变流器测试平台及测试方法与流程

1.本发明涉及变流器技术领域，特别涉及一种变流器测试平台及测试方法。


背景技术：

2.目前，风电市场竞争非常激烈，各大公司加大了对变流器研发的投入，产品更新换代较为频繁。各公司为了保持风电市场的占有率，同样增加了对变流器研发的投入。在变流器研发过程中，需要对产品进行测试，验证产品与设计方案是否匹配。针对产品的测试项目较多，包括产品系统测试、emc测试、环境试验测试、白盒测试和igbt功率模块测试。其中，igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)功率模块为变流器的核心部件，是实现交直流变换的主要器件，为系统白盒中的重要测试对象，需要投入较多资源进行测试。
3.随着变流器更大功率等级、多并联、anpc三电平的发展趋势，机柜内功率套件个数越来越多。但现有技术侧重于变流器的测试实现、测试电路搭建等，仅针对单个功率模块的测试平台、测试方法，缺少量产测试、批量测试、自动化测试等的相关技术，在整机出厂测试、实现整机多个功率模块的脉冲测试等领域进展缓慢。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种变流器测试平台及测试方法，以解决现有的变流器测试缺少量产测试、批量测试、自动化测试的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种变流器测试平台，包括：
6.操作终端，被配置为向控制单元提供测试指令；
7.控制单元，被配置为根据测试指令向被测主回路提供测试信号；以及
8.被测主回路，被配置为由母线bus、电压传感器、电流传感器、交流电抗器及被测试的功率模块构成被测试的功率模块的测试电路，并根据被测试的功率模块的性能生成测试数据；
9.其中所述控制单元和所述被测主回路位于变流器内部。
10.可选的，在所述的变流器测试平台中，所述控制单元包括：
11.主控板，被配置为由具有数据处理、程序控制功能的芯片搭建，以与操作终端进行通信；以及
12.驱动板，被配置为与主控板通过排线连接，以根据其接收到的主控板发出的pwm指令和/或转换电平，将相适应的门级信号分配至各个被测试的功率模块，进而控制各个被测试的功率模块的导通和关断。
13.可选的，在所述的变流器测试平台中，单独搭建控制单元和被测主回路，或直接利用变流器自身硬件作为控制单元和被测主回路；
14.操作终端为个人电脑，与变流器的控制单元通过网线连接；
15.确定操作终端、控制单元和被测主回路连接后，测试人员能够通过个人电脑直接
对变流器进行手动操作，进行各类测试，并获取测试数据。
16.可选的，在所述的变流器测试平台中，控制单元与被测主回路之间连接的方式和工作原理包括：
17.控制单元通过排线与功率套件的驱动板连接，脉冲测试时，主控板在收到测试指令后，按照测试前设置的初始参数，通过排线向驱动板发送匹配的pwm信号，所述初始参数包括脉冲宽度和续流时间，
18.在变流器整机内，驱动板直接固定在功率套件表面，功率套件表面和四周具有固定尺寸的接线孔和交流出力铜端子，在设计驱动板时按照套件端子位置相应的尺寸和方位预留匹配的接线孔，驱动板直接通过螺栓固定安装在功率套件上。
19.可选的，在所述的变流器测试平台中，驱动板的供电通过排线取自控制单元；
20.驱动板接收到匹配的pwm信号后，驱动板通过调压模块、隔离模块和驱动电阻产生相适应的门级信号，施加在功率套件ge端，以控制功率套件的导通和关断；
21.在母线bus带电的情况下，电压传感器采集被测主回路各处的电压作为测试数据，电流传感器采集被测主回路各处的电流作为测试数据，观测功率套件交流侧的电流波形和电压波形，测试数据被提供至控制单元中，控制单元根据测试数据中的电压和电流进行实时运算和判断，电流波形和电压波形提供至操作终端的显示器界面。
22.可选的，在所述的变流器测试平台中，被测主回路的接线方式和工作原理是：母线bus和母线电容连接至功率套件直流端；
23.功率套件交流端连接至交流电抗器，交流电抗器出口处采用短路夹短接，以构成完整的回路。
24.可选的，在所述的变流器测试平台中，脉冲测试时，母线bus先得电，控制单元采集到母线电压后，进行脉冲测试，个人电脑发出测试指令，控制单元收到测试指令后，控制pwm脉冲收发，经驱动板调理后提供至igbt的门级，以使igbt导通或关断；
25.控制单元采集到的电流波形和电压波形后，以离散的方式生成若干个测试点，并与标准波形的包络进行比较，如果每个测试点都在包络内，则脉冲测试通过，该igbt的功能完好，输出波形和结果，该单个igbt的脉冲测试完成。
26.本发明还提供一种基于上述的变流器测试平台的测试方法，多个功率套件的自动化脉冲测试方法包括：
