CN112255485A - 一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，包括：输入输出模块和数据处理模块，所述输入输出模块和所述数据处理模块双向通信连接；其中，所述输入输出模块包括：模拟量采集单元和模拟量输出单元；所述数据处理模块包括：显示单元、计算单元和数据储存单元。本申请将功率模块的故障检测装置一体化整合，便于携带。通过输入输出模块采集数据，数据处理模块对采集的数据进行处理分析，提高了功率模块故障检测装置的自动化程度和故障检测的准确性。并且，所述故障检测装置可以同时检测多个功率模块，提高了功率模块故障检测的效率。
Description
技术领域
本发明属于新能源机组调频测试平台检测装置领域，具体涉及一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置。
背景技术
新能源机组调频测试平台是一种可模拟电网频率波动特性，以对新能源机组进行调频试验的设备。新能源机组调频测试平台主要包括由IGBT器件组成的功率模块。当新能源机组调频测试平台进行低压测试时，即风机停机，未与新能源机组调频测试平台连接时，功率模块作为逆变模块工作。
但是，受到野外测试环境、温度以及设备运输过程的影响，功率模块在低压测试中会出现驱动保护误动作，导致功率模块闭锁；或者，直流母线电压升高，能量无法输送，进而造成IGBT器件损毁，发生功率模块故障的情况。
现有的功率模块低压故障件检测主要通过辅助电源、示波器和负载等独立工具组合使用，在野外测试时携带不方便，并且测试时只能对单一功率模块进行测试，反复接线，通过人工肉眼观测记录数据，因此，功率模块的低压故障检测准确性和效率较低。
发明内容
本申请提供了一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置。以解决现有的功率模块故障检测装置整合性和自动化程度低，并且无法同时检测多个功率模块，故障检测准确性和效率低的问题。
本申请提供一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，包括：输入输出模块和数据处理模块，所述输入输出模块和所述数据处理模块双向通信连接；
其中，所述输入输出模块包括：模拟量采集单元和模拟量输出单元；
所述模拟量采集单元被配置为：获取功率模块低压测试下的低压输出电压值和低压输入电压值；
所述模拟量输出单元被配置为：向功率模块输出测试电压；
所述数据处理模块包括：显示单元、计算单元和数据储存单元；
所述显示单元被配置为：显示获取电压的波形图、调用所述计算单元以及接收故障信号并显示故障；
所述计算单元被配置为：对所述低压输出电压值和所述低压输入电压值进行计算处理，判断功率模块是否正常运行，如果所述功率模块非正常运行，生成故障信号，发送至所述显示单元；
所述数据储存单元被配置为：储存所述低压输出电压值、所述低压输入电压值和低压测试程序。
可选的，所述输入输出模块还包括：电源，所述电源被配置为：将电压转换成所述测试电压和为故障检测装置供电。
可选的，所述输入输出模块还包括：控制程序读写单元，所述控制程序读写单元被配置为：将所述低压测试程序写入功率模块主板的芯片。
可选的，所述低压输入电压值包括：低压三相交流电压UAB、低压三相交流电压UBC和低压三相交流电压UAC，其中，A、B和C分别为功率模块的三相端子；
所述低压输出电压值包括：与所述UAB对应的直流母线端电压UAB-DC、与所述UBC对应的直流母线端电压UBC-DC、与所述UAC对应的直流母线端电压UAC-DC。
可选的，所述计算单元还被配置为：获取所述低压三相交流电压UAB和所述直流母线端电压UAB-DC的波形图；如果所述直流母线端电压UAB-DC过零点相位与所述低压三相交流电压UAB过零点相位的相位差不在相位差阈值范围内时，则生成故障信号，发送至所述显示单元。
可选的，所述相位差阈值范围为55°～65°。
可选的，所述计算单元还被配置为：如果所述直流母线端电压UAB-DC过零点相位与所述低压三相交流电压UAB过零点相位的相位差在相位差阈值范围内时，根据所述低压输入电压值和所述低压输出电压值进行波形一致性分析，得到相关系数r；如果所述相关系数r与1的差值大于预设阈值，则生成故障信号，发送至所述显示单元。
