CN203825115U - 一种statcom子模块的全功率测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种STATCOM子模块的全功率测试装置，该装置由补能电路，一个或多个主模块，一个或多个被测模块，电抗器和充电电路构成；其中补能电路用于补充装置的损耗，主模块和被测模块输出电压中的共模分量用于控制流过电抗器中的电流大小，主模块和被测模块输出电压中的差模分量大小不影响流过电抗器中的电流大小，主模块和被测模块输出电压中的均压分量用于控制主模块和被测模块直流侧电容电压平衡或稳定在设定值上。本装置能够使主模块和被测模块的测试工况更加接近实际运行的工况；本实用新型所提供的测试装置能够同时测试多个子模块，大幅减少了模块的测试时间，降低了测试及人工成本。

Description

一种STATCOM子模块的全功率测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种电力电子装置的结构及控制方法，具体涉及一种STATCOM子模块的全功率测试装置。 

背景技术

相对于传统的TCR型SVC而言，STATCOM具有更快的调节速度，更好的稳定性，因此，STATCOM在风电场，太阳能电站以及钢铁厂的应用越来越广泛，正在逐步的取代TCR型SVC，随着STATCOM市场竞争的加剧和技术的发展，其成本也越来越低，容量也越来越大。在不久的将来，STATCOM将占据配电网无功补偿的主要角色。 

传统的STATCOM子模块的测试方法如图1所示，由调压器，升压变压器，二极管整流电路，被测模块和电抗器构成，这种测试电路的缺点有：1，通过调整被测模块的调制波幅值来调整流过被测模块的电流大小，因此，在测试过程中，被测模块的输出电压一般不等于实际运行时输出的电压；2，通过调整调压器的触头来调整被测模块的直流侧电容电压，由于二极管整流电路在轻载和重载的情况下直流侧输出电压不同，因此，被测模块的直流侧电压不稳定，且不易控制；3，这种测试电路一次只能测试一个子模块，模块测试需要很长时间。 

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种STATCOM子模块的全功率测试装置及控制方法，其发明内容包括STATCOM子模块的全功率测试装置的拓扑结构、控制算法和实验操作步骤。 

本实用新型采用以下方法来实现技术方案。 

1、一种STATCOM子模块的全功率测试装置及控制方法，其特征在于：主回路包括补能电路，主模块，N个被测模块和电抗器（L₂）构成。 

其中主模块的作用是给STATCOM子模块全功率测试装置补充能量以及控制测试回路中的电流大小。 

其中补能电路的直流侧输出接主模块的直流侧。 

主模块的交流侧、N个被测模块的交流侧以及电抗器（L₂）串联连接。 

主模块的交流侧正负极之间接旁路开关（S₂），充电电路的一端接N个被测子模块的中点，另一端接主模块的交流输出。 

补能回路由交流电源、断路器（B₁）、旁路开关（S₁）、限流电阻（R₁）、二极管整流电路和直流滤波电路构成，其中断路器（B₁）的一端接入交流电源，另一端接旁路开关（S₁），旁路开关（S₁）的另一端接二极管整流电路的交流侧，旁路开关（S₁）与限流电阻（R₁）并联连接，二极管的直流侧接直流滤波电路，其中直流滤波电路由电感（L₁）和电容（C）构成，电感（L₁）与电容（C）串联后接二极管整流电路的正负极两端，电容（C）的两端作为补能电路的输出，接入主模块的直流侧。 

充电电路由交流电源、接触器（S₃）、限流电阻（R₂）、旁路开关（S₄）、变压器（T）和隔离开关构成，其中交流电源、接触器（S₃）、限流电阻（R₂）和变压器（T）的一次侧串联连接，构成闭合回路，旁路开关（S₄）与限流电阻（R₂）并联连接；变压器（T）的二次侧接隔离开关的一段，隔离开关的另一端作为充电电路的输出。 

主模块和被测模块由四个带反并联二极管的IGBT（T₁，T₂，T₃，T₄）和电容（C_sm）构成，其中T₁和T₂的发射极接电容（C_sm）的正极，T₃和T₄的集电极接电容（C_sm）的负极，T₁的集电极与T₃的发射极相连，作为STATCOM子模块的正极交流输出，T₂的发射极与T₄的集电极相连，作为STATCOM子模块的负极交流输出。 

