CN204989260U - 一种负载电流含直流分量的功率模块通流试验平台 - Google Patents

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余琼
任成林
廖其艳
蔡永梁
徐大勇
时伟
王强
顾威
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Abstract

本实用新型公开了一种负载电流含直流分量的功率模块通流试验平台，用于对柔性直流输电系统功率子模块进行通流试验。试验平台包括输入交流电源、控制开关、调压变压器、升压变压器、整流桥、待测试功率模块、陪测试功率模块、驱动控制器、负载电感、负载电阻、冷却系统。通过调节待测试和陪测试功率模块调制正弦波的直流偏移量、交流幅值、相位及频率，使得负载电感和负载电阻串联而成的负载两端电压差发生变化，从而产生试验所需的直流电流和交流电流负载。本实用新型不仅可以产生幅值和相位都可调的交流负载电流，还可以产生幅值可调的直流负载电流，既兼容现有交流试验平台的基本功能，又适应了柔性直流输电系统功率模块的器件工作周期不对称的特殊工况要求。

Description

一种负载电流含直流分量的功率模块通流试验平台
技术领域
本实用新型属于柔性直流输电系统型式试验及出厂试验技术领域，尤其涉及功率子模块的全负载长期通流出厂试验。
背景技术
电压源型直流输电系统，也被称为柔性直流输电系统，具有换流站有功/无功可以独立控制、不需要庞大的交流滤波器、可以支持电网黑启动、支持给海岛/风电场等弱网供电等优点，是解决中国区域性新能源并网和消纳问题行之有效的方法。目前模块化多电平变流器是实现电压源型直流输电系统的主要方法之一，通过级联多个完全相同的功率子模块(下文简称功率模块)方式搭建变流器的各个桥臂和整个系统。
随着柔性直流输电系统的输出电压和输出功率等级不断提高，需要级联的功率模块数量也越来越大。因此有必要针对功率模块的各项功能及性能指标，开发通用的型式试验或出厂试验平台，以快速检验产品是否满足设计要求、筛选存在缺陷及可靠性隐患的产品。其中，全负载通流试验是功率模块必做的一项出厂试验，确保所有出厂产品都能满足带负载长期稳定运行要求。
电压源型直流输电系统输出有功功率时，桥臂流过的电流不仅含有交流分量，还含有与之对应的直流分量。同样，桥臂上所有级联的功率子模块工作电流也含有相同的直流分量和交流分量，由此导致功率模块中不同半导体器件工作周期不平衡，器件损耗差别很大。目前，功率模块长期通流试验平台输出的负载电流只含交流分量，用于功率模块内部开关器件工作周期完全对称的场合。
为实现功率模块在长期通流试验平台上的负载工况和实际柔性直流输电系统一致，需要一种既能产生可变交流分量，又能产生可变直流分量的功率模块长期通流试验平台。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能够同时产生可变直流分量(幅值)和交流分量(幅值、频率、相位)负载的长期通流试验平台，用于对柔性直流输电系统的功率模块进行出厂测试。
为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种负载电流含直流分量的功率模块通流试验平台，所述的试验平台包括输入交流电源、控制开关、调压变压器、升压变压器、整流桥，所述的输入交流电源、控制开关、调压变压器、升压变压器、整流桥依次相连接，其特征在于，还包括待测试功率模块，陪测试功率模块、功率模块驱动控制器、负载电感、负载电阻、冷却系统，待测试功率模块和陪测试功率模块的母线电容正端(DC+)和负端(DC-)均彼此短接，与整流桥输出端相连接；待测试和陪测试功率模块的输出端分别引出，连接在负载电感和负载电阻串联而成的负载两端；所述的功率模块驱动控制器基于正弦脉宽调制原理，通过调节待测试功率模块和陪测试功率模块调制正弦波的直流偏移量、交流幅值、相位及频率，使得负载电感和负载电阻串联而成的负载两端电压差发生变化，从而产生试验所需的直流电流和交流电流负载；当试验平台工作时，冷却系统用于给待测试和陪测试功率模块散热。
所述的待测试功率模块和陪测试功率模块为柔性直流输电系统的功率子模块，该功率模块包括两个IGBT器件及其反并联续流二极管、母线电容及其放电电阻；其中，两个IGBT器件串联在一起，中间连接端引出为正输出端，母线电容的负极(DC-)为负输出端。
所述的负载电阻为负载电感的寄生电阻，当不满足要求时，再串联一个大功率电阻。
所述的功率模块驱动控制器，对于待测试功率模块和陪测试功率模块而言，分别采用直流分量、交流分量幅值、相位都不同且可调的正弦调制波，作为产生驱动脉冲的基波。
所述的功率模块驱动控制器，同时具有开环和闭环调节正弦调制波直流分量、交流分量幅值、相位及频率的功能；其中，负载电流直流分量的幅值大小通过调节待测试功率模块和陪测试功率模块正弦调制波的直流分量标量差值实现；负载电流交流分量的幅值和相位通过调节待测试功率模块和陪测试功率模块正弦调制波的交流分量矢量差值实现。
功率模块的直流母线支撑电压可通过调压变压器调节至指定值，水冷系统的进水温度和流量也可灵活调节，以适应功率模块不同的现场运行工况。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1)本实用新型不仅可以产生幅值和相位都可调的交流负载电流，还可以产生幅值可调的直流负载电流，既兼容现有交流负载试验平台的基本功能，又适应了柔性直流输电系统功率模块的特殊工况要求；
2)本实用新型能提供的试验负载电流大，母线电压高，可以灵活调节冷却水的进水温度和流量，适用于柔性直流输电系统大功率密度功率子模块的出厂试验。
附图说明
图1为柔性直流输电系统功率子模块原理图。
图2是负载电流含直流分量的功率模块通流试验平台原理图。
图3为功率模块驱动控制器采用的待测试和陪测试功率模块正弦调制波。
图4为产生可调直流电流和交流电流的原理分析图。
图2中，1-输入交流电源2-控制开关3-调压变压器4-升压变压器5-整流桥6-待测试功率模块7-陪测试功率模块8-功率模块驱动控制器9-负载电感10-负载电阻11-冷却系统；
图3中，a-待测试功率模块正弦调制波b-陪测试功率模块正弦调制波。
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作进一步说明。
如图1所示，柔性直流输电系统常用的功率模块由上桥臂IGBTT1及其反并联续流二极管D1、下桥臂IGBTT2及其反并联二极管D2、母线电容C1及其放电电阻R1组成。其中，两个IGBT器件串联在一起，中间连接端引出为正输出端，母线电容的负极(DC-)为负输出端。放电电阻R1并联在母线电容C1两端，用于对其进行放电。
本实用新型的能够同时产生可变直流分量(幅值)和交流分量(幅值、频率、相位)负载的通流试验平台原理框图如图2所示。该试验平台由输入交流电源1、控制开关2、调压变压器3、升压变压器4、整流桥5、两个图1所示的功率模块(其中一个为待测试功率模块6，另一个为陪测试功率模块7)、功率模块驱动控制器8、负载电感9、负载电阻10、冷却系统11组成。其中，输入交流电源1、控制开关2、调压变压器3、升压变压器4、整流桥5依次连接，将输入的交流电源转化为直流电给功率模块的母线电容提供直流电压支撑，电压幅值由可调变压器调节。待测试功率模块6和陪测试功率模块7的母线电容正端(DC+)和负端(DC-)彼此短接，和整流桥5输出相连。待测试和陪测试功率模块的输出端则分别引出，连接在负载电感9和负载电阻10串联而成的负载两端。功率模块驱动控制器8按照功能要求输出脉冲驱动待测试和陪测试功率模块的4个IGBT执行相应的开关动作。当试验平台工作时，冷却系统11用于给待测试功率模块和陪测试功率模块散热。
所述的功率模块驱动控制器8基于正弦脉宽调制原理，待测试功率模块和陪测试模块分别采用直流偏移量、幅值、相位不同而频率相同的两个正弦波作为调制波，波形如图3所示。
本实用新型功率模块通流试验平台的工作过程是：见图2，首先闭合控制开关2，根据交流输入电压1的幅值和升压变压器4的变比，将调压变压器3调节至指定位置，使得整流桥5输出试验所需的额定直流电压，将待测试功率模块6和陪测试功率模块7母线电压充电至该电压。按照实际要求，将冷却系统11的进水温度和流量调节至指定值，试验过程中冷却循环水将待测试和陪测试功率模块产生的热量带走，达到降低器件壳温目的。
采用u＝udc+uac*sin(ωt+α)表示图3所示的正弦调制波，其中udc为直流分量幅值；uac为交流分量幅值；ω为输出频率；α为相位角。对图2的功率模块驱动控制器8进行编程，指定待测试功率模块调制波的udc1，uac1和α1为恒定值，通过闭环控制不断调整陪测试功率模块调制波的udc2，uac2和α2，使得待测试和陪测试功率模块的输出端之间产生电位差，进而在负载电感和负载电阻上产生所需的直流和交流电流。
如图4所示，功率模块通流试验台所产生的负载电流直流分量由udc1和udc2的标量差值及负载电阻大小决定，当负载电阻不变时，差值越大，产生的直流分量也越大。所产生的负载电流交流分量的幅值和相位则由uac1和uac2的差值、α1和α2差值、负载电感的感抗共同决定。由于程序采用闭环控制，可以防止各种干扰对负载电流的幅值及相位产生影响，能够提供稳定的负载电流输出。
当待测试功率模块按照预设的负载电流稳定运行所需时间后，即可停止试验，试验平台掉电后可更换新的待测试功率模块继续进行试验。

