CN114977747A - 一种谐振滤波器、级联型变流器子模块测试电路及控制 - Google Patents

一种谐振滤波器、级联型变流器子模块测试电路及控制 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐振滤波器、级联型变流器子模块测试电路及控制，测试电路包括：电流发生器，用于生成测试电流；待测对象，由一个或多个待测子模块串联构成；谐振滤波器，由交流支路与直流支路并联构成，所述直流支路由电感构成，包含测试电流中的直流分量；所述交流支路由电感与电容串联构成，包含测试电流中的交流分量。同时针对测试电路提供了两种控制方法，可使测试电路中流入待测子模块的测试电流与子模块的电容电压，无静差地跟踪目标级联型变流器的桥臂电流与电容电压。与现有方法相比，采用本发明所提供的谐振滤波器以及相应的控制策略，可有效地降低测试电路中电流发生器的直流供电电压和开关频率。

Description

一种谐振滤波器、级联型变流器子模块测试电路及控制
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种谐振滤波器、级联型变流器子模块测试电路及控制系统、方法。
背景技术
级联型变流器由于具有模块化、电压功率等级易拓展、输出波形纹波含量低等优点，被广泛应用于电机驱动、海上风力发电、高压直流输电等场合。级联型变流器由许多子模块构成，因此子模块的可靠性与整个级联型变流器的可靠性与预期寿命具有直接关系，需要对子模块进行可靠性测试。由于子模块的可靠性和实际运行工况紧密相关，因此理论上子模块需要在完整的级联型变流器系统中进行测试，但搭建完整的系统进行测试成本高且效率低。因此，可采用工况模拟技术，通过搭建简化的测试电路模拟子模块在实际系统中的工况，通过测量子模块在测试电路中的运行情况来进行可靠性评估。
目前用于模拟级联型变流器工况的测试电路中，大多直接使用串联的电感作为滤波元件抑制测试电流纹波。但由于在级联型变流器子模块测试电路中，电流发生器的直流供电电压一般不应低于滤波电感的电压和待测对象端口电压之和，因而滤波电感的电压对直流供电电压的降低十分不利，尤其是当测试电流较大时，在滤波电感上会形成较大的电压降，提高了对直流供电电压的需求。提供较大的直流供电电压不仅成本较高，并且会增大电流纹波，对滤波电感和器件开关频率均提出了更加严苛的要求。
因此，本领域需要一种针对滤波电感进行改进的级联型变流器子模块测试电路及控制方法，从而降低测试电路对电流发生器直流供电电压和开关频率的需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种谐振滤波器、级联型变流器子模块测试电路及控制系统，以及对应的控制方法。
本发明的第一方面，提供一种用于级联型变流器子模块测试电路的谐振滤波器，包括：
由一个电感构成的直流支路；
由一个电感与一个电容构成的交流支路；
所述交流支路与所述直流支路并联，其中：所述直流支路包含测试电流中的直流分量；所述交流支路包含测试电流中的交流分量。
本发明的第二方面，提供一种基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路，包括：
电流发生器，用于生成测试电流；
待测对象，由两个以上的待测子模块串联构成；
谐振滤波器，一端连接所述电流发生器，另一端连接所述待测对象，所述待测对象和所述电流发生器、所述谐振滤波器连接构成闭合回路；
其中，所述谐振滤波器由交流支路与直流支路并联构成，所述直流支路由电感构成，包含测试电流中的直流分量；所述交流支路由电感与电容串联构成，包含测试电流中的交流分量；所述谐振滤波器对所述电流发生器输出的电流进行滤波，从而得到级联型变流器子模块测试所需的测试电流。
可选地，所述电流发生器由一个恒压直流源和一个全桥或半桥逆变电路构成，所述恒压直流源为所述全桥或半桥逆变电路提供电源，控制所述全桥或半桥逆变电路的控制脉冲，使所述电流发生器输出测试电流所需的输出电压。
可选地，所述待测对象包含两个待测子模块组，两个待测子模块组的电流流经方向相反，每个待测子模块组中包含的待测子模块依次正向级联，两个待测子模块组中最后一个待测子模块的负极相连，从而使得两个待测子模块组与所述电流发生器以及所述谐振滤波器构成环路。
本发明的第三方面，提供一种上述基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制系统，包括：
采样模块，用于采样待测对象中待测子模块电容电压和测试电流；
目标级联变流器系统参数模型，用于生成电流控制器、电压控制器所需的参考值，包括测试电流参考值、待测子模块电容电压直流分量参考值和待测子模块调制电压参考值；
电流控制器，根据所述采样模块的测试电流和所述目标级联变流器系统参数模型的测试电流参考值，生成所述电流发生器的控制脉冲；
电压控制器，接收来自所述采样模块的待测子模块电容电压和测试电流，以及目标级联变流器系统参数模型计算得到的待测子模块电容电压直流分量参考值和待测子模块调制电压参考值，生成控制所述待测子模块的脉冲信号。
可选地，所述目标级联变流器系统参数模型还计算得到：交流支路电流采样值和直流支路电流采样值，或，交流支路电流采样值和测试电流采样值。
本发明的第四方面，提供一种上述基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制方法，采用以下任一种方法：