27.进行准备工作，将交流电抗器输出端进行短接，将个人电脑、控制单元和被测主回路进行连接，进行测试参数的配置，测试参数包括脉冲时间、脉冲个数和续流时间；在变流器整机上测试，若交直流源能够得电，则通过交直预充电的方式使母线得电，或直接连接直流高压源的方式使母线得电；
28.测试人员检查无误后，用上位机发出测试指令，开始自动化脉冲测试：主控板收到测试指令后，按照运行在主控板内的程序顺序自动连续测试全部的功率套件；
29.当前igbt测试包括：主控板提供pwm脉冲，经过驱动板调理后控制igbt导通和关断，被测回路动作后产生电压波形和电流波形，电压传感器采集母线电压和交流电抗器端电压，电流传感器采集功率套件交流端电流。
30.可选的，在所述的变流器测试方法中，
31.当前igbt测试结束后，主控板按程序写好的顺序，自动进行下一个igbt的脉冲测
试，重复当前igbt测试步骤直到测完所有igbt；
32.若发生故障，则停止测试，并提示测试人员排故，排故结束后，可以选择继续测试或者重新测试；
33.将套件应力测试程序、均流特性测试程序和电抗器饱和曲线测试程序提前加入对应的测试程序，在脉冲测试过程中，同步进行套件应力测试、均流特性测试和电抗器饱和曲线测试，作为脉冲测试的附加功能。
34.可选的，在所述的变流器测试方法中，套件应力测试包括：在获得母线电压、功率套件交流侧电流、功率套件uce电压之后，将脉冲测试的参数调整，使脉冲测试的工况为极限条件(最严苛条件)，进行脉冲测试，得到功率套件在极限母线电压时关断最大电流时的uce，完成功率套件的套件应力测试。
35.可选的，在所述的变流器测试方法中，均流特性测试包括：同样的极限工况下，获得多并联的功率套件交流端出口和功率套件直流端出口的每个支路电流数据后，得到均流特性的测试数据，由主控板收集并分析结果，采集到的电流波形和电压波形以离散的方式生成若干个测试点，并与标准波形的包络进行比较，如果每个测试点都在包络内，则均流特性测试通过，该igbt的功能完好，输出波形和结果，该单个igbt的均流特性测试完成。
36.可选的，在所述的变流器测试方法中，电抗器饱和曲线的测试包括：利用变流器整机的脉冲测试，软件控制产生不同的脉冲时间以实现大小不同的脉冲电流，电流流经交流电抗器时，电压传感器采集交流电抗器两端产生的压降；
37.按照运行在主控板内的程序顺序自动连续测试全部的功率套件，不同的电抗电流对应不同的电抗器端电压，根据公式u＝ldi/dt，得到电抗器饱和曲线。
38.在本发明提供的变流器测试平台及测试方法中，通过操作终端向控制单元提供测试指令，通过位于变流器内部的控制单元向被测主回路提供测试信号，由于位于变流器内部的被测主回路包括母线bus、电压传感器、电流传感器、交流电抗器及被测试的功率模块，构成了被测试的功率模块的测试电路，因此被测主回路能够根据被测试的功率模块的性能生成测试数据，因此无需额外的测试电路和测试平台，由一个操作终端连接变流器本身硬件即可搭建测试平台。
39.进一步的，本发明通过自动化脉冲测试，即主控板收到测试指令后，按照运行在主控板内的程序顺序自动连续测试全部的功率套件，有效解决工厂量产时双脉冲测试耗时长、经济效益低的问题，减少人力物力的投入；通过控制单元采集到的电流波形和电压波形后，以离散的方式生成若干个测试点，并与标准波形的包络进行比较，如果每个测试点都在包络内，则脉冲测试通过，该igbt的功能完好，输出波形和结果，该单个igbt的脉冲测试完成，实现了自动判断和生成测试结果，有效减少人为获取测试结果导致的误判，提高测试准确度。
40.进一步的，本发明通过将套件应力测试程序、均流特性测试程序和电抗器饱和曲线测试程序提前加入对应的测试程序，在脉冲测试过程中，同步进行套件应力测试、均流特性测试和电抗器饱和曲线测试，作为脉冲测试的附加功能，实现了利用变流器整机平台，可以测试出套件交流回路电抗器的饱和曲线，可以测试出套件在极端工况下的均流、电压应力等的边界能力。
41.结构上，可以利用待测变流器自身现成的控制平台，电抗器、母线、功率套件等硬
件回路，只需要一台个人电脑操作即可在整机上进行测试，实现简单，不需要额外的硬件成本。原因是，功率套件脉冲测试所需要的全部硬件，如交直流源接口、功率套件、续流回路、限流电抗器、发波装置和驱动板、上位机等在一台变流器整机上一般是俱备的，所以直接利用整机自身资源即可测试，不用额外搭建工装；
42.功能上，一个是可以实现大量功率套件的脉冲测试，提高了测试效率；二是通过自动判断测试结果，减少了人为判断，提高了测试准确度；原理就是利用整机现成的可编辑软件平台，将需要人为去手动操作的测试步骤通过软件语言写在主控板内，让主控板按照人的意愿，依照固定的步骤去做相应的测试，并判断测试结果，以此实现大量重复igbt脉冲测试工作的自动化。三是可以进行额外的附加测试项，包括套件的应力、均流特性、电抗器饱和曲线测定等。
附图说明
43.图1是本发明一实施例中的变流器测试平台示意图；
44.图2是本发明一实施例中的变流器测试方法示意图；
