一种电力电子变压器模组的运行试验电路及其启动方法
阅读说明：本技术 一种电力电子变压器模组的运行试验电路及其启动方法 (Operation test circuit of power electronic transformer module and starting method thereof ) 是由 杨晨 魏星 张中锋 谢晔源 葛健 周启文 祁琦 吴小丹 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种电力电子变压器模组的运行试验电路及其启动方法,所述电力电子变压器模组为两端口变换器,且每个模组至少包含两个级联连接的变换模块,记为第一变换模块和第二变换模块；两个变换模块级联连接的端口为直流端口；所述运行试验电路,包含至少两个上述结构的电力电子变压器模组,将两个模组中级联连接的直流端口引出,并联连接外部直流供电电源；将两个模组的第一变换模块非级联连接端口引出并联,将两个模组的第二变换模块非级联连接端口引出并联,分别构成两个功率对推环路,完成功率运行试验。相比现有技术,本发明的方案可以对电力电子变压器模组,特别是有多级连接的模组,进行解耦运行,同时提高系统运行效率。(The invention discloses an operation test circuit of a power electronic transformer module and a starting method thereof, wherein the power electronic transformer module is a two-port converter, and each module at least comprises two conversion modules which are connected in a cascade mode and are marked as a first conversion module and a second conversion module; the port of the cascade connection of the two conversion modules is a direct current port; the operation test circuit comprises at least two power electronic transformer modules with the structure, and direct current ports in cascade connection in the two modules are led out and connected with an external direct current power supply in parallel; and leading out the non-cascade connection ports of the first conversion modules of the two modules to be connected in parallel, leading out the non-cascade connection ports of the second conversion modules of the two modules to be connected in parallel, and respectively forming two power opposite-pushing loops to finish the power operation test. Compared with the prior art, the scheme of the invention can perform decoupling operation on the power electronic transformer module, particularly the module with multi-stage connection, and simultaneously improve the operation efficiency of the system.)
技术领域
本发明属于电力电子应用领域，尤其涉及一种电力电子变压器模组的运行试验电路及其启动方法。
背景技术
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。受开关管器件应力和成本的影响，电力电子变压器在应用于高压场合时，往往采用多个电力电子变压器模组且输入串联的结构(如ISOP或ISOS)，因此，实际生产时，需进行电力电子变压器模组的大量测试实验。
