CN113176428B - 级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法，包括：电流发生器，用于提供测试电流和直流电源电压，并发送至电流控制器；同时，接收电流控制器生成的内部开关器件控制信号；测试模块组，用于提供测试桥臂的端口电压，并发送至电流控制器；电压控制器，用于提供测试桥臂的调制电压，并发送至电流控制器；电流控制器，根据测试电流、直流电源电压、端口电压和调制电压，并生成电流发生器的内部开关器件控制信号，并输出至电流发生器，通过动态补偿最近电平逼近控制引入的电压误差，将阶梯波的桥臂电压补偿为正弦波，从而消除测试电流的畸变，改善测试电流波形。通过本发明可以明显改善电流控制效果，提高测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法。
背景技术
近年来，级联型变流器由于其模块化、易拓展、低纹波等特性，在中高压大功率场受到了广泛应用及关注。然而，随着级联型变流器电压等级与容量的不断提升，级联型变流器的子模块数量也将变得十分庞大，而级联型变流器的可靠性也主要取决于子模块的可靠性。为保证级联变流器系统的可靠运行，其子模块的验证和测试变得非常重要。
目前，级联型变流器主要调制方法是最近电平逼近调制，但由于工况模拟测试电路中大多仅设置单个或少量的被测子模块，导致实际测试过程中由若干被测子模块构成的测试桥臂的输出电压呈现电平数较少的阶梯波形，输出电压的频繁阶跃不可避免地造成电流发生器出口电压的剧烈变化，并进一步作用于电流控制器，造成测试电流的严重畸变。因此，亟需提出一种有效的电流畸变消除方法，能够消除桥臂电压阶跃带来的影响，改善测试电流波形，并使被测子模块的运行工况更接近实际系统。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，包括：
电流发生器，该电流发生器用于提供测试电流和直流电源电压，并发送至电流控制器；同时，接收电流控制器生成的内部开关器件控制信号；
测试模块组，该测试模块组用于提供测试桥臂的端口电压，并发送至电流控制器；
电压控制器，该电压控制器用于提供测试桥臂的调制电压，并发送至电流控制器；
电流控制器，该电流控制器根据所述测试电流、所述直流电源电压、所述端口电压和所述调制电压，并生成电流发生器的内部开关器件控制信号，并输出至电流发生器。
优选地，所述电流发生器包括至少一个全桥电路，其中每一个全桥电路的两个桥臂分别接收独立的内部开关器件控制信号。
优选地，所述测试模块组包括两个对应不同运行工况的测试桥臂，其中每一个测试桥臂均包括若干个串联连接的被测子模块，且同一测试桥臂内部被测子模块均对应同一种运行工况。
优选地，所述测试模块组中的测试桥臂可以在不改变电气连接关系的情况下任意改变组合方式，即进行重新组合或拆分；而测试桥臂内部子模块可以在不改变电气连接关系的情况下任意改变排列方式，上述改变均不影响测试电路的基本特征。
优选地，所述电流控制器包括：
前馈控制器，该前馈控制器接收所述测试模块组输出的测试桥臂的端口电压以及所述电压控制器输出的测试桥臂的调制电压，并生成补偿电压；
PIR控制器，该PIR控制器接收所述电流发生器输出的测试电流以及通过外部输入的参考电流，并生成调节电压；
信号调制模块，该信号调制模块根据所述电流发生器输出的直流电源电压、所述前馈控制器输出的补偿电压以及所述PIR控制器输出的调节电压，生成所述电流发生器的内部开关器件控制信号。
优选地，所述前馈控制器将所述电压控制器输出的测试桥臂的调制电压Vmod1(2)与所述测试模块组输出的测试桥臂的端口电压Varm1(2)作差，得到补偿电压信号Vcom1(2)：
Vcom1(2)＝Vmod1(2)-Varm1(2)。
优选地，所述测试模块组输出的测试桥臂的端口电压Varm1(2)通过以下任意一种方式得到：
第一种方式，通过电压采样装置实时测量测试桥臂的端口电压得到；
第二种方式，获取测试桥臂的被测子模块的电容电压V1(2).1-N及控制信号G1(2).1-N，通过以下方式计算得到：
其中，所述控制信号G1(2).1-N通过所述电压控制器生成。
优选地，所述PIR控制器将所述参考电流iref与所述测试电流it作差得到测试电流差值，将所述测试电流差值通过PIR响应后得到调节电压vbal：
其中，Kp、Ki与Kr分别为电流控制的比例、积分、谐振系数，s为拉普拉斯变换中的复参变量，ω为谐振角频率。
