WO2018214347A1 - 一种电力电子型电抗器性能测试装置 - Google Patents

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夏武
夏文
宋玉锋
孟领刚
沈卫峰
王宗臣
王新明
冯国伟
钱培泉
顾勇
李晓菊
邱素素
王春生
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere

Abstract

一种电力电子型电抗器性能测试装置，包括顺次相接的软启动模块（1）、LCL滤波模块（2）、整流模块（3）、储能模块（4）、逆变模块（5）、测量模块（6）以及控制单元模块（7），软启动模块（1）的输入端与外部电源连接，逆变模块（5）输出端与被测电抗器（9）连接，测量模块（6）、软启动模块（1）及逆变模块（5）分别与控制单元模块（7）连接，由测量模块（6）向控制单元模块（7）反馈传感器信息，控制单元模块（7）控制软启动模块（1）和驱动逆变模块（5）。电力电子型电抗器性能测试装置可模拟不同工况，并完成对电抗器的温升测试，各测试模式之间可带负荷切换，无需停机，保障了测试工作的连贯性，节省时间，提高了工作效率，具有操作方便，功损耗小，节省电能，可联机后台，可实时传输测试数据的优点。

Description

一种电力电子型电抗器性能测试装置 技术领域
本发明属于无功补偿设备测试技术领域，主要涉及一种电力电子型电抗器性能测试装置。
背景技术
串联电抗器作为智能抑制谐波型无功补偿模块的重要组成部分，其电气特性直接影响着无功补偿设备的稳定运行。根据标准GBT1094.6-2011和JB54346-1998的要求，电抗器出厂前与设计核实验证阶段需要进行阻抗测试、温升测试、过载能力测试、带谐波1.2倍额定电流测试等，通过以上测试判断所述电抗器是否满足设计指标。
现有技术中对电抗器测试时，大多数采用调压器加一个升流器的方式进行电抗额定电流和电抗率的测试，最主要的测试项目为电感量测试，也就是用伏安法测试电流和电压，通过不同仪器仪表的组合连接完成，需要使用三相调压器、电压表、电流表等进行测试，这种测试平台只能在工频下进行电抗器的额定电流的测试，电压和电流需要统计出来，并进行相关后期数据处理得到电抗值。对于电抗器的损耗测试，需要使用专用的电能质量测试仪表进行测试，并且无法模拟实际现场运行时的带谐波时电抗器损耗测试。温升测试，需要额外使用温度测试仪表，进行温度测试。因此相关测试的连贯性差，效率低。针对现场谐波较大的场合，所使用的抑制谐波型无功补偿模块要求其能够承受一定的谐波能力，电抗器相关标准要求串联电抗器要求能够承受35％以内的谐波电流，并能长期稳定运行，满足电抗器温升要求。现有技术均是在工频下的测试，无法真正模拟现场实际情况，无法做到电抗器的出厂满负载带谐波测试。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提出了一种电力电子型电抗器性能测试装置，以克服现有电抗器测试繁琐以及无法进行模拟现场带谐波情况下温升和损耗测试的缺点。
本发明提供的技术方案为：
一种电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于，包括软启动模块、LCL滤波模块、整流模块、储能模块、逆变模块、测量模块和控制单元模块；
所述软启动模块、LCL滤波模块、整流模块、储能模块、逆变模块顺次连接，软启动模块的输入端与外部电源连接，逆变模块输出端与被测电抗器连接，所述测量模块、软启动模块及逆变模块分别与控制单元模块连接，由测量模块向控制单元模块反馈传感器信号，控制单元模块控制软启动模块和驱动逆变模块；所述测量模块包括信号处理单元和分别与信号处 理单元连接的外部电源电压与电流传感器、储能单元输出电压传感器、逆变模块输出电压与电流传感器以及监测被测电抗器温度的多路温度传感器。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
