一種基于四象限電力電子變流器的電機模擬裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于四象限電力電子變流器的電機 模擬裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機在工業(yè)生產(chǎn)和研宄試驗中有著至關(guān)重要的作用。同步發(fā)電機、異步發(fā)電機可 以發(fā)出有功功率和感性、容性無功功率，因此可以為負(fù)載供電或?qū)﹄娋W(wǎng)進行有功、無功調(diào) 節(jié)。同步電動機、異步電動機可以吸收有功功率和感性、容性無功功率，因此可以作為負(fù)載 或?qū)﹄娋W(wǎng)進行有功、無功調(diào)節(jié)。
[0003] 由于傳統(tǒng)電機的慣性大、響應(yīng)慢且功能具有局限性，對電機的控制較復(fù)雜，因此， 用電力電子裝置模擬電機特性得到青睞。申請?zhí)枮?01410157692. 0的中國發(fā)明專利公開 了《一種基于虛擬同步發(fā)電機的微網(wǎng)微源控制方法》，該專利利用電力電子來模擬同步發(fā)電 機的特性，可以模擬同步發(fā)電機對微網(wǎng)進行有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)，同時還可實現(xiàn)微網(wǎng)不同 運行模式下的切換，但是該方法只能模擬同步發(fā)電機的運行特性，具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于四象限電力電子變流器的電機模擬裝置及方法， 既可以模擬同步發(fā)電機、異步發(fā)電機的特性，還可以模擬同步電動機、異步電動機的特性。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于四象限電力電子變流器的電機模擬裝置，包括輸入開關(guān)、輸入變壓器、連 接電抗、功率單元、輸出電抗、輸出開關(guān)及第一控制系統(tǒng)，所述輸入變壓器采用三個單相變 壓器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，原邊采用三角形接法，副邊采用多副邊繞組結(jié)構(gòu)，每個副邊繞組均依次連接 連接電抗及單個功率單元，每個副邊繞組上的單個功率單元之間采用級聯(lián)形式連接起來， 組成單相功率單元，功率單元由三個單相功率單元組成，三個單相功率單元的輸出端均分 別通過輸出電抗及輸出開關(guān)與電網(wǎng)或待測設(shè)備相連，功率單元的輸出端采用帶中線的星型 接法，第一控制系統(tǒng)控制連接功率單元的逆變側(cè)，用于形成調(diào)制波對功率單元的逆變側(cè)進 行調(diào)制；
[0007] 所述第一控制系統(tǒng)在形成調(diào)制波時，先對功率單元逆變側(cè)有功功率的參考值和實 際值的差值進行PI控制，同時第一控制系統(tǒng)還對功率單元逆變側(cè)無功功率的參考值和實 際值的差值進行PI控制，將有功功率和無功功率的PI控制結(jié)果進行坐標(biāo)變換，得到功率單 元逆變側(cè)的電流參考值，第一控制系統(tǒng)再將此參考值與功率單元逆變側(cè)電流實際值之差進 行重復(fù)學(xué)習(xí)控制，得到電壓調(diào)制信號，然后第一控制系統(tǒng)將變流器輸出端的輸出電壓及超 前于輸出端電壓90°的調(diào)制電壓相加，得到電壓前饋控制信號，最后，第一控制系統(tǒng)將此電 壓前饋控制信號與電壓調(diào)制信號相加，得到功率單元逆變側(cè)的調(diào)制波，將此調(diào)制波加在功 率單元的逆變側(cè)，即可對功率單元的逆變側(cè)進行調(diào)制，從而調(diào)節(jié)裝置輸出電壓和輸出電流 的相位。
[0008] 所述每個副邊繞組上的單個功率單元采用兩個H橋背靠背連接方式，左側(cè)H橋為 整流側(cè)，右側(cè)H橋為逆變側(cè)，H橋采用全控半導(dǎo)體器件，且均并聯(lián)有反向續(xù)流二極管，在兩個 H橋之間并聯(lián)有儲能電容。
[0009] 所述的每個副邊繞組上的單個功率單元之間采用級聯(lián)形式連接起來，級聯(lián)個數(shù)由 待模擬電機的電壓等級確定，每相的單個功率單元的逆變側(cè)采用載波移相正弦波脈寬調(diào)制 方式進行控制。
[0010] 還包括第二控制系統(tǒng)，第二控制系統(tǒng)控制連接功率單元的整流側(cè)，用來形成調(diào)制 波對功率單元整流側(cè)進行調(diào)制，在形成調(diào)制波時，第二控制系統(tǒng)通過先將采集到的儲能電 容兩端的電壓進行滑窗求平均，得到一個周期的平均值之后，再將此平均值和儲能電容兩 端的額定電壓之差進行PI控制，第二控制系統(tǒng)再將PI控制的輸出信號與電壓互感器采集 到的輸入變壓器副邊繞組的電壓相乘后，得到功率單元輸入電流的參考值，然后，第二控制 系統(tǒng)將此參考值與電流互感器采集到的功率單元輸入電流的測量值之差進行P控制，得到 調(diào)制信號，接著，第二控制系統(tǒng)將輸入變壓器副邊繞組的電壓進行P控制后得到前饋控制 信號，最后，第二控制系統(tǒng)將調(diào)制信號與前饋控制信號相加，即可得到功率單元整流側(cè)的調(diào) 制波，將此調(diào)制波加在功率單元的整流側(cè)，即可對功率單元的整流側(cè)進行調(diào)制，使儲能電容 上具有穩(wěn)定的電壓。
