CN107834569B - 一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷装置，该装置包括第一晶闸管投切控制支路、第二晶闸管投切控制支路、第三晶闸管投切控制支路，电阻R1，电容C1、C2，电抗L1、L2；第一晶闸管投切控制支路与电抗L1串接后并联到电源上，第二晶闸管投切控制支路与电容C1串接后并联到电源上，电抗L2与电容C2串联后并联到电源上，第三晶闸管投切控制支路与电阻R1串接后并联到电容C2两端。

Description

一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷装置

技术领域

本发明涉及无功补偿器领域，更具体地，涉及一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷装置。

背景技术

传统的静态负载，一般采用有级调节，很难满足阻值连续变化情况以及负载形式灵活变化的要求；形式单一，实际应用中很多负载都要求是动态变化的，如消耗功率是温度、时间、频率等的函数，也可能是要求恒定电流、恒定电压、恒定阻抗、不同功率因数或非线性形式的负载等，传统的静态负载模拟不了复杂的负载形式；负载设备体积庞大，占用很大空间，且不容易满足大功率试验的场合。为此，本文采用一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷。通过对晶闸管交流调压电路的研究发现，当进行移相控制时，可以连续调节负载承受的电压或功率。当不考虑电能质量(电流谐波等)时，通过调节晶闸管的触发延迟角α连续调节电源发出的功率，从而模拟不同的负载值，但电源的放电电流与真实负载测试下的电流有较大的差别；当考虑电能质量即对注入电源的电流谐波进行滤除时，这时调节晶闸管的触发延迟角α可以调节电源发出电流的波形，从而模拟不同的负载值。

发明内容

本发明提供一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷装置，该装置可以模拟不同的等效电纳，从而调节SVC(静止无功补偿器)注入系统的无功功率。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷装置，包括第一晶闸管投切控制支路、第二晶闸管投切控制支路、第三晶闸管投切控制支路，电阻R1，电容C1、C2，电抗L1、L2；第一晶闸管投切控制支路与电抗L1串接后并联到电源上，第二晶闸管投切控制支路与电容C1串接后并联到电源上，电抗L2与电容C2串联后并联到电源上，第三晶闸管投切控制支路与电阻R1串接后并联到电容C2两端。

进一步地，所述第三晶闸管投切控制支路的控制过程是：

其中，e为电源电压，E为电源电压的有效值，α为晶闸管的触发延迟角，I₁为电源基波电流的有效值，θ_i1为基波电流的初相角，U_L为电阻负载电压总的有效值；

当不增加滤波支路时，通过控制触发延迟角α来调节U_L，进而调节电源注入负载的有功功率

从而模拟不同的电阻值R_eq＝E²/P；当增加滤波支路滤除电源电流的高次谐波，可以通过控制α来调节I₁，从而模拟不同的电阻值R_eq＝E/I₁，理想情况下，控制触发延迟角α从0°到180°，等效电阻从R变化到无穷大。

进一步地，所述第一晶闸管投切控制支路的控制过程是：

其中，I₁为电源基波电流的有效值，I为电源总电流的有效值；

当不增加滤波支路时，通过控制触发延迟角α来调节I，进而调节电源注入负载的无功功率Q＝I²R，从而模拟不同的电抗值X_eq＝E²/Q；当增加滤波支路滤除电源电流的高次谐波，可以通过控制α来调节I₁，从而模拟不同的电抗值X_eq＝E/I₁，理想情况下，控制触发延迟角α从90°到180°，等效电感从L变化到无穷大。

进一步地，所述第二晶闸管投切控制支路的控制过程是：

当加在电容上的电压有阶跃跳变，即电容投入时刻电源电压与电容充电电压不相等时，将产生一冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频震荡等不利影响，通常串联一小电感，以抑制冲击电流，并且，晶闸管投切控制电容一般为整周波控制，非移相控制，调节不了电容值，采用晶闸管投切电容和晶闸管投切电感结合的方法，来调节电源注入负载的无功功率：

Q_C＝-ωCE² (7)

Q_E＝Q_L+Q_C (8)

