一种电力电子变压器运行系统及控制方法与流程

1.本发属于电力电子应用运行试验技术领域，尤其涉及一种电力电子变压器运行系统及控制方法。


背景技术：

2.电力电子变压器已应用于交直流混合配电网、新能源发电、机车牵引等领域，相对于传统的工频变压器而言，由于采用了高频电力电子技术，变压器的重量和体积都大大减小，同时可以实现更灵活的电压变换和能量传输功能。
3.由于采用传统测试系统和方法对电力电子变压器进行全功率测试时，不仅需要大容量的供电电源提供功率，还需要配置大容量的直流负载，导致运行系统成本较高且电能严重浪费，同时对电力电子变压器的运行试验需要同时满足几个测试目的，包含直流电压输出精度、带负载能力以及动态响应特性等，此外现有的运行试验系统以及控制方法在实现上述目的时还存在系统架构较复杂，试验效率较低的缺陷，因此测试系统和方法有必要加以改进。


技术实现要素：

4.发明目的：为解决现有技术中存在效率低、结构复杂、成本高等问题，本发明提供一种电力电子变压器运行系统及控制方法。
5.技术方案：本发明提供一种电力电子变压器运行系统，该系统包括：第一电力电子变压器、第二电力电子变压器、交流侧接口电路和直流侧接口电路；所述第一电力电子变压器包括：第一电网侧变换器和第一隔离型直流变换器；所述第二电力电子变压器包括：第二电网侧变换器和第二隔离型直流变换器；所述交流侧接口电路包括两个输出端口和一个输入端口，直流侧接口电路包括第一、二输出端口；
6.所述交流侧接口电路的输入端口连接电网，两个输出端口中，其中一个连接第一电网侧变换器的交流输入端，另外一个连接第二电网侧变换器的交流输入端；第一、二电网侧变换器的直流输出端分别与第一、二隔离型直流变换器的直流输入端连接；第一、二隔离型直流变换器的直流输出端分别连接直流侧接口电路的第一、二输出端口。
7.进一步的，所述交流侧接口电路的两个输出端口之间通过导线或两个串联的电抗器或三相绕组变压器连接；当两个输出端口之间通过导线或两个串联的电抗器或三相绕组变压器连接时，将导线的中点或两个电抗器相互连接处或三相绕组变压器的输入端作为交流侧接口电路的输入端口；或者交流侧接口电路的两个输出端口的其中一个端口连接一个双绕组变压器的输出端，另外一个输出端口连接另外一个双绕组变压器的输出端，该两个双绕组变压器的输入端并联后作为交流侧接口电路的输入端。
8.进一步的，所述交流侧接口电路为单相交流侧接口电路或三相交流侧接口电路。
9.进一步的，所述直流侧接口电路的两个输出端口之间通过导线或开关或开关与限流电阻串并联后构成的电路连接，当两个输出端口之间采用开关与限流电阻串并联后构成
的电路连接时，限流电阻不能串联在直流侧接口电路的主回路中。
10.一种电力电子变压器运行系统的控制方法,该方法具体包括如下步骤：
11.步骤1：将第一电力电子变压器和第二电力电子变压器其中一个作为被测对象，另外一个作为模拟负载；启动被测对象，使得被测对象通过交流侧接口电路连接至交流电网，并使得被测对象的电网侧变换器的直流输出侧电压达到第一设定值，隔离型直流变换器的直流输出侧电压达到第二设定值；
12.步骤2:启动模拟负载，使得模拟负载通过交流侧接口电路连接至交流电网，并使得模拟负载的电网侧变换器的直流输出侧电压达到第三设定值，隔离型直流变换器的直流输出侧电压跟踪被测对象的隔离型直流变换器的直流输出侧电压；
13.步骤3：将被测对象的隔离型变换器的直流输出侧和模拟负载的隔离型变换器的直流输出侧通过直流侧接口电路进行并联，然后控制模拟负载的隔离型变换器的直流输出侧电流为0；
14.步骤4：设置模拟负载的功率指令值，且不超过被测对象的容量，并使得模拟负载的隔离型直流变换器的直流输出侧的功率跟踪设置的功率指令值；
15.步骤5：对被测对象进行运行试验，包括直流稳定性测试、热稳定性测试、最大运行能力测试、动态响应特性测试。
16.进一步的，所述直流稳定性测试，具体为：执行步骤4，调整模拟负载的功率指令值，从而通过控制模拟负载的隔离型直流变换器的直流输出侧的功率，使得被测对象处于不同功率下的工作状态，检测不同功率时被测对象的隔离型直流变换器的直流输出侧电压，并计算不同功率指令值时被测对象的隔离型直流变换器的直流输出侧电压与第二设定值之间的幅值差，若幅值差大于等于第二设定值的5％，则认定该被测对象不符合稳定性要求；
