CN105958467A - 一种直流线路阻抗模拟器及其阻抗模拟控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流线路阻抗模拟器及其阻抗模拟控制方法，包括串联的AC/DC变换器和H桥直流变换器，所述H桥直流变换器的输出端并联双向晶闸管，该双向晶闸管的正负极两端作为直流线路的串联电压输出，控制直流线路阻抗模拟器两端电压输出，可改变并联线路的电流差值，进而调节线路阻抗。微电网模拟系统中采用本发明阻抗模拟器能将等效阻抗的功率再返回到电网中去，降低原先采用串联电阻所造成的电能损耗，满足了电网对线路阻抗线性及精确调节的要求，提高了微电网模拟系统的用电效率，降低了微电网实验系统的实验用电成本。

Description

一种直流线路阻抗模拟器及其阻抗模拟控制方法
技术领域
本发明涉及电气设备技术领域，具体涉及一种直流线路阻抗模拟器及其阻抗模拟控制方法。
背景技术
适用于分布式电源接入的微电网作为新兴的技术，目前在我国还处于刚起步的阶段，在实际运行中难免会出现很多不可预计的故障，导致线路烧毁、设备损坏等较为严重的后果。
根据有关电力单位现有的研究方法，目前对微电网运行的主要手段基本都以计算机为主，进行潮流计算、故障模拟仿真验证。到需要用相应仪器设备实际操作时，缺少能够很好地模拟现场实际的动模实验装置，即便是到运行现场实际操作，除了对安全运行带来隐患外也未必能提高处理应急故障的水平。这显然不能达到理论研究实用化的目的。
在微电网模拟实验系统中，除了要模拟的关键一次设备例如开关、变换器、直流变压器、能量路由器以外，还需要增加一定的线路阻抗电阻，以满足研究线路对潮流分布的影响。目前，一般采用的方法是在线路中串入固定阻值电阻或者是线绕可调电阻。前一种方法只能阶梯调节线路阻抗，且在阻抗投入或切除时，对所连的装置的电压或电流造成一定的冲击。后一种串联可调电阻方法无法精确调节电阻值，且阻值随着温度变化而变化。上述两种方法中，流过所串联电阻的电流都会产生有功功率损耗，造成实验过程中用电的浪费。
发明内容
本发明提供一种直流线路阻抗模拟器，满足了电网实验系统线路阻抗模拟要求，达到电路阻抗的精细化条件的目的，消除了传统实验方法中使用串联电阻而造成电气损耗，提高了微电网模拟系统的用电效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种直流线路阻抗模拟器，包括串联的AC/DC变换器和H桥直流变换器，所述H桥直流变换器的输出端并联双向晶闸管，该双向晶闸管的正负极两端作为直流线路的串联电压输出。
优选地，所述双向晶闸管的正极输出端上串联有直流保险丝。
优选地，所述双向晶闸管的正负极两端并联有直流断路器。
进一步地，所述AC/DC变换器包括第一主功率电路、第一控制回路以及第一调制电路，其中第一控制回路包括与所述第一主功率电路连接的输入电流检测电路和输出电压检测电路，以及用于连接第一调制电路与第一主功率电路的第一脉宽调制发生器。
进一步地，所述第一调制电路包括依次串联的第一减法器、第一比例积分控制器、第二减法器以及第二比例积分控制器，其中第一减法器的同相输入端接入电压给定值，第一减法器的反相输入端与输出电压检测电路连接，第一减法器的输出端与第一比例积分控制器的输入端连接，所述第二减法器的同相输入端与第一比例积分控制器的输出端连接，第二减法器的反相输入端与输入电流检测电路连接，第二减法器的输出端与第二比例积分控制器的输入端连接，所述第二比例积分控制器的输出端与第一脉宽调制发生器的输入端连接。
进一步地，所述H桥直流变换器包括第二主功率电路、LC滤波器、第二控制回路以及第二调制电路，所述第二控制回路包括与LC滤波器并联的直流电流检测电路以及用于连接第二调制电路与第二主功率电路的第二脉冲调制发生器。
进一步地，所述第二调制电路包括串联的第三减法器和第三比例积分控制器，其中第三减法器的同相输入端接入电流给定值，第三减法器的反相输入端与直流电流检测电路连接，第三减法器的输出端与第三比例积分控制器的输入端连接，第三比例积分控制器的输出端与第二脉宽调制发生器的输入端连接。
本发明还提供一种采用上述直流线路阻抗模拟器的阻抗模拟控制方法，包括如下步骤：
1)用直流电压传感器检测AC/DC变换器的输出电压，得到输出电压反馈值；
2)用电流传感器检测AC/DC变换器的输入电流，得到电流反馈值；
3)将设定的电压给定值与电压反馈值相差，通过比例调节，得到电流给定值；
4)电流给定值与电流反馈值相差，再通过比例调节得到调制波信号，由脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形；
5)用直流电流传感器测量LC滤波器中电感上的电流，得到直流电流反馈值；
