一种模块化多电平换流器的测试方法、装置及系统与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器的测试方法、装置及系统。

背景技术：

目前，电压源换流器型直流输电(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，vsc-hvdc)广泛应用于可再生能源并网、向无源网络供电、城市电网供电和异步交流电网互联等场合，其中，电压源换流器(voltagesourceconverter，vsc)是vsc-hvdc的核心组成部分。目前已投运的vsc-hvdc多采用两电平换流器或三电平换流器，但是两电平换流器和三电平换流器都存在以下不足：1)多个igbt串联将增大器件静态、动态均压难度；2)较高开关频率将导致vsc的开关损耗相对较高；3)两电平换流器或三电平换流器在工作过程中产生较大的电压变化率(du/dt)，所有器件的参数设计都必须考虑这一冲击电压。

针对上述不足，模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)被提出，通过调整模块化多电平换流器中功率模块的串联个数即可实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，减小电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常接近理想正弦波形，模块化多电平换流器将能量分散存储在桥臂各个功率模块电容中，因此提高了故障穿越能力，因此模块化多电平换流器受到越来越多的关注。

为验证模块化多电平电压源换流器的性能，需要对其进行测试。现有技术中不仅要利用电源对待测模块化多电平换流器进行测试，在对模块化多电平换流器进行测试前，还需要通过该电源对待测模块化多电平换流器进行充电，因此电源需要具有很大的容量和较高的性能要求，增加了测试成本。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中对待测模块化多电平换流器进行充电的电源容量大、性能要求高以及测试成本较高的不足，本发明提供一种模块化多电平换流器的测试方法、装置及系统，先分别对第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块进行充电，充电过程包括不控整流充电过程和解锁充电过程；然后通过改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压；最后根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定交流母线上负载电感l4的电压，并根据负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作，实现了对第二模块化多电平换流器的测试。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种模块化多电平换流器的测试方法，包括：

分别对第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块进行充电，充电过程包括不控整流充电过程和解锁充电过程；

通过改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压；

根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定交流母线上负载电感l4的电压，并根据负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作。

所述不控整流充电过程中，第一模块化多电平换流器所包括的第一电压源换流器和第二电压源换流器、以及第二模块化多电平换流器所包括的第三电压源换流器和第四电压源换流器中的功率模块全部投入，当第一电压源换流器和第三电压源换流器之间的直流母线的电压达到+udc且第二电压源换流器和第四电压源换流器之间的直流母线的电压达到-udc时，所有功率模块进入解锁充电过程，其中udc为直流母线的额定电压。

现有技术对一个模块化多电平换流器的充电过程是在不控整流充电阶段让功率模块全部投入，在解锁充电阶段让投入的功率模块数量减少至原来一半，此时各功率模块电压相比不控整流充电阶段会增大一倍，功率模块瞬间产生很大的冲击电流，为减小冲击电流，通常需要给直流母线加装充电电阻，不仅增加了测试成本且操作繁琐。本发明为了克服现有技术中的缺陷，可以采用在直流斩波模式下，通过斜坡函数形式的调制波将第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比由1逐渐减小至50％，具体步骤可以包括：

所述解锁充电过程中，第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器均工作在占空比为1的直流斩波模式下，通过斜坡函数形式的调制波逐渐减小第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比，直至第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比达到50％保持第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比为50％不变，直至第一电压源换流器和第三换流器之间的直流母线的电压达到+udc且第二电压源换流器和第四换流器之间的直流母线的电压达到-udc，解锁充电过程结束。

所述改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目，包括：

第一模块化多电平换流器工作在占空比为50％的直流斩波模式下，采用载波移相正弦脉宽调制策略产生驱动信号，通过驱动信号驱动第二模块化多电平换流器中的功率模块，进而改变第二模块化多电平换流器中功率模块的投入数目。

所述根据交流母线上负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作，包括：

若负载电感l4的电压波形为稳定的正弦波，第二模块化多电平换流器正常工作。

本发明还提供一种模块化多电平换流器的测试装置，包括：

充电电源，用于对第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块进行充电，充电过程包括不控整流充电过程和解锁充电过程；

