一种换流器测试电路和测试方法与流程

1.本发明属于测试电路技术领域，尤其涉及一种一种换流器测试电路和测试方法。


背景技术：

2.当应用于高压大功率场合时，主动关断换流器每桥臂具有很多的串联单元，在整机制造前，先进行小规模桥臂功率对拖试验有助于验证桥臂单元的电气、结构、散热等特性设计的合理性。然而，正常运行过程中桥臂电气应力复杂，对拖试验需要模拟其中会出现的各种工况，以充分进行验证。目前，该换流器尚未有大规模工程应用经验，对其试验方法也缺少研究。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提出了一种换流器测试电路。
4.所述电路包括换流电抗器、多个桥臂和负载电抗器；所述换流电抗器一端与供电电源连接，一端与换流器桥臂连接；所述多个桥臂分为第一组和第二组，所述第一组和第二组内的桥臂并联连接；所述第一组、负载电抗器和第二组依次串联连接。
5.所述桥臂上包括多个单元电路，所述单元电路串联连接。
6.所述供电电源为直流电源，所述直流电源电压u
dc
＝n*un；所述un为桥臂的最高工作电压；所述n为单元电路数量。
7.所述换流电抗器感值lc＝u
dc
/(di/dt)n；所述(di/dt)n为桥臂开通过程的设计电流变化率。
8.所述负载电抗器的感值l
load
》u
dc
*t
onmin
/i
delta
；所述t
onmin
为换流器桥臂上的igct的最短开通时间；所述i
delta
为期望的直流纹波水平。
9.当所述负载电抗器的电流变化大于期望的变化范围时，设置负载电阻；
10.所述第一组、负载电阻、负载电抗器和第二组依次串联连接。
11.本发明还提出了一种换流器测试方法。
12.所述方法包括：根据换流器确定直流电源电压，通过直流电源电压给换流器测试电路供电；将换流器电路测试时间周期t分为t2时间段和t4时间段，所述t2时间段和t4时间段选择开通的桥臂不完全相同；根据t2时间段和t4时间段选择开通的桥臂使得桥臂周期性的承受换流过程以测试桥臂单元电路。
13.所述t4时间段内开通的桥臂转换到t2时间段内开通的桥臂的时候设置死区时间；所述死区时间为t2时间段内的桥臂开通后经过死区时间后再关断t4时间段内的桥臂。
14.所述死区时间小于t2时间段和t4时间段。
15.所述周期t还包括t1时间段和t3时间段；所述t1时间段、t2时间段、t3时间段、t4时间段选择开通的桥臂不完全相同。
16.所述t2时间段与t4时间段在负载电抗器上产生的电流值时间曲线变化方向不同。
17.所述t2时间段长于t4时间段，差值为
△
t；所述通过
△
t控制的直流电流为i
load
＝udc
*
△
t/r
t
/t；所述u
dc
为直流电源电压；所述r
t
为负载电抗器等效直流电阻r
l
，或者所述r
t
为负载电抗器等效直流电阻r
l
与负载电阻r之和。
18.通过t4时长控制的直流电流纹波i
delta
》u
dc
*t4/l
load
；所述l
load
为负载电抗器感值。
19.所述t1时间段、t2时间段、t3时间段、t4时间段在负载电抗器上产生的电流值时间曲线的变化方向不完全相同。
20.所述从t1时间段转到t2时间段、从t2时间段转到t3时间段、从t3时间段转到t4时间段依次设置死区时间；所述死区时间小于相关的换流时间段。
21.与现有技术相比，本发明技术方案无需交流电源，也不需要对交流电压进行锁相，控制系统简单、可靠性高；直流电源仅需要补充装置损耗功率，电源容量低；同时采用稳态阶段时间差值控制负载电流，使负载电抗的感值选取对于器件最短开关脉冲的限制依赖性减弱，降低试验装置体积和成本。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例所测试的换流器电路示意图。
24.图2为本发明实施例的换流器测试电路的第一个示意图。