45.图3是本发明一实施例中的变流器测试平台的被测主回路示意图。
具体实施方式
46.下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
47.应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
48.在本发明中，除非特别指出，“布置在
…
上”、“布置在
…
上方”以及“布置在
…
之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在
…
上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在
…
下或下方”，反之亦然。
49.在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
50.在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
51.在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本技术的公开范围或记载范围。
52.在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
53.另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
54.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的变流器测试平台及测试方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附
图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
55.本发明的目的在于提供一种变流器测试平台及测试方法，以解决现有的变流器测试缺少量产测试、批量测试、自动化测试的问题。
56.为实现上述目的，本发明提供了一种变流器测试平台及测试方法，包括：操作终端，被配置为向控制单元提供测试指令；控制单元，被配置为根据测试指令向被测主回路提供测试信号；以及被测主回路，被配置为由母线bus、电压传感器、电流传感器、交流电抗器及被测试的功率模块构成被测试的功率模块的测试电路，并根据被测试的功率模块的性能生成测试数据；其中所述控制单元和所述被测主回路位于变流器内部。
57.本发明可以有效解决工厂量产时双脉冲测试耗时长、经济效益低的问题，减少人力物力的投入；有效减少测试结果人为导致的误判，提高测试准确度；本发明的变流器测试平台还具有附加功能，包括：利用整机平台，可以测试出套件交流回路电抗器的饱和曲线；以及可以测试出功率套件在极端工况下的均流、电压应力等的边界能力。
58.如图1所示，本发明的变流器测试平台的硬件分为如上三个部分，其中操作终端(例如人机交互界面、上位机等)是用来连接变流器的电脑或具备同样功能的设备(例如控制单元、变流器的主控板等)。控制单元和被测主回路处于变流器内部。其中，控制单元包括主控板和驱动板两部分。主控板一般是用dsp/arm等具有数据处理、程序控制等功能的芯片搭建的控制器，支持各类通信接口或通信协议，如与个人电脑的网口通信等；驱动板与主控板通过排线连接，负责接收主控板发出的pwm指令(即pwm信号或pwm脉冲)、转换电平、分配合适的门级信号给到被测试的功率模块，进而控制功率模块的导通和关断。被测试的功率模块位于被测主回路内，如图3所示，被测主回路还包括母线bus、电压传感器、电流传感器、交流电抗器等。
59.测试方法对应的流程图如图2所示：各部件之间的连接/逻辑关系和工作原理：控制单元和被测主回路可以单独搭建，或者如图1所示，直接利用变流器自身硬件，属于现成的硬件回路；操作终端可以是个人电脑，与变流器的控制单元通过网线或者其他通信方式连接。个人电脑连到变流器控制板(即主控板)，并且确保变流器其余硬件回路连接好之后，测试人员可以在自己的个人电脑上直接对变流器进行手动操作，进行各类测试，并获取测试数据。
60.具体来说，控制单元与被测主回路之间连接的方式和工作原理是：控制单元通过排线与功率套件(或简称为“套件”)的驱动板连接，脉冲测试时，控制单元在收到测试指令之后，按照测试前人为设置好的初始参数，如脉冲宽度、续流时间等，发出匹配的pwm信号，此信号通过排线给到驱动板上，另外驱动板的供电同样通过排线取自控制单元；在变流器整机内，驱动板一般是直接固定在功率套件表面，功率套件表面和四周有固定尺寸的接线孔和交流出力铜端子，驱动板在设计时就按照套件端子位置相应的尺寸和方位留好匹配的接线孔，之后具体安装时驱动板是直接通过螺栓固定在功率套件上；驱动板收到控制单元发过来的pwm信号后，自身内部再经过调压、隔离、驱动电阻等产生合适的门级信号，施加在功率套件ge端即可控制模块导通和关断；在母线带电的情况下，套件交流侧可观察到电流波形，回路各处的电压、电流通过各类传感器被采集到控制单元中，进行实时运算和判断，并可以被人实时看到计算结果和波形。
