CN110954817A - 面向智能换相开关功能测试的固态测试平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向智能换相开关功能测试的固态测试平台及方法，该测试平台包括主控制器、模块Ⅰ、模块Ⅱ和电容C；主控制器分别与模块Ⅰ、模块Ⅱ相连，用于控制模块Ⅰ、模块Ⅱ的工作；模块Ⅰ的一端与变压器的输出端相连；模块Ⅱ的一端与智能换相开关的直流输出端相连；模块Ⅰ的另一端、模块Ⅱ的另一端均与电容C相连，且模块Ⅰ、模块Ⅱ、电容C并联；模块Ⅰ用于将电容C上的多余能量反馈回配电网；模块Ⅱ用于控制流经智能换相开关的电流大小与方向；电容C用于能量支撑、滤波和平波。本发明不仅能模拟所有不平衡运行工况，而且将模拟的不平衡功率通过测试平台均衡地回馈至电网，实现无功率消耗状态下的测试，同时不会对主电网带来影响。

Description

面向智能换相开关功能测试的固态测试平台及方法

技术领域

本发明属于装备检测技术领域，具体涉及一种面向智能换相开关功能测试的可扩展低损耗固态测试平台及其控制方法。

背景技术

当前，智能换相开关的功能测试平台需要接入有功负荷才能进行测试，存在有功损耗的问题；同时负荷接入之后，不能任意调节各相负荷的有功和无功功率，无法调节不平衡度，以及不能进行多次无缝瞬态切换负荷等缺点。如专利《一种换相开关智能检测装置》就存在这些问题。因此如何克服现有技术的不足是目前装备检测技术领域亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有的智能换相开关功能测试平台不能实现能任意调节各相负荷的有功和无功功率，无法调节不平衡度，以及不能进行多次无缝瞬态切换负荷等缺点，本发明专利提供一种面向智能换相开关功能测试的固态测试平台及控制方法，不仅能模拟所有不平衡运行工况，而且将模拟的不平衡功率通过测试平台均衡地回馈至电网，实现无功率消耗状态下的测试，同时不会对主电网带来影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，其特征在于，包括主控制器、模块Ⅰ、模块Ⅱ和电容C；

主控制器分别与模块Ⅰ、模块Ⅱ相连，用于控制模块Ⅰ、模块Ⅱ的工作；

模块Ⅰ的一端与变压器的输出端相连；

模块Ⅱ的一端与智能换相开关的直流输出端相连；

模块Ⅰ的另一端、模块Ⅱ的另一端均与电容C相连，且模块Ⅰ、模块Ⅱ、电容C并联；

模块Ⅰ用于将电容C上的多余能量反馈回配电网；

模块Ⅱ用于控制流经智能换相开关的电流大小与方向；

电容C用于能量支撑、滤波和平波。

进一步，优选的是，模块Ⅱ有多个。

进一步，优选的是，模块Ⅰ包括八个开关管组成的变换器和LC滤波器；模块I对模块Ⅱ吸收的功率进行逆变控制，再经过LC滤波器滤除高频谐波后传回配电网。

进一步，优选的是，模块Ⅱ包括单相H桥和滤波电感L_N；滤波电感L_N将模块Ⅱ吸收的功率滤除谐波后，再经过单相H桥进行整流控制传至直流电容C。

进一步，优选的是，还包括采样模块，采样模块与主控制器相连，所述的采样模块用于采集电网三相电压、电容C的电压、模块I的输出电流、模块II的输入电流，之后将采集到的数据传回至主控制器，主控制器通过进行整流控制与逆变控制后，控制模块Ⅰ、模块Ⅱ中开关管工作。

本发明同时提供一种面向智能换相开关功能测试的固态测试方法，采用上述面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，包括如下步骤：