25.图3为本发明实施例的换流器测试电路的第二个示意图。
26.图4为本发明实施例的换流器测试方法的第一个流程图。
27.图5为本发明实施例的换流器测试方法的第二个流程图。
28.图6为桥臂及负载电压电流状态图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件、单元、线路和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
31.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
32.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
33.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
35.为了对本发明的实施例进行详细的说明，这里主要对交流三相电网所涉及的换流电路进行说明。
36.本发明实施例所测试的换流器电路示意图如图1所示，所述换流器电路包括滤波电容c
ac
、换流电抗器lc和换流器；所述滤波电容c
ac
与交流端口并联连接；所述换流电抗器lc与交流端口串联连接；所述换流器包括与换流电抗器lc连接的桥臂，所述桥臂由一个或多干个串联的单元电路组成,所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件和过电压抑制部件。
37.所述滤波电容c
ac
用于滤波，以及吸收交流电网等效串联电感在关断瞬间中在换流器桥臂上产生的过压。所述换流电抗器lc作用为限制电流通断控制部件开通时的电流变化率，从而保护器件。
38.所述换流器主拓扑为三相全控桥，每个桥臂由多个单元电路组成，所述单元电路包括并联连接的电流通断控制部件、过电压抑制部件和静态均压电阻ra。
39.其中电流通断控制部件包括串联连接的一个非对称型igct器件q2和一个快恢复二极管q1。所述igct为集成门极换流晶闸管。所述非对称型igct器件q2是可以控制正向是否通过电流。
40.所述过电压抑制部件包括串联连接的一个吸收电阻rb和一个吸收电容c，用以实现桥臂关断时对换流电抗器所引起的过电压的抑制，以及在桥臂具有多个串联单元时，开关瞬间的电压均衡。
41.所述静态均压电阻ra用以实现桥臂阻断状态下各单元的电压均衡。
42.所述换流器另一端与直流负载或者直流电网连接。
43.进一步的，所述换流电路还包括平波电抗器l
dc
，所述平波电抗器一端与桥臂连接，另一端与直流负载或者直流电网连接。
44.如图2所示为本发明实施例的换流器测试电路的第一个示意图。所述电路包括换流电抗器lc、多个桥臂和负载电抗器l
load
；所述换流电抗器lc一端与供电电源u
dc
连接，一端与换流器桥臂连接；所述多个桥臂分为第一组和第二组，所述第一组和第二组内的桥臂并联连接；所述第一组、负载电抗器l
load
和第二组依次串联连接；所述第一组桥臂包括arm1和arm3，所述第二组桥臂包括arm2和arm4。
45.所述每个桥臂上包括多个单元电路，所述单元电路串联连接。
46.所述图2中的r
l
为负载电抗器等效直流电阻。
47.所述供电电源u
dc
为直流电源，所述直流电源电压u
dc
＝n*un；所述un为桥臂的最高工作电压；所述n为单元电路数量。
48.图2中所述的被测试的桥臂为4个，每个被测试的桥臂包括2个相互串联连接的单元电路。所述第一组包括两个并联连接的桥臂arm1和arm3，所述第二组包括两个并联连接的桥臂arm2和arm4；所述换流电抗器lc一端与直流供电电源u
dc
连接，另一端与第一组桥臂连接；所述第一组桥臂、负载电抗器l
load
、第二组桥臂依次串联连接。
49.所述换流电抗器感值lc＝u
dc
