥或全桥功率单元运行于额定电压和电流下，快速验证各方面性能，满足样机验证或工程快速批量检测的需求；另外，本发明充分考虑了实际工程中功率单元的自取能特性，所设计充电环节既能对不带电单元进行平稳充电，又能与后续大电流对冲环节有效衔接，且无需手动操作或更改回路拓扑；可以快速计算出在额定电压下产生额定电流的各项参数；另外本发明可以拓展到多对功率单元同时进行试验，仅需增加相应数量的电抗器即可。

Description

一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置及其测试 方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置及及其测试方法。
背景技术
相比于传统的两电平或三电平中性点钳位式变流器，多电平变流器因其具有模块化结构、易拓展、交流侧输出谐波含量小、冗余实现简单等优点，在柔性直流输电、高压电机拖动、高压无功补偿等领域具有广阔的应用前景。
当前构成多电平变流器的基本构成单位，功率单元，按拓扑结构分类有：半桥型、全桥型、飞跨电容型、钳位型双模块型等十余种，其中半桥型和全桥型功率单元凭借其拓扑结构简单、易封装、损耗小、控制简单等诸多优点，在众多拓扑结构中占据绝对主流地位。例如在柔性直流输电领域，如图1所示，半桥功率单元串联组成模块化多电平(MMC)变流器；在无功补偿领域，如图2所示，全桥功率单元串联组成H桥级联(Cascaded H Bridge)静止无功发生器。出于绝缘的考虑，功率单元基本都采用自取能模式，即功率单元内包括IGBT触发信号等二次回路的电能，均取自自身直流电容，仅通过光纤与主控装置进行信息交互。同时为便于柜下调试，功率单元均会使用二次线缆，通过端子的形式将内部直流电容正负极引出。
申请号为201110244693.5的中国专利《柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的功率环试验方法》和申请号为201310090549.X的中国专利《柔性直流输电MMC 换流阀运行试验装置及试验方法》，利用2N个功率单元搭建功率环；每N个功率单元组成一个高压阀串，两个阀串间通过电抗器交换功率。由于只是在系统内部交换无功功率，该方法同样可以减少对电源容量的需求。
申请号为201410028483.6的中国专利《一种模块化多电平换流阀的功率对冲试验装置》，利用4个半桥功率单元和4台电抗器，组成了一个MMC和全桥的混合电路；一个直流电容并联于电源和测试电路间，提供缓冲，以减小电源容量。
但上述专利的缺点在于，均需要将多个功率单元级联起来后，方能进行测试。而在功率单元初始设计阶段，由于未定型而不能大批量生产，这几种测试方法并不适用。在工程实施阶段，这几种测试方法也不能满足“装配一个，测试一个”的质检要求。此外，后两个专利所提方法，均需要充电和补能两套电源，增加了测试成本。
申请号为201520402266.9的专利中，当两个半桥功率单元组成一个全桥功率单元时，将有大电流流经各半桥功率单元的直流正极，需要使用铜排将直流正极引出。而实际半桥功率单元是仅将交流侧和直流负极通过铜排引出。若要用该方法测试半桥功率单元，需改变其自身结构。
申请号为201410028483.6的专利，拓扑接线较为复杂，且所需电抗器数量较多，此外还需准备额外的直流电容，增加了测试成本。
功率单元的可靠性决定了整台多电平变流器的可靠性；但在绝大多数情况下，受电压和容量限制，多电平变流器无法在实际现场投运前完成整机全功率传输试验，因此需寻找一种等效的试验方法，来验证功率单元在额定工况下的可靠性，包含设计合理性、装配准确性、运输安全性等。目前，已有多位学者或技术人员，提出不同的等效试验方法，包括改变整机主回路与电网的连接形式、用多个功率单元搭建特定拓扑等。这些方法，从原理上来说，均能够进行额定工况等效，但普遍工程可操作性不强。
发明内容