所述的软启动模块包括设置在各相线上的软启动单元，所述软启动单元包括软启动微型开关(Ka1、Kb1、Kc1)、软启动电阻(Ras、Rbs、Rcs)和功率可控开关(Ka2、Kb2、Kc2)；所述软启动微型开关与软启动电阻串联后，功率可控开关并接在软启动微型开关和软启动电阻串联电路的两端。软启动微型开关和软启动电阻串联在一起，在测试前，给整流模块后侧的储能模块进行预充电，降低整流模块充电对电网的冲击，功率可控开关闭合，则软启动开关断开。
所述软启动微型开关(Ka1、Kb1、Kc1)为额定电流低于10A的接触器或继电器，外部电源为单相时为单相接触器或一个继电器，三相时为三相继电器或三个接触器。所述软启动电阻(Ras、Rbs、Rcs)为铝壳功率电阻、玻璃釉功率电阻或者金属膜功率电阻，所述功率可控开关(Ka2、Kb2、Kc2)用于正常测试时给整流模块后侧的储能模块供电，需采用大功率的继电器、磁保持继电器、接触器或带电动操作机构的塑壳断路器等。
所述LCL滤波模块包括设置在各相线上的LCL滤波单元，所述LCL滤波单元包括网侧电感(Lsa、Lsb、Lsc)、滤波电容(Cda、Cdb、Cdc)、阻尼电阻(Rda、Rdb、Rdc)以及整流侧电感(Lra、Lrb、Lrc)，所述网侧电感与软启动模块的输出端连接，整流侧电感与整流模块的输入端连接；所示网侧电感与整流侧电感串联，滤波电容的一端连接在网侧电感与整流侧电感之间的电路上，滤波电容另一端与阻尼电阻的一端连接，所述阻尼电阻的另一端接入外部电源的零线N。
所述整流模块用于将外部电源供应的交流电变换为直流电，直流电可以调节，也可以不进行调节，整流模块可为单相全桥、单相半桥或三相桥式。
作为优选方案：
所述整流模块输出的直流电压设为不可调节时：
若所述外部电源为单相交流电或两相电，则整流模块采用四个二极管组成的单相桥式不可控整流电路；
若所述外部电源为三相交流电，所述整流模块则采用六个二极管组成的三相桥式不可控整流电路。
所述整流模块输出的直流电压设为可调节时：
当所述外部电源为单相交流电时或两相电，所述整流模块为采用四个IGBT或MOSFET (V1～V4)组成的单相桥式可控整流电路，或者由单相桥式不可控整流电路和PFC电路组成，该单相桥式不可控整流电路由四个二极管(D11～D14)构成，所述PFC电路接在该单相桥式不可控整流电路的输出端，由一个电感、一个IGBT或MOSFET和一个二极管构成；
所述外部电源为三相交流电时，所述整流模块为采用六个IGBT或MOSFET(V1～V6)组成单相桥式可控整流电路，VIENNA整流桥电路，或者由三相桥式不可控整流电路和双通道交错PFC电路组成，该三相桥式不可控整流电路由六个二极管(D11～D16)构成，所述双通道交错PFC连接在该三相桥式不可控整流电路的输出端，由两个电感、两个IGBT或MOSFET和两个二极管构成。
当整流模块输出的直流电压为可调节时，整流模块与控制单元模块连接，由控制单元模块驱动。
所述储能模块包括至少一个直流电解电容Cz、至少一个无极电容Cb和一个放电电阻R，所述直流电解电容Cz、小容量无极电容Cb和放电电阻R均为并联。储能模块为后侧逆变模块提供直流支持，小容量无极电容的存在，一方面作为可控功率器件开关尖峰吸收器件，另一方面增强直流侧的耐电流纹波的能力。
当被测电抗器为单相电抗时，所述的逆变模块为四个全控型器件(V11～V14)组成的逆变桥电路；当被测电抗器为三相电抗时，所述的逆变模块(5)为采用六个全控型器件(V11～V16)组成的逆变桥电路。