/(di/dt)n；所述(di/dt)n为桥臂开通过程的设计电流变化率。所述负载电抗器的感值l
load
》u
dc
*t
onmin
/i
delta
；所述t
onmin
为换流器桥臂上的igct的最短开通时间；所述i
delta
为期望的直流纹波水平；所述直流纹波水平是指系统运行稳定后，负载电抗器上电流最大值与最小值之差。
50.本发明实施例使桥臂单元电路分别反复地承受换流过程，从而对热特性和可靠性进行验证。试验中，通过红外热成像仪监测实验装置温度，从而判断装置无异常过热，设计的散热装置合理。
51.如图3所示为本发明实施例的换流器测试电路的第二个示意图。所述电路包括换流电抗器lc、多个桥臂、负载电阻r和负载电抗器l
load
；所述换流电抗器lc一端与供电电源u
dc
连接，一端与换流器桥臂连接；所述多个桥臂分为第一组和第二组，所述第一组和第二组内的桥臂并联连接；所述第一组、负载电阻r、负载电抗器l
load
和第二组依次串联连接；所述第一组桥臂包括arm1和arm3，所述第二组桥臂包括arm2和arm4。
52.所述每个桥臂上包括多个单元电路，所述单元电路串联连接。
53.所述图3中的r
l
为负载电抗器等效直流电阻。
54.所述供电电源u
dc
为直流电源，所述直流电源电压u
dc
＝n*un；所述un为桥臂的最高工作电压；所述n为单元电路数量。
55.图3中所述的被测试的桥臂为4个，每个被测试的桥臂包括2个相互串联连接的单元电路。所述第一组包括两个并联连接的桥臂arm1和arm3，所述第二组包括两个并联连接的桥臂arm2和arm4；所述换流电抗器lc一端与直流供电电源u
dc
连接，另一端与第一组桥臂连接；所述第一组桥臂、负载电阻r、负载电抗器l
load
、第二组桥臂依次串联连接。
56.所述换流电抗器感值lc＝u
dc
/(di/dt)n；所述(di/dt)n为桥臂开通过程的设计电流变化率。所述负载电抗器的感值l
load
》u
dc
*t
onmin
/i
delta
；所述t
onmin
为换流器桥臂上的igct的最短开通时间；所述i
delta
为期望的直流纹波水平；所述直流纹波水平是指系统运行稳定后，负载电抗器上电流最大值与最小值之差。
57.所述负载电阻r由i
load
＝u
dc
*
△
t/r
l
/t公式确定，所述u
dc
为直流供电电源的电压，所述r
l
为负载电抗器等效直流电阻，所述t为换流器电路测试时间周期，所述
△
t为每个时间周期内不同时间段的时间差值，所述i
load
为负载电流的大小。比如每个时间周期分为t2时间段和t4时间段，在t2时间段内负载电流时间曲线的变化方向向上，即电流变大，在t4时间段内负载电流时间曲线的变化方向向下，即电流变小，
△
t即为这两个时间段的差值，以使每个周期负载电抗电流升高量等于负载电抗器等效直流电阻r
l
引起的电流下降量，当根据负载电抗器等效直流电阻r
l
计算出的
△
t小于控制器最小控制精度，即不能满足电流变化的需求，所述负载电抗器的电流变化大于期望的变化范围，则需要增加负载电阻r，以提高
△
t。
58.本发明实施例使桥臂单元电路分别反复地承受换流过程，从而对热特性和可靠性进行验证。试验中，通过红外热成像仪监测实验装置温度，从而判断装置无异常过热，设计的散热装置合理。
59.如图4所示为本发明实施例的换流器测试方法的第一个流程图。所述方法包括：根据换流器确定直流电源电压，通过直流电源电压给换流器测试电路供电；将换流器电路测试时间周期t分为t2时间段和t4时间段，所述t2时间段和t4时间段选择开通的桥臂不完全相同；根据t2时间段和t4时间段选择开通的桥臂使得桥臂周期性的承受换流过程以测试桥臂单元电路。
60.所述t4时间段内开通的桥臂转换到t2时间段内开通的桥臂的时候设置死区时间；所述死区时间为t2时间段内的桥臂开通后经过死区时间后再关断t4时间段内的桥臂。所述