所述的一种STATCOM子模块的全功率测试装置及控制方法，其特征在于：参考信号包括两个，一个是幅值为1，频率为50Hz，相位为0的0度正弦波（sin0）；另一个是幅值为1，频率为50Hz，相位为-90°的90度正弦波（sin90）。 

每个被测模块的调制波由三部分相加而得：共模调制波（m_n1），差模调制波（m_n2）和稳压调制波（m_n3）。 

                           （1） 

N个被测模块的共模调制波（m_n1）满足如下关系。

                       （2） 

其中m_n1为第n个被测模块的共模调制波，每个被测模块的共模调制波的幅值和相位都相等，其之和为每个被测模块的共模调制波的N倍。

                       （3） 

第n个被测模块的共模调制波（m_n1）的幅值为Mag_n1，其由Mag_n1与0度正弦波（sin0）相乘而得。

每个被测模块的差模调制波（m_n2）满足如下关系： 

                             （4）

其中m_n2为第n个被测模块的差模调制波，每个被测模块的差模调制波之和为0；

                      （5）

第n个被测模块的差模模调制波（m_n2）的幅值为Mag_n2，其由Mag_n2与0度正弦波（sin0）相乘而得。

每个被测模块的稳压调制波（m_n3）的幅值（Mag_n3）由该被测模块的电容电压反馈控制后得到，其反馈控制算法为： 

              （6）

                      （7）

其中V_{cap_ref}为被测模块的电容电压参考值，V_{cap_n_f}第n个被测模块实时测量电压经过滤波之后的电容电压值，以上二者之差经过比例积分控制后得到该被测模块的稳压调制波的幅值（Mag_n3），第n个被测模块的稳压调制波（m_n3）由该被测模块的稳压调制波的幅值（Mag_n3）与90度正弦波（sin90）相乘而得。

主模块的调制波（m）由0度正弦波（sin0）和其幅值（Mag）相乘而得； 

                       （8）

其中主模块调制波的幅值（Mag）、被测模块的共模调制波的幅值（Mag_n1）、差模调制波的幅值（Mag_n2）、被测模块的电容电压参考值（V_{cap_ref}）在STATCOM子模块全功率测试装置运行过程中可以实时修改。

通过调整主模块调制波的幅值（Mag）和被测模块的共模调制波的幅值（Mag_n1）进而调整流过被测模块的电流大小；通过调整被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2）可以调整被测模块的输出电压，用以模拟STATCOM子模块实际工作时的输出电压，但是改变差模调制波的幅值（Mag_n2）的大小，不会对稳态时流过被测模块的电流大小产生影响。 

主模块和被测模块的调制波与三角波（幅值为1）进行比较后得到主模块和被测模块中各个IGBT的开关信号，其调制算法为基于载波移相的倍频脉冲宽度调制。 

STATCOM子模块的全功率测试装置及控制方法，其特征在于： 

STATCOM子模块的全功率测试装置的初始状态为：补能电路中的断路器（B₁），旁路开关（S₁）；充电电路中的接触器（S₃），旁路开关（S₄），隔离开关均处于断开状态，主模块交流侧旁路开关（S₂）处于闭合状态；主模块中的电容（C_sm），被测模块中的电容（C_sm）以及补能电路中的滤波电容（C）的电压为0。

STATCOM子模块的全功率测试装置的操作步骤如下。 

a．闭合补能电路中的断路器（B₁），交流电源通过限流电阻（R₁），二极管整流电路，直流滤波电路给主模块中的电容充电，等主模块中的电容电压稳定后，闭合旁路开关（S₁）。 

b．闭合充电回路中的隔离开关和接触器（S₃），交流电源通过变压器给被测模块直流侧电容充电，等到被测模块的电容电压稳定后，闭合旁路开关（S₄），等到被测模块直流电容电压重新稳定后，断开隔离开关，接触器（S₃）和旁路开关（S₄），断开主模块交流侧旁路开关（S₂）；此时被测模块的单元控制板带电，并开始工作。 

