CN111220861B - 一种用于mmc子模块电容器试验的大电流发生电路 - Google Patents

一种用于mmc子模块电容器试验的大电流发生电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于MMC子模块电容器试验的大电流发生电路，所述电路包括交流电源AC、电容器C、电容器串联等效电阻R1，限流电阻R；利用限流电阻R限制干路电流幅值，通过LC并联振荡在电容比例单元上产生大的交流电流；该大电流发生电路仅需交流电源、限流电阻和若干RLC元件，有效地降低了成本且能产生较大交流电流，具有很强的实用性，用于电容器温升试验测试。

Description

一种用于MMC子模块电容器试验的大电流发生电路
技术领域
本发明属于电容器检测和电压波形发生领域，具体涉及一种用于MMC子模块电容器试验的大电流发生电路。
背景技术
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Convertor，MMC)是一种新兴的电压源型换流器，其工作原理与传统的两电平和三电平换流器不同，不是采用PWM来逼近正弦波，而是采用阶梯波的方式来逼近正弦波。基于MMC的高压直流输电(HVDC)技术因其模块化设计、输出电平数高和容易实现容量扩展等特性，在直流输电领域有着明显优势。MMC在运行时，由于电容器长期工作在大电流下，因此需要监测其在工况电流下的温升情况。
为了更准确地进行电容器温升测量试验，需要通过电路实现大电流(AC)。一般的方法是利用交流电压源对电容器充电，然而此方法需要较大功率的电压源(一般为MVA级)，实验室试验条件难以满足。
发明内容
针对以上的不足和缺陷，本发明提出了一种用于MMC子模块电容器温升测试试验的大电流(AC)发生电路，基于RCL并联振荡产生满足温升试验要求的交流电流，仅需交流电源、若干RLC元件，有效地降低了成本且能产生较大交流电流。
所述电路包括：交流电源AC、电容器C、电感L、第一支路电阻R1、第二支路电阻R2、限流电阻R；
所述电容器C与第一支路电阻R1组成第一支路；
所述电感L与第二支路电阻R2组成第二支路；
所述第一支路与第二支路并联后与限流电阻R和交流电源AC相串联；所述电路利用限流电阻R和第一支路电阻R1、第二支路电阻R2之间的电阻匹配限制干路电流幅值。
本公开具有以下有益效果：本公开提出的大电流发生电路，基于RCL并联振荡产生满足温升试验要求的交流电流，仅需交流电源、若干RLC元件，有效地降低了对电源的要求和电路搭建的成本且能产生较大交流电流，典型的，可用于电容器温升项目。
附图说明
图1为本公开一个实施例中大电流发生电路连接示意图；
图2为本公开一个实施例中各元件电压电流相位示意图；
图3为本公开一个实施例中Simulink仿真模拟电路图；
图4为本公开一个实施例中电容电压波形仿真图；
图5本公开一个实施例中干路电流波形仿真图。
具体实施方式
在一个实施例中，本公开揭示了一种用于MMC子模块电容器试验的大电流发生电路，所述电路包括：交流电源AC、电容器C、电感L、第一支路电阻R1、第二支路电阻R2、限流电阻R；
所述电容器C与第一支路电阻R1串联组成第一支路；
所述电感L与第二支路电阻R2串联组成第二支路；
所述第一支路与第二支路并联后与限流电阻R和交流电源AC相串联；所述电路利用限流电阻R和第一支路电阻R1、第二支路电阻R2之间的电阻匹配限制干路电流幅值。
本实施例公开的发生电路，基于RCL并联振荡产生满足温升试验要求的交流电流，仅需交流电源、若干RLC元件，有效地降低了成本且能产生较大交流电流。
在另一个实施例中，电阻匹配原则如图2所示：电容支路存在电阻分量，为使干路电流最小，不仅需要电容和电感满足并联谐振条件，同时也需要两条支路的电阻分量相等或近似相等，即R1＝R2或R1≈R2。
若R1＞R2，由图2可知，电容支路电流IC会小于电感支路电流IL，整体电路成感性，电压超前电流。但由于R1、R2通常很小，不会对谐振产生影响。
若R1＜R2，由图2可知，电感支路电流IL会小于电容支路电流IC，整体电路成容性，电流超前电压。同样由于R1、R2很小，不会影响LC谐振。因此，在R1＝R2或者R1≈R2时，R1、R2的选择并不会影响LC并联谐振产生大电流，R1≈R2则意味着在R1、R2相差不大时干路电流较小。能够理解，R1＝R2最佳，进而使两条支路电压向量和模量最小，进而限制干路电流幅值。