所述控制单元模块通过改变调制波的频率和幅值，调整所述整流模块、逆变模块的可控功率器件的占空比，使逆变模块输出可变频率、可变幅值的交流电，模拟不同工况。所述控制单元模块采集各个工况下被测电抗器两端的电压、电流，通过基波提取或某次谐波提取算法计算出被测电抗器在基波或某次谐波下的电感量，通过电流和电压计算被测电抗器的损耗；通过分时复用的方式循环检测并记录多路温度测量点的实时温度。
在使用本发明测试装置对电抗器进行测试时，可直接控制逆变模块调制信号的频率和调制度改变电抗两端的电压实现电抗器的测量，恒压模式以输出电压为给定参考量，恒流模式是对实时检测给定电流和电抗检测电流进行闭环控制，测试电流可控，便于测试装置和被测电抗的过流保护。
有益效果：
本发明电力电子型电抗器性能测试装置可模拟不同工况，提供多种测试模式，并完成对电抗器的温升测试，各测试模式之间可带负荷切换，无需停机，保障了测试工作的连贯性，节省时间，显著提高了工作效率，且本发明测试装置操作方便，具有功损耗小，节省电能， 可联机后台，实时传输测试数据的优点。
附图说明
图1为电力电子型电抗器性能测试系统框图；
图2软启动模块电路图；
图3LCL滤波模块电路图；
图4整流模块电路拓扑图一；
图5整流模块电路拓扑图二；
图6整流模块电路拓扑图三；
图7储能模块电路图；
图8逆变模块电路拓扑图；
图9测量模块结构框图；
图10控制单元模块结构框图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的介绍。
如图1所示的一种电力电子型电抗器性能测试装置，包括软启动模块1、LCL滤波模块2、整流模块3、储能模块4、逆变模块5、测量模块6和控制单元模块7等组成部分。所述软启动模块1、LCL滤波模块2、整流模块3、储能模块4和逆变模块5顺次相连，软启动模块1的输入端与外部电源连接，逆变模块5输出端与被测电抗器9连接。软启动模块1、逆变模块5、测量模块6分别与控制单元模块7连接，控制单元模块7接收测量模块6传输的传感器信号，控制和驱动软启动模块1与逆变模块5，当整流模块3设为直流电压可调时，控制单元模块7也与整流模块3连接，控制和驱动整流模块3。所述外部电源8为交流电。
如图2所示，软启动模块1包括分别设置在A、B、C三相线上的三个软启动单元，所述软启动单元包括软启动微型开关(Ka1/Kb1/Kc1)、软启动电阻(Ras/Rbs/Rcs)和功率可控开关(Ka2/Kb2/Kc2)，所述软启动微型开关与软启动电阻串联后，功率可控开关并接在软启动微型开关和软启动电阻串联电路的两端。测试时，根据外部电源的类型，控制单元模块7控制软启动模块1内相应开关件的通断，启动对应的软启动单元。当外部电源8为单相交流电时，只启动设置在A相线上的软启动单元，即虚线框外Ka1、Ras与Ka2构成的A组部分；当外部电源8为两相电时，启动设置在A相线和B相线上的软启动单元；外部电源8为三相交流电时，则同时启动设置在A、B、C相线上的软启动单元。
所述软启动微型开关Ka1、Kb1、Kc1采用额定电流低于10A的小功率接触器或继电器；所述软启动电阻Ras、Rbs、Rcs优选采用铝壳功率电阻、玻璃釉功率电阻或者金属膜功率电阻；所述功率可控开关Ka2、Kb2、Kc2为大功率继电器、磁保持继电器、接触器或带电动操作机构的塑壳断路器。
如图3所示，LCL滤波模块3同样包括分别设置在三相线上的三个LCL滤波单元。所述LCL滤波单元由网侧电感(Lsa、Lsb、Lsc)、滤波电容(Cda、Cdb、Cdc)、阻尼电阻(Rda、Rdb、Rdc)和整流侧电感(Lra、Lrb、Lrc)组成，所述网侧电感Lsa、Lsb、Lsc分别与软启动模块的输出端A1、B1、C1连接，整流侧电感Lra、Lrb、Lrc则分别与整流模块3的输入端A’、B’、C’连接。以设置在A相线上的滤波单元为例，网侧电感Lsa与整流侧电感Lra串联，滤波电容Cda的一端连接在网侧电感Lsa与整流侧电感Lra之间的电路上，滤波电容Cda另一端与阻尼电阻Rda的一端连接，所述阻尼电阻Rda的另一端则接入外部电源8的零线。设置在另外两相线上的滤波单元与A相线滤波单元采用相同的架构，如图3所示。
