CN111929506A - 一种变流器杂散电感参数提取方法 - Google Patents

一种变流器杂散电感参数提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种变流器杂散电感参数提取方法，包括以下步骤：1)针对变流器系统分别进行吸收电容残压直通测试、变流器残压直通测试和双脉冲测试获取变流器各部分杂散电感值的表达式；2)分别联立步骤1)各个测试对应的变流器各部分杂散电感值的表达式进行求解，最终得到变流器各部分杂散电感值，包括吸收电容支路杂散电感LCs，直流电容支路杂散电感Ldc以及半桥直通回路杂散电感LPM。与现有技术相比，本发明具有精度高、鲁棒性好、测试安全、实施简便等优点。

Description

一种变流器杂散电感参数提取方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种变流器杂散电感参数提取方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，变流器被广泛应用于航空航天、智能电网、新能源发电、轨道交通等领域。变流器内部不同位置寄生的杂散电感直接影响系统运行时的电压过冲、损耗以及磁场等，在工程现场准确提取这些杂散电感参数对变流器优化设计和科学运维具有重要意义。
国内外研究的变流器杂散电感的提取方法主要包括电磁计算法、仪器测量法、母排电感振荡测量法以及双脉冲法等。电磁计算法通过建立电磁模型对杂散电感进行计算，该方法可提取变流器不同位置的电感详细参数，但存在模型误差与建模复杂等问题；仪器测量法采用专用仪器对杂散电感参数进行直接测量，但存在设备昂贵、测试夹具安装与标定困难等问题；母排电感振荡测量法利用功率器件开关激励在直流电容Cdc和吸收电容Cs之间产生的高频振荡频率fs计算该回路的杂散电感Ls＝1/(2πfs)2/Cs。该方法不依赖于幅值检测，具有较高的精度，但测量结果仅反映直流电容与吸收电容间直流母排电感的情况。
双脉冲法是目前主流采用的开关杂散电感提取方法，通过在线测量功率器件开通或关断电压与电流，根据开关电流变化在杂散电感上引起的暂态压降信息采用微分、积分或数据拟合等方式计算杂散电感。但受功率器件封装结构限制，实际系统中测得的开关电压包含芯片键合线及引线铜排与端子压降，因此双脉冲法提取的开关杂散电感比真实值偏小，此外，双脉冲法精度受电压与电流幅值测量误差的影响，因此需要提出一种现场提取变流器不同位置杂散电感参数的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变流器杂散电感参数提取方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种变流器杂散电感参数提取方法，包括以下步骤：
1)针对变流器系统分别进行吸收电容残压直通测试、变流器残压直通测试和双脉冲测试获取变流器各部分杂散电感值的表达式；
2)分别联立步骤1)各个测试对应的变流器各部分杂散电感值的表达式进行求解，最终得到变流器各部分杂散电感值，包括吸收电容支路杂散电感LCs，直流电容支路杂散电感Ldc以及半桥直通回路杂散电感LPM。
所述的步骤1)中，吸收电容残压直通测试具体包括以下步骤：
11)通过测量或手册获取变流器系统中吸收电容Cs的值；
12)在t0时刻，使变流器系统半桥中的一个开关管保持开通；
13)采用直流电源对吸收电容充电到U0后断开；
14)在t1时刻，使半桥中另一个开关管开通，使得半桥直通，检测吸收电容和半桥上的高频振荡电流iosc1的频率fosc1；
15)获取振荡通路电感表达式。
所述的步骤13)中，将吸收电容作为储能电容，电压U0的选取方式为：
由小向大依次增加，直至直通电流和工作电流相等。
所述的步骤15)中，振荡通路上的总电感为吸收电容支路杂散电感LCs和半桥直通回路杂散电感LPM，根据吸收电容Cs和高频振荡的频率fosc1可得到振荡通路电感表达式：
Figure BDA0002582974500000021
所述的步骤1)中，变流器残压直通测试具体为：
在变流器系统中同时装有直流电容和吸收电容的条件下，控制功率模块直通对残压电容进行放电测试，并测量吸收电容上的高频振荡电流iosc2，获取半桥直通瞬间回路电感表达式，实验过程中直流电容和吸收电容均通过变流器杂散电感经功率器件直通放电。
所述的变流器残压直通测试获取的半桥直通瞬间回路电感表达式为：
Figure BDA0002582974500000031
所述的步骤1)中，双脉冲开关高频振荡测试中，直流电容Cdc和吸收电容Cs之间形成谐振环流，双脉冲开关高频振荡测试对应的谐振电感包括直流电容支路杂散电感Ldc和吸收电容支路杂散电感LCs，其对应的表达式为：
Figure BDA0002582974500000032
其中，fosc3为吸收电容上谐振环流的频率。
所述的变流器系统由直流母排以及相互并联的直流电容、吸收电容和功率模块构成，所述的功率模块为半桥。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、精度高：利用系统的高频振荡频率而不是幅值计算杂散电感，与传统的双脉冲法相比，更接近实际值；
二、鲁棒性好：谐振频率属于由系统参数决定的本征参数，因此与开关电压和电流的幅值无关，高频振荡的频率不受传感器的温漂、偏置等影响；
三、测试安全：测试实验的电压较低，可采用非接触式的传感器测量振荡电流，不影响系统安全。
四、实施简便：可在工程现场通过三项实验提取不同位置杂散电感参数。
附图说明
图1为变流器结构图。
图2为吸收电容残压直通放电测试原理。
图3为吸收电容残压实验流程图。
图4为变流器残压直通放电测试原理。
图5为双脉冲开关高频振荡测试原理。
图6为考虑杂散电感参数的变流器高频模型，其中，图(6a)为初始电压V1＝12V的实验1模型，图(6b)为初始电压V2＝12V的实验2模型，图(6c)为初始电压V3＝600V的实验3模型。