方法一：
将由目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流直流分量参考值与直流支路电流采样值的差输入比例积分控制器或比例控制器，从而生成电流发生器一部分的调制电压；同时，将由目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流交流分量与交流支路电流采样值的差输入比例谐振控制器，从而生成电流发生器另一部分的调制电压；
将上述得到的两个调制电压与前馈补偿电压之和，作为电流发生器的调制电压，从而生成电流发生器的控制脉冲；
方法二：
将目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流参考值与包含交直流分量的测试电流采样值的差值输入比例积分谐振控制器，并将比例积分谐振控制器的输出与前馈补偿电压之和作为电流发生器的调制电压，从而生成电流发生器的控制脉冲；
本发明上述两种方法中：
所述方法一中，两个电流采样器分别采样谐振滤波器中交流支路与直流支路的电流，交流支路比例积分谐振控制器与直流支路比例积分控制器的输入不存在耦合；
所述方法二中，一个电流采样器采样测试电路环路中的测试电流，比例积分谐振控制器的输入包含直流参考值与测试电流直流分量的差值以及交流参考值与测试电流交流分量的差值；比例积分谐振控制器在该输入仍可控制测试电流对交直流分量进行稳定的跟踪。
可选地，在目标级联变流器系统子模块工作于最近电平逼近调制时，测试电路中待测子模块的开关脉冲通过如下方式生成：
对每个待测子模块组中的待测子模块，将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与待测子模块组中所有待测子模块电容电压的平均值的差值输入电容电压平衡控制器，并以所述电容电压平衡控制器的输出与由目标级联变流器系统参数模型确定的桥臂部分输出电压参考值的之和作为待测子模块组的桥臂调制电压；基于该桥臂调制电压，在待测子模块组中所有待测子模块的排序下生成待测子模块的控制脉冲。
进一步的，所述电容电压平衡控制器将由目标级联变流器系统参数模型确定的待测子模块电容电压直流分量参考值与待测子模块组中所有待测子模块电容电压的平均值的差值输入比例积分控制器或比例控制器，并在该比例积分控制器或比例控制器的输出上乘以流入待测子模块组测试电流的方向函数，作为电容电压平衡控制器的输出；所述方向函数在测试电流为正时输出1，在测试电流为负时输出-1。
可选地，在目标级联变流器系统的子模块工作于载波移相调制时，测试电路中待测子模块的开关脉冲通过如下方式生成：
对每个待测子模块组中的任意一个待测子模块，将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与该待测子模块的电容电压的差值输入电容电压平衡控制器，并以所述电容电压平衡控制器的输出与由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块调制电压参考值之和作为该待测子模块的调制电压，基于该调制电压在载波移相调制下生成该子模块的控制脉冲。
进一步的，所述电容电压平衡控制器将由目标级联变流器系统参数模型确定的待测子模块电容电压直流分量参考值与该待测子模块的电容电压的差值输入比例积分控制器或比例控制器，并在该控制器的输出上乘以流入待测子模块组测试电流的方向函数，作为电容电压平衡控制器的输出；所述方向函数在测试电流为正时输出1，在测试电流为负时输出-1。
与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：
本发明上述的测试电路，采用谐振滤波器，使得测试电路中滤波器上的电压降低，从而使得电流发生器对供电电压的需求降低。
本发明上述的测试电路，因为采用谐振滤波器，电流发生器的供电电压降低，从而在测试电流纹波大小不变的情况下，使得半导体器件开关频率需求降低，减小器件损耗并节省成本。
本发明同时针对测试电路提供了两种可选的控制方法，可使测试电路中流入待测子模块的测试电流与子模块的电容电压，无静差地跟踪目标级联型变流器的桥臂电流与电容电压。与现有方法相比，可有效地降低测试电路中电流发生器的直流供电电压和开关频率。
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为本发明一优选实施例中基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路框图；
图2为本发明一优选实施例中基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制框图；
图3为本发明一优选实施例中基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的谐振滤波器直流支路和交流支路从其两端电压到输出电流的传递函数的波特图(左图为直流支路，右图为交流支路)；
图4为本发明一优选实施例中基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的电流控制器控制框图(包含方法一和方法二)；
图5为本发明一优选实施例中基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的电压控制器控制框图(其中待测子模块的调制方式为最近电平逼近调制)；