当电源注入负载的无功功率Q_E为正时，此时负载模拟不同的电感；当电源注入负载的无功功率Q_E为负时，此时负载模拟不同的电容。此方法模拟不同电感，电容值时，由于存在LC滤波环节，能对电感支路产生的电流谐波进行滤除，使注入电源的电流接近正弦波。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用类似SVC调节无功的机制，将晶闸管投切电抗器，晶闸管投切电容器，晶闸管投切电阻器和滤波支路并联，组成一个装置式模拟负荷并联到系统中，调节电源发出的有功和无功功率，从而实现对RLC负荷的模拟。

附图说明

图1为基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷的拓扑结构图；

图2为晶闸管投切控制电阻支路单独作用时电阻负载的电压波形图；

图3为晶闸管投切控制电感支路单独作用时电感负载的电压电流波形图；

图4为晶闸管投切控制电容支路单独作用时电容负载的电压电流波形图；

图5为本模拟负荷装置的控制流程图；

图6为晶闸管投切控制方法示意图；

图7为Xeq与触发延迟角α的关系曲线；

图8为Req与触发延迟角α的关系曲线；

图9为模拟RL负荷时，保持Req不变，Req/Xeq分别为1/4,1/2,1，电网输出的a相电流的MATLAB仿真波形；

图10为模拟RC负荷时，保持Req不变，Req/Xeq分别为-1/4,-1/2,-1，电网输出的a相电流的仿真波形。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一、图1是基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷的拓扑结构图，总共有三条晶闸管投切控制支路和一条LC滤波支路，LC滤波支路主要对晶闸管投切控制时产生的电源电流谐波进行滤除。下面对三条晶闸管投切控制支路进行分析。

(1)晶闸管投切控制电阻支路

图2为晶闸管投切控制电阻支路单独作用时电阻负载的电压波形图，从图中可以看出，电阻负载电压和电流有较大的谐波含有量，可以列出下列方程：

其中，e为电源电压，E为电源电压的有效值，α为晶闸管的触发延迟角，I₁为电源基波电流的有效值，θ_i1为基波电流的初相角，U_L为电阻负载电压总的有效值。

当不增加滤波支路时，通过控制触发延迟角α来调节U_L，进而调节电源注入负载的有功功率

从而模拟不同的电阻值R_eq＝E²/P；当增加滤波支路滤除电源电流的高次谐波，可以通过控制α来调节I₁，从而模拟不同的电阻值R_eq＝E/I₁。理想情况下，控制触发延迟角α从0°到180°，等效电阻从R变化到无穷大。

(2)晶闸管投切控制电感支路

图3为晶闸管投切控制电感支路单独作用时电感负载的电压电流波形图，可列出下列方程：

其中，I₁为电源基波电流的有效值，I为电源总电流的有效值。

当不增加滤波支路时，通过控制触发延迟角α来调节I，进而调节电源注入负载的无功功率Q＝I²R，从而模拟不同的电抗值X_eq＝E²/Q；当增加滤波支路滤除电源电流的高次谐波，可以通过控制α来调节I₁，从而模拟不同的电抗值X_eq＝E/I₁。理想情况下，控制触发延迟角α从90°到180°，等效电感从L变化到无穷大。

(3)晶闸管投切控制电容支路

图4为晶闸管投切控制电容支路单独作用时电容负载的电压电流波形图。当加在电容上的电压有阶跃跳变，即电容投入时刻电源电压与电容充电电压不相等时，将产生一冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频震荡等不利影响，通常串联一小电感，以抑制冲击电流。并且，晶闸管投切控制电容一般为整周波控制，非移相控制，调节不了电容值，因此，本文采用晶闸管投切电容和晶闸管投切电感结合的方法，来调节电源注入负载的无功功率。

Q_C＝-ωCE² (7)

Q_E＝Q_L+Q_C (8)

当电源注入负载的无功功率Q_E为正时，此时负载模拟不同的电感；当电源注入负载的无功功率Q_E为负时，此时负载模拟不同的电容。此方法模拟不同电感，电容值时，由于存在LC滤波环节，能对电感支路产生的电流谐波进行滤除，使注入电源的电流接近正弦波。

二、晶闸管投切的控制策略

图5为本模拟负荷装置的控制流程图，下面对有功和无功控制过程进行分析。

(1)无功的控制策略

图6为晶闸管投切控制无功方法示意图，电压外环稳定电网电压，其偏差经过电压调节器输出参考无功电流，与晶闸管投切控制电感支路需要的无功电流(即电源输出无功电流与滤波支路和电容支路产生的无功电流之差)进行比较，其偏差经过电流调节器后输出等效电抗，通过线性化环节输出晶闸管投切控制电感的触发延迟角α，最终模拟等效的电抗值。由式(5)可以推出：