在一个实施例中，所述电容的电容电压计算公式如下：
Figure BDA0001881328790000031
其中，ωi＝i·2πf，为各谐波角频率，Ii为各谐波电流分量，i＝1，2，3...，n。
在本实施例中，由于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的频繁开断，MMC子模块电容器实际工况热电流波形除了基波外还存在多次谐波，实验室条件难以实现。根据热等效原则，考虑用工频电流等效基波叠加多次谐波。
根据IEC61071标准，可用工频交流电压等效多次谐波电压，电容电压可表示为
Figure BDA0001881328790000041
其中，ωi＝i·2πf，为各谐波角频率，Ii为各谐波电流分量，i＝1，2，3...，n。
在一个实施例中，所述电感的计算公式如下：
Figure BDA0001881328790000042
其中，ω表示角频率，C表示电容，f表示频率。
在本实施例中，对于理想的电容和电感，不考虑其串联等效电阻，并联谐振条件为
Figure BDA0001881328790000043
推出电感值
Figure BDA0001881328790000044
实际电容往往不是理想电介质，存在串联等效电阻，会导致电容电流相角发生偏移，不再是超前支路电压90°。此时需要在电感支路上串联电阻进行电阻匹配以降低干路电流，电路连接图如附图1所示，相位示意图如附图2所示。图中
Figure BDA0001881328790000045
表示干路电流，
Figure BDA0001881328790000046
和
Figure BDA0001881328790000047
分别表示电容两端电压和电容支路电流，
Figure BDA0001881328790000048
和
Figure BDA0001881328790000049
分别表示电感两端电压和电感支路电流。
在一个实施例中，所述电容C的电容值和电感L的电感值根据满足所述电路的并联谐振条件进行设置。
在一个实施例中，所述电路能够应用于电容器温升试验测试中。
在本实施例中，利用限流电阻R和支路电阻R1和R2之间的电阻匹配限制干路电流幅值，通过LC并联振荡在MMC子模块电容上产生较大的交流电流。所述大电流发生电路仅需交流电源、限流电阻和若干RLC元件，有效地降低了成本且能产生较大交流电流，具有很强的实用性，可用于电容器温升试验测试。
在一个实施例中，本公开提出了一种用于MMC子模块电容器温升测试试验的大电流(AC)发生电路，基于RCL并联振荡产生满足温升试验要求的交流电流，仅需交流电源、若干RLC元件，有效地降低了成本且能产生较大交流电流。
由于IGBT的频繁开断，MMC子模块电容器实际工况热电流波形除了基波外还存在多次谐波，实验室条件难以实现。根据热等效原则，考虑用工频电流等效基波叠加多次谐波。
根据IEC61071标准，可用工频交流电压等效多次谐波电压，电容电压可表示为
Figure BDA0001881328790000051
其中，ωi＝i·2πf，为各谐波角频率，Ii为各谐波电流分量，i＝1，2，3...，n。
对于理想的电容和电感，不考虑其串联等效电阻，并联谐振条件为
Figure BDA0001881328790000052
推出电感值
Figure BDA0001881328790000053
实际电容往往不是理想电介质，存在串联等效电阻，会导致电容电流相角发生偏移，不再是超前支路电压90°。此时需要在电感支路上串联电阻进行电阻匹配以降低干路电流，电路连接图如附图1所示，相位示意图如附图2所示。图中
Figure BDA0001881328790000054
表示干路电流，
Figure BDA0001881328790000055
和
Figure BDA0001881328790000056
分别表示电容两端电压和电容支路电流，
Figure BDA0001881328790000061
和
Figure BDA0001881328790000062
分别表示电感两端电压和电感支路电流。
为验证该大电流发生电路可行性，可利用Simulink电路仿真软件进行仿真模拟，仿真电路图如附图3所示。根据
Figure BDA0001881328790000063