c．下发主模块的调制波幅值（Mag），然后解闭锁主模块。 

d．下发被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2），共模调制波的幅值（Mag_n1）以及被测模块直流电容参考电压（V_{cap_ref}），然后解闭锁被测模块，此时STATCOM子模块的全功率测试装置开始运行。 

e．调整主模块的调制波幅值（Mag），被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2），共模调制波的幅值（Mag_n1）以及被测模块电容电压参考值（V_{cap_ref}），使被测模块运行于额定电流和额定电压下。 

f．完成规定的测试后，调整调整主模块的调制波的幅值（Mag），被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2），共模调制波的幅值（Mag_n1）以及被测模块电容电压参考值（V_{cap_ref}），使测试回路中的电流降低到最小值，被测模块的输出电压降低到最小值，然后闭锁主模块和被测模块。 

g．等待主模块和被测模块中的电容电压降低到0，将各个开关恢复到初始状态，完成STATCOM子模块的全功率测试。 

与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果如下。 

1，可以同时测试多个STATCOM子模块，大幅提高了模块测试的效率；对于相同数目的STATCOM子模块而言，测试的时间大幅减少，因此，电抗器的损耗也就大幅降低了，测试成本和人工成本也就相应降低了。 

2，补能电路中没有使用调压器和变压器，且充电回路中的变压器容量很小，大约几个千瓦，因此测试装置的成本有所降低。 

3， 本实用新型通过反馈控制的方式来控制被测模块的直流侧电容电压，控制更加灵活，且稳定。 

4，通过调整被测模块的差模调制波的幅值来改变被测模块的输出电压，但是该电压不会对测试回路的稳态电流产生影响，因此，被测模块的输出电压与测试回路中的电流是解耦的，所以，可以通过调整被测模块的差模调制波的幅值来调整被测模块的输出电压，使其工作在实际工况下。 

附图说明

图1：现有的STATCOM模块测试电路结构图。 

图2：本实用新型提供的STATCOM全功率测试装置电路结构图。 

图3：补能电路结构图。 

图4：STATCOM子模块结构图。 

图5：充电电路结构图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的详细说明。 

1、一种STATCOM子模块的全功率测试装置及控制方法，其特征在于：主回路包括补能电路，主模块，N个被测模块和电抗器（L₂）构成。 

其中主模块的作用是给STATCOM子模块全功率测试装置补充能量以及控制测试回路中的电流大小。 

其中补能电路的直流侧输出接主模块的直流侧。 

主模块的交流侧、N个被测模块的交流侧以及电抗器（L₂）串联连接。 

主模块的交流侧正负极之间接旁路开关（S₂），充电电路的一端接N个被测子模块的中点，另一端接主模块的交流输出。 

补能回路由交流电源、断路器（B₁）、旁路开关（S₁）、限流电阻（R₁）、二极管整流电路和直流滤波电路构成，其中断路器（B₁）的一端接入交流电源，另一端接旁路开关（S₁），旁路开关（S₁）的另一端接二极管整流电路的交流侧，旁路开关（S₁）与限流电阻（R₁）并联连接，二极管的直流侧接直流滤波电路，其中直流滤波电路由电感（L₁）和电容（C）构成，电感（L₁）与电容（C）串联后接二极管整流电路的正负极两端，电容（C）的两端作为补能电路的输出，接入主模块的直流侧。 

充电电路由交流电源、接触器（S₃）、限流电阻（R₂）、旁路开关（S₄）、变压器（T）和隔离开关构成，其中交流电源、接触器（S₃）、限流电阻（R₂）和变压器（T）的一次侧串联连接，构成闭合回路，旁路开关（S₄）与限流电阻（R₂）并联连接；变压器（T）的二次侧接隔离开关的一段，隔离开关的另一端作为充电电路的输出。 

主模块和被测模块由四个带反并联二极管的IGBT（T₁，T₂，T₃，T₄）和电容（C_sm）构成，其中T₁和T₂的发射极接电容（C_sm）的正极，T₃和T₄的集电极接电容（C_sm）的负极，T₁的集电极与T₃的发射极相连，作为STATCOM子模块的正极交流输出，T₂的发射极与T₄的集电极相连，作为STATCOM子模块的负极交流输出。 