可选的，所述相关系数r包括：rAB，rBC和rAC，所述rAB，所述rBC和所述rAC的计算公式为：
其中，t0表示获取电压的起始时刻；t表示动态过程中时间点；UAB(t)、UBC(t)和UAC(t)分别表示t时刻AB端、BC端和AC端低压三相交流电压值；UAB(t0)、UBC(t0)和UAC(t0)分别表示t0时刻AB端、BC端和AC端低压三相交流电压值；UAB-DC(t)、UBC-DC(t)和UAC-DC(t)分别表示t时刻AB端、BC端和AC端对应的直流母线端电压值；UAB-DC(t0)、UBC-DC(t0)和UAC-DC(t0)分别表示t0时刻AB端、BC端和AC端对应的直流母线端电压值。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，包括：输入输出模块和数据处理模块，所述输入输出模块和所述数据处理模块双向通信连接；其中，所述输入输出模块包括：模拟量采集单元和模拟量输出单元；所述模拟量采集单元被配置为：获取功率模块低压测试下的低压输出电压值和低压输入电压值；所述模拟量输出被配置为：向功率模块输出测试电压。
所述数据处理模块包括：显示单元、计算单元和数据储存单元；所述显示单元被配置为：显示获取电压的波形图、调用所述计算单元以及接收故障信号并显示故障；所述计算单元被配置为：对所述低压输出电压值和所述低压输入电压值进行计算处理，判断功率模块是否正常运行，如果所述功率模块非正常运行，生成故障信号，发送至所述显示单元；所述数据储存单元被配置为：储存所述低压输出电压值、所述低压输入电压值和低压测试程序。
通过本申请提供的一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，将功率模块的故障检测装置一体化整合，便于携带。通过输入输出模块采集数据，数据处理模块对采集的数据进行处理分析，提高了功率模块故障检测装置的自动化程度和故障检测的准确性。并且，所述故障检测装置可以同时检测多个功率模块，提高了功率模块故障检测的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为新能源机组调频测试平台功率模块串联的结构示意图；
图2为新能源机组调频测试平台功率模块的拓扑结构示意图；
图3为新能源机组调频测试平台测试时连接关系的结构示意图；
图4为本申请提供的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置的一个实施例的结构示意图；
图5为本申请提供的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置检测时的一个实施例的连接结构示意图；
图6为本申请提供的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置检测多个功率模块的一个实施例的连接结构示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
新能源机组调频测试平台是基于IGBT器件和PWM调制技术研制的设备，可模拟电网频率波动特性以开展新能源机组调频试验。正常试验中新能源机组调频测试平台空载时，即风机停机，未与新能源机组一次调频测试平台连接。功率模块需要作为逆变模块工作。新能源机组调频测试平台负载工作时，即风机串接新能源机组调频测试平台到电网，风机正常发电。功率模块作为整流模块工作。新能源机组调频测试平台试验过程中最大的难题是新能源机组调频测试平台负载工作时如何解决功率模块的稳定可靠运行的问题。
请参阅图1，图1为新能源机组调频测试平台功率模块串联的结构示意图。
新能源机组调频测试平台是基于电压源串联原理，采用中压背靠背变流技术，试验装置运行电压可选6kV、10kV和35kV，额定容量4MVA，试验装置频率偏差调节范围45Hz～66Hz，可通过调节频率的幅值和变化率模拟电网频率的变化。
新能源机组调频测试平台的逆变电源采用H桥级联式拓扑结构，电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术。四象限变流器的每个功率单元输出交流有效值Vo为577V，十个功率单元移相串联构成每相输出，使输出相电压达到5774V，线电压则为10kV。级联型变流器级数越多，逆变侧输出的电压越完美，四象限变流器每相采用十级功率单元串联移相输出，有效降低了输出电压的谐波含量，十分接近标准正弦波形，线电压波形更为理想，