对电力电子变压器模组进行全功率测试时，传统测试系统和方法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，导致试验系统成本较高且电能严重浪费。为此有专利文献CN107966626A，提出了一种通过两个模组对推方式进行功率测试的系统，不仅可以测试模组的正反向功率运行情况，还能能够减少电能浪费。然而进一步研究发现，该方法的功率环中，从功率输入至功率输出，能量路径连续经过了四个能量变换模块，前后级联系统存在一定的闭环稳定性问题，也在系统运行效率方面有待提高。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在稳定性低、运行效率低等问题，本发明提供了一种电力电子变压器模组的运行试验电路及其启动方法。
技术方案：本发明提供了一种电力电子变压器模组的运行试验电路，该电路包括级联的第一变换模块和第二变换模块、级联的第三、四变换模块、第一、二适配电路；所述第一、三变换模块的输出端分别与第二、四变换模块的输入端连接；所述第二、四变换模块的输入端与直流电源连接；所述第一变换模块的输入端与第三变换模块的输入端通过第一适配电路相互连接；所述第二变换模块的输出端与第四变换模块的输出端通过第二适配电路相互连接。
进一步的，所述第一适配电路为直-直变换电路或交-直变换电路；所述第二适配电路为直-直变换电路；所述第一变换模块和第三变换模块结构相同，为全桥电路或半桥电路；所述第二变换模块和第四变换模块为隔离型双H桥电路，所述隔离型双H桥电路包括双有源桥电路，还包括隔离型LC谐振电路或隔离型CLLC谐振电路；当第一变换模块和第三变换模块为半桥电路时，第一适配电路为直-直变换电路。
进一步的，第一适配电路为直-直变换电路时，第一、三变换模块的输入端口为直流输入端；所述第一适配电路为直-直变换电路时包括：第一、二端口；所述第一端口包括：相对应的第一、二端子，所述第二端口包括：相对应的第三、四端子；所述第一、三端子处于；所述第一端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接，第二端口的两个对应端子也通过隔离开关支路连接；或者至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电阻或电阻与隔离开关支路串联的电路连接；所述第一端子与第三端子连接第一变换模块的输入端；所述第二端子与第四端子连接第三变换模块的输入端；所述隔离开关支路包括隔离开关或直流导线。
进一步的，第一适配电路为直-直变换电路时，还包括与直流电源连接的两个输入端口；在第一、二端口中，若某一个端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接，则将隔离开关支路的任意一端作为该第一适配电路的一个输入端口；若某一个端口的两个对应端子之间通过两个串联电阻组成的电路或两个电阻串联后再与隔离开关支路串联组成的电路连接；则将两个电阻相互连接处作为该第一适配电路的一个输入端口。
进一步的，第一适配电路为交-直变换电路时，第一、三变换模块的输入端口为交流输入端；所述第一适配电路为交-直变换电路时包括：第三、四端口；所述第三端口包括：相应的第五、六端子，所述第四端口包括：相应的第七、八端子；所述第三、四端口中至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电感或电感与隔离开关支路串联的电路连接；若两个端口中只有一个端口的两个对应端子之间采用电感或电感与隔离开关支路串联的电路连接，则另外一个端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接；所述第五、七端子连接第一变换模块的输入端；所述第六、八端子连接第三变换模块的输入端；所述隔离开关支路包括隔离开关或直流导线。
进一步的，第一适配电路为交-直变换电路时，还包括与交流电源连接的两个输入端，在第三、四端口中，若某个端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接，则将隔离开关支路的任意一端作为该第一适配电路的一个输入端；若某一个端口的两个对应端子之间通过两个串联电感组成的电路或两个电感串联后再与隔离开关支路串联组成的电路连接；则将两个电感相互连接处作为该第一适配电路的一个输入端。
进一步的，所述第二配电路包括：第五、六端口；所述第五端口包括：相应的第九、十端子，所述第六端口包括：相应的第十一、十二端子；所述第五端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接，第六端口的两个对应端子之间也通过隔离开关支路连接；或者至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电阻或电阻与隔离开关支路串联的电路连接；所述第九、十一端子连接第一变换模块的输入端；所述第十、十二端子连接第三变换模块的输入端；所述隔离开关支路包括隔离开关或直流导线。
进一步的，所述第二配电路包括还包括与直流电源连接的两个输入端，在第五、六端口中，若某个端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接，则将隔离开关支路的任意一端作为该第二适配电路的一个输入端；若某一个端口的两个对应端子之间通过两个串联电阻组成的电路或两个电阻串联后再与隔离开关支路串联组成的电路连接；则将两个电阻相互连接处作为该第二适配电路的一个输入端。