步骤1：在主控制器设定各个模块II需要吸收的有功与无功值，并下发至各对应模块II；

步骤2：采样模块采集电网三相电压、电容C的电压、模块I的输出电流、模块II的输入电流这些物理量，并将相关物理量下发至模块I和模块II；

步骤3：模块II根据下主控制器下发的物理量、有功值、无功值，进行整流控制，将电能能量吸收并传递至直流电容C；

步骤4：模块I根据主控制器下发的直流电容C的电压值，判断此时的工作状态，然后进行逆变控制，将直流电容C上多余的能量反馈回主电网；

步骤5：此时固态测试平台的不平衡运行工况构建完成，再将被测试的智能换相开关功能开启，进行验证。后续换相开关的功能验证由开关生产厂家根据自身需求自行开展。验证内容包括但不限于验证换相开关是否能够进行合理换相。

本发明公开的主要是一种测试平台，即为厂家开发的智能换相开关提供一个测试环境，而如何验证换相开关的功能不在本专利的保护范围内。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1、本发明可通过单相H桥实时且任意的改变模拟的功率，相比现有技术可节省90％以上的平台搭建时间，且无需复杂的外部电路；

2、相比现有技术，可显著降低测试损耗，同等模拟功率下，因能量回馈至电网，因此可降低90％以上的有功损耗。；

3、相比现有技术，本发明可同时大量智能换相开关(N>3)开展测试，测试效率可以提高80％以上。

4、相比现有技术，本发明在平台搭建完成后，可完全实现智能化操作，无需额外的负荷开关与辅助电路，极大的简化了系统结构。

5、本发明所提结构可进行模块化设计与集成，在整体体积上相比现有技术可降低40％以上。

附图说明

图1为本发明面向智能换相开关功能测试的固态测试平台整体结构图；

图2为智能换相开关结构示意图；

图3为图1的局部示意图；

图4为模块Ⅰ结构图；

图5为模块Ⅱ结构图；

图6为本发明面向智能换相开关功能测试的固态测试平台的整体控制框图；

图7为模块Ⅰ结构图及控制原理图；

图8为模块Ⅱ结构图及控制原理图；

图9为本发明面向智能换相开关功能测试的固态测试平台等效电路模型；

其中，1、主控制器；2、模块Ⅰ；3、模块Ⅱ；4、电容C；5、智能换相开关；6、变压器；7、采样模块。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

如图1和图6所示，面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，，包括主控制器1、模块Ⅰ2、模块Ⅱ3和电容C4；

主控制器1分别与模块Ⅰ2、模块Ⅱ3相连，用于控制模块Ⅰ2、模块Ⅱ3的工作；

模块Ⅰ2的一端与变压器6的输出端相连；

模块Ⅱ3的一端与智能换相开关5的直流输出端相连；

模块Ⅰ2的另一端、模块Ⅱ3的另一端均与电容C4相连，且模块Ⅰ2、模块Ⅱ3、电容C4并联；

模块Ⅰ2用于将电容C4上的多余能量反馈回配电网；

模块Ⅱ3用于控制流经智能换相开关5的电流大小与方向；

电容C4用于能量支撑、滤波和平波。

模块Ⅱ3有多个。

模块Ⅰ2包括八个开关管组成的变换器和LC滤波器；模块I对模块Ⅱ3吸收的功率进行逆变控制，再经过LC滤波器滤除高频谐波后传回配电网。

模块Ⅱ3包括单相H桥和滤波电感L_N；滤波电感L_N将模块Ⅱ3吸收的功率滤除谐波后，再经过单相H桥进行整流控制传至直流电容C。

还包括采样模块7，采样模块7与主控制器1相连，所述的采样模块用于采集电网三相电压、电容C的电压、模块I的输出电流、模块II的输入电流，之后将采集到的数据传回至主控制器1，主控制器1通过进行整流控制与逆变控制后，控制模块Ⅰ2、模块Ⅱ3中开关管工作。

一种面向智能换相开关功能测试的固态测试方法，采用上述面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，包括如下步骤：