请参阅图2，图2为新能源机组调频测试平台功率模块的拓扑结构示意图。
四象限变流器功率单元拓扑结构采用可控整流+逆变的结构，考虑到系统的容量达到4MW，为了增大电流输出能力，可控整流侧的每个桥臂采用2个同型号的IGBT并联、逆变侧的每个桥臂采用3个同型号的IGBT并联；每组并联的IGBT的PWM驱动信号相同。
请参阅图3，图3为新能源机组调频测试平台测试时连接关系的结构示意图。
新能源机组调频测试平台的测试方法，包括如下步骤：首先，将频率发生装置连接于新能源场升压变压器与新能源机组升压变压器之间；其次，根据频率变化测试点来调节所述频率发生装置，对被测新能源机组进行测试，采集被测新能源机组中各采集点的测试数据；最后，综合所有测试数据的结果进行判断分析，得出被测新能源机组的一次调频能力。
请参阅图4，图4为本申请提供的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置的一个实施例的结构示意图。
本申请提供一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，包括：输入输出模块和数据处理模块，所述输入输出模块和所述数据处理模块双向通信连接。所述输入输出模块用于向功率模块输出测试电压以及获取功率模块的输出电压，所述数据处理模块对所述输入输出模块获取的数据进行处理，判断功率模块是否发生故障。所述输入输出模块和所述数据处理模块之间可采用千兆以太网进行双向通信，以提高模块间数据传输的速率，提高故障检测装置的检测效率。
其中，所述输入输出模块包括：模拟量采集单元和模拟量输出单元；所述模拟量采集单元被配置为：获取功率模块低压测试下的低压输出电压值和低压输入电压值；所述模拟量输出单元被配置为：向功率模块输出测试电压。
请参阅图5，图5为本申请提供的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置检测时的一个实施例的连接结构示意图。在本实施例中，所述功率模块低压故障检测装置在检测时，模拟量采集单元与待测功率模块的输出直流母线端连接，模拟量输出单元与待测功率模块的三相交流端子相连，同时，模拟量采集单元与模拟量输出单元相连接。
所述数据处理模块包括：显示单元、计算单元和数据储存单元；所述显示单元被配置为：显示获取电压的波形图、调用所述计算单元以及接收故障信号并显示故障。所述显示单元包括显示器和操作按钮，通过显示器可以使操作人员直观的观测到获取的电压波形图，通过操作按钮调用计算单元，对获取的数据进行计算，如果功率模块出现故障，将在显示器上显示故障报警提示。
所述计算单元被配置为：对所述低压输出电压值和所述低压输入电压值进行计算处理，判断功率模块是否正常运行，如果所述功率模块非正常运行，生成故障信号，发送至所述显示单元。所述计算单元可采用高处理速率的CPU，包括但不限于：Intel i5处理器、Intel i7处理器和Intel i9处理器等。
所述数据储存单元被配置为：储存所述低压输出电压值、所述低压输入电压值和低压测试程序。根据实际使用需求配置对应内存大小的数据储存单元，也可以外置存储设备。
可选的，所述输入输出模块还包括：电源，所述电源被配置为：将电压转换成所述测试电压和为故障检测装置供电。所述电源可以将220V电压转化成用于功率模块测试的测试电压。
可选的，所述输入输出模块还包括：控制程序读写单元，所述控制程序读写单元被配置为：将所述低压测试程序写入功率模块主板的芯片。所述控制程序读写单元用于启动对应的低压程序进行故障检测。
可选的，所述低压输入电压值包括：低压三相交流电压UAB、低压三相交流电压UBC和低压三相交流电压UAC，其中，A、B和C分别为功率模块的三相端子；
所述低压输出电压值包括：与所述UAB对应的直流母线端电压UAB-DC、与所述UBC对应的直流母线端电压UBC-DC、与所述UAC对应的直流母线端电压UAC-DC。
所述低压输入电压值包括功率模块的三相端子两两组合之间的低压三相交流电压，所述低压输出电压值为两相对应的功率模块直流母线端电压。