优选地，所述信号调制模块采用脉宽调制方法，根据所述直流电源电压Vt、所述补偿电压Varm1(2)以及所述调节电压vbal，共同计算得到所述电流发生器的内部开关器件控制信号Vo1(2)：
控制信号Vo1(2)除以直流电源电压Vt得到标幺值化的控制信号，最后通过脉宽调制方法得到电流发生器中全桥电路内部开关器件的实际控制信号S1-4。
根据本发明的另一个方面，提供了一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除方法，包括：采用上述任一项所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，通过动态补偿最近电平逼近控制引入的电压误差，将阶梯波的测试桥臂的端口电压补偿为正弦波，从而消除测试电流的畸变，改善测试电流波形，使得流经被测子模块的测试电流与实际级联型变流器中保持相同。
本发明提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法，是一种级联型变流器工况模拟测试在采用最近电平逼近调制时的测试电流控制方法，通过在电流控制模块中引入前馈控制器来消除测试桥臂导致的测试电流畸变，同时通过比例积分谐振(Proportion-Integral-Resonance,PIR)控制器进一步消除控制误差和计算精度的影响，最后由信号调制模块生成电流发生器内部开关器件的控制信号，使流经被测子模块的测试电流与实际级联型变流器中保持相同。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
本发明提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法，解决了测试桥臂呈现低电平阶梯波特性时的电流畸变问题，解除了对被测子模块的数量限制，有效提高了测试的灵活性。
本发明提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法，通过电流控制模块自动生成电流发生器的控制信号，使测试电流波形与实际运行中的级联型变流器子模块保持一致，从而实现最近电平逼近调制下的级联型变流器子模块的工况模拟，显著提高了测试精度。
本发明提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法，通过数字信号处理器、运算电路或软件的实现在各种运行工况下均能够明显改善测试电流波形，从而满足对被测子模块灵活施加不同的电、热应力的需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统的结构示意图以及方法的工作原理图；
图2为本发明一优选实施例的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法中测试桥臂调制电压及端口电压的波形示意图；
图3为本发明一优选实施例的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统中第一种测试桥臂的结构示意图；
图4为本发明一优选实施例的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统中第二种测试桥臂的结构示意图。
图中：1为电流发生器；2为测试模块组；3为电压控制器；4为电流控制器；41为前馈控制器；42为PIR控制器；43为信号调制模块。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一实施例提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统的结构示意图。
如图1所示，该实施例提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，可以包括如下部件：
电流发生器，该电流发生器用于提供测试电流和直流电源电压，并发送至电流控制器；同时，接收电流控制器生成的内部开关器件控制信号；
测试模块组，该测试模块组用于提供测试桥臂的端口电压，并发送至电流控制器；
电压控制器，该电压控制器用于提供测试桥臂的调制电压，并发送至电流控制器；
电流控制器，该电流控制器根据测试电流、直流电源电压、端口电压和调制电压，并生成电流发生器的内部开关器件控制信号，并输出至电流发生器。
作为该实施例的一优选实施例，电流发生器可以包括至少一个全桥电路，其中每一个全桥电路的两个桥臂分别接收独立的内部开关器件控制信号。
作为该实施例的一优选实施例，