步骤1：在主控制器设定各个模块II需要吸收的有功与无功值，并下发至各对应模块II；

步骤2：采样模块采集电网三相电压、电容C的电压、模块I的输出电流、模块II的输入电流这些物理量，并将相关物理量下发至模块I和模块II；

步骤3：模块II根据下主控制器下发的物理量、有功值、无功值，进行整流控制，将电能能量吸收并传递至直流电容C；

步骤4：模块I根据主控制器下发的直流电容C的电压值，判断此时的工作状态，然后进行逆变控制，将直流电容C上多余的能量反馈回主电网；

步骤5：此时固态测试平台的不平衡运行工况构建完成，再将被测试的智能换相开关功能开启，进行验证。

本发明面向智能换相开关功能测试的固态测试平台整体结构如图1。图1中，智能换相开关为终端1～终端N，智能主控开关和智能换相开关均不是本发明测试平台的结构，且作为待测整体。

智能主控开关作为主机，智能换相开关作为从机。智能主控开关主要由电流端子、电压端子和功能端子组成，在设计过程中预留了部分功能端子，方便后期产品升级和其它功能的扩展。智能换相开关主要由三相输入端子和单相输出端子组成，其中1、2、3为ABC三相输入端，4为N相输入，5为火线，6为零线，结构示意图如图2所示。智能换相开关的在接收到智能主控开关的命令后，其内部按指令要求将5端口在1、2、3端口之间进行切换连接，从而实现换相的目的。

如图3所示，包括模块Ⅰ、模块Ⅱ，两类模块共直流电容C。模块I连接电容C与电网，主要用于将电容C上的多余能量反馈回电网；模块II连接电容C与被测试智能换相开关，可控制流经智能换相开关的电流大小与方向；电容C主要起能量支撑、滤波和平波的作用。

模块Ⅰ结构如图4所示，包括：由八个开关管组成的变换器和LC滤波器。变换器主要是通过对开关管的控制，达到将各级模块Ⅱ吸收的功率传回配电网的目的；LC滤波器的设计是为了滤除高频谐波，使输出电流更接近正弦波。

模块Ⅱ结构如图5所示，包括：单相H桥、滤波电感L_N。单相H桥控制吸收功率；滤波电感L_N主要是为了滤除谐波。

本发明面向智能换相开关功能测试的固态测试平台的整体控制框图如图6所示。模块Ⅰ结构图及控制原理图如图7所示，主要是将通过直流电压采样得到的直流电压实际值与参考值作差之后，经过电压控制器，得到指令电流的幅值；将通过交流电压采样得到的交流电压值，也就是配电网的电压，经过PLL锁相环节得到交流电压的相位；利用所得到的参考电流的幅值和相位可求得参考电流的瞬时值，并和采样的实际值作差之后，经过电流控制器得到调制信号，经过正弦脉宽调制(SPWM)得到变换器的八个开关管的控制信号，其中电压电流控制器通常采用PI控制器，采用该控制方式的目的主要是维持直流侧电容电压的稳定，同时将由模块Ⅱ吸收的能量以三相对称的形式传回配电网。

模块Ⅱ结构图及控制原理图如图8所示。其中，参考功率n按主控制器要求进行给定，由于配电网电压支撑，电压基本维持不变，通过电压互感器采集交流侧电压信号之后，在给定功率的情况下，可以折算出单相H桥的参考电流，同时保证了输出电流相位跟踪。通过对单相H桥滤波之后的输出电流进行采样后，将参考电流与采样电流进行电流跟踪控制，一般采用PI控制器进行控制，两者作差经过PI控制器之后得到调制信号，调制信号经正弦脉宽调制(SPWM)后，得到单相H桥中四个开关管控制信号，即实现了对参考功率n的跟踪控制，达到了模拟负荷的目的。