所述整流模块3，用于将外部电源供应的交流电变换为直流电，其输出的直流电压可以调节，也可以不进行调节。
当整流模块3输出的直流电压设为不可调节时：若外部电源8为单相交流电或两相电，整流模块3可采用四个二极管(D1～D4)组成单相桥式不可控整流电路，所述单相桥式不可控整流电路的两输入端分别接在A相线和零线N上(即整流模块的输入电压为单相电压)，或接在A相线和B相线上(即整流模块的输入电压为线电压)；若外部电源8为三相交流电，整流模块3可采用六个二极管(D1～D6)组成三相桥式不可控整流电路，所述三相桥式不可控整流电路的三个输入端分别接在连接滤波模块三个输入端的三路相线上，如图4所示。
当整流模块3的输出直流电压设为可调节时：
(1)若外部电源8为单相交流电或两相电，整流模块3可采用四个IGBT或MOSFET(V1～V4)组成的单相桥式可控整流电路，如图6所示；或者，如图5所示，整流模块3由单相桥式不可控整流电路和一级PFC电路组成，该单相桥式不可控整流电路由四个二极管(D11～D14)构成，所述PFC电路接在四个二极管(D11～D14)构成的单相桥式不可控整流电路的输出端，所述PFC电路包括一个电感L1和一个IGBT或MOSFET开关管Q1和一个二极管D17，电感L1和二极管D17串接在整流模块的正极输出线上，开关管Q1的一端连接在电感L1和二极管D17之间，另一端与整流模块的负极输出线连接。
外部电源8为单相电时，整流模块3的两输入端接在A相线和零线N上。外部电源8为两相电时，整流模块3两输入端分别接在A相线和B相线上。
(2)若所述外部电源8为三相交流电，则整流模块3可采用六个IGBT或MOSFET(V1～V6)组成三相桥式可控整流电路，如图6所示；或者，采用VIENNA整流桥电路；或者，如图5所示，整流模块3由三相桥式不可控整流电路和一级双通道交错PFC电路组成，该三相桥式不可控整流电路由六个二极管(D11～D16)构成，该PFC变换器连接在六个二极管(D11～D14)构成的三相桥式不可控整流电路的输出端，由两个电感(L1和L2)、两个IGBT或MOSFET开关管(Q1和Q2)和两个二极管(D17和D18)构成，其中，电感L1和二极管D17串接在整流模块3的正极输出线上，电感L2和二极管D18串联后并接在电感L1和二极管D17的两端，开关管Q1的一端连接在电感L1和二极管D17之间，另一端与整流模块3的负极输出线连接，开关管Q2的一端连接在电感L2和二极管D18之间，另一端与整流模块3的负极输出线连接。
所述储能模块4与整流模块3的直流输出端连接，包括并接在储能模块直流母线上的至少一个直流电解电容Cz、至少一个无极电容Cb和一个放电电阻R，如图7所示。
所述的逆变模块5由六个全控型器件IGBT或MOSFET(V11～V16)组成逆变全桥，如图8所示，逆变全桥的直流电压输入端Vdc+、Vdc-连接储能模块的直流母线，当被测电抗器为单相电抗Lc1时，将电抗器两端接入逆变模块5的输出端U、V；当被测电抗器为三相电抗lc3时，将被测电抗器的三个输入端分别与逆变模块5的输出端U、V、W相连，电抗器的三个输出端并接。
所述逆变模块5采用三相桥式的全控型拓扑结构，进行单相或三相电抗器的测试时，通过人机接口或上位机设置被测电抗为三相电抗还是单相电抗，控制单元模块自动根据设置电抗种类改变控制策略和驱动输出方式，从而使得同一套测试装置既可以测试单相电抗也可以测试三相电抗。