6)根据给定电阻值计算电流给定值，将电流给定值与电流反馈值相差，通过比例调节得到调制波信号，并由脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形；
7)脉冲波形驱动主功率电路中的功率器件开通或关断，形成脉冲电压波形，脉冲电压波形经过变换器内部滤波器之后，形成给定值的电压波形，通过调节脉冲波形的宽度调整电压幅值，产生所需要的模拟电阻的等效电压值。
由以上技术方案可知，微电网模拟系统中采用本发明阻抗模拟器进行阻抗模拟时，能将等效阻抗的功率再返回到电网中去，降低原先采用串联电阻所造成的电能损耗，满足了电网对线路阻抗线性及精确调节的要求，提高了微电网模拟系统的用电效率，降低了微电网实验系统的实验用电成本。
附图说明
图1为本发明阻抗模拟器的结构原理图；
图2为本发明中AC/DC变换器的结构拓扑图；
图3为本发明中H桥直流变换器的结构拓扑图；
图4为本发明的外部电气连接图。
图中：10、AC/DC变换器，11、第一主功率电路，121、输入电流检测电路，122、输出电压检测电路，123、第一脉宽调制发生器，13、第一调制电路，131、第一减法器，132、第一比例积分控制器，133、第二减法器，134、第二比例积分控制器，20、H桥直流变换器，21、第二主功率电路，22、LC滤波器，231、直流电流检测电路，232、第二脉冲调制发生器，24、第二调制电路，241、第三减法器，242、第三比例积分控制器，30、双向晶闸管，40、直流保险丝，50、直流断路器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图1所示，所述直流线路阻抗模拟器包括串联的AC/DC变换器(10)和H桥直流变换器(20)，所述H桥直流变换器的输出端接入双向晶闸管(30)，该双向晶闸管的正负极两端作为直流线路的串联电压输出。本实施例中，所述双向晶闸管(30)的正极输出端上串联有直流保险丝(40)，该直流保险丝的输出端与所述双向晶闸管的正负极输出端之间并联有直流断路器(50)。所述AC/DC变换器采用三相半桥变换器，其输入端为三相交流电，输出端为直流电，AC/DC变换器直流输出侧与H桥直流变换器输入侧相连，H桥直流变换器串联在线路中，起到控制电流或者电压的目的。
如图2所示，所述AC/DC变换器(10)包括第一主功率电路(11)、第一控制回路以及第一调制电路(13)，其中第一控制回路包括与所述第一主功率电路(11)连接的输入电流检测电路(121)和输出电压检测电路(122)，以及用于连接第一调制电路(13)与第一主功率电路(11)的第一脉宽调制发生器(123)。所述第一调制电路(13)包括依次串联的第一减法器(131)、第一比例积分控制器(132)、第二减法器(133)以及第二比例积分控制器(134)，其中第一减法器(131)的同相输入端接入电压给定值ud_ref，第一减法器(131)的反相输入端与输出电压检测电路(122)连接，第一减法器(131)的输出端与第一比例积分控制器(132)的输入端连接，所述第二减法器(133)的同相输入端与第一比例积分控制器(132)的输出端连接，第二减法器(133)的反相输入端与输入电流检测电路(121)连接，第二减法器(133)的输出端与第二比例积分控制器(134)的输入端连接，所述第二比例积分控制器(134)的输出端与第一脉宽调制发生器(123)的输入端连接。
AC/DC变换器10的具体控制方法如下：
用直流电压传感器检测输出电压得到电压反馈值ud，用电流传感器检测检测输入电流得到电流反馈值id，其中电压给定值ud_ref与电压反馈值通过第一减法器相差，再经过第一比例积分控制器，得到电流给定值Id_ref，然后将电流给定值Id_ref与电流反馈值id通过第二减法器相差，再经过第二比例积分控制器得到调制波信号，最终由第一脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形。
如图3所示，所述H桥直流变换器20包括第二主功率电路21、LC滤波器22、第二控制回路以及第二调制电路24，所述第二控制回路包括与LC滤波器并联的直流电流检测电路231以及用于连接第二调制电路与第二主功率电路的第二脉冲调制发生器232。所述第二调制电路24包括串联的第三减法器241和第三比例积分控制器242，其中第三减法器241的同相输入端接入电流给定值iL_ref，第三减法器241的反相输入端与直流电流检测电路231连接，第三减法器241的输出端与第三比例积分控制器242的输入端连接，第三比例积分控制器242的输出端与第二脉宽调制发生器232的输入端连接。
H桥直流变换器的具体控制方法如下：