图7为高频振荡法实验波形，其中，图(7a)为实验1的实验波形，图(7b)为实验2的实验波形，图(7c)为实验3的实验波形。
图8为双脉冲测试法实验波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提出的变流器杂散电感参数提取方法基于如图1所示的变流器系统，直流侧由直流电流供电，直流电容滤波和稳压后在半桥的作用下输出交流。其中吸收电容可吸收由于电力电子开关动作与变流器电感相互作用产生电压过冲，保护电力电子开关器件。
在图1所示系统的基础上，本发明提出的精确检测变流器的系统和方法主要包含三个测试实验：吸收电容残压直通测试、变流器残压直通测试、双脉冲测试。根据三个实验的高频振荡可以计算变流器各部分杂散电感值，本例中实验不分先后，以下具体展开说明。
1、实验1-吸收电容残压直通放电测试
实验1的实验系统如图2所示，在无直流电容的条件下控制功率模块直通，对已预先充电的吸收电容进行放电测试并测量吸收电容中的振荡电流iosc1。
实验流程如图3所示，具体步骤为：
(1)初始化：通过测量或手册获取吸收电容Cs的值；
(2)使半桥中的一个开关管保持开通：为半桥直通做准备；
(3)给电容充电到U0后断开直流电源：吸收电容作为储能电容，这里U0的选取可以从小往大试，使直通电流和工作电流相当；
(4)t1时刻使半桥中另一个开关管开通：此时半桥直通，检测吸收电容和半桥上的电流中高频振荡iosc1的频率fosc1；
(5)计算通路电感：振荡通路上的总电感为吸收电容支路电感LCs和半桥支路直通的电感LPM，根据吸收电容Cs和高频振荡的频率fosc1可得到
Figure BDA0002582974500000041
2、实验2-变流器残压直通放电测试
如图4所示，在同时装有直流电容和吸收电容的条件下，控制功率模块直通对残压电容进行放电测试，并测量吸收电容中的高频振荡电流iosc2。实验过程中直流电容和吸收电容均通过变流器杂散电感经功率器件直通放电。具体的实验流程和步骤与实验1相同。
半桥直通瞬间回路电感包括吸收电容支路杂散电感LCs，直流电容支路杂散电感Ldc以及半桥直通回路杂散电感LPM，根据吸收电容容值Cs和半桥直通瞬间吸收电容中的高频振荡频率为fosc2，回路的总杂散电感为：
Figure BDA0002582974500000051
3、实验3-双脉冲开关高频振荡测试
如图5所示，对变流器进行双脉冲测试并测量吸收电容高频振荡电流iosc3。不同于传统双脉冲实验需要同时测量功率器件开关电压与电流，实验3仅关注开关激励在吸收电容与直流电容之间形成的谐振环流，无需测量功率器件开关电压。变流器实际运行时功率器件开关同样会在直流侧产生脉冲电流激励，并在直流电容Cdc和吸收电容Cs之间形成谐振环流，因此实验3也可在变流器正常运行条件下进行测试。此时的谐振电感包括直流电容支路杂散电感Ldc和吸收电容支路杂散电感LCs，根据Cs以及高频振荡的频率fosc3：
Figure BDA0002582974500000052
实施例
下面将结合仿真和实验实施例对本发明的有效性和精度进行进一步说明。
1、仿真
在MATLAB/Simulink中搭建了考虑杂散电感参数的变流器高频模型并进行了仿真测试，结构图如图6，参数如表1所示。
表1变流器仿真参数
ESL<sub>Cdc</sub> 10nH ESL<sub>Cs</sub> 10nH
ESR<sub>Cdc</sub> 34mΩ ESR<sub>Cs</sub> 10mΩ
C<sub>dc</sub> 5mF C<sub>s</sub> 1μF
L<sub>bus</sub> 100nH R<sub>bus</sub> 10mΩ
L<sub>PM</sub> 40nH R<sub>PM</sub> 10mΩ
根据仿真测试中的吸收电容振荡电流iosc1、iosc2和iosc3波形可确定振荡频率fosc1、fosc2和fosc3分别为746kHz、801kHz和459kHz。联立求解式(1)、(2)和(3)可以计算出变流器各部分杂散电感以及变流器总和开关杂散电感，如表2所示。变流器开关杂散电感Lsw理论值为49.2nF，仿真计算值为48.6nF，验证了高频振荡法的原理。理论值与仿真结果的偏差主要由频率读取误差引起，若采用FFT算法提取谐振频率可进一步减小误差。
表2高频振荡法提取变流器杂散参数的仿真结果
变流器杂散电感参数 理论值 仿真计算值
直流电容支路L<sub>Cdc</sub> 110nH 109nH
吸收电容支路L<sub>Cs</sub> 10nH 10.6nH
IGBT支路L<sub>PM</sub> 40nH 38.9nH
开关杂散电感L<sub>sw</sub> 49.2nH 48.6nH
2、实验
为验证本发明所提出的高频振荡检测法的可行性，搭建一套由1700V/450A IGBT半桥模块组成的变流器实验台，在叠层母排上安装了两个串联的450V/10mF电解电容，采用带宽12MHz的柔性罗氏线圈电流传感器测量吸收电容电流。实验台主要元件参数如表3。
表3实验台主要元件参数
Figure BDA0002582974500000061
实验1和实验2的电容残压均设为12V，通过直流电源向直流母线预充电至设定值后断开连接，实验3的直流电压为600V。图7为高频振荡法测得的吸收电容振荡电流实验波形，谐振频率iosc1、iosc2和iosc3分别为671kHz、730kHz和496kHz。根据前述高频振荡法原理，可计算出变流器不同位置的杂散电感参数结果如表4所示。
表4高频振荡法与双脉冲法提取变流器杂散电感结果对比
Figure BDA0002582974500000062
Figure BDA0002582974500000071
在同一个实验台上实施传统双脉冲实验，波形如图8所示，采用微分法选取IGBT开通过程中集电极电流ic初次达到负载电流200A时的集射电压Vce暂态压降Δu与对应的电流变化率di/dt计算开关杂散电感Lsw＝Δu/(di/dt)＝46.3nH。
如表4所示，本发明所提方法与双脉冲法提取的开关杂散电感结果基本一致，验证了高频振荡法的有效性。