本发明通过控制两待测功率单元解锁状态下内部IGBT导通和关断占空比，协调其输出电压的交流分量的相位和幅值差，从而产生具备一定幅值的在两功率单元内部循环的无功电流；目的在于提供一种与实际工况等效的半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置及其测试方法；能够在原型设计阶段和个体装配阶段，快速验证功率单元在额定电压和额定电流条件下的可靠性。
本发明的技术方案是：一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置，包括一台可调直流电压源、两台待测半桥或全桥功率单元、一台电抗器和一支功率电阻；
其中，所述两台待测半桥或全桥功率单元包括主机和从机，所述主机通过功率电阻与可调直流电压源相连，所述从机通过电抗器与主机相连。
所述自取能型功率单元对冲装置在测试半桥功率单元或全桥功率单元时，其外部接线完全一致。
所述的可调直流电压源仅对主机进行供电，所述主机用于建立和维持从机的直流电压。
所述功率电阻串联在可调直流电压源和主机之间；增加可调直流电压源等效输出阻抗，防止电流振荡。
其测试方法包括以下步骤：
步骤1：上位机控制界面上选择待试验功率单元类型：全桥或半桥；
步骤2：计算主机和从机间形成有效值为Irms的对冲电流时，各功率单元内部直流电压波动Δudc；选取两台待测半桥或全桥功率单元的输出电压交流分量幅值A，该值应小于额定直流电压与直流电压波动之差；计算产生Irms电流所需的两台待测半桥或全桥功率单元的输出电压交流分量相位差
步骤3：运行可调直流电压源，调节输出电压至额定值Udc，主机上的取能电路将从直流支撑电容取电运行，并具备监视和驱动IGBT运行的能力；
步骤4：主机脉冲解锁，按照特定占空比变换对从机进行充电；
步骤5：主机和从机按照相同的占空比输出电压；用于促进主机和从机直流电压的动态均衡，同时为进入步骤6进行过度；
步骤6：主机和从机占空比正弦交流分量加入相位差或幅值差，产生对冲电流，
步骤7：在±5°的范围内，增加或减小使对冲电流实际有效值增加或减小到Irms；对于全桥功率单元，还需在±100V的范围内，增加或减小ΔA，使得从机直流电压提高或降低到与主机一致的范围；调整完毕后，在该状态下持续运行规定时间，以验证主机和从机在规定额定电压和电流条件下的各项性能。
所述步骤2中，直流电压波动Δudc、输出电压交流分量幅值A和输出电压交流分量相位差通过公式进行快速估算。
所述步骤4中，主机占空比按照特定模式进行变化，以实现从机平稳充电；
所述步骤5和6中，主机和从机占空比按照特定模式进行变化，以实现动态平衡和电流上升；
所述步骤7中，可对相位差进行微调，以使对冲电流实际有效值与预期值一致；可对幅值差ΔA进行微调，以使主机和从机直流电压一致。
所述可调直流电压源也可替换为普通直流源、调压器、不控整流电路、预充电电路电气回路的有效组合形式。
本发明的有益效果是：1、仅需1台小功率直流电压源和1台电抗器，便能使两台待测半桥或全桥功率单元运行于额定电压和电流下，快速验证各方面性能，满足样机验证或工程快速批量检测的需求；2、不论待测功率单元内部拓扑是半桥还是全桥，对冲试验外部接线完全相同，实现了测试方法的通用性；3、本方法充分考虑了实际工程中两台待测半桥或全桥功率单元的自取能特性，所设计充电环节既能对不带电单元进行平稳充电，又能与后续大电流对冲环节有效衔接，且无需手动操作或更改回路拓扑；4、本方法给出了一组估算公式，利用这组公式，可以快速计算出在额定电压下产生额定电流的各项参数；5、本方法中，给主机和从机的占空比指令，均以开环形式发出。这也就意味着该方法可以拓展到多对功率单元同时进行试验，仅需增加相应数量的电抗器即可。
本发明还充分考虑了功率单元自取能的特性，在不增加电源的条件下，使得待测功率单元二次回路能够正常得电运行。
附图说明
图1是本发明中半桥功率单元示意图及在MMC拓扑中的应用；
图2是本发明中全桥功率单元示意图及在H桥级联拓扑中的应用；
图3(a)是本发明中半桥功率单元对冲试验接线图；
图3(b)是本发明中全桥功率单元对冲试验接线图；
图4是本发明中半桥功率单元PWM模式示意图；
图5是本发明中全桥功率单元PWM模式示意图；
图6是本发明中半桥对冲主机和从机PWM占空比波形图；
图7是本发明中全桥对冲主机和从机PWM占空比波形图；