[0011] 一種基于四象限電力電子變流器的電機模擬方法，依次包括以下步驟
[0012] (1)先閉合輸入開關(guān)，輸入變壓器投入工作，儲能電容開始充電；
[0013] (2)選擇所需的電壓UMf、電流IMf、相角0 Mf，計算出有功功率參考值PMf、無功功 率參考值 QMf，其中，PMf= U MfIrafcos 9 raf，Qraf= U MfIMfsin 9 ，下標(biāo) ref表示電網(wǎng)；
[0014] (3)利用功率傳感器采集功率單元逆變側(cè)的有功功率P和無功功率Q，將計算出的 有功功率參考值P Mf與測量到功率單元逆變側(cè)的的有功功率P的差值輸入第一 PI控制器， 將計算出的無功功率參考值Qref與測量到功率單元逆變側(cè)的的無功功率Q的差值輸入進行 輸入第二PI控制器，經(jīng)過PI控制之后的有功功率和無功功率經(jīng)過坐標(biāo)變換后得到功率單
示積分；
[0015] (4)利用電流互感器采集功率單元逆變側(cè)的電流實際值is，將步驟（3)得到的功 率單元逆變側(cè)的電流參考值與功率單元逆變側(cè)的電流實際值i 3的差值進行重復(fù)學(xué)習(xí)控 制，得到調(diào)制信號Vml;
[0016] (5)利用電壓互感器采集裝置輸出端電壓Us，將電壓Us乘以比例系數(shù)k p5后得到與 輸出電壓同相位的分量1^5113，電壓us±乘以比例系數(shù)k p6后得到超前于輸出電壓90°的分 量kp6us 1，1^5113與k p6us 1相加后，得到前饋控制信號Vm2，將調(diào)制信號Vml與前饋控制信號V m2 相加后，得到單個功率單元逆變側(cè)的調(diào)制波Vni，電壓usi為超前于裝置輸出端電壓90°的電 壓，下標(biāo)P表示比例；
[0017] (6)將步驟（5)得到的單個功率單元逆變側(cè)的調(diào)制波Vni依次錯開180/N，N為每相 功率單元的個數(shù)，即可得到各個功率單元的調(diào)制波；
[0018] (7)將步驟（6)得到的各個功率單元的調(diào)制波依次加在功率單元的逆變側(cè)，對功 率單元的逆變側(cè)進行控制，從而調(diào)節(jié)裝置輸出電壓和輸出功率的相位。
[0019]還包括步驟（8)至步驟（13)，具體為：
[0020] (8)利用電壓互感器采集儲能電容兩端的電壓，記為ud。，將其滑窗求平均得到一 個周期的平均值，下標(biāo)dc表示直流；
[0021] (9)將步驟⑶得到的平均值與儲能電容兩端電壓的參考值的差值A(chǔ)udc 輸入第三PI控制器，得到信號A I，參考值的大小等于儲能電容的額定電壓；第三PI控
表;^拉普拉斯變換；
[0022] (10)利用電壓互感器采集輸入變壓器副邊繞組的電壓Usl，將步驟（9)得到的信號 A I與輸入變壓器副邊繞組電壓Usl相乘后得到功率單元輸入電流的參考值G，下標(biāo)si表示 變壓器副邊，下標(biāo)s表示變壓器；
[0023] (11)利用電流互感器采集功率單元的輸入電流is，將功率單元輸入電流的參考值 g與功率單元輸入電流的測量值^的差值A(chǔ)i JiI入第一 P控制器，乘以比例系數(shù)kpl后，得 到電壓調(diào)制信號Uml，其中，下標(biāo)p表示比例；
[0024] (12)將采集到的輸入變壓器副邊繞組的電壓Usl輸入第二P控制器，乘以比例系 數(shù)k p2后，得到電壓前饋控制信號U m2，將電壓調(diào)制信號Unll與電壓前饋控制信號U m2相加，得 到功率單元整流側(cè)的調(diào)制波Uni，其中，下標(biāo)Sl表示變壓器副邊，下標(biāo)S表示變壓器，下標(biāo)P 表示比例；
[0025] (13)將步驟（12)得到的調(diào)制波UjJP在功率單元的整流側(cè)，使儲能電容上具有穩(wěn) 定的電壓。
[0026] 本發(fā)明可以同時模擬同步發(fā)電機、同步電動機、異步發(fā)電機、異步電動機的特性。
[0027] 當(dāng)電流超前電壓0~90°時，變流器發(fā)出有功功率功率和容性無功；當(dāng)電流滯后 電壓0~90°時，變流器發(fā)出有功功率和感性無功功率，此時變流器模擬同步或異步發(fā)電 機特性。
[0028] 當(dāng)電流超前電壓90~180°時，變流器吸收有功功率和感性無功功率；當(dāng)電流滯 后電壓90~180°時，變流器吸收有功功率和容性無功功率，此時變流器模擬同步或異步 電動機特性。
[0029] 在發(fā)電機特性時，變流器可為負(fù)載提供電源，也可為負(fù)載提供試驗源以檢測負(fù)載 特性，還可調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率等；在電動機特性時，變流器作為負(fù)載，可為待考核電源提供 負(fù)載以檢測電源特性，亦可作為負(fù)載調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率平衡等；同時本發(fā)明采用四象限電力電 子變流器模擬電機，控制方便，響應(yīng)及時。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明所述的基于四象限電力電子變流器的電機模擬裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖2為圖1所示裝置中功率單元的電路圖；