所述的一种STATCOM子模块的全功率测试装置及控制方法，其特征在于：参考信号包括两个，一个是幅值为1，频率为50Hz，相位为0的0度正弦波（sin0）；另一个是幅值为1，频率为50Hz，相位为-90°的90度正弦波（sin90）。 

每个被测模块的调制波由三部分相加而得：共模调制波（m_n1），差模调制波（m_n2）和稳压调制波（m_n3）。 

                           （1） 

N个被测模块的共模调制波（m_n1）满足如下关系。

                       （2） 

其中m_n1为第n个被测模块的共模调制波，每个被测模块的共模调制波的幅值和相位都相等，其之和为每个被测模块的共模调制波的N倍。

                       （3） 

第n个被测模块的共模调制波（m_n1）的幅值为Mag_n1，其由Mag_n1与0度正弦波（sin0）相乘而得。

每个被测模块的差模调制波（m_n2）满足如下关系： 

                             （4）

其中m_n2为第n个被测模块的差模调制波，每个被测模块的差模调制波之和为0；

                      （5）

第n个被测模块的差模模调制波（m_n2）的幅值为Mag_n2，其由Mag_n2与0度正弦波（sin0）相乘而得。

每个被测模块的稳压调制波（m_n3）的幅值（Mag_n3）由该被测模块的电容电压反馈控制后得到，其反馈控制算法为： 

              （6）

                      （7）

其中V_{cap_ref}为被测模块的电容电压参考值，V_{cap_n_f}第n个被测模块实时测量电压经过滤波之后的电容电压值，以上二者之差经过比例积分控制后得到该被测模块的稳压调制波的幅值（Mag_n3），第n个被测模块的稳压调制波（m_n3）由该被测模块的稳压调制波的幅值（Mag_n3）与90度正弦波（sin90）相乘而得。

主模块的调制波（m）由0度正弦波（sin0）和其幅值（Mag）相乘而得； 

                       （8）

其中主模块调制波的幅值（Mag）、被测模块的共模调制波的幅值（Mag_n1）、差模调制波的幅值（Mag_n2）、被测模块的电容电压参考值（V_{cap_ref}）在STATCOM子模块全功率测试装置运行过程中可以实时修改。

通过调整主模块调制波的幅值（Mag）和被测模块的共模调制波的幅值（Mag_n1）进而调整流过被测模块的电流大小；通过调整被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2）可以调整被测模块的输出电压，用以模拟STATCOM子模块实际工作时的输出电压，但是改变差模调制波的幅值（Mag_n2）的大小，不会对稳态时流过被测模块的电流大小产生影响。 

主模块和被测模块的调制波与三角波（幅值为1）进行比较后得到主模块和被测模块中各个IGBT的开关信号，其调制算法为基于载波移相的倍频脉冲宽度调制。 

STATCOM子模块的全功率测试装置及控制方法，其特征在于： 

STATCOM子模块的全功率测试装置的初始状态为：补能电路中的断路器（B₁），旁路开关（S₁）；充电电路中的接触器（S₃），旁路开关（S₄），隔离开关均处于断开状态，主模块交流侧旁路开关（S₂）处于闭合状态；主模块中的电容（C_sm），被测模块中的电容（C_sm）以及补能电路中的滤波电容（C）的电压为0。

STATCOM子模块的全功率测试装置的操作步骤如下。 

a．闭合补能电路中的断路器（B₁），交流电源通过限流电阻（R₁），二极管整流电路，直流滤波电路给主模块中的电容充电，等主模块中的电容电压稳定后，闭合旁路开关（S₁）。 

b．闭合充电回路中的隔离开关和接触器（S₃），交流电源通过变压器给被测模块直流侧电容充电，等到被测模块的电容电压稳定后，闭合旁路开关（S₄），等到被测模块直流电容电压重新稳定后，断开隔离开关，接触器（S₃）和旁路开关（S₄），断开主模块交流侧旁路开关（S₂）；此时被测模块的单元控制板带电，并开始工作。 