图8是本发明中上位机界面功率单元类型选择示意图；
图9是本发明中半桥对冲，主机给从机充电波形图；
图10是本发明中半桥对冲，电流达到设定值时波形图；
图11是本发明中全桥对冲，主机给从机充电波形图；
图12是本发明中全桥对冲，电流达到设定值时波形图。
具体实施方式
本发明；一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置，包括一台可调直流电压源、两台待测半桥或全桥功率单元、一台电抗器和一支功率电阻；
其中，所述两台待测半桥或全桥功率单元包括主机和从机，所述主机通过功率电阻与可调直流电压源相连，所述从机通过电抗器与主机相连。
所述自取能型功率单元对冲装置在测试半桥功率单元或全桥功率单元时，其外部接线完全一致，并不依赖于其内部的拓扑差异。
所述的可调直流电压源仅对主机进行供电，所述主机用于建立和维持从机的直流电压。
所述功率电阻串联在可调直流电压源和主机之间；增加可调直流电压源等效输出阻抗，防止电流振荡。
其测试方法包括以下步骤：
步骤1：上位机控制界面上选择待试验功率单元类型：全桥或半桥；
步骤2：计算主机和从机间形成有效值为Irms的对冲电流时，各功率单元内部直流电压波动Δudc；选取两台待测半桥或全桥功率单元的输出电压交流分量幅值A，该值应小于额定直流电压与直流电压波动之差；计算产生Irms电流所需的两台待测半桥或全桥功率单元的输出电压交流分量相位差
步骤3：运行可调直流电压源，调节输出电压至额定值Udc，主机上的取能电路将从直流支撑电容取电运行，并具备监视和驱动IGBT运行的能力；
步骤4：主机脉冲解锁，按照特定占空比变换对从机进行充电；
步骤5：主机和从机按照相同的占空比输出电压；用于促进主机和从机直流电压的动态均衡，同时为进入步骤6进行过度；
步骤6：主机和从机占空比正弦交流分量加入相位差或幅值差，产生对冲电流，
步骤7：在±5°的范围内，增加或减小使对冲电流实际有效值增加或减小到Irms；对于全桥功率单元，还需在±100V的范围内，增加或减小ΔA，使得从机直流电压提高或降低到与主机一致的范围；调整完毕后，在该状态下持续运行规定时间，以验证主机和从机在规定额定电压和电流条件下的各项性能。
所述步骤2中，直流电压波动Δudc、输出电压交流分量幅值A和输出电压交流分量相位差通过公式进行快速估算。
所述步骤4中，主机占空比按照特定模式进行变化，以实现从机平稳充电；
所述步骤5和6中，主机和从机占空比按照特定模式进行变化，以实现动态平衡和电流上升；
所述步骤7中，可对相位差进行微调，以使对冲电流实际有效值与预期值一致；可对幅值差ΔA进行微调，以使主机和从机直流电压一致。
所述可调直流电压源也可替换为普通直流源、调压器、不控整流电路、预充电电路电气回路的有效组合形式。
如图3或图4中将两台待测半桥或全桥功率单元的其中一对相同极性的主回路输出端，通过一台电抗器相连，电抗器感值取0.5～2mH；另外一对主回路输出端通过电缆直接短接；将可调直流电压源正负输出端口通过4mm2的线缆分别引至其中一个待测半桥或全桥功率单元的直流电容正负极引出端子；其中正极线缆再串入一个组织为0.1～2Ω的功率电阻，为可调直流电压源提供有效的输出阻抗；该与可调直流电压源直接相连的待测半桥或全桥功率单元，称之为主机；未与可调直流电压源直接相连且直流电容正负极引出端子悬空，称之为从机。
上述可调直流电压源也可替换为普通直流源、调压器、不控整流电路、预充电电路等电气回路的有效组合形式。
本发明的工作原理：根据内部IGBT导通或关断的状态，两台待测半桥或全桥功率单元可以分为闭锁和解锁两个状态；若待测半桥或全桥功率单元内所有 IGBT均为关断状态，则待测半桥或全桥功率单元处于闭锁状态；若待测半桥或全桥功率单元内有任意一支IGBT处于导通状态，则该待测半桥或全桥功率单元处于解锁状态。待测半桥或全桥功率单元进入解锁状态后，将按照脉宽调制(PWM)方式运行，同一桥臂的上下两支IGBT状态互补；在一个固定时间周期T内，上管导通时间ton与T的比值，称之为该桥臂的占空比D；待测半桥或全桥功率单元IGBT导通和关断模式，详见图5和图6.