逆变模块5通过控制单元模块7改变调制波的频率和幅值，间接调整可控功率器件的占空比将直流电变换为可变频率、变幅值的交流电，用于电抗器的电抗值、过载能力、谐波情况下损耗以及温升测试。通过人机接口可以将测试装置设置成工频恒压模式、工频恒流模式、工频叠加谐波恒压或工频叠加谐波恒流模式进行电抗器的测试。
所述测量模块6如图9所示，包括信息处理单元11和分别与信息处理单元11连接的电信号传感器与监测电抗器温度的多路温度传感器15，所述电信号传感器包括监测外部电源输入电流的电流传感器13、监测外部电源电压的电压传感器14、监测储能模块输出直流电的电压传感器12、监测逆变模块输出电压的电压传感器16和输出电流的电流传感器17等等。所述多路温度传感器15包括监测环境温度的传感器、监测被测电抗器铁芯温度和绕组温度的传感器，被测电抗器为三相电抗时，三个绕组的温度需要分别测量。
当整流模块3输出电压可调节时，检测整流模块3输入电压和输入电流以及直流侧输出端的电压电流值，进行直流侧闭环控制，维持整流模块3直流侧稳定在设定值。逆变部分需要检测逆变直流侧电压、电抗器两端的电压及电流值，通过人机接口设置测试装置测试模式，并设置工频电压幅值、工频电流幅值、谐波电流占比或谐波电压占比进行不同工况下的电抗测试。电压传感器为霍尔电压传感器或线性光耦传感器，温度传感器可以是红外测温模块、热电偶或热敏电阻等，测量电抗器的不同点温升情况。
所述的控制单元模块7，如图10所示。包括主控芯片21、液晶和按键或触摸屏式的人机接口22、与信号处理单元连接的数据接口23、软启动操作控制接口24、全控型器件驱动控制接口25、外部存储单元26以及后台联机通信接口27等。后台联机通信接口27为232、485、GPRS、网络模块或无线模块等。控制单元模块7采集各个工况下的被测电抗器两端的电压、电流，通过基波提取或某次谐波提取算法计算出电抗在基波或某次谐波下的电感量；通过电流和电压计算电抗器的损耗；通过分时复用的方式循环检测多路温度测量点的实时温度，并记录下来；通过后台联机接口连接上位机，传输测试数据、生成测试报表。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (8)

  1. 一种电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于，包括软启动模块(1)、LCL滤波模块(2)、整流模块(3)、储能模块(4)、逆变模块(5)、测量模块(6)和控制单元模块(7)；
    所述软启动模块(1)、LCL滤波模块(2)、整流模块(3)、储能模块(4)和逆变模块(5)顺次连接，软启动模块(1)的输入端与外部电源连接，逆变模块(5)输出端与被测电抗器(9)连接，所述测量模块(6)、软启动模块(1)及逆变模块(5)分别与控制单元模块(7)连接，由测量模块(6)向控制单元模块(7)反馈传感器信号，控制单元模块(7)控制软启动模块(1)和驱动逆变模块(5)；
    所述测量模块(6)包括信号处理单元(11)和分别与信号处理单元连接的外部电源电压和电流传感器、储能模块输出电压传感器、逆变模块输出电压与电流传感器以及多路温度传感器，所述多路温度传感器包括监测环境温度的传感器、监测被测电抗器铁芯和绕组温度的传感器。
  2. 根据权利要求1所述的电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于：
    所述的软启动模块(1)包括设置在各相线上的软启动单元，所述软启动单元包括软启动微型开关(Ka1、Kb1、Kc1)、软启动电阻(Ras、Rbs、Rcs)和功率可控开关(Ka2、Kb2、Kc2)；所述软启动微型开关与软启动电阻串联后，功率可控开关并接在软启动微型开关和软启动电阻串联电路的两端。