4、用推理方式推导出本发明专利的优点

本发明面向智能换相开关功能测试的固态测试平台等效电路模型如图9所示。其中，I_s ^(a,b,c)表示网侧a，b，c三相电流；I_CT ^(a,b,c)表示智能主控开关通过电流互感器采集到的a，b，c三相电流；I_L ^(a,b,c)表示负荷侧三相电流；I₁ ^(a,b,c)表示三相四线制变换器输出的三相电流；n_a/b/c分别表示与a/b/c相相连的只能换相开关以及单相H桥的数量；I₂ ^(a,b,c)分别表示通过智能换相开关与a，b，c三相单独连接的单相H桥的总输入电流；P₁ ^(a,b,c)表示三相四线制变换器各相输出功率；P₂ ^(a,b,c)分别表示通过智能换相开关各相输入的总功率。

根据其电路结构以及电力电子平台能量传输路径，可以得到等式和不等式(1)：

通过式(1)中第五个等式可知，在忽略电子电子器件损耗的情况下，通过电力电子平台测试平台的总输入功率和总输出功率相等，实现零功率损耗下的智能换相开关测试，大大降低了电能损耗。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，其特征在于，包括主控制器（1）、模块Ⅰ（2）、模块Ⅱ（3）和电容C（4）；

主控制器（1）分别与模块Ⅰ（2）、模块Ⅱ（3）相连，用于控制模块Ⅰ（2）、模块Ⅱ（3）的工作；

模块Ⅰ（2）的一端与变压器（6）的输出端相连；

模块Ⅱ（3）的一端与智能换相开关（5）的直流输出端相连；

模块Ⅰ（2）的另一端、模块Ⅱ（3）的另一端均与电容C（4）相连，且模块Ⅰ（2）、模块Ⅱ（3）、电容C（4）并联；

模块Ⅰ（2）用于将电容C（4）上的多余能量反馈回配电网；

模块Ⅱ（3）用于控制流经智能换相开关（5）的电流大小与方向；

电容C（4）用于能量支撑、滤波和平波。

2.根据权利要求1所述的面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，其特征在于，模块Ⅱ（3）有多个。

3.根据权利要求1所述的面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，其特征在于，模块Ⅰ（2）包括八个开关管组成的变换器和LC滤波器；模块I对模块Ⅱ（3）吸收的功率进行逆变控制，再经过LC滤波器滤除高频谐波后传回配电网。

4.根据权利要求1所述的面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，其特征在于，模块Ⅱ（3）包括单相H桥和滤波电感L _N ；滤波电感L _N 将模块Ⅱ（3）吸收的功率滤除谐波后，再经过单相H桥进行整流控制传至直流电容C。

5.根据权利要求1所述的面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，其特征在于，还包括采样模块（7），采样模块（7）与主控制器（1）相连，所述的采样模块用于采集电网三相电压、电容C的电压、模块I的输出电流、模块II的输入电流，之后将采集到的数据传回至主控制器（1），主控制器（1）通过进行整流控制与逆变控制后，控制模块Ⅰ（2）、模块Ⅱ（3）中开关管工作。

6.一种面向智能换相开关功能测试的固态测试方法，采用权利要求1~5任意一项所述的面向智能换相开关功能测试的固态测试平台，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在主控制器设定各个模块II需要吸收的有功与无功值，并下发至各对应模块II；

步骤2：采样模块采集电网三相电压、电容C的电压、模块I的输出电流、模块II的输入电流这些物理量，并将相关物理量下发至模块I和模块II；

步骤3：模块II根据下主控制器下发的物理量、有功值、无功值，进行整流控制，将电能能量吸收并传递至直流电容C；

步骤4：模块I根据主控制器下发的直流电容C的电压值，判断此时的工作状态，然后进行逆变控制，将直流电容C上多余的能量反馈回主电网；

步骤5：此时固态测试平台的不平衡运行工况构建完成，再将被测试的智能换相开关功能开启，进行验证。

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