整个对冲过程将分为七个步骤；步骤4、步骤5和步骤6中，主机和从机的占空比变化过程，如图7和图8所示。
在所述步骤4、步骤5和步骤6中，半桥型主机和从机占空比构成如附图6 所示波形，全桥型主机和从机占空比构成如附图7所示波形；
步骤2中，直流电压波动Δudc、输出电压交流分量幅值A和输出电压交流分量相位差可通过公式进行快速估算，具体计算方法，通过本方法具体实施方式表1给出；表1如下：
表1相关参数计算：
所述步骤4中，主机占空比按照特定模式进行变化，以实现从机平稳充电，具体变化方式，通过本方法具体实施方式表2给出；表2如下：
其中Tc为设定的充电时间，一般取1～5秒。DM按照爬坡的方式进行变化，一方面可以防止在充电的初始时刻，充电电流太大导致主机保护动作；另一方面可以实现向下一阶段的平稳过度。该阶段过后，从机的取能电路也具备了监视和驱动IGBT运行的能力。
步骤5中，表3企稳阶段主机和从机占空比变化：
步骤6中，表4大电流阶段主机和从机占空比变化：
实施例1：待测半桥功率单元对冲：
工况：功率单元内部直流支撑电容容值C为7.5mF，两功率单元间连接电抗器感值为1.0mH，要求直流额定电压为800V，对冲电流有效值Irms为300A。
步骤1：上位机控制界面上设定待试验功率单元类型为半桥，如图9所示；
步骤2：按照表1计算直流电压波动Δudc约为90V，输出电压交流分量幅值 A设定为300V，产生Irms所需相位差约为25.7°；
步骤3：运行可调直流电压源，并逐步调节输出电压至800V后，主机运行灯亮起，与上位机通讯正常。
步骤4：设定充电时间TC为3秒，主机脉冲解锁，并按照表2所述占空比产生PWM波形，此时，从机直流电压将逐渐被充至800V，如图10所示，运行灯亮起，与上位机也建立起通讯；
步骤5：从机脉冲解锁，主机和从机按照表3所述占空比产生相同PWM波形，并维持2秒，此时，主机和从机直流电压基本接近，对冲电流基本为0；
步骤6：按照表4所述占空比产生方式，使从机输出电压交流分量滞后主机 25.7°，经测得，此时对冲电流有效值约为320A，高于目标值；
步骤7：将主机和从机间输出电压交流分量相位差由25.7°微调为24°，此时对冲电流有效值为300A，如图11所示，维持该状态约半小时，并观测IGBT 温升。
实施例2：待测全桥功率单元对冲：
工况：功率单元内部直流支撑电容容值C为5.6mF，两台待测半桥或全桥功率单元间连接电抗器感值为0.75mH，要求直流额定电压为750V，对冲电流有效值Irms为250A；
步骤1：上位机控制界面上设定待试验功率单元类型为全桥，如图9所示；
步骤2：按照表1计算直流电压波动Δudc约为100V，输出电压交流分量幅值A设定为500V，产生Irms所需相位差约为9.5°；
步骤3：运行可调直流电压源，并逐步调节输出电压至750V后，主机运行灯亮起，与上位机通讯正常；
步骤4：设定充电时间TC为1.5秒，主机脉冲解锁，并按照表2所述占空比产生PWM波形，此时，从机直流电压将逐渐被充至750V，如图12所示，运行灯亮起，与上位机也建立起通讯；
步骤5：从机脉冲解锁，主机和从机按照表3所述占空比产生相同PWM波形，并维持2秒，此时，主机和从机直流电压基本接近，对冲电流基本为0；
步骤6：按照表4所述占空比产生方式，使从机输出电压交流分量滞后主机 9.5°经测得，此时对冲电流有效值约为300A，高于目标值；同时从机直流电压平均值比主机低约100V；
步骤7：将主机和从机间输出电压交流分量相位差由9.5°微调为7.5°，幅值差ΔA由0微调为-55V，此时对冲电流有效值为250A，主机和从机直流电压平均值大致相等；维持该状态约半小时，并观测IGBT温升。