一种电力电子变压器模组的运行试验电路的启动方法，其特征在于，该方法包括电压启动法或功率启动法：
所述电压启动法，具体包括如下步骤：
步骤1：解锁第一变换模块和第二变换模块；
步骤2：解锁第四变换模块，并使得第四变换模块和第二变换模块的直流输出端的直流电压相等；
步骤3：采样第一变换模块的输入端的电压相位，第三变换模块跟踪该相位，若跟踪后输出的相位与第一变换模块的交流输入端的电压相位相同，则解锁第三变换模块；
步骤4：若第一适配电路或第二适配电路中设有隔离开关，则闭合所有的隔离开关后转步骤5；否则直接转步骤5；
步骤5：逐步增加或降低第二变换模块直流输出端的直流电压幅值，使得第二变换模块和第四变换模块之间的功率达到额定功率；逐步增加或降低第一变换模块交流输入端的交流电压相位，使得第一变换模块和第三变换模块之间的功率达到额定功率；
步骤6：运行试验电路正常启动运行后，对运行试验电路进行性能测试；
所述功率启动法具体为：
S1：解锁第一变换模块和第二变换模块；
S2：若第一适配电路或第二适配电路中设有隔离开关，则闭合所有的隔离开关后转S3；否则直接转S3；
S3：解锁第四变换模块，并控制其基准功率为0；
S4：采样第一变换模块的输入端的电压相位，第三变换模块跟踪该相位，若跟踪后输出的相位与第一变换模块的输入端的电压相位相同，则解锁第三变换模块，并控制第三变换模块的基准功率为0；
S5：逐步增加或降低第四变换模块的基准功率，使得第二变换模块和第四变换模块之间的功率达到额定功率；逐步增加或降低第三变换模块的基准功率，使得第一变换模块和第三变换模块之间的功率达到额定功率；
S6：运行试验电路正常启动运行后，对运行试验电路进行性能测试。
有益效果：
(1)相比传统电力电子变压器模组的实验方案，本申请的方案能够有效减少电能浪费，降低系统测试供电要求。
(2)相比现有专利方案，本申请的方案能够对系统功率运行环路进行解耦，提高系统稳定性。
(3)相比现有专利方案，本申请的方案的两个功率运行环路在结构上是并列运行，能够进一步提高系统运行效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为两端口第一适配电路构成示意图；
图3为三端口第一适配电路构成示意图；
图4为两端口第二适配电路构成示意图；
图5为三端口第二适配电路构成示意图；
图6为四开关管全桥电路结构图；
图7为传统双有源桥电路示意图；
图8为型隔离型CLLC电路结构示意图；
图9为两个全桥分别级联两个双有源桥电路的电力电子变压器模组电路图；
图10为一个全桥级联双有源桥电路和一个全桥级联隔离型CLLC谐振电路的电力电子变压器模组电路图；
图11为两个半桥分别级联两个双有源桥电路的电力电子变压器模组电路图；
图12为两个全桥分别级联两个双有源桥电路，且第一适配电路为三端口的电路的电力电子变压器模组电路图；
图13为两个全桥分别级联两个双有源桥电路，且第二适配电路中具有隔离开关的电力电子变压器模组电路图；
图14为入串联输出并联的电力电子变压器结构示意图。
附图说明
：101：第一变换模块、102：第二变换模块、201：第三变换模块、202：第四变换模块、40：第一适配电路、50：第二适配电路、30：直流电源。具体实施方式
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。
如图1所示，本发明提供一种电力电子变压器模组的运行试验电路，第一、二电力电子变压器模组，第一、二适配电路40、50；第一电力电子变压器模组包括级联的第一变换模块101和第二变换模块102；第二电力电子变压器模组包括级联的第三、四变换模块201、202；所述第一、三变换模块的输出端分别与第二、四变换模块的输入端连接；所述第二、四变换模块的输入端与直流电源30连接；所述第一变换模块的输入端与第三变换模块的输入端通过第一适配电路相互连接；所述第二变换模块的输出端与第四变换模块的输出端通过第二适配电路相互连接：
所述第一适配电路为两端口电路，且为直-直变换电路时；第一、三变换模块的输入端为交流输入端；第一适配电路的两个端口均通过隔离开关支路连接，或者至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电阻或电阻与隔离开关支路串联的电路连接；隔离开关支路包括隔离开关或直流导线；
所述第一适配电路为三端口电路，且为直-直变换电路时，第一、三变换模块的输入端为交流输入端；第一适配电路的两个输出端口均通过隔离开关支路连接，或者至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电阻或电阻与隔离开关支路串联的电路连接；
如图2所示，所述第一适配电路为两端口电路，且为交-直变换电路时，第一、三变换模块的输入端口为交流输入端，第一适配电路的两个端口均至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电感或电感与隔离开关支路串联的电路连接；若两个端口中只有一个端口的两个对应端子之间采用电感或电感与隔离开关支路串联的电路连接，则另外一个端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接；