图中：1-电流发生器；2-谐振滤波器；3-待测对象；4-目标级联变流器系统参数模型；5-电流控制器；6-电压控制器；7-待测对象端口电压采样器；8-子模块电容电压采样器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：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。
本发明实施例提供一种基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路，该测试电路基于谐振滤波器，对电流发生器输出的电流进行滤波，从而得到级联型变流器子模块测试所需的测试电流。
图1为本发明一优选实施例中基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路框图。
照图1所示，本实施例的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路，包括：电流发生器、待测对象和谐振滤波器，其中：电流发生器用于生成测试电流；待测对象由一个或多个待测子模块串联构成；谐振滤波器的一端连接电流发生器，另一端连接待测对象，待测对象和电流发生器、谐振滤波器连接构成闭合回路。
具体的，用于上述级联型变流器子模块测试电路的谐振滤波器，由交流支路与直流支路并联构成，直流支路由一个电感构成，包含测试电流中的直流分量；交流支路由一个电感与一个电容串联构成，包含测试电流中的交流分量；谐振滤波器对电流发生器输出的电流进行滤波，从而得到级联型变流器子模块测试所需的测试电流。
本实施例中测试电路采用谐振滤波器，从而使得测试电路在测试电流纹波大小不变的情况下，对电流发生器的供电电压需求降低。
谐振滤波器中，由一个电感构成的直流支路，基于小的直流电压在直流支路生成大的直流电流；由一个电感与一个电容构成的交流支路在谐振频率处，基于小的交流电压在交流支路生成大的交流电流。在谐振滤波器流过同时包含交流分量、直流分量的测试电流时，谐振滤波器的两端电压，相比传统只由电感组成的滤波器较小；同时，电流发生器的输出电压至少大于谐振滤波器两端电压与待测对象输出电压之和，则利用谐振滤波器能降低电流发生器中直流供电电源的大小；在测试电流纹波不变的情况下，电流发生器直流供电电源的降低又能进一步降低电流发生器的开关频率。进一步的，谐振滤波器的交流支路，通过调整电感值和电容值，使带有一个电感与一个电容的交流支路的谐振频率接近目标级联变流器系统中实际电流交流分量的频率，进而使得生成的测试电流的交流分量的频率接近目标级联变流器系统中实际电流交流分量的频率。
在一些实施例中，电流发生器由一个恒压直流源和一个全桥或半桥逆变电路构成，恒压直流源为全桥或半桥逆变电路提供电源，通过控制全桥或半桥逆变电路的控制脉冲，可以使电流发生器输出生成测试电流所需的输出电压。
在一些实施例中，待测对象包含两个待测子模块组，两个待测子模块组的电流流经方向相反，每个待测子模块组中包含的待测子模块依次正向级联。两个待测子模块组中最后一个待测子模块的负极相连，从而使得两个待测子模块组与电流发生器以及谐振滤波器构成环路。本实施例中的待测对象是用于测试目标级联变流器系统中的待测子模块，待测子模块的结构与目标级联变流器系统中子模块的结构完全相同。具体的，在一实施例中，如图1所示，每个待测子模块包括电容与半导体器件，电容用于稳定子模块的直流电压，半导体器件用于控制子模块的投入与切除。
在本发明另一实施例中，还提供一种基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制系统。
图2为本发明一优选实施例中基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制框图。具体的，参照图2所示，本实施例中的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制系统，包括：采样模块、目标级联变流器系统参数模型、电流控制器和电压控制器，其中：采样模块用于采样待测对象中待测子模块电容电压和测试电流；目标级联变流器系统参数模型用于生成电流控制器、电压控制器所需的参考值，包括测试电流参考值、待测子模块电容电压直流分量参考值和待测子模块调制电压参考值；电流控制器根据采样模块的测试电流和目标级联变流器系统参数模型的测试电流参考值，生成电流发生器的控制脉冲；电压控制器接收来自采样模块的待测子模块电容电压和测试电流，以及目标级联变流器系统参数模型计算得到的待测子模块电容电压直流分量参考值和待测子模块调制电压参考值，生成控制待测子模块的脉冲信号。
本发明上述实施例中，通过控制系统控制，调整谐振滤波器的交流支路的电感值和电容值，使带有一个电感与一个电容的交流支路的谐振频率接近目标级联变流器系统中实际电流交流分量的频率，进而使得生成的测试电流的交流分量的频率接近目标级联变流器系统中实际电流交流分量的频率。
本实施例中的控制系统可以对图1所示的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路进行控制，实现级联型变流器子模块测试。