利用交流电源给电容充电时若加压过快，会在干路产生大电流损害电源，因此需要缓慢调节电源调压旋钮以降低干路电流。图3中，利用两个斜坡波形发生器(两者有时延)相减后与正弦函数做逻辑乘法产生调压信号，再通过数模转换模拟手动调节电源调压旋钮，电容支路串联电阻和电感支路串联电阻直接在电容和电感元件中设置，不单独画出。
下面举例说明本大电流发生电路具体实现方式。
对于容值10mF、额定热电流1420Arms(其中I50Hz＝83％，I2nd＝50％，I3rd＝8％，I4th＝5％，I5th＝10％，I6th＝12％)的电容器，计算得到其等效工频交流电压为：
Figure BDA0001881328790000064
根据谐振条件
Figure BDA0001881328790000065
得到并联电感：
Figure BDA0001881328790000066
此时已满足谐振产生大电流的要求。
电容串联电阻R1为0.2mΩ，为使干路电流最小，电感串联电阻R2需要控制在0.2mΩ左右。
电容电压波形如附图4所示，干路电流波形如图5所示。对于等效交流电压为450V的10mF电容，干路电流可控制在3A以内。
利用限流电阻R和支路电阻R1和R2之间的电阻匹配限制干路电流幅值，通过LC并联振荡在MMC子模块电容上产生较大的交流电流。该大电流发生电路仅需交流电源、限流电阻和若干RLC元件，有效地降低了成本且能产生较大交流电流，具有很强的实用性，可用于电容器温升试验测试。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (2)

1.一种用于MMC子模块电容器温升测试试验的大电流发生电路，其特征在于，
所述大电流发生电路包括：交流电源AC、电容器C、电感L、第一支路电阻R1、第二支路电阻R2、限流电阻R；
所述电容器C与第一支路电阻R1组成第一支路；
所述电感L与第二支路电阻R2组成第二支路；
所述第一支路与第二支路并联后与限流电阻R和交流电源AC相串联；所述电路利用限流电阻R和第一支路电阻R1、第二支路电阻R2之间的电阻匹配限制干路电流幅值；
所述大电流发生电路基于RCL并联振荡产生满足温升试验要求的交流电流，仅需交流电源、若干RLC元件，有效地降低了成本且能产生较大交流电流；
电容支路存在电阻分量，为使干路电流最小，不仅需要电容和电感满足并联谐振条件，同时也需要两条支路的电阻分量相等或近似相等，即R1＝R2或R1≈R2；
若R1＞R2，电容支路电流IC会小于电感支路电流IL，整体电路成感性，电压超前电流；
若R1＜R2，电感支路电流IL会小于电容支路电流IC，整体电路成容性，电流超前电压；
在R1＝R2或者R1≈R2时，R1、R2的选择并不会影响LC并联谐振产生大电流，R1≈R2则意味着在R1、R2相差不大时干路电流较小；
又由于IGBT绝缘栅双极型晶体管的频繁开断，MMC子模块电容器实际工况热电流波形除了基波外还存在多次谐波，实验室条件难以实现，根据热等效原则，考虑用工频电流等效基波叠加多次谐波：
根据IEC61071标准，用工频交流电压等效多次谐波电压，其中，所述电容的电容电压计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，为
Figure 654095DEST_PATH_IMAGE002
谐波次数，n为最高次谐波次数；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为各次谐波角频率，f为基波频率；C表示电容容值；
Figure 790809DEST_PATH_IMAGE004
为各次谐波电流分量；
所述电感的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
其中，
Figure 914754DEST_PATH_IMAGE006
表示角频率，C表示电容容值，f表示基波频率。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电容C的电容值和电感L的电感值根据满足所述电路的并联谐振条件通过
Figure DEST_PATH_IMAGE007
进行设置。
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