17.热稳定性测试，具体为：执行步骤4，调整模拟负载的功率指令值，从而通过控制模拟负载的隔离型直流变换器的直流输出侧的功率，使得被测对象在设定时间内处于额定功率工作，待设定的时间结束后，通过被测对象各组成部件的温度和损坏情况，来判断被测对象是否满足热稳定性的要求；
18.最大运行能力测试，具体为：执行步骤4，调整模拟负载的功率指令值，从而通过控制模拟负载的隔离型直流变换器的直流输出侧的功率，使得被测对象在设定的时间内以最大的功率工作，待设定的时间结束后，通过被测对象各组成部件的温度和损坏情况，来判断被测对象是否满足最大运行能力的要求；
19.动态响应特性测试，具体为：执行步骤4，调整模拟负载的功率指令值，从而通过控制调整模拟负载的隔离型直流变换器的直流输出侧的功率，模拟被测对象的功率突变，通过功率突变时被测对象的隔离型直流变换器的直流侧电压的变化幅值以及恢复至设定值的时间，来判断被测对象是否满足动态响应特性的要求。
20.有益效果：
21.(1)本发明利用两台电力电子变压器，通过不同的功能分配，一台控制为电力电子变压器，一台控制为模拟负载，以及不同的控制方法实现了整个运行系统的功能，设备利用率高；
22.(2)本发明的两台电力电子变压器在硬件结构上完全相同，更换两电力电子变压
器的控制指令后即可以达到相互测试的目的，提高测试效率；
23.(3)本发明通过调整对模拟负载的控制目标，可以实现各种负荷工况的模拟，以及负荷的突变等，试验功能较齐全；
24.(4)本发明通过两台电力电子变压器的能量回馈，降低了对供电电源容量的要求，也不需要配置大容量的直流负载，从而最大程度地减少了运行试验系统的投资以及运行试验过程中的能量消耗。
附图说明
25.图1是本发明运行系统实施例1的整体结构原理示意图；
26.图2是三相交流侧接口电路的示意图，(a)为三相交流侧接口电路的两个输出端口之间通过导线连接的示意图；(b)为三相交流侧接口电路的两个输出端口之间通过两个电抗器连接的示意图；(c)为三相交流侧接口电路的两个输出端口之间通过三相绕组连接的示意图；(d)为三相交流侧接口电路的两个输出端口与两个双向相绕组连接的示意图；
27.图3是直流侧接口电路的示意图，(a)为两个输出端口之间直接通过导线连接的示意图；(b)为两个输出端口之间通过开关连接的示意图；(c)为两个输出端口之间通过开关和限流电阻并联后组成的电路相互连接的示意图；(d)为两个输出端口之间通过开关和限流电阻并联后再串联开关组成的电路相互连接的示意图；(e)为两个输出端口之间通过开关和限流电阻串联后再并联开关组成的电路相互连接的示意图；
28.图4是本发明运行系统实施例2的整体结构原理示意图；
29.图5是单相交流侧接口电路的示意图，(a)为单相交流侧接口电路的两个输出端口之间通过导线连接的示意图；(b)为单相交流侧接口电路的两个输出端口之间通过两个电抗器连接的示意图；(c)为单相交流侧接口电路的两个输出端口之间通过三相绕组连接的示意图；(d)为单相交流侧接口电路的两个输出端口与两个双向相绕组连接的示意图。
具体实施方式
30.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.实施例1
32.如图1所示，本发明的三相电力电子变压器运行系统，包括第一电力电子变压器s1、第二电力电子变压器s2、交流侧接口电路和直流侧接口电路，其中第一电力电子变压器s1作为被测对象，第二电力电子变压器s2作为模拟负载。
33.第一电力电子变压器s1和第二电力电子变压器s2分别包括电网侧变换器和隔离型直流变换器；两电力电子变压器的电网侧变换器的交流侧分别连接交流侧接口电路，电网侧变换器的直流侧分别连接隔离型直流变换器的直流输入侧；两电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧分别连接直流侧接口电路。
34.交流侧接口电路包括输入端口in、第一输出端口out1和第二输出端口out2，输入端口in连接电网，两输出端口分别连接两电力电子变压器的交流侧。