图7为X_eq与触发延迟角α的关系曲线，从图中可知，X_eq与α为非线性关系。为了克服这种非线性的影响，通常在触发回路中插入线性化矫正环节，本专利采用分段线性插值法来实现X_eq与α的线性化。

当要模拟感抗时，晶闸管投切控制电容支路无须投入，只需要控制晶闸管投切控制电感支路就能满足要求；当要模拟容抗时，晶闸管控制电容投入，再调节晶闸管控制电感支路实现容抗的连续值模拟。

(2)有功的控制策略

由上面的分析可以得知，晶闸管投切控制电阻支路模拟电源输出有功功率时，基波电流会出现初相角，此时模拟的是RL串联负荷，即电源输出有功功率的同时会附带输出无功功率，此时控制晶闸管投切控制电感和电容支路吸收该无功功率，就能实现有功功率的模拟。

由式(2)和式(3)可以推出：

图8为R_eq与触发延迟角α的关系曲线，从图中可看出，R_eq与α为非线性关系。为了克服这种非线性的影响，我们采用相同的做法，在触发回路中插入线性化矫正环节，即分段线性插值法来实现R_eq与α的线性化。

图9为模拟RL负荷时，保持R_eq不变，R_eq/X_eq分别为1/4,1/2,1，电网输出的a相电流波形，图10为模拟RC负荷时，保持R_eq不变，R_eq/X_eq分别为-1/4,-1/2,-1，电网输出的a相电流波形。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于晶闸管投切控制的装置式定制模拟负荷装置，其特征在于，包括第一晶闸管投切控制支路、第二晶闸管投切控制支路、第三晶闸管投切控制支路，电阻R1，电容C1、C2，电抗L1、L2；第一晶闸管投切控制支路与电抗L1串接后并联到电源上，第二晶闸管投切控制支路与电容C1串接后并联到电源上，电抗L2与电容C2串联后并联到电源上，第三晶闸管投切控制支路与电阻R1串接后并联到电容C2两端；

所述第三晶闸管投切控制支路的控制过程是：

其中，e为电源电压，E为电源电压的有效值，α为晶闸管的触发延迟角，I₁为电源基波电流的有效值，θ_i1为基波电流的初相角，U_L为电阻负载电压总的有效值；

当不增加滤波支路时，通过控制触发延迟角α来调节U_L，进而调节电源注入负载的有功功率

从而模拟不同的电阻值R_eq＝E²/P；当增加滤波支路滤除电源电流的高次谐波，通过控制α来调节I₁，从而模拟不同的电阻值R_eq＝E/I₁，理想情况下，控制触发延迟角α从0°到180°，等效电阻从R变化到无穷大；

所述第一晶闸管投切控制支路的控制过程是：

其中，I₁为电源基波电流的有效值，I为电源总电流的有效值；

当不增加滤波支路时，通过控制触发延迟角α来调节I，进而调节电源注入负载的无功功率Q＝I²R，从而模拟不同的电抗值X_eq＝E²/Q；当增加滤波支路滤除电源电流的高次谐波，通过控制α来调节I₁，从而模拟不同的电抗值X_eq＝E/I₁，理想情况下，控制触发延迟角α从90°到180°，等效电感从L变化到无穷大；

所述第二晶闸管投切控制支路的控制过程是：

当加在电容上的电压有阶跃跳变，即电容投入时刻电源电压与电容充电电压不相等时，将产生一冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频震荡不利影响，通常串联一小电感，以抑制冲击电流，并且，晶闸管投切控制电容一般为整周波控制，非移相控制，调节不了电容值，采用晶闸管投切电容和晶闸管投切电感结合的方法，来调节电源注入负载的无功功率：

Q_C＝-ωCE² (7)

Q_E＝Q_L+Q_C (8)

当电源注入负载的无功功率Q_E为正时，此时负载模拟不同的电感；当电源注入负载的无功功率Q_E为负时，此时负载模拟不同的电容，此方法模拟不同电感，电容值时，由于存在LC滤波环节，能对电感支路产生的电流谐波进行滤除，使注入电源的电流接近正弦波。

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