基于相同的技术构思，在本发明另一实施例中，对于上述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制系统，提供相应的控制方法。
图4为本发明一优选实施例中所提供的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的电流控制器控制框图。参照图4所示，为控制所述谐振滤波器交直流支路的电流，提供了两种可选的控制方法：
方法一：将由目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流直流分量参考值与直流支路电流采样值的差输入比例积分控制器，或比例控制器，从而生成电流发生器一部分的调制电压；同时将由目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流交流分量与交流支路电流采样值的差输入比例谐振控制器，从而生成电流发生器另一部分的调制电压。将两个调制电压与前馈补偿电压的和作为电流发生器的调制电压，从而生成电流发生器的控制脉冲。
方法二：将目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流参考值与同时包含交直流分量的测试电流采样值的差值输入比例积分谐振控制器，并将比例积分谐振控制器的输出与前馈补偿电压的和作为电流发生器的调制电压，从而生成电流发生器的控制脉冲。
上述控制方法一中，需要两个电流采样器分别采样交流支路与直流支路的电流，交流支路比例积分谐振控制器与直流支路比例积分控制器的输入不存在耦合。
上述控制方法二中，需要一个电流采样器采样测试电路环路中的测试电流，比例积分谐振控制器的输入将同时包含直流参考值与测试电流直流分量的差值以及交流参考值与测试电流交流分量的差值。比例积分谐振控制器在该输入仍可控制测试电流对交直流分量进行稳定的跟踪，因为比例积分谐振控制器中的比例积分控制器对直流分量的增益远高于对谐振频率处分量的增益，比例积分谐振控制器中的谐振控制对谐振频率处的分量的增益远高于对直流分量的增益，所以对交流直流分量的控制不会相互干扰。
本发明上述的控制方法中，基于图1的测试电路，由于由一个电感构成的直流支路可基于较小的直流电压在其支路生成较大的直流电流，由一个电感与一个电容构成的交流支路在谐振频率处，可基于较小的交流电压在其支路生成较大的交流电流。因此，在谐振滤波器流过同时包含交直流分量的测试电流时，其两端电压较小。同时，由于电流发生器的输出电压应至少大于滤波器两端电压与待测对象输出电压之和，因此谐振滤波器的采用可降低电流发生器中直流供电电源的大小。在测试电流纹波不变的情况下，电流发生器直流供电电源的降低又可进一步降低电流发生器的开关频率。
具体的，当谐振滤波器中交流支路的电感值为Lac，电容值为Cac，寄生电阻值为Rac，直流支路的电感值为Ldc，寄生电阻值为Rdc时，交流支路的谐振角频率ωres为：
Figure BDA0003705902690000081
交流支路从其两端电压到输出电流的传递函数可表示为：
Figure BDA0003705902690000082
其中，s为传递函数中的复变量。因此交流支路从其两端电压到输出电流的传递函数对直流分量的增益为零。交流支路从其两端电压到输出电流的传递函数对谐振频率处交流分量的增益为1/Rac，由于寄生电阻Rac较小，因此交流支路在谐振频率处对交流分量具有较高增益。
直流支路从其两端电压到输出电流的传递函数可表示为：
Figure BDA0003705902690000083
因此直流支路从其两端电压到输出电流的传递函数对直流分量的增益为1/Rdc，由于寄生电阻Rdc较小，因此直流支路对直流分量具有较高增加。同时，直流支路对谐振频率处交流分量的增益为：
Figure BDA0003705902690000084
该增益远小于其对直流分量的增益。因此，交流支路可基于较小的电压生成测试电流中的交流分量，且不会被直流支路的直流电压影响；直流支路可基于较小的电压生成测试电流中的直流分量，且受交流支路的交流电压影响小。
上述实施例中，电流控制控制器中的前馈补偿电压用于补偿测试电路中待测对象输出脉冲电压的干扰。前馈补偿电压应与待测对象输出的脉冲电压具有相同的波形，即前馈补偿电压中的脉冲电压应与待测对象输出脉冲电压具有相近的幅值，并且脉冲电压的生成时刻相近。为此，在一些实施例中，前馈补偿电压可通过如下方法生成：在电压控制器确定待测子模块的控制脉冲后，待测对象中两个待测子模块组的投入模块数随之确定。在电压控制器中以待测子模块组投入模块数与该待测子模块组中单个子模块电容电压的乘积作为该待测子模块组的桥臂电压，并最终以两个待测子模块组桥臂电压的差值作为前馈补偿电压。通过该方法生成前馈补偿电压，可避免通过额外的电压传感器采样待测对象输出脉冲电压作为前馈补偿电压，并且可实现前馈补偿电压与待测对象输出脉冲电压间更小的延时。
本发明上述控制方法中，当电流发生器工作于双极性调制的正弦脉宽调制下时，电流发生器生成的测试电流纹波最大范围iripple_max可表示为：
Figure BDA0003705902690000091
在电流发生器工作于单极性调制的正弦脉宽调制下时，电流发生器生成的测试电流纹波最大范围iripple_max可表示为：
Figure BDA0003705902690000092
其中，Vt为电流发生器中单个供电模块的直流供电电压，Lt为滤波电感，fs为载波频率。