所述测试模块组包括两个对应不同运行工况的测试桥臂，其中每一个测试桥臂均包括若干个串联连接的被测子模块，且同一测试桥臂内部被测子模块均对应同一种运行工况。测试桥臂的结构如图3和图4所示。
所述测试模块组中的测试桥臂可以在不改变电气连接关系的情况下任意改变组合方式，即进行重新组合或拆分；而测试桥臂内部子模块可以在不改变电气连接关系的情况下任意改变排列方式，上述改变均不影响测试电路的基本特征。
作为该实施例的一优选实施例，电流控制器可以包括：
前馈控制器，该前馈控制器接收测试模块组输出的测试桥臂的端口电压以及电压控制器输出的测试桥臂的调制电压，并生成补偿电压；
PIR控制器，该PIR控制器接收电流发生器输出的测试电流以及通过外部输入的参考电流，并生成调节电压；
信号调制模块，该信号调制模块根据电流发生器输出的直流电源电压、前馈控制器输出的补偿电压以及PIR控制器输出的调节电压，生成电流发生器的内部开关器件控制信号。
作为该实施例的一优选实施例，前馈控制器将电压控制器输出的测试桥臂的调制电压Vmod1(2)与测试模块组输出的测试桥臂的端口电压Varm1(2)作差，得到补偿电压信号Vcom1(2)：
Vcom1(2)＝Vmod1(2)-Varm1(2)。
其中，下标的1和2分别对应第一个测试桥臂和第二个测试桥臂。
作为该实施例的一优选实施例，测试模块组输出的测试桥臂的端口电压Varm1(2)通过以下任意一种方式得到：
第一种方式，通过电压采样装置实时测量测试桥臂的端口电压得到；
第二种方式，获取测试桥臂的被测子模块的电容电压V1(2).1-N及控制信号G1(2).1-N，通过以下方式计算得到：
其中，控制信号G1(2).1-N通过电压控制器生成。
作为该实施例的一优选实施例，PIR控制器将参考电流iref与测试电流it作差得到测试电流差值，将测试电流差值通过PIR响应后得到调节电压vbal：
其中，Kp、Ki与Kr分别为电流控制的比例、积分、谐振系数，s为拉普拉斯变换中的复参变量，ω为谐振角频率。
作为该实施例的一优选实施例，信号调制模块采用脉宽调制方法，根据直流电源电压Vt、补偿电压Varm1(2)以及调节电压vbal，共同计算得到电流发生器的内部开关器件控制信号Vo1(2)：
控制信号Vo1(2)除以直流电源电压Vt得到标幺值化的控制信号，最后通过脉宽调制方法得到电流发生器中全桥电路内部开关器件的实际控制信号S1-4。
其中，下标中的1和2分别对应第一个测试桥臂和第二个测试桥臂。
本发明另一实施例提供了一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除方法，如图1所示，可以采用本发明上述实施例中任一项的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，通过动态补偿最近电平逼近控制引入的电压误差，将阶梯波的测试桥臂的端口电压补偿为正弦波，从而消除测试电流的畸变，改善测试电流波形，使得流经被测子模块的测试电流与实际级联型变流器中保持相同。
下面结合附图，对本发明上述实施例提供的技术方案进一步详细描述如下。
图1为本发明上述实施例中级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统的结构示意图及方法的工作原理图。
如图1所示，上述实施例中的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统包括：电流发生器1、测试模块组2、电压控制器3以及电流控制器4进行；其中：
采用电流发生器1提供测试电流和直流电源电压，并发送至电流控制器4，并用于接收电流控制器4生成的开关器件的控制信号；
采用测试模块组2提供测试桥臂的端口电压，并发送至电流控制器4；
采用电压控制器3提供测试桥臂的调制电压，并发送至电流控制器4；
采用电流控制器4通过动态补偿最近电平逼近控制引入的电压误差，将阶梯波的桥臂电压补偿为正弦波，从而消除测试电流的畸变，改善测试电流波形。
本发明一优选实施例提供了一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，该系统可以包括：
电流发生器，将生成的测试电流及直流电源电压发送至电流控制器；
测试模块组，包含两个由若干被测子模块串联构成的测试桥臂，将测试桥臂的端口电压发送至电流控制器；
电压控制器，用于生成被测子模块的控制信号，并将生成的测试桥臂调制电压信号发送至电流控制器；