Claims (2)

1.一种负载电流含直流分量的功率模块通流试验平台，所述的试验平台包括输入交流电源、控制开关、调压变压器、升压变压器、整流桥，所述的输入交流电源、控制开关、调压变压器、升压变压器、整流桥依次相连接，其特征在于，还包括待测试功率模块，陪测试功率模块、功率模块驱动控制器、负载电感、负载电阻、冷却系统，待测试功率模块和陪测试功率模块的母线电容正端和负端均彼此短接，与整流桥输出端相连接；待测试和陪测试功率模块的输出端分别引出，连接在负载电感和负载电阻串联而成的负载两端；所述的功率模块驱动控制器基于正弦脉宽调制原理，通过调节待测试功率模块和陪测试功率模块调制正弦波的直流偏移量、交流幅值、相位及频率，使得负载电感和负载电阻串联而成的负载两端电压差发生变化，产生试验所需的直流电流和交流电流负载；所述冷却系统用于给待测试和陪测试功率模块散热。
2.根据权利要求1所述的一种负载电流含直流分量的功率模块通流试验平台，其特征在于，所述的待测试功率模块和陪测试功率模块包括两个IGBT器件及其反并联续流二极管、母线电容及其放电电阻；其中，两个IGBT器件串联在一起，中间连接端引出为正输出端，母线电容的负极为负输出端。
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