c．下发主模块的调制波幅值（Mag），然后解闭锁主模块。 

d．下发被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2），共模调制波的幅值（Mag_n1）以及被测模块直流电容参考电压（V_{cap_ref}），然后解闭锁被测模块，此时STATCOM子模块的全功率测试装置开始运行。 

e．调整主模块的调制波幅值（Mag），被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2），共模调制波的幅值（Mag_n1）以及被测模块电容电压参考值（V_{cap_ref}），使被测模块运行于额定电流和额定电压下。 

f．完成规定的测试后，调整调整主模块的调制波的幅值（Mag），被测模块的差模调制波的幅值（Mag_n2），共模调制波的幅值（Mag_n1）以及被测模块电容电压参考值（V_{cap_ref}），使测试回路中的电流降低到最小值，被测模块的输出电压降低到最小值，然后闭锁主模块和被测模块。 

g．等待主模块和被测模块中的电容电压降低到0，将各个开关恢复到初始状态，完成STATCOM子模块的全功率测试。 

与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果如下。 

1，可以同时测试多个STATCOM子模块，大幅提高了模块测试的效率；对于相同数目的STATCOM子模块而言，测试的时间大幅减少，因此，电抗器的损耗也就大幅降低了，测试成本和人工成本也就相应降低了。 

2，补能电路中没有使用调压器和变压器，且充电回路中的变压器容量很小，大约几个千瓦，因此测试装置的成本有所降低。 

3， 本实用新型通过反馈控制的方式来控制被测模块的直流侧电容电压，控制更加灵活，且稳定。 

4，通过调整被测模块的差模调制波的幅值来改变被测模块的输出电压，但是该电压不会对测试回路的稳态电流产生影响，因此，被测模块的输出电压与测试回路中的电流是解耦的，所以，可以通过调整被测模块的差模调制波的幅值来调整被测模块的输出电压，使其工作在实际工况下。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (2)

1.一种STATCOM子模块的全功率测试装置，其特征在于：主回路包括补能电路，一个或多个主模块，一个或多个被测模块，电抗器（L₂）和充电电路构成；

其中主模块的作用是给STATCOM子模块全功率测试装置补充能量以及控制测试回路中的电流大小；

其中补能电路的直流侧输出接主模块的直流侧；

主模块的交流侧、被测模块的交流侧以及电抗器（L₂）串联连接；

主模块的交流侧正负极之间接旁路开关（S₂）；

补能回路由交流电源、断路器（B₁）、旁路开关（S₁）、限流电阻（R₁）、二极管整流电路和直流滤波电路构成，其中断路器（B₁）的一端接入交流电源，另一端接旁路开关（S₁），旁路开关（S₁）的另一端接二极管整流电路的交流侧，旁路开关（S₁）与限流电阻（R₁）并联连接，二极管的直流侧接直流滤波电路，其中直流滤波电路由电感（L₁）和电容（C）构成，电感（L₁）与电容（C）串联后接二极管整流电路的正负极两端，电容（C）的两端作为补能电路的输出，接入主模块的直流侧；

充电电路用于给被测模块预充电，使被测模块的控制电路带电工作；

主模块和被测模块的结构相同，均由四个带反并联二极管的IGBT（T₁，T₂，T₃，T₄）和电容（C_sm）构成，其中T₁和T₂的发射极接电容（C_sm）的正极，T₃和T₄的集电极接电容（C_sm）的负极，T₁的集电极与T₃的发射极相连，作为STATCOM子模块的正极交流输出，T₂的发射极与T₄的集电极相连，作为STATCOM子模块的负极交流输出。

2.如权利要求1所述的一种STATCOM子模块的全功率测试装置，其特征在于：充电电路由交流电源、接触器（S₃）、限流电阻（R₂）、旁路开关（S₄）、变压器（T）和隔离开关构成，其中交流电源、接触器（S₃）、限流电阻（R₂）和变压器（T）的一次侧串联连接，构成闭合回路，旁路开关（S₄）与限流电阻（R₂）并联连接；变压器（T）的二次侧接隔离开关的一段，隔离开关的另一端作为充电电路的输出。