电流控制器，通过前馈控制器动态补偿测试桥臂端口电压与调制电压的差值，从而消除测试桥臂导致的测试电流畸变，通过比例积分谐振控制器进一步消除控制误差和计算精度的影响，最后通过信号调制模块生成电流发生器内部开关器件的控制信号，从而使流经被测子模块的测试电流与实际级联型变流器中保持相同。
在本发明部分实施例中，如图1所示，电流控制器4，接收电流发生器1生成的测试电流信号及直流电源电压信号，接收测试模块组2内部测试桥臂的端口电压信号，以及电压控制器3输出的测试桥臂调制电压信号，作为生成电流发生器1中开关器件控制信号的输入信号。通过在电流控制器4中引入前馈控制器41来消除测试桥臂导致的测试电流畸变，同时通过比例积分谐振(Proportion-Integral-Resonance,PIR)控制器42进一步消除控制误差和计算精度的影响，最后由信号调制模块43生成电流发生器内部开关器件的控制信号，使流经被测子模块的测试电流与实际级联型变流器中保持相同。
电流控制器4包括：前馈控制器41、PIR控制器42以及信号调制模块43；其中：
前馈控制器41的输入包括：测试模块组2内部测试桥臂的端口电压；电压控制器3输出的测试桥臂调制电压信号；
PIR控制器42的输入包括：电流发生器1生成的测试电流信号，以及通过外部输入的参考电流信号；
信号调制模块43采用脉宽调制方法，根据电流发生器1输出的直流电源电压，前馈控制器41输出的补偿电压信号，以及PIR控制器42输出的调节电压信号，共同生成电流发生器1中各开关器件的控制信号。
在本发明部分实施例中,测试桥臂的调制电压及端口电压在典型工况下的波形示意图如图2所示。前馈控制器41通过将电压控制器3输出的测试桥臂调制电压Vmod1(2)与测试模块组2中测试桥臂的端口电压Varm1(2)作差得到补偿电压信号Vcom1(2)：
Vcom1(2)＝Vmod1(2)-Varm1(2)
前馈控制器41中所用的测试桥臂的端口电压Varm1(2)可以通过以下方式生成：
在第一种方式下，测试桥臂的端口电压直接通过电压采样装置实时测量得到；
在第二种方式下，测试桥臂的端口电压通过被测子模块的电容电压V1(2).1-N及控制信号G1(2).1-N计算得到，其表达式为：
PIR控制器42将参考电流信号iref与电流发生器1生成的测试电流信号it作差得到测试电流差值，将测试电流差值通过PIR响应环节后得到调节电压信号vbal，具体表达式为：
其中，Kp、Ki与Kr分别为电流控制的比例、积分、谐振系数,ω为谐振角频率。
在本发明部分实施例中，电流发生器1包括直流电源、全桥电路及出口电感滤波器；信号调制模块43生成全桥电路内部开关器件的控制信号，全桥电路的两个桥臂分别接收独立的控制信号。
在信号调制模块43中根据电流发生器1输出的直流电源电压Vt，前馈控制器41输出的补偿电压信号Varm1(2)，以及PIR控制器42输出的调节电压信号vbal，共同计算得到电流发生器1中全桥电路两个桥臂的控制信号Vo1(2)，其表达式为：
控制信号Vo1(2)除以直流电源电压Vt得到标幺值化的控制信号，最后通过脉宽调制方法得到电流发生器1中全桥电路内部开关器件的实际控制信号S1-4。
测试模块组2包含两个由若干被测子模块构成的测试桥臂，测试桥臂内部被测子模块主要由任意一种结构的桥式变流器拓扑及其电容器构成，图3和图4分别为测试桥臂可以采用的两种结构。
本发明上述实施例提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法，其在级联型变流器子模块的工况模拟测试电路中，所模拟的级联型变流器子模块是工作在级联型变流器系统当中的，被测子模块则是工作于工况模拟测试电路，目的是令被测子模块的电气特性和工作在级联型变流器中子模块的电气特性相同。上述实施例提供的级联型变流器子模块的工况模拟测试电路工作在最近电平逼近调制下。上述各计算步骤通过包含数字信号处理器和FPGA在内的芯片，运算电路或软件实现。
本发明上述实施例提供的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统及方法，解决了测试桥臂呈现低电平阶梯波特性时的电流畸变问题，解除了对被测子模块的数量限制，有效提高了测试的灵活性；通过电流控制模块自动生成电流发生器的控制信号，使测试电流波形与实际运行中的级联型变流器子模块保持一致，从而实现最近电平逼近调制下的级联型变流器子模块的工况模拟，显著提高了测试精度；通过数字信号处理器、运算电路或软件的实现在各种运行工况下均能够明显改善测试电流波形，从而满足对被测子模块灵活施加不同的电、热应力的需求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，包括：