可选的，所述计算单元还被配置为：获取所述低压三相交流电压UAB和所述直流母线端电压UAB-DC的波形图；如果所述直流母线端电压UAB-DC过零点相位与所述低压三相交流电压UAB过零点相位的相位差不在相位差阈值范围内时，则生成故障信号，发送至所述显示单元。如果所述直流母线端电压UAB-DC过零点相位与所述低压三相交流电压UAB过零点相位的相位差在相位差阈值范围内，则说明直流母线端电压UAB-DC和低压三相交流电压UAB变化不大，功率模块在正常运行中。
可选的，在本实施例中，所述相位差阈值范围为55°～65°。
可选的，所述计算单元还被配置为：如果所述直流母线端电压UAB-DC过零点相位与所述低压三相交流电压UAB过零点相位的相位差在相位差阈值范围内时，根据所述低压输入电压值和所述低压输出电压值进行波形一致性分析，得到相关系数r；如果所述相关系数r与1的差值大于预设阈值，则生成故障信号，发送至所述显示单元。
将所述相关系数r与1进行比较，如果所述相关系数r越接近1，则说明所述低压输入电压值和所述低压输出电压值进行波形一致性越高，功率模块工作正常。所述预设阈值越小，一致性分析的结果精度越高，根据实际的精度要求选取适合的预设阈值。
如果所述相关系数r与1的差值大于预设阈值，则说明所述低压输入电压值和所述低压输出电压值异常，功率模块工作出现故障，生成故障信号，并发送至所述显示单元，进行故障显示报警。
可选的，所述相关系数r包括：rAB，rBC和rAC，所述rAB，所述rBC和所述rAC的计算公式为：
其中，t0表示获取电压的起始时刻；t表示动态过程中时间点；UAB(t)、UBC(t)和UAC(t)分别表示t时刻AB端、BC端和AC端低压三相交流电压值；UAB(t0)、UBC(t0)和UAC(t0)分别表示t0时刻AB端、BC端和AC端低压三相交流电压值；UAB-DC(t)、UBC-DC(t)和UAC-DC(t)分别表示t时刻AB端、BC端和AC端对应的直流母线端电压值；UAB-DC(t0)、UBC-DC(t0)和UAC-DC(t0)分别表示t0时刻AB端、BC端和AC端对应的直流母线端电压值。
本申请采用Pearson相关系数法计算相关系数。Pearson相关系数是使用最广泛的相关性统计量，用于测量两组连续变量之间的线性关联程度。Pearson相关系数应用于连续变量，假定两组变量均为正态分布、存在线性关系且等方差。线性关系假设两个变量之间是线性响应的，等方差假设数据在回归线上均匀分布。Pearson相关系数计算算法简单，准确性高。
请参阅图6，图6为本申请提供的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置检测多个功率模块的一个实施例的连接结构示意图。在本申请提供的又一实施例中，本申请提供的一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置可以同时检测多个功率模块的故障问题。如图6所示，模拟量输出单元与多个功率模块的三相交流端子相连，模拟量采集单元与多个功率模块的输出直流母线端连接。将获取的电压数据通过数据处理模块同时进行计算，以实现同时检测多个功率模块故障问题的功能，检测效率更高。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，包括：输入输出模块和数据处理模块，所述输入输出模块和所述数据处理模块双向通信连接；其中，所述输入输出模块包括：模拟量采集单元和模拟量输出单元；所述模拟量采集单元被配置为：获取功率模块低压测试下的低压输出电压值和低压输入电压值；所述模拟量输出被配置为：向功率模块输出测试电压。
所述数据处理模块包括：显示单元、计算单元和数据储存单元；所述显示单元被配置为：显示获取电压的波形图、调用所述计算单元以及接收故障信号并显示故障；所述计算单元被配置为：对所述低压输出电压值和所述低压输入电压值进行计算处理，判断功率模块是否正常运行，如果所述功率模块非正常运行，生成故障信号，发送至所述显示单元；所述数据储存单元被配置为：储存所述低压输出电压值、所述低压输入电压值和低压测试程序。