由于电流发生器的输出电压应至少大于滤波器两端电压与待测对象输出电压之和，因此通过采用所述谐振滤波器，可降低滤波器两端电压，进而降低电流发生器中直流供电电源的大小。根据上述电流纹波计算公式，在测试电流纹波不变的情况下，电流发生器直流供电电源的降低又可进一步降低电流发生器的开关频率。
上述控制方法中，测试电路可在控制系统的控制下，通过对目标级联变流器系统中子模块的桥臂电流与电容电压的工况进行模拟的方式，对子模块进行测试。其中，目标级联变流器系统包括但不限于，模块化多电平变流器、级联型静态无功补偿器以及级联H桥型变流器。
在一些实施例中，目标级联变流器系统参数模型通过对目标级联变流器系统进行建模分析或仿真计算从而获得目标级联变流器系统包括桥臂电流、子模块调制电压以及电容电压在内的工况取值，并将所得工况值作为测试电路控制系统的参考值，测试电路在其控制系统的作用下，通过追踪参考值，实现对目标级联变流器系统工况的模拟。
为了实现上述的控制，在一些实施例中，当目标级联变流器系统的子模块工作于最近电平逼近调制时，测试电路中待测子模块的开关脉冲通过如下方式生成：对每个待测子模块组中的待测子模块，将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与待测子模块组中所有待测子模块电容电压的平均值的差值输入电容电压平衡控制器，并以电容电压平衡控制器的输出与由目标级联变流器系统参数模型确定的桥臂部分输出电压参考值的之和作为待测子模块组的桥臂调制电压。基于该桥臂调制电压，在待测子模块组中所有待测子模块的排序下生成待测子模块的控制脉冲。进一步的，在一优选实施例中，电容电压平衡控制器将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与待测子模块组中所有待测子模块电容电压的平均值的差值输入比例积分控制器，或比例控制器，并在该控制器的输出上乘以流入待测子模块组测试电流的方向函数，作为电容电压平衡控制器的输出，其中，方向函数在测试电流为正时输出1，在测试电流为负时输出-1。
在另一些实施例中，当目标级联变流器系统的子模块工作于载波移相调制时，测试电路中待测子模块的开关脉冲通过如下方式生成：对每个待测子模块组中的任意一个待测子模块，将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与该待测子模块的电容电压的差值输入电容电压平衡控制器，并以电容电压平衡控制器的输出与由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块调制电压参考值之和作为该待测子模块的调制电压。基于该调制电压在载波移相调制下生成该子模块的控制脉冲。进一步的，在一优选实施例中，电容电压平衡控制器将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与该待测子模块的电容电压的差值输入比例积分控制器，或比例控制器，并在该控制器的输出上乘以流入待测子模块组测试电流的方向函数，作为电容电压平衡控制器的输出，其中，方向函数在测试电流为正时输出1，在测试电流为负时输出-1。
为了更好说明本发明的技术方案，以下结合具体的实施例进行详细说明，但应当理解的是，本发明并不局限于下述实施例。
本发明一优选实施例中所提供的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路及控制系统，其电路结构与控制框图如图2所示。电路结构包括：由直流恒压源和全桥逆变电路构成的电流发生器1，由直流支路和交流支路相并联构成的谐振滤波器2，和由多个待测子模块相串联构成的待测对象3。控制系统由目标级联型变流器系统参数模型4，电流控制器5，电压控制器6，电压采样7、8和电流采样构成。其中电流控制器接收来自电压采样7的待测对象端电压vdut，目标级联变流器系统参数模型4计算得到的测试电流参考值itest_ref，以及交流支路电流采样值itest_ac和直流支路电流采样值itest_dc(控制方法一)或测试电流采样值itest(控制方法二)，生成控制电流发生器1四个开关管的脉冲信号。电压控制器接收来自电压采样8的待测子模块电容电压vc，来自电流采样的待测对象的测试电流itest，以及目标级联变流器系统参数模型4计算得到的电容电压直流分量参考值Vc_ref和待测对象调制电压参考值varm_ref，生成控制待测子模块的脉冲信号。
本实施例中，谐振滤波器直流支路由电感Ldc和寄生电阻Rdc构成，交流支路由电容Cac，电感Lac和寄生电阻Rac构成。对于交流支路，谐振频率f0与电容Cac和电感Lac的关系可表示为：
Figure BDA0003705902690000111
可调整电容Cac和电感Lac的取值，使得交流支路的谐振频率接近测试电流交流分量参考值的基波频率，从而使得测试电流交流分量的频率接近测试电流交流分量参考值的基波频率。
如图3所示，本实施例中，谐振滤波器直流支路从支路两端电压到支路输出电流的传递函数、交流支路从支路两端电压到支路输出电流的传递函数(具体公式参照前面记载)，根据该传递函数和对应波特图(见图3)，谐振滤波器的直流支路从支路两端电压到支路输出电流的传递函数对直流分量有较高的增益；谐振滤波器的交流支路从支路两端电压到支路输出电流的传递函数对交流分量具有较高的增益。因此，谐振滤波器可通过较低的端电压生成测试所需符合目标级联变流器系统的测试电流，降低了对电流发生器中直流供电电压的需求。