死区时间小于t2时间段和t4时间段。即对于死区无法完成换流所引起的强制换流这一特殊工况进行功率验证，可以降低直流电压，以延长换流时间至大于死区时间。
61.死区时间的设定使得测试电路能够时刻保持正常工作，防止了因为换流时间的间断所造成的桥臂开通和关断混乱的问题。比如桥臂全开、全断、应该开通的桥臂关断、应该关断的桥臂开通等现象的发生。
62.结合图3所示的电路，t2时间段内桥臂arm1和桥臂arm4通流，t4时间段内桥臂arm2和桥臂arm3通流。所述t2时间段与t4时间段在负载电阻r
l
和负载电抗器l
load
上产生的电流值时间曲线变化方向不同。所述t2时间段内电源电压负载电抗器电流上升，t4时间段内电源电压反向加在负载电抗器l
load
上，使之电流迅速下降。
63.所述桥臂arm2在桥臂arm1开通后经过死区时间后再关断，在桥臂arm1关断前死区时间即开通。桥臂arm3在桥臂arm4开通后经过死区时间后再关断，在桥臂arm4关断前死区时间即开通。
64.所述t2时间段长于t4时间段，差值为
△
t；以使每个周期负载电抗电流升高量等于电流下降量；所述通过
△
t控制的直流电流i
load
＝u
dc
*
△
t/r
l
/t；所述u
dc
为直流电源电压，所述r
l
为负载电阻。
65.进一步的，当根据负载电抗器等效直流电阻r
l
计算出的
△
t小于控制器最小控制精度，即不能满足电流变化的需求，所述负载电抗器的电流变化大于期望的变化范围，则需要增加负载电阻r，以提高
△
t；这时的
△
t控制的直流电流i
load
＝u
dc
*
△
t/(r
l
r)/t。
66.通过所述t4时长控制的直流电流纹波i
delta
》u
dc
*t4/l
load
；所述l
load
为负载电抗器感值。所述直流电流纹波是指系统运行稳定后，负载电抗器上电流最大值与最小值之差。
67.对于死区无法完成换流所引起的强制换流这一特殊工况进行功率验证，可以降低直流电压u
dc
，以延长换流时间至大于死区时间t
dead
，具体参数需满足：u
dc
《lc*i
dc
/t
dead
；所述u
dc
为直流电源电压，所述lc为换流电抗器感值，所述i
dc
为负载电流，所述t
dead
为死区时间。
68.通过本实施例所述的检测方法，可以在简单的环境下有效的检测换流器电路的稳定性和可靠性。
69.如图5所示为本发明实施例的换流器测试方法的第二个流程图。所述方法包括：根据换流器确定直流电源电压，通过直流电源电压给换流器测试电路供电；将换流器电路测试时间周期t分为t1时间段、t2时间段、t3时间段和t4时间段，所述t1时间段、t2时间段、t3时间段、t4时间段选择开通的桥臂不完全相同；根据各个时间段选择开通的桥臂使得桥臂周期性的承受换流过程以测试桥臂单元电路。
70.所述t1时间段、t2时间段、t3时间段、t4时间段在负载电阻和负载电抗器上产生的电流值时间曲线的方向不完全相同。
71.所述从t1时间段转到t2时间段、从t2时间段转到t3时间段、从t3时间段转到t4时间段、从t4时间段转到t1时间段依次设置死区时间；所述死区时间小于相关的换流时间段。
72.死区时间的设定使得测试电路能够时刻保持正常工作，防止了因为换流时间的间断所造成的桥臂开通和关断混乱的问题。比如桥臂全开、全断、应该开通的桥臂关断、应该关断的桥臂开通等现象的发生。
73.结合图3所示的电路，桥臂arm2、arm3分别与桥臂arm1、arm4配合开关，保证每对上下桥臂间留有一定换流死区时间，换流死区时间设置与实际设计的换流器中死区时间一
致。比如：桥臂arm2在桥臂arm1开通后经过死区时间再关断，在桥臂arm1关断前的死区时间即开通。桥臂arm3在桥臂arm4开通后经过死区时间再关断，在桥臂arm4关断前的死区时间即开通。
74.t1与t3阶段分别为桥臂arm1、arm3和桥臂arm2、arm4通流，此时电流在负载电阻r