  3. 根据权利要求2所述的电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于：
    所述软启动微型开关(Ka1、Kb1、Kc1)为额定电流低于10A的接触器或继电器；所述软启动电阻(Ras、Rbs、Rcs)为铝壳功率电阻、玻璃釉功率电阻或者金属膜功率电阻，所述功率可控开关(Ka2、Kb2、Kc2)为继电器、磁保持继电器、接触器或带电动操作机构的塑壳断路器。
  4. 根据权利要求1所述的电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于：
    所述LCL滤波模块(2)包括设置在各相线上的LCL滤波单元，所述LCL滤波单元包括网侧电感(Lsa、Lsb、Lsc)、滤波电容(Cda、Cdb、Cdc)、阻尼电阻(Rda、Rdb、Rdc)以及整流侧电感(Lra、Lrb、Lrc)，所述网侧电感与软启动模块的输出端连接，整流侧电感与整流模块的输入端连接；
    所述网侧电感与整流侧电感串联，滤波电容的一端连接在网侧电感与整流侧电感之间的电路上，滤波电容另一端与阻尼电阻的一端连接，所述阻尼电阻的另一端接入外部电源(8)的零线N。
  5. 根据权利要求1所述的电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于，
    所述整流模块(3)输出的直流电压设为不可调节时：
    若所述外部电源(8)为单相交流电或两相电时，整流模块(3)为采用四个二极管组成的单相桥式不可控整流电路；
    若所述外部电源(8)为三相交流电，所述整流模块(3)为采用六个二极管组成的三相桥式不可控整流电路；
  6. 根据权利要求1所述的电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于，
    所述整流模块(3)输出的直流电压设为可调节时，整流模块与控制单元模块(7)连接，通过控制单元模块(7)控制驱动；
    若所述外部电源(8)为单相交流电或两相电，所述整流模块(3)为采用四个IGBT或MOSFET(V1～V4)组成的单相桥式可控整流电路，或者由单相桥式不可控整流电路加PFC电路组成，该单相桥式不可控整流电路由四个二极管(D11～D14)构成，所述PFC电路接在该单相桥式不可控整流电路的输出端，由一个电感、一个IGBT或MOSFET和一个二极管构成；
    若所述外部电源(8)为三相交流电，所述整流模块(3)为采用六个IGBT或MOSFET(V1～V6)组成三相桥式可控整流电路，VIENNA整流桥电路，或者由三相桥式不可控整流电路和双通道交错PFC电路组成，该三相桥式不可控整流电路由六个二极管(D11～D16)构成，所述双通道交错PFC电路连接在该三相桥式不可控整流电路的输出端，由两个电感、两个IGBT或MOSFET和两个二极管构成。
  7. 根据权利要求1所述的电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于：
    所述储能模块(4)包括至少一个直流电解电容Cz、至少一个无极电容Cb和一个放电电阻R，所述直流电解电容Cz、小容量无极电容Cb和放电电阻R均为并联。
  8. 根据权利要求1所述的电力电子型电抗器性能测试装置，其特征在于：
    当被测电抗器为单相电抗时，所述的逆变模块(5)为四个全控型器件(V11～V14)组成的逆变桥电路；
    当被测电抗器为三相电抗时，所述的逆变模块(5)为采用六个全控型器件(V11～V16)组成的逆变桥电路。
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