电流发生器，该电流发生器用于提供测试电流和直流电源电压，并发送至电流控制器；同时，接收电流控制器生成的内部开关器件控制信号；
测试模块组，该测试模块组用于提供测试桥臂的端口电压，并发送至电流控制器；
电压控制器，该电压控制器用于提供测试桥臂的调制电压，并发送至电流控制器；
电流控制器，该电流控制器根据所述测试电流、所述直流电源电压、所述端口电压和所述调制电压，并生成电流发生器的内部开关器件控制信号，并输出至电流发生器；
所述电流控制器包括：
前馈控制器，该前馈控制器接收所述测试模块组输出的测试桥臂的端口电压以及所述电压控制器输出的测试桥臂的调制电压，并生成补偿电压；
PIR控制器，该PIR控制器接收所述电流发生器输出的测试电流以及通过外部输入的参考电流，并生成调节电压；
信号调制模块，该信号调制模块根据所述电流发生器输出的直流电源电压、所述前馈控制器输出的补偿电压以及所述PIR控制器输出的调节电压，生成所述电流发生器的内部开关器件控制信号。
2.根据权利要求1所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，所述电流发生器包括至少一个全桥电路，其中每一个全桥电路的两个桥臂分别接收独立的内部开关器件控制信号。
3.根据权利要求1所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，所述测试模块组包括两个对应不同运行工况的测试桥臂，其中每一个测试桥臂均包括若干个串联连接的被测子模块，且同一测试桥臂内部被测子模块均对应同一种运行工况。
4.根据权利要求3所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，所述测试模块组中的测试桥臂在不改变电气连接关系的情况下能够进行任意形式的重新组合或拆分；所述测试桥臂内部的被测子模块在不改变电气连接关系的情况下能够进行任意形式的排列。
5.根据权利要求1所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，所述前馈控制器将所述电压控制器输出的测试桥臂的调制电压Vmod1(2)与所述测试模块组输出的测试桥臂的端口电压Varm1(2)作差，得到补偿电压信号Vcom1(2)：
Vcom1(2)＝Vmod1(2)-Varm1(2)
其中，下标中的1和2分别对应第一个测试桥臂和第二个测试桥臂。
6.根据权利要求5所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，所述测试模块组输出的测试桥臂的端口电压Varm1(2)通过以下任意一种方式得到：
第一种方式，通过电压采样装置实时测量测试桥臂的端口电压得到；
第二种方式，获取测试桥臂的被测子模块的电容电压V1(2).1-N及控制信号G1(2).1-N，通过以下方式计算得到：
其中，所述控制信号G1(2).1-N通过所述电压控制器生成。
7.根据权利要求1所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，所述PIR控制器将所述参考电流iref与所述测试电流it作差得到测试电流差值，将所述测试电流差值通过PIR响应后得到调节电压vbal：
其中，Kp、Ki与Kr分别为电流控制的比例、积分、谐振系数，s为拉普拉斯变换中的复参变量，ω为谐振角频率。
8.根据权利要求1所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，其特征在于，所述信号调制模块采用脉宽调制方法，根据所述直流电源电压Vt、所述补偿电压信号Vcom1(2)以及所述调节电压vbal，共同计算得到所述电流发生器的内部开关器件控制信号Vo1(2)：
控制信号Vo1(2)除以直流电源电压Vt得到标幺值化的控制信号，最后通过脉宽调制方法得到电流发生器中全桥电路内部开关器件的实际控制信号S1-4。
9.一种级联型变流器工况模拟的电流畸变消除方法，其特征在于，包括：采用权利要求1-8中任一项所述的级联型变流器工况模拟的电流畸变消除系统，通过动态补偿最近电平逼近控制引入的电压误差，将阶梯波的测试桥臂的端口电压补偿为正弦波，从而消除测试电流的畸变，改善测试电流波形，使得流经被测子模块的测试电流与实际级联型变流器中保持相同。
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