l
作用下缓慢衰减；t2阶段桥臂arm1、arm4通流，电源电压u
dc
使负载电抗电流上升；t4阶段桥臂arm2、arm3通流，电源电压u
dc
反向加在负载电抗l
load
上，使之电流迅速下降。
75.如图6所示为桥臂及负载电压电流状态图，从图上可以看到，t1时间段到t4时间段为一个完整的周期t；在t1时间段内，桥臂arm1开通、桥臂arm4关断；在t2时间段内，桥臂arm1和桥臂arm4均开通；在t3时间段内，桥臂arm1关断、桥臂arm4开通；在t4时间段内，桥臂arm1和桥臂arm4均关断；在这个过程中桥臂arm2、arm3分别与桥臂arm1、arm4配合开关。以达到测试桥臂单元电路的目的。
76.如图6所示可以看到，在t1时间段内，因为桥臂arm1和桥臂arm3开通，桥臂arm2和桥臂arm4关断，负载电抗电压u
l
为0，负载电流i
dc
曲线变化方向向下，也就是说，负载电流值i
dc
呈下降趋势；在t2时间段内，因为桥臂arm1和桥臂arm4开通，桥臂arm2和桥臂arm3关断，负载电抗电压u
l
为正，负载电流i
dc
曲线变化方向向上，也就是说，负载电流值i
dc
呈上升趋势；在t3时间段内，因为桥臂arm2和桥臂arm4开通，桥臂arm1和桥臂arm3关断，负载电抗电压u
l
为0，负载电流i
dc
曲线变化方向缓慢向下，也就是说，负载电流值i
dc
呈下降趋势；在t4时间段内，因为桥臂arm2和桥臂arm3开通，桥臂arm1和桥臂arm4关断，负载电抗电压u
l
为负，负载电流i
dc
曲线变化方向向下，也就是说，负载电流值i
dc
呈极速下降趋势；但是因为t2阶段时间略长于t4，从而使每个周期负载电抗电流i
dc
升高量等于负载电抗直流电阻r
l
引起的电流下降量，所以在保证负载电流i
dc
为正值的情况下达到测试桥臂单元电路的目的。
77.t2阶段时间略长于t4，差值为
△
t，以使每个周期负载电抗电流升高量等于负载电抗直流电阻r
l
引起的电流下降量，通过
△
t时长控制直流电流：所述通过
△
t控制的直流电流为i
load
＝u
dc
*
△
t/r
l
/t；所述u
dc
为直流电源电压，所述r
l
为负载电阻；t为调制周期。t＝t1 t2 t3 t4。
78.进一步的，当根据负载电抗器等效直流电阻r
l
计算出的
△
t小于控制器最小控制精度，即不能满足电流变化的需求，所述负载电抗器的电流变化大于期望的变化范围，则需要增加负载电阻r，以提高
△
t；这时的
△
t控制的直流电流i
load
＝u
dc
*
△
t/(r
l
r)/t。
79.进一步的，通过t4时长控制直流电流纹波：i
delta
》u
dc
*t4/l
load
。所述直流电流纹波指系统运行稳定后，负载电抗器上电流最大值与最小值之差。
80.通过t1与t3补全调制周期，实现所需的试验频率。通过t1与t3的比例调整桥臂通流时间占比，从而使桥臂arm1、arm3或arm2、arm4具有更高的通态损耗功率，更好地模拟实际工况。
81.基于以上试验，可以使桥臂分别反复地承受换流过程，从而对热特性和可靠性进行验证。试验中，通过红外热成像仪监测实验装置温度，从而判断装置无异常过热，设计的散热装置合理。
82.对于死区无法完成换流所引起的强制换流这一特殊工况进行功率验证，可以降低直流电压，以延长换流时间至大于死区时间t
dead
，具体参数需满足：u
dc
《lc*i
dc
/t
dead
；所述u
dc
为直流电源电压，所述lc为换流电抗器感值，所述i
dc
为负载电流，所述t
dead
为死区时间。
83.虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例所记载的技术方案进行的修改或者对其中部分技术特征进行的等同替换，均在本发明的保护范围内。