用直流电流传感器测量LC滤波器中电感上的电流，得到直流电流反馈值iL，根据给定电阻值计算电流给定值iL_ref，将电流给定值与电流反馈值通过第三减法器相差，再经过第三比例积分控制器得到调制波信号，最终由第二脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形。
本发明直流线路阻抗模拟器是通过控制串联直流电压，调节所串线路中的潮流大小和方向，达到改模拟线路阻抗的目的。如图4所示，直流线路阻抗模拟器串联在直流线路B上，并与直流线路A串联，直流线路A作为旁路，当线路阻抗模拟器内部发生故障时，可通过闭合旁路开关，保持线路阻抗模拟器所串联线路传输线路正常运行，也便于装置日常维护。
假定直流线路阻抗模拟器所串联的直流线路B的等效阻抗值为R1，所并联的直流线路A的等效阻抗值为R2。直流线路B流过的电流为I1，直流线路A流过的电流值为I2，根据电路可以得到如下表达式：
I1R1+ΔV＝I2R2
上式说明，改变直流线路阻抗模拟器两端电压ΔV，就可改变电流I1和电流I2之间差值，从而达到调节线路阻抗的效果。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种直流线路阻抗模拟器，其特征在于，包括串联的AC/DC变换器(10)和H桥直流变换器(20)，所述H桥直流变换器(20)的输出端并联双向晶闸管(30)，该双向晶闸管的正负极两端作为直流线路的串联电压输出。
2.根据权利要求1所述的直流线路阻抗模拟器，其特征在于，所述双向晶闸管(30)的正极输出端上串联有直流保险丝(40)。
3.根据权利要求1所述的直流线路阻抗模拟器，其特征在于，所述双向晶闸管(30)的正负极两端并联有直流断路器(50)。
4.根据权利要求1所述的直流线路阻抗模拟器，其特征在于，所述AC/DC变换器(10)包括第一主功率电路(11)、第一控制回路以及第一调制电路(13)，其中第一控制回路包括与所述第一主功率电路连接的输入电流检测电路(121)和输出电压检测电路(122)，以及用于连接第一调制电路与第一主功率电路的第一脉宽调制发生器(123)。
5.根据权利要求4所述的直流线路阻抗模拟器，其特征在于，所述第一调制电路(13)包括依次串联的第一减法器(131)、第一比例积分控制器(132)、第二减法器(133)以及第二比例积分控制器(134)，其中第一减法器的同相输入端接入电压给定值，第一减法器的反相输入端与输出电压检测电路(122)连接，第一减法器的输出端与第一比例积分控制器的输入端连接，所述第二减法器的同相输入端与第一比例积分控制器的输出端连接，第二减法器的反相输入端与输入电流检测电路(121)连接，第二减法器的输出端与第二比例积分控制器的输入端连接，所述第二比例积分控制器的输出端与第一脉宽调制发生器(123)的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的直流线路阻抗模拟器，其特征在于，所述H桥直流变换器(20)包括第二主功率电路(21)、LC滤波器(22)、第二控制回路以及第二调制电路(24)，所述第二控制回路包括与LC滤波器并联的直流电流检测电路(231)以及用于连接第二调制电路与第二主功率电路的第二脉冲调制发生器(232)。
7.根据权利要求6所述的直流线路阻抗模拟器，其特征在于，所述第二调制电路(24)包括串联的第三减法器(241)和第三比例积分控制器(242)，其中第三减法器的同相输入端接入电流给定值，第三减法器的反相输入端与直流电流检测电路(231)连接，第三减法器的输出端与第三比例积分控制器的输入端连接，第三比例积分控制器的输出端与第二脉宽调制发生器(232)的输入端连接。
8.一种采用权利要求1所述直流线路阻抗模拟器的阻抗模拟控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）用直流电压传感器检测AC/DC变换器的输出电压，得到输出电压反馈值；
2）用电流传感器检测AC/DC变换器的输入电流，得到电流反馈值；
3）将设定的电压给定值与电压反馈值相差，通过比例调节，得到电流给定值；
4）电流给定值与电流反馈值相差，再通过比例调节得到调制波信号，由脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形；
5）用直流电流传感器测量LC滤波器中电感上的电流，得到直流电流反馈值；
6）根据给定电阻值计算电流给定值，将电流给定值与电流反馈值相差，通过比例调节得到调制波信号，并由脉冲调制发生器产生脉宽可变的脉冲波形；
7）脉冲波形驱动主功率电路中的功率器件开通或关断，形成脉冲电压波形，脉冲电压波形经过变换器内部滤波器之后，形成给定值的电压波形，通过调节脉冲波形的宽度调整电压幅值，产生所需要的模拟电阻的等效电压值。
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