调整模块，用于通过改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压；

确定模块，用于根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定连接第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的交流母线上负载电感l4的电压，并根据负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作。

所述充电电源包括：

交流电源，用于提供交流电；

整流器，用于将所述交流电源提供的交流电转换为直流电，为第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块充电。

所述充电电源，包括：

不控整流控制模块，用于在不控整流充电过程中，控制第一模块化多电平换流器所包括的第一电压源换流器和第二电压源换流器、以及第二模块化多电平换流器所包括的第三电压源换流器和第四电压源换流器中的功率模块全部投入，当第一电压源换流器和第三换流器之间的直流母线的电压达到+udc且第二电压源换流器和换流器之间的第四直流母线的电压达到-udc时，控制所有功率模块进入解锁充电过程，其中udc为直流母线的额定电压。

所述充电电源，包括：

解锁控制模块，用于在解锁充电过程中，控制第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器均工作在占空比为1的直流斩波模式下，通过斜坡函数形式的调制波逐渐减小第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比，直至第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比达到50％；保持第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比为50％不变，直至直流母线的电压达到+udc且直流母线的电压达到-udc，解锁充电过程结束。

所述调整模块，包括：

改变单元，用于在所述第一模块化多电平换流器工作在占空比为50％的直流斩波模式时，采用载波移相正弦脉宽调制策略产生驱动信号，通过驱动信号驱动第二模块化多电平换流器中的功率模块，进而改变第二模块化多电平换流器中功率模块的投入数目；

调整单元，用于根据改变后的投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压。

所述确定模块，包括：

第一确定单元，用于根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定连接第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的交流母线上负载电感l4的电压；

第二确定单元，用于在所述负载电感l4的电压波形为稳定的正弦波时，确定所述第二模块化多电平换流器正常工作。

本发明还提供一种模块化多电平换流器的测试系统，包括模块化多电平换流器的测试装置以及对拖模块，所述对拖模块包括第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器；

所述第一模块化多电平换流器包括位于上桥臂的第一电压源换流器和位于下桥臂的第二电压源换流器；所述第二模块化多电平换流器包括位于上桥臂的第三电压源换流器和位于下桥臂的第四电压源换流器；所述第一电压源换流器和第二电压源换流器之间的连接点a通过交流母线与第三电压源换流器和第四电压源换流器之间的连接点b连接，所述第三电压源换流器通过桥臂电感l1与连接点b连接，所述第四电压源换流器通过桥臂电感l2与连接点b连接；所述第一电压源换流器、第二电压源换流器、第三电压源换流器和第四电压源换流器均包括n个级联的功率模块。

本发明提供的模块化多电平换流器的测试系统进一步包括：

直流电容，所述直流电容用于维持充电电源与对拖模块之间直流母线的直流电压。

所述直流电容包括第一直流电容c1和第二直流电容c2，所述第一直流电容c1一端与第二直流电容c2相连并接地，所述第一直流电容c1另一端分别与所述充电电源的一端、所述第一电压源换流器和第三电压换流器之间的直流母线相连，所述第二直流电容c2另一端分别与所述充电电源的另一端、所述第二电压源换流器和第四电压换流器之间的直流母线相连。

所述第一直流电容c1通过滤波电感l3与所述第一电压源换流器和第三电压换流器之间的直流母线相连，所述滤波电感l3用于对该线路上的电流进行滤波。

所述第一电压源换流器和第三电压换流器之间的直流母线和所述第二电压源换流器和第四电压换流器之间的直流母线上分别设有电压互感器pt1和电压互感器pt2，所述电压互感器pt1和电压互感器pt2分别用于采集各自所在直流母线的电压。

所述交流母线上设有电流互感器ct，所述电流互感器ct用于采集负载电感l4的电流。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的模块化多电平换流器的测试方法中，先分别对第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块进行充电，充电过程包括不控整流充电过程和解锁充电过程；然后通过改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压；最后根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定交流母线上负载电感l4的电压，并根据负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作，本发明技术方案设计了两个同样的模块化多电平换流器，利用第一模块化多电平换流器对第二模块化多电平换流器实现测试，并且对两个模块化多电平换流器进行充电的直流电源只需承担充电的工作，降低了对电源的容量和性能要求，同时也降低了测试成本；