通过本申请提供的一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，将功率模块的故障检测装置一体化整合，便于携带。通过输入输出模块采集数据，数据处理模块对采集的数据进行处理分析，提高了功率模块故障检测装置的自动化程度和故障检测的准确性。并且，所述故障检测装置可以同时检测多个功率模块，提高了功率模块故障检测的效率。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，包括：输入输出模块和数据处理模块，所述输入输出模块和所述数据处理模块双向通信连接；
其中，所述输入输出模块包括：模拟量采集单元和模拟量输出单元；
所述模拟量采集单元被配置为：获取功率模块低压测试下的低压输出电压值和低压输入电压值；
所述模拟量输出单元被配置为：向功率模块输出测试电压；
所述数据处理模块包括：显示单元、计算单元和数据储存单元；
所述显示单元被配置为：显示获取电压的波形图、调用所述计算单元以及接收故障信号并显示故障；
所述计算单元被配置为：对所述低压输出电压值和所述低压输入电压值进行计算处理，判断功率模块是否正常运行，如果所述功率模块非正常运行，生成故障信号，发送至所述显示单元；
所述数据储存单元被配置为：储存所述低压输出电压值、所述低压输入电压值和低压测试程序。
2.根据权利要求1所述的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，所述输入输出模块还包括：电源，所述电源被配置为：将电压转换成所述测试电压和为故障检测装置供电。
3.根据权利要求1所述的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，所述输入输出模块还包括：控制程序读写单元，所述控制程序读写单元被配置为：将所述低压测试程序写入功率模块主板的芯片。
4.根据权利要求1所述的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，所述低压输入电压值包括：低压三相交流电压UAB、低压三相交流电压UBC和低压三相交流电压UAC，其中，A、B和C分别为功率模块的三相端子；
所述低压输出电压值包括：与所述UAB对应的直流母线端电压UAB-DC、与所述UBC对应的直流母线端电压UBC-DC、与所述UAC对应的直流母线端电压UAC-DC。
5.根据权利要求4所述的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，所述计算单元还被配置为：获取所述低压三相交流电压UAB和所述直流母线端电压UAB-DC的波形图；如果所述直流母线端电压UAB-DC过零点相位与所述低压三相交流电压UAB过零点相位的相位差不在相位差阈值范围内时，则生成故障信号，发送至所述显示单元。
6.根据权利要求5所述的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，所述相位差阈值范围为55°～65°。
7.根据权利要求5所述的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，所述计算单元还被配置为：如果所述直流母线端电压UAB-DC过零点相位与所述低压三相交流电压UAB过零点相位的相位差在相位差阈值范围内时，根据所述低压输入电压值和所述低压输出电压值进行波形一致性分析，得到相关系数r；如果所述相关系数r与1的差值大于预设阈值，则生成故障信号，发送至所述显示单元。
8.根据权利要求7所述的新能源机组调频测试平台功率模块低压故障检测装置，其特征在于，所述相关系数r包括：rAB，rBC和rAC，所述rAB，所述rBC和所述rAC的计算公式为：
其中，t0表示获取电压的起始时刻；t表示动态过程中时间点；UAB(t)、UBC(t)和UAC(t)分别表示t时刻AB端、BC端和AC端低压三相交流电压值；UAB(t0)、UBC(t0)和UAC(t0)分别表示t0时刻AB端、BC端和AC端低压三相交流电压值；UAB-DC(t)、UBC-DC(t)和UAC-DC(t)分别表示t时刻AB端、BC端和AC端对应的直流母线端电压值；UAB-DC(t0)、UBC-DC(t0)和UAC-DC(t0)分别表示t0时刻AB端、BC端和AC端对应的直流母线端电压值。
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