作为一优选实施例，谐振滤波器的直流支路从支路两端电压到支路输出电流的传递函数对交流支路谐振频率f0处的分量增益较低，因而谐振滤波器端电压的交流分量对于直流支路影响较低；谐振滤波器的交流支路从支路两端电压到支路输出电流的传递函数对直流分量增益较低，因而谐振滤波器端电压的直流分量对于交流支路影响较低。
本实施例中，待测对象3由多个待测子模块串联而成，具体电路拓扑结构示意图见图1。其中子模块1.1～1.n依次串联，测试电流参考方向指向电容电压参考正端，构成了待测逆变模式子模块组，子模块2.1～2.n依次串联，测试电流参考方向指向电容电压参考负端，构成待测整流模式子模块组。两个子模块组和电流发生器1、谐振滤波器2通过导线连接构成闭合回路，可以同时对2n个子模块进行工况模拟测试。待测子模块为半桥子模块，每个子模块的电容电压vcinv_i，vcrec_i(i＝1,2,…,n)经电压采样8测量得到子模块电容电压采样值vc，传递给电压控制器6。
本实施例中，图2中所示目标级联变流器系统参数模型4用于生成电流控制器5，电压控制器6所需的参考值，包括测试电流参考值、子模块电容电压直流分量参考值和子模块调制电压参考值，上述参考值应尽量和目标级联型变流器系统运行工况相符。
本实施例中，图2中所示目标级联变流器系统参数模型4可通过对目标级联型变流器进行建模分析、或仿真计算、或实验记录得到。
在其中一个优选实施例中，图2中所示电流控制器5使用的控制方法框图见图4。其中电流控制器控制方法一具体实现方式为：将测试电流交流分量参考值itest_ac_ref和交流支路电流采样值itest_ac作差，输入比例谐振控制器；将测试电流直流分量参考值itest_dc_ref和直流支路电流采样值itest_dc作差，输入比例积分控制器。将上述两个控制器的输出和待测对象端电压vdut相加，经过正弦脉冲宽度调制，得到输出作为电流发生器的控制脉冲。整个控制过程可用公式表达为：
Figure BDA0003705902690000121
其中，Δitest_ac为交流支路电流参考值和采样电流的差值，Δitest_dc为直流支路电流参考值和采样电流的差值，vPR为比例谐振控制器的输出，vPI为比例积分控制器的输出，vdut为待测对象端电压，vm为电流发生器的调制电压，ω为电流频率，KP1为比例谐振控制器的比例控制系数，KR为比例谐振控制器的对应电流频率ω的谐振控制系数，KP2为比例积分控制器的比例控制系数，KI为比例积分控制器的积分控制系数。
控制方法一中需要电流采样器分别采样谐振滤波器交流支路和直流支路的电流，交流支路比例谐振控制器与直流支路比例积分控制器的输入不存在耦合。
作为另一优选实施例，电流控制器控制方法二具体实现方式为：将测试电流参考值itest_ref和测试电流采样值itest作差，输入比例积分谐振控制器，比例积分谐振控制器的输出叠加待测对象端电压vdut，经过正弦脉冲宽度调制，得到输出作为电流发生器的控制脉冲。整个控制过程可用公式表达为：
Figure BDA0003705902690000131
其中，Δitest为测试电流参考值和采样值的差值，vPIR为比例积分谐振控制器的输出，vdut为待测对象端电压，vm为电流发生器的调制电压，ω为电流频率，KP1为比例积分谐振控制器的比例控制系数，KI为比例积分谐振控制器的积分控制系数，KR为比例积分谐振控制器的对应电流频率ω的谐振控制系数。
控制方法二需要电流采样器直接采样测试电流，包含直流分量和交流分量。由于比例积分谐振控制器中的比例积分控制器对直流分量的增益远高于对谐振频率处分量的增益，比例积分谐振控制器中的谐振控制对谐振频率处的分量的增益远高于对直流分量的增益，所以比例积分控制器中交流分量和直流分量的控制不会产生干扰，可以实现对测试电流交直流分量的稳定跟踪。
作为一优选实施例，图2中所示电压控制器使用的控制方法框图见图5，用于生成待测子模块的控制脉冲，具体实现方式为：
分别将待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组的子模块电容电压直流分量参考值和子模块电容电压采样值的平均值作差，输入电压平衡控制器，将电压平衡控制器的输出与调制电压参考值叠加，作为调制电压根据目标级联变流器系统的调制方式得到待测子模块的控制脉冲。
上述电压平衡控制器具体实现方式为：将待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组的子模块电容电压差值输入对应的比例积分控制器中，并将测试电流代入符号函数，与上述比例积分控制器的输出相乘，作为电压平衡控制器的输出。
上述目标级联变流器系统的调制方式包括但不限于最近电平逼近调制法和载波移相调制法。
在最近电平逼近调制下，对应逆变型待测子模块组的公式可表示为：
Figure BDA0003705902690000132
在最近电平逼近调制下，对应整流型待测子模块组的公式可表示为：
Figure BDA0003705902690000141
其中，vcinv_i和vcrec_i分别为待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组中第i个子模块的电容电压采样值，n为子模块组中子模块个数，
Figure BDA0003705902690000142
和