61.被测主回路的接线方式和工作原理是：如图3所示，展示了一半的双向变流器或者可以认为是完整的储能逆变器的功率回路，三并联，anpc的拓扑，如图3所示，设备内全部的igbt模块个数达到上百个。母线bus和母线电容连接到功率套件直流端；功率套件交流端(单相/三相)连接到交流电抗器，电抗器出口处需要人为用短路夹短接，以构成完整的回路。脉冲测试时，母线先得电，控制单元采集到母线电压后，可以进行脉冲测试，个人电脑发出测试指令，控制单元收到指令后，控制pwm脉冲收发，经驱动板调理后给到igbt门级，之后igbt动作，回路产生的电压电流数据被采集之后给到控制单元。以电流波形为例，控制单元采集到的波形后，以离散的方式生成若干个点，并与标准波形的包络进行比较，如果每个点都在包络内，则认为脉冲测试通过，此igbt的功能基本是完好的。最后输出波形和结果，此为单个脉冲测试的测试原理。
62.多个功率套件的自动化脉冲测试方法包括：首先进行准备工作，准备工作包括：
63.1)包括电抗器输出端短接、连接个人电脑进行脉冲时间、脉冲个数、续流时间等测试参数的配置；
64.2)在整机上测试，若交直流源可得电，则可以通过交直预充电的方式或直接连接直流高压源的方式使母线得电；
65.3)测试人员检查无误后，用上位机发出测试指令。
66.其次开始自动化脉冲测试(核心步骤)：
67.1)主控板收到测试指令后，即按照程序(运行在变流器主控板内)写好的顺序测试全部的功率套件(以下以igbt代称)；
68.2)主控板给出pwm指令，经过驱动板调理后控制igbt导通和关断。回路动作后，产生电压波形和电流波形，电压传感器和电流传感器可以分别采集到母线电压、套件交流电流、电抗器端电压等参数。
69.3)根据采集到的电压电流参数，软件自动判断脉冲测试结果。以电流波形为例，控制单元采集到波形后，以离散的方式采样生成若干个测试点，并与标准波形的包络(例如人为给出的理论值)进行比较，如果每个测试点都在包络内，则认为脉冲测试通过，此igbt的功能基本是完好的(即实现自动判断测试结果)。
70.4)当前igbt测试结束后，主控板按程序写好的顺序，自动进行下一个igbt的脉冲测试，重复核心步骤中的2)～4)步骤直到测完所有igbt(即实现自动连续测试)；
71.若发生故障，则停止测试，并提示测试人员排除故障，故障排除结束后，可以选择继续测试或者重新测试；
72.测试过程中，针对igbt的脉冲测试是连续不间断的，中间不需要人为判断和干预，除非测到故障导致测试中止，故非常适合大功率变流器出厂的自动化测试实现。另外，作为此测试方法和结构的附加功能，脉冲测试过程中，可以同步测试套件的应力、均流特性、电抗器饱和曲线等，只需要提前加入对应的测试程序。
73.套件应力、均流特性、电抗饱和曲线等辅助测试项实现方式如下：
74.在脉冲测试过程中，因为变流器自身具备现成的各类电压电流传感器，并且在设备内部可以很方便的施加额外的传感器，故各处的电压和电流数据可以被很方便的得到。
75.在可以获得母线电压、套件交流侧电流、套件uce电压之后，通过人为将脉冲测试的参数调整，使脉冲测试的工况趋近严苛。进行脉冲测试，即可得出igbt在极限母线电压时
关断最大电流时的uce，即实现了套件应力测试；同样的极限工况下，获得了多并联的套件交直流出口的每个支路电流数据后，即可得到均流特性的测试数据。这些数据可以被控制板自己收集并分析结果，原理也是与脉冲测试结果判断一致的。
76.电抗饱和曲线的测试方式是，同样利用整机的脉冲测试，软件控制不同的脉冲时间以实现大小不同的脉冲电流，电流流经电抗器时，在电抗器两端产生的压降可以被电压传感器采集到。不同的电抗电流对应不同的电抗器端电压，即得到一条u
‑
i变化曲线，即得到了电抗器饱和曲线。这个过程同样可以是自动化的过程，只要软件按照人为设置的点位，按序测试并采集数据即可，原理与脉冲测试的自动化一致。
77.在变流器等大功率电力电子设备出厂批量测试过程中，一台整机有上百个甚至更多的igbt，如果是以往的方法，需要测试人员一个个按顺序手动测试、肉眼判断测试结果。如果此时测试人员通过自动化的脉冲测试方法，可以将出厂脉冲测试时间控制在很小的工时内，既快速又准确。
78.综上，上述实施例对变流器测试平台及测试方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
79.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
80.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。