本发明提供的模块化多电平换流器的测试方法的解锁充电过程中采用了直流斩波与斜坡函数相结合的软启动控制策略，通过斜坡函数形式的调制波逐渐减小第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比，使功率模块的电流缓慢上升，能有效减小充电过程的冲击电流，与现有技术相比，过程简单方便，易于实现；

本发明提供的模块化多电平换流器的测试方法中，利用第一电压源换流器和第二电压源换流器组成的第一模块化多电平换流器测试第三电压源换流器和第四电压源换流器组成的第二模块化多电平换流器，由于第三电压源换流器和第四电压源换流器之间的桥臂电感已经能实现环流抑制，因此第一电压源换流器和第二电压源换流器组成的第一模块化多电平换流器不需要桥臂电感，大大减低了测试成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中模块化多电平换流器的测试方法流程图；

图2是本发明实施例1中解锁充电过程中直流斩波与斜坡函数相结合的软启动控制仿真示意图；

图3是本发明实施例2中半桥型功率模块结构图；

图4是本发明实施例2中全桥型功率模块结构图；

图5是本发明实施例3中第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种模块化多电平换流器的测试方法，该测试方法的具体流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

s101：分别对第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块进行充电，充电过程包括不控整流充电过程和解锁充电过程；

s102：通过改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压；

s103：根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定交流母线上负载电感l4的电压，并根据负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作。

上述s101中，不控整流充电过程中，第一模块化多电平换流器所包括的第一电压源换流器和第二电压源换流器、以及第二模块化多电平换流器所包括的第三电压源换流器和第四电压源换流器中的功率模块全部投入，当第一电压源换流器和第三电压源换流器之间的直流母线的电压达到+udc且第二电压源换流器和第四电压源换流器之间的直流母线的电压达到-udc时，所有功率模块进入解锁充电过程，其中udc为直流母线的额定电压。

如图2所示，解锁充电过程中，第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器均工作在占空比为1的直流斩波模式下，通过斜坡函数形式的调制波逐渐减小第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比，直至第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比达到50％保持第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比为50％不变，直至第一电压源换流器和第三换流器之间的直流母线的电压达到+udc且第二电压源换流器和第四换流器之间的直流母线的电压达到-udc，解锁充电过程结束。

上述s102的通过改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压具体过程如下：

1)使第一模块化多电平换流器继续工作在占空比为50％的直流斩波模式下，采用载波移相正弦脉宽调制策略产生驱动信号；

2)通过驱动信号驱动第二模块化多电平换流器中的功率模块，进而改变第二模块化多电平换流器中功率模块的投入数目；

3)根据第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压。

上述s103中，根据交流母线上负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作包括：

若负载电感l4的电压波形为稳定的正弦波，第二模块化多电平换流器正常工作。

本发明设计了第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器两个相同的模块化多电平换流器，通过第一模块化多电平换流器对第二模块化多电平换流器实现测试，其中的第一模块化多电平换流器是测试模块化多电平换流器，第二模块化多电平换流器是被测模块化多电平换流器，本发明提供的测试方法同样可以通过第二模块化多电平换流器对第一模块化多电平换流器实现测试，即通过本发明提供的测试方法可以实现拖托模块中两个相同的模块化多电平换流器的互测。

实施例2

基于同一发明构思，本发明实施例2还提供一种模块化多电平换流器的测试装置，包括充电电源、调整模块和确定模块，下面分别介绍上述三个模块：

其中的充电电源，用于对第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块进行充电，充电过程包括不控整流充电过程和解锁充电过程；

其中的调整模块，用于通过改变第二模块化多电平换流器中功率模块投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压；

其中的确定模块，用于根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定连接第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的交流母线上负载电感l4的电压，并根据负载电感l4的电压确定第二模块化多电平换流器是否正常工作。