Figure BDA0003705902690000143
分别为待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组中子模块电容电压采样值的平均值，Δvinv和Δvrec分别为待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组中电容电压直流分量参考值与电容电压采样值平均值的差值，vPI_inv和vPI_rec分别为待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组比例积分控制器的输出，varm_inv_ref和varm_rec_ref分别为待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组的调制电压参考值，vm_inv和vm_rec分别为待测逆变模式子模块组和待测整流模式子模块组的调制电压，KP1和KP2分别为比例积分控制器的比例控制系数，KI1和KI2分别为比例积分控制器的积分控制系数。
本发明上述实施例，采用基于谐振电路的工况模拟测试电路与只采用电感进行滤波的工况模拟测试电路相比，可在相同工况下，通过谐振滤波器和对应的控制方式以较低的端电压生成符合目标级联变流器系统工况的测试电流，降低测试电路对电流发生器中直流供电电压的需求，进而降低测试电路对开关频率的需求。
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。上述各优选实施例在互不冲突的前提下，其技术特征可以任意组合使用。

Claims (13)

1.一种用于级联型变流器子模块测试电路的谐振滤波器，其特征在于，包括：
由一个电感构成的直流支路；
由一个电感与一个电容构成的交流支路；
所述交流支路与所述直流支路并联，其中：所述直流支路包含测试电流中的直流分量；所述交流支路包含测试电流中的交流分量。
2.根据权利要求1所述的谐振滤波器，其特征在于，所述谐振滤波器，其中：
-基于小的直流电压在所述直流支路生成大的直流电流；
-在谐振频率处，基于小的交流电压在所述交流支路生成大的交流电流。
3.一种基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路，其特征在于，包括：
电流发生器，用于生成测试电流；
待测对象，由两个以上的待测子模块串联构成；
谐振滤波器，采用权利要求1或2所述的谐振滤波器，该谐振滤波器一端连接所述电流发生器，另一端连接所述待测对象，所述待测对象和所述电流发生器、所述谐振滤波器连接构成闭合回路；
其中，所述谐振滤波器由交流支路与直流支路并联构成，所述直流支路由电感构成，包含测试电流中的直流分量；所述交流支路由电感与电容串联构成，包含测试电流中的交流分量；所述谐振滤波器对所述电流发生器输出的电流进行滤波，从而得到级联型变流器子模块测试所需的测试电流。
4.根据权利要求3所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路，其特征在于，所述电流发生器由一个恒压直流源和一个全桥或半桥逆变电路构成，所述恒压直流源为所述全桥或半桥逆变电路提供电源，控制所述全桥或半桥逆变电路的控制脉冲，使所述电流发生器输出测试电流所需的输出电压。
5.根据权利要求3所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路，其特征在于，所述待测对象包含两个待测子模块组，两个待测子模块组的电流流经方向相反，每个待测子模块组中包含的待测子模块依次正向级联，两个待测子模块组中最后一个待测子模块的负极相连，从而使得两个待测子模块组与所述电流发生器以及所述谐振滤波器构成环路。
6.根据权利要求4所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路，其特征在于，所述待测子模块包含电容与半导体器件，所述电容用于稳定所在待测子模块的直流电压，所述半导体器件用于控制所在待测子模块的投入与切除。
7.一种权利要求3-6任一项所述基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制系统，其特征在于，包括：
采样模块，用于采样待测对象中待测子模块电容电压和测试电流；
目标级联变流器系统参数模型，根据目标级联变流器系统生成电流控制器、电压控制器所需的参考值，包括测试电流参考值、待测子模块电容电压直流分量参考值和待测子模块调制电压参考值；所述测试电流参考值包含直流分量和交流分量；
电压控制器，接收来自所述采样模块的待测子模块电容电压和测试电流，以及目标级联变流器系统参数模型得到的待测子模块电容电压直流分量参考值和待测子模块调制电压参考值，生成控制所述待测子模块的脉冲信号以及前馈补偿电压；
电流控制器，根据所述采样模块的测试电流、所述目标级联变流器系统参数模型的测试电流参考值以及电压控制器生成的前馈补偿电压，生成所述电流发生器的控制脉冲。
8.一种权利要求3-6任一项所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制方法，其特征在于，采用以下任一种方法：
方法一：