本发明仅需1台小功率直流电压源和1台电抗器，便能使两台待测半桥或全桥功率单元运行于额定电压和电流下，快速验证各方面性能，满足样机验证或工程快速批量检测的需求；不论待测功率单元内部拓扑是半桥还是全桥，对冲试验外部接线完全相同，实现了测试方法的通用性；本方法充分考虑了实际工程中两台待测半桥或全桥功率单元的自取能特性，所设计充电环节既能对不带电单元进行平稳充电，又能与后续大电流对冲环节有效衔接，且无需手动操作或更改回路拓扑；本方法给出了一组估算公式，利用这组公式，可以快速计算出在额定电压下产生额定电流的各项参数；本方法中，给主机和从机的占空比指令，均以开环形式发出。这也就意味着该方法可以拓展到多对功率单元同时进行试验，仅需增加相应数量的电抗器即可；本发明还充分考虑了功率单元自取能的特性，在不增加电源的条件下，使得待测功率单元二次回路能够正常得电运行。

Claims (8)

1.一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置，其特征在于，包括一台可调直流电压源、两台待测半桥或全桥功率单元、一台电抗器和一支功率电阻；
其中，所述两台待测半桥或全桥功率单元包括主机和从机，所述主机通过功率电阻与可调直流电压源相连，所述从机通过电抗器与主机相连。
2.根据权利要求1所述的一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置，其特征在于，所述自取能型功率单元对冲装置在测试半桥功率单元或全桥功率单元时，其外部接线完全一致。
3.根据权利要求1所述的一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置，其特征在于，所述的可调直流电压源仅对主机进行供电，所述主机用于建立和维持从机的直流电压。
4.根据权利要求1所述的一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置，其特征在于，所述功率电阻串联在可调直流电压源和主机之间。
5.如权利要求1-4所述的一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：上位机控制界面上选择待试验功率单元类型：全桥或半桥；
步骤2：计算主机和从机间形成有效值为Irms的对冲电流时，各功率单元内部直流电压波动Δudc；选取两台待测半桥或全桥功率单元的输出电压交流分量幅值A，该值小于额定直流电压与直流电压波动之差；计算产生Irms电流所需的两台待测半桥或全桥功率单元的输出电压交流分量相位差
步骤3：运行可调直流电压源，调节输出电压至额定值Udc，主机上的取能电路将从直流支撑电容取电运行，并具备监视和驱动IGBT运行的能力；
步骤4：主机脉冲解锁，按照特定占空比变换对从机进行充电；
步骤5：主机和从机按照相同的占空比输出电压；用于促进主机和从机直流电压的动态均衡，同时为进入步骤6进行过度；
步骤6：主机和从机占空比正弦交流分量加入相位差或幅值差，产生对冲电流，
步骤7：在±5°的范围内，增加或减小使对冲电流实际有效值增加或减小到Irms；对于全桥功率单元，还需在±100V的范围内，增加或减小ΔA，使得从机直流电压提高或降低到与主机一致的范围；调整完毕后，在该状态下持续运行规定时间，以验证主机和从机在规定额定电压和电流条件下的各项性能。
6.根据权利要求5所述的一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置的测试方法，其特征在于，所述步骤2中，直流电压波动Δudc、输出电压交流分量幅值A和输出电压交流分量相位差通过公式进行快速估算。
7.根据权利要求5所述的一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置的测试方法，其特征在于，所述步骤4中，主机占空比按照特定模式进行变化，以实现从机平稳充电；
所述步骤5和6中，主机和从机占空比按照特定模式进行变化，以实现动态平衡和电流上升；
所述步骤7中，可对相位差进行微调，以使对冲电流实际有效值与预期值一致；可对幅值差ΔA进行微调，以使主机和从机直流电压一致。
8.根据权利要求1所述的一种半桥和全桥通用的自取能型功率单元对冲装置，其特征在于，所述可调直流电压源也可替换为普通直流源、调压器、不控整流电路、预充电电路电气回路的有效组合形式。
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