上述充电电源包括：

交流电源，用于提供交流电；

整流器，用于将交流电源提供的交流电转换为直流电，为第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器中的功率模块充电。

上述充电电源包括：

1)不控整流控制模块，用于在不控整流充电过程中，控制第一模块化多电平换流器所包括的第一电压源换流器和第二电压源换流器、以及第二模块化多电平换流器所包括的第三电压源换流器和第四电压源换流器中的功率模块全部投入，当第一电压源换流器和第三换流器之间的直流母线的电压达到+udc且第二电压源换流器和第四换流器之间的直流母线的电压达到-udc时，控制所有功率模块进入解锁充电过程，其中udc为直流母线的额定电压。

2)解锁控制模块，用于在解锁充电过程中，控制第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器均工作在占空比为1的直流斩波模式下，通过斜坡函数形式的调制波逐渐减小第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比，直至第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比达到50％；保持第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的占空比为50％不变，直至直流母线的电压达到+udc且直流母线的电压达到-udc，解锁充电过程结束。

上述调整模块包括：

改变单元，用于在第一模块化多电平换流器工作在占空比为50％的直流斩波模式时，采用载波移相正弦脉宽调制策略产生驱动信号，通过驱动信号驱动第二模块化多电平换流器中的功率模块，进而改变第二模块化多电平换流器中功率模块的投入数目；

调整单元，用于根据改变后的投入数目调整第二模块化多电平换流器的输出电压。

上述确定模块包括：

第一确定单元，用于根据第二模块化多电平换流器的输出电压确定连接第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的交流母线上负载电感l4的电压；

第二确定单元，用于在负载电感l4的电压波形为稳定的正弦波时，确定第二模块化多电平换流器正常工作。

实施例3

基于同一发明构思，本发明实施例3还提供了一种模块化多电平换流器的测试系统，包括上述实施例2提供的模块化多电平换流器的测试装置以及对拖模块，其中的对拖模块包括第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器；

如图5所示，第一模块化多电平换流器包括位于上桥臂的第一电压源换流器和位于下桥臂的第二电压源换流器；第二模块化多电平换流器包括位于上桥臂的第三电压源换流器和位于下桥臂的第四电压源换流器；第一电压源换流器和第二电压源换流器之间的连接点a通过交流母线与第三电压源换流器和第四电压源换流器之间的连接点b连接，第三电压源换流器通过桥臂电感l1与连接点b连接，第四电压源换流器通过桥臂电感l2与连接点b连接；第一电压源换流器、第二电压源换流器、第三电压源换流器和第四电压源换流器均包括n个级联的功率模块，功率模块可以采用半桥型功率模块，也可以采用全桥型功率模块；半桥型功率模块和全桥型功率模块结构图分别如图3和图4所示，半桥型功率模块包括2个igbt模块和一个电容，igbt模块包括igbt和与igbt反并联的二极管，全桥型功率模块包括4个igbt模块和一个电容，igbt模块包括igbt和与igbt反并联的二极管。

本发明实施例3提供的模块化多电平换流器的测试系统还包括直流电容，直流电容用于维持充电电源与对拖模块之间直流母线的直流电压。

直流电容包括第一直流电容c1和第二直流电容c2，第一直流电容c1一端与第二直流电容c2相连并接地，第一直流电容c1另一端分别与所述充电电源的一端、第一电压源换流器和第三电压换流器之间的直流母线相连，第二直流电容c2另一端分别与充电电源的另一端、第二电压源换流器和第四电压换流器之间的直流母线相连。

第一直流电容c1通过滤波电感l3与第一电压源换流器和第三电压换流器之间的直流母线相连，滤波电感l3用于对该线路上的电流进行滤波。

第一电压源换流器和第三电压换流器之间的直流母线和第二电压源换流器和第四电压换流器之间的直流母线上分别设有电压互感器pt1和电压互感器pt2，电压互感器pt1和电压互感器pt2分别用于采集各自所在直流母线的电压。

交流母线上设有电流互感器ct，电流互感器ct用于采集负载电感l4的电流。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。