将由目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流参考值的直流分量与直流支路电流采样值的差输入比例积分控制器或比例控制器，从而生成电流发生器一部分的调制电压；同时，将由目标级联变流器系统参数模型确定的测试电流参考值的交流分量与交流支路电流采样值的差输入比例谐振控制器，从而生成电流发生器另一部分的调制电压；
将上述得到的两个调制电压与前馈补偿电压之和，作为电流发生器的调制电压，从而生成电流发生器的控制脉冲；
方法二：
将目标级联变流器系统参数模型确定包含交直流分量的测试电流参考值与包含交直流分量的测试电流采样值的差值输入比例积分谐振控制器，并将比例积分谐振控制器的输出与前馈补偿电压之和作为电流发生器的调制电压，从而生成电流发生器的控制脉冲；
其中：
所述方法一中，两个电流采样器分别采样谐振滤波器中交流支路与直流支路的电流，交流支路比例谐振控制器与直流支路比例积分控制器的输入不存在耦合；
所述方法二中，一个电流采样器采样测试电路环路中的测试电流，比例积分谐振控制器的输入包含测试电流参考值的直流分量与测试电流采样值直流分量的差值以及测试电流参考值的交流分量与测试电流采样值交流分量的差值；比例积分谐振控制器中，交流分量差值不影响比例积分控制器对测试电流直流量的控制，直流分量差值不影响比例积分控制器对测试电流交流量的控制。
9.根据权利要求8所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制方法，其特征在于，所述谐振滤波器的交流支路，通过调整电感值和电容值，使带有一个电感与一个电容的交流支路的谐振频率接近目标级联变流器系统中实际电流交流分量的频率，进而使得生成的测试电流的交流分量的频率接近目标级联变流器系统中实际电流交流分量的频率。
10.根据权利要求8所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制方法，其特征在于，所述电流控制器中的前馈补偿电压用于补偿测试电路中待测对象输出脉冲电压的干扰，所述前馈补偿电压应与待测对象输出的脉冲电压具有相同的波形；
所述前馈补偿电压通过如下方法生成：
在电压控制器中以待测子模块组投入模块数与该待测子模块组中单个待测子模块电容电压的乘积作为该待测子模块组的桥臂电压，并最终以两个待测子模块组桥臂电压的差值作为前馈补偿电压。
11.根据权利要求8所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制方法，其特征在于，所述目标级联变流器系统参数模型，通过对目标级联变流器系统进行建模分析或仿真计算，从而获得目标级联变流器系统包括桥臂电流、子模块调制电压以及电容电压在内的工况取值，并将所得工况值作为测试电路控制系统的参考值，测试电路在控制系统的作用下，通过追踪参考值，实现对目标级联变流器系统工况的模拟。
12.根据权利要求8所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制方法，其特征在于，在目标级联变流器系统子模块工作于最近电平逼近调制时，测试电路中待测子模块的开关脉冲通过如下方式生成：
对每个待测子模块组中的待测子模块，将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与待测子模块组中所有待测子模块电容电压的平均值的差值输入电容电压平衡控制器，并以所述电容电压平衡控制器的输出与由目标级联变流器系统参数模型确定的桥臂部分输出电压参考值的之和作为待测子模块组的桥臂调制电压；基于该桥臂调制电压，在待测子模块组中所有待测子模块的排序下生成待测子模块的控制脉冲；
所述电容电压平衡控制器将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与待测子模块组中所有待测子模块电容电压的平均值的差值输入比例积分控制器或比例控制器，并在该比例积分控制器或比例控制器的输出上乘以流入待测子模块组测试电流的方向函数，作为电容电压平衡控制器的输出；所述方向函数在测试电流为正时输出1，在测试电流为负时输出-1。
13.根据权利要求8所述的基于谐振电路的级联型变流器子模块测试电路的控制方法，其特征在于，在目标级联变流器系统的子模块工作于载波移相调制时，测试电路中待测子模块的开关脉冲通过如下方式生成：
对每个待测子模块组中的任意一个待测子模块，将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与该待测子模块的电容电压的差值输入电容电压平衡控制器，并以所述电容电压平衡控制器的输出与由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块调制电压参考值之和作为该待测子模块的调制电压，基于该调制电压在载波移相调制下生成该子模块的控制脉冲；
所述电容电压平衡控制器将由目标级联变流器系统参数模型确定的子模块电容电压直流分量参考值与该待测子模块的电容电压的差值输入比例积分控制器，或比例控制器，并在该控制器的输出上乘以流入待测子模块组测试电流的方向函数，作为电容电压平衡控制器的输出；所述方向函数在测试电流为正时输出1，在测试电流为负时输出-1。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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