Claims (8)

1.一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)针对变流器系统分别进行吸收电容残压直通测试、变流器残压直通测试和双脉冲测试获取变流器各部分杂散电感值的表达式；
2)分别联立步骤1)各个测试对应的变流器各部分杂散电感值的表达式进行求解，最终得到变流器各部分杂散电感值，包括吸收电容支路杂散电感LCs，直流电容支路杂散电感Ldc以及半桥直通回路杂散电感LPM。
2.根据权利要求1所述的一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，所述的步骤1)中，吸收电容残压直通测试具体包括以下步骤：
11)通过测量或手册获取变流器系统中吸收电容Cs的值；
12)在t0时刻，使变流器系统半桥中的一个开关管保持开通；
13)采用直流电源对吸收电容充电到U0后断开；
14)在t1时刻，使半桥中另一个开关管开通，使得半桥直通，检测吸收电容和半桥上的高频振荡电流iosc1的频率fosc1；
15)获取振荡通路电感表达式。
3.根据权利要求2所述的一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，所述的步骤13)中，将吸收电容作为储能电容，电压U0的选取方式为：
由小向大依次增加，直至直通电流和工作电流相等。
4.根据权利要求2所述的一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，所述的步骤15)中，振荡通路上的总电感为吸收电容支路杂散电感LCs和半桥直通回路杂散电感LPM，根据吸收电容Cs和高频振荡的频率fosc1可得到振荡通路电感表达式：
Figure FDA0002582974490000011
5.根据权利要求1所述的一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，所述的步骤1)中，变流器残压直通测试具体为：
在变流器系统中同时装有直流电容和吸收电容的条件下，控制功率模块直通对残压电容进行放电测试，并测量吸收电容上的高频振荡电流iosc2，获取半桥直通瞬间回路电感表达式，实验过程中直流电容和吸收电容均通过变流器杂散电感经功率器件直通放电。
6.根据权利要求5所述的一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，所述的变流器残压直通测试获取的半桥直通瞬间回路电感表达式为：
Figure FDA0002582974490000021
7.根据权利要求1所述的一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，所述的步骤1)中，双脉冲开关高频振荡测试中，直流电容Cdc和吸收电容Cs之间形成谐振环流，双脉冲开关高频振荡测试对应的谐振电感包括直流电容支路杂散电感Ldc和吸收电容支路杂散电感LCs，其对应的表达式为：
Figure FDA0002582974490000022
其中，fosc3为吸收电容上谐振环流的频率。
8.根据权利要求1所述的一种变流器杂散电感参数提取方法，其特征在于，所述的变流器系统由直流母排以及相互并联的直流电容、吸收电容和功率模块构成，所述的功率模块为半桥。
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