35.直流侧接口电路包括第一输出端口p1和第二输出端口p2，分别连接两电力电子变压器的直流输出侧。
36.实施例1中的交流侧接口电路的接口形式如图2所示，如图2中(a)所示：将输入端口in、第一输出端口out1和第二输出端口out2直接连接；如图2中(b)所示：将输入端口in与第一输出端口out1通过第一电抗器l1进行连接，输入端口in与第二输出端口out2之间通过第二电抗器l2进行连接；如图2中(c)所示：输入端口in与一个三绕组变压器t1的原边绕组进行连接，第一输出端口out1和第二输出端口out2分别与三绕组变压器t1的副边绕组进行连接；如图2中(d)所示：输入端口in与两个双绕组变压器t1和t2的原边绕组进行连接，第一输出端口out1和第二输出端口out2分别与两个双绕组变压器t1和t2的副边绕组进行连接。
37.实施例1中的直流侧接口电路的接口形式如图3所示，如图3中(a)所示：将第一端口p1和第二端口p2直接连接；如图3中(b)所示：第一端口p1和第二端口p2通过开关km进行连接；如图3中(c)、(d)、(e)所示：第一端口p1和第二端口p2通过开关km和限流电阻r的组合进行连接；开关和限流电阻的组合方式不限于图中的组合方式，但当采用开关和限流电阻的组合方式时，限流电阻不得串联在直流侧接口电路的主回路中；图3中(c)，直流侧接口电路中开关存在的电路为主回路；图3中(d)，两个开关串联的电路为直流侧接口电路的主回路，图3中(e)，开关km1存在的电路为直流侧接口电路的主回路。
38.实施例2
39.如图4所示，本实施例为单相电力电子变压器运行系统，将实施例1中的三相交流侧接口电路替换为单相交流侧接口电路；具体的单相交流侧接口电路如图5中的(a)、(b)、(c)、(d)所示。
40.实施例1和实施例2的电力电子变压器运行系统中的两个电力电子变压器的角色可相互调换，从而实现对两电力电子变压器的分别运行试验，可利用两台现有的电力电子变压器，交流侧直接连接或增加两台电抗器或增加一台三绕组变压器或增加两台双绕组变压器连接至电网，直流侧直接连接或增加开关或开关和电阻的组合相互连接，结合控制方法的调整，即可实现分别运行试验的功能。
41.实施例1或实施例2中，以第一电力电子变压器s1作为被测对象，第二电力电子变压器s2作为模拟负载，电力电子变压器运行系统的控制方法，包括步骤：
42.(1)启动作为被测对象的第一电力电子变压器通过交流侧接口电路连接至电网，并控制使得电网侧变换器的直流侧电压稳定，隔离型直流变换器的直流输出侧电压为设定值；
43.(2)启动作为模拟负载的第二电力电子变压器通过交流侧接口电路连接至电网，并控制使得电网侧变换器的直流侧电压稳定，隔离型直流变换器的直流输出侧电压跟踪第一电力电子变压器的直流侧电压；
44.(3)控制使得第二电力电子变压器和第一电力电子变压器通过直流侧接口电路进行并联，然后控制第二电力电子变压器的直流侧电流为0；
45.(4)设置第二电力电子变压器的功率指令值，不超过第一电力电子变压器的容量，并控制使得第二电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧输出的功率跟踪设置的功率指令值；
46.(5)对被测电力电子变压器进行运行试验，包括：
47.(5-1)直流电压稳定性：执行步骤(4)调整功率指令值，控制第二电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧功率，使得第一电力电子变压器处于不同功率工作，检
测不同功率时第一电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧的电压，并计算不同功率指令值时直流电压实时值与给定值之间的幅值差，判断被测电力电子变压器是否满足直流电压稳定性的要求；
48.(5-2)热稳定性：执行步骤(4)调整功率指令值，控制第二电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧功率，使得第一电力电子变压器在设定时间内处于额定功率工作，待设定的时间结束后，检测第一电力电子变压器各组成部件的温度和损坏情况判断被测电力电子变压器是否满足热稳定性的要求；