如图3所示，所述第一适配电路为三端口电路，且为交-直变换电路时，第一、三变换模块的输入端口为交流输入端；第一适配电路的两个输出端口至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电感或电感与隔离开关支路串联的电路连接；两个端口中只有一个端口的两个对应端子之间采用电感或电感与隔离开关支路串联的电路连接，则另外一个端口的两个对应端子之间通过隔离开关支路连接；
如图4所示，所述第二适配电路为两端口电路；第二适配电路的两个端口均通过隔离开关支路连接，或者至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电阻或电阻与隔离开关支路串联的电路连接；
如图5所示，所述第二适配电路为三端口电路：第二适配电路的两个端口均通过隔离开关支路连接，或者至少有一个端口，该端口的两个对应端子之间通过电阻或电阻与隔离开关支路串联的电路连接；
所述第一变换模块和第三变换模块结构相同为全桥电路或半桥电路；所述第二变换模块和第四变换模块为隔离型双H桥电路，所述离型双H桥电路包括双有源桥电路和隔离型LC谐振电路，或双有源桥电路和隔离型CLLC谐振电路；当第一变换模块和第三变换模块为半桥电路时，第一变换模块和第三变换模块之间通过直-直变换电路连接。如附图6所示为全桥电路示意图；如附图7所示为双有源桥电路示意图；如附图8所示为隔离型CLLC谐振电路示意图；
为说明上述的运行试验电路的启动方法；
方法一：如附图9所示的电路结构，图中采用了两个全桥级联双有源桥电路的电力电子变压器模组，Lg为第一适配电路的电抗器，RL为第二适配电路的电阻；实验时，按照如下方法启动和运行：
步骤1：解锁第二电力电子变压器模组的全桥电路和双有源桥电路；
步骤2：解锁第二电力电子变压器模组的双有源桥电路，使两个模组的输出端口(双有源桥电路的输出端)直流电压相等；
步骤3：采样第一电力电子变压器模组输入端口(全桥电路的输入端)的电压相位，并跟踪该相位解锁第二电力电子变压器模组的全桥电路；
步骤4：第一适配电路和第二适配电路包含隔离开关时，闭合所有隔离开关，图9电路中无隔离开关，此步跳过；
步骤5：逐步增加/降低第一电力电子变压器模组输出端口的直流电压幅值，使两个模组的双有源桥电路之间的功率逐步增加至额定功率；
步骤6：逐步增加/降低第一电力电子变压器模组输入端口的交流电压相位，使两个模组的全桥电路之间的的功率逐步增加至额定功率。
该方法不仅限于图9中的电路结构
方法一：如附图10所示实验电路结构，图中采用了一个全桥级联双有源桥电路和一个全桥级联隔离型CLLC谐振电路的电力电子变压器模组，其中全桥级联隔离型CLLC谐振电路为第一电力电子变压器模组，全桥级联双有源桥电路为第二电力电子变压器模组，Lg为第一适配电路的电抗器，K0为第二适配电路的隔离开关；实验时，可以按照如下方法启动和运行：
步骤1：解锁第一电力电子变压器模组的全桥电路和双有源桥电路；
步骤2：第一适配电路和第二适配电路包含隔离开关时，闭合所有隔离开关；则闭合K0隔离开关；
步骤3：解锁第二电力电子变压器模组的双有源桥电路，控制其功率基准为0；
步骤4：采样第一电力电子变压器模组输入端口的电压相位，并跟踪该相位解锁第二电力电子变压器模组的全桥电路，同时控制其功率基准为0；
步骤5：逐步增加/降低第二电力电子变压器模组的双有源桥电路的功率基准，使两个模组的双有源桥电路之间的功率逐步增加至额定功率；
步骤6：逐步增加/降低第二电力电子变压器模组的全桥电路的功率基准，使两个模组的全桥电路之间的功率逐步增加至额定功率；
该方法不仅限于图10中的电路结构
如附图11，图中采用了两个半桥级联双有源桥电路的电力电子变压器模组，双有源桥电路部分启动和运行方式可以参考方法一；半桥电路输出为直流电，所以第一适配电路为串联电阻结构，启动和运行方式可以参考方法一。
如附图12所示实验电路结构，图中采用了两个全桥级联双有源桥电路的电力电子变压器模组，双有源桥电路部分启动和运行方式可以参考方法一；两个全桥电路输出分别连接一个电感后，连接交流电网，所以启动时，通过调节两个电力电子变压器模组的电压相位，可以调节两个电力电子变压器模组全桥电路与电网的运行功率。
如附图13所示实验电路结构，图中采用了两个全桥级联双有源桥电路的电力电子变压器模组，全桥电路部分启动和运行方式可以参考方法一；两个双有源桥电路输出分别连接一个开关后，连接第二直流电源，所以启动时，先解锁两个双有源桥电路，并调节对应电力电子变压器模组第二端口的电压相等，再合并隔离开关K1和K2，可以调节两个电力电子变压器模组双有源桥电路与第二直流电源的运行功率。
至此可根据本专利完成电力电子变压器模组的启动和运行试验过程。
如图14所示，运行实验完成的电力电子变压器模组，可以采用输入串联输出并联的方式构成电力电子变压器(ISOP)，同理可以构成输入串联输出串联和输入并联输出并联的系统，用于实际工程；其中，所有电力电子变压器模组的第三端口悬空处理。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
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