49.(5-3)最大运行能力：执行步骤(4)调整功率指令值，控制第二电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧功率，使得第一电力电子变压器在设定的时间内处于最大功率工作，待设定的时间结束后，检测第一电力电子变压器各组成部件的温度和损坏情况判断被测电力电子变压器是否满足最大运行能力的要求；
50.(5-4)动态响应特性：执行步骤(4)调整功率指令值，控制第二电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧功率，模拟第一电力电子变压器的功率突变，检测功率突变时第一电力电子变压器的隔离型直流变换器的直流输出侧电压的变化幅值以及恢复至设定值的时间判断被测电力电子变压器是否满足动态响应特性的要求。
51.本方法中的功率指令值可实时修改，并可通过上位机以实时通讯的方式发送至作为模拟负载的第二电力电子变压器的控制单元。在进行运行试验时，上位机可与两电力电子变压器分别连接并进行通讯。
52.本控制方法对第一电力电子变压器和第二电力电子变压器的控制，均通过向两电力电子变压器的既有控制单元下发控制指令来实现。当一个电力电子变压器运行试验完毕，需要对原作为模拟负载的另一电力电子变压器进行运行试验时，则调换两电力电子变压器下发的控制指令，以调换两电力电子变压器在运行试验中的角色(被测对象或模拟负载)，重新按照本发明的方法进行运行试验，即可利用同一试验架构完成两电力电子变压器的运行试验。
53.步骤(3)中，控制使得第二电力电子变压器与第一电力电子变压器并联的具体方法为，在两电力电子变压器直流侧输出电压相等的前提下，通过解除第二电力电子变压器的隔离型直流变换器中电力电子开关的闭锁状态，从而达到并联目的。
54.步骤(5-1)中，所述直流电压给定值即直流电压控制目标值，也即控制s1直流侧输出电压稳定后时稳定电压目标值。如通过调节s2的功率，使其工作在各种典型负荷工况，如100kw、300kw、500kw，检测s1的直流侧输出电压，如果不同功率值时s1的直流侧输出电压变化较大，与控制目标(直流电压给定值)相差过大，如5％，即认为电力电子变压器不稳定，对于本实施例，电力电子变压器的直流侧输出电压在各个工况下的差值不应大于750v的5％，即37.5v。
55.在进行电力电子变压器热稳定性试验时，s2即为s1的负载，调节s2的功率，使s1工作在额定功率情况，如500kw，此时让该系统连续运行一段时间，在本实施例中设定运行72小时，若s1中各组成元件的温度稳定，且没有任何部件损坏，即认为电力电子变压器的带载能力达到了500kw，反之则认为电力电子变压器的带载能力达不到500kw。
56.在进行电力电子变压器最大运行能力试验时，s2即为s1的负载，调节s2的功率，使s1工作在最大功率情况，如600kw，此时让该系统运行一段时间，在本实施例中设定运行60
秒，若s1中各组成元件的温度稳定，且没有任何部件损坏，即认为电力电子变压器的过载能力达到了600kw，反之则认为电力电子变压器的过载能力达不到600kw。
57.步骤(4)中，设置功率指令值还包括设置第二电力电子变压器的功率调节变化率。在步骤(5-4)进行电力电子变压器动态响应特性试验时，所述功率指令值的变化包括第一电力电子变压器所带负载容量值的变化，步骤(4)中设置的该变化对应的功率调节速度为500kw/s，即每秒钟可将功率指令值从0调节到500kw，能够用于模拟负载突变的情况，从而反应电力电子变压器在负荷突变时的性能，用于电力电子变压器动态特性的试验中。
58.负荷突变的情况下，考核电力电子变压器的动态特性，即电力电子变压器直流输出侧电压的变化幅值以及恢复至设定值的时间，在本实施例中变化幅度不应超过
±
10％，恢复到正常值的时间不超过1s，在该范围内，可以认为电力电子变压器的动态特性满足要求，否则不满足要求。
59.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。