CN110429588A - 具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，结构上包括电连接的电力电子变流器电路和工况模拟控制器，且工况模拟控制器内部有频域补偿器，用于完全补偿或部分补偿所述电力电子变流器电路和工况模拟控制器的频域特性，改进电力电子系统工况模拟的吻合度。本发明所采用的输出补偿器能完全或部分补偿所述电力电子系统工况模拟装置中输出控制闭环对系统频域特性的影响，使系统的动态性能在变化的暂态过程中与理论值更加接近，提高控制带宽和响应速度，还可以使系统在中高频段的稳态性能上更接近理论值，提高了工况模拟装置适用的频率范围。

Description

具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置。

背景技术

随着电气工程技术的发展，当今社会对电能的利用形式趋于多样化，而在交直流电能变换中起着关键性作用的电力电子技术，也面临着运行功率等级越来越高、应用工况越来越复杂的挑战。在设计研发和出厂调试时，对电力电子系统进行运行特定工况下的功能性和可靠性测试，可以切实地刻画出电力电子系统的性能、有效地判断出实际运行时可能出现的故障风险，针对性地指导系统设计，从而节约系统的长期维护成本。

电力电子工况模拟装置即是采用电力电子电路及控制，对电力电子系统或元器件的特定工况进行模拟，以供所述的功能性和可靠性测试。传统的工况模拟方法中，通常采用所模拟电力电子系统工况数学模型计算得到所模拟电力电子系统工况的理论电气行为特性，并用作输出控制的参考值，再进行控制输出，其局限性在于：

1)控制输出构成闭环时，这一控制闭环相当于一个低通滤波器，在输出滤波器的时间常数较大时，这一低通滤波器会使系统频域特性的带宽明显低于理论带宽，进而使系统在负载暂态等动态过程中的响应速度慢于实际系统，影响动态过程的模拟准确性；

2)当所模拟电力电子系统工况为电机等频率变化的工况时，输出闭环对带宽的作用还会影响系统的稳态性能，当基波频率达到控制输出闭环的带宽以上时，传统工况模拟方法幅频特性上的偏离可能导致系统的稳态行为特性与理论值相差较远，甚至可能会出现系统不稳定的现象。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置。

根据本发明提供的一种具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，结构上包括：电连接的电力电子变流器电路和工况模拟控制器，且所述工况模拟控制器内部有频域补偿器，其中：

所述电力电子变流器电路，包括功率半导体开关桥、输出滤波器，用于对所述具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置电气连接的外部电路，输出与所模拟电力电子系统工况相同或相近的交、直流电气响应；

所述工况模拟控制器，包括所模拟电力电子系统工况的数学模型、频域补偿器、输出控制器，用于产生所述电力电子变流器电路中功率半导体器件的动作指令；

所述频域补偿器，位于所述工况模拟控制器内部，用于完全补偿或部分补偿所述输出滤波器和所述输出控制器所构成的输出控制闭环的频域特性。

可选地，所述工况模拟控制器内部信号流的顺序和信号传递关系是以下二者中任一形式：

形式一：所述工况模拟控制器内部按信号流顺序依次为：所模拟电力电子系统工况的数学模型、频域补偿器、输出控制器；所述所模拟电力电子系统工况的数学模型的输入是所述工况模拟控制器的采样输入信号，输出是所模拟电力电子系统工况的电流响应理论值和所模拟电力电子系统工况的非电气信号，所模拟电力电子系统工况的电流响应理论值作为频域补偿器的输入，频域补偿器的输出是输出电流控制的参考值，所述输出控制器根据输出电流控制的参考值对输出电流进行闭环控制；

形式二：所述工况模拟控制器内部按信号流顺序依次为：频域补偿器、所模拟电力电子系统工况的数学模型、输出控制器；所述频域补偿器的输入是所述工况模拟控制器的采样输入信号，输出是所模拟电力电子系统工况的电压理论值，所模拟电力电子系统工况的电压理论值作为所模拟电力电子系统工况的输入，所模拟电力电子系统工况的输出是输出电流控制的参考值和所模拟电力电子系统工况的非电气信号，所述输出控制器根据输出电流控制的参考值对输出电流进行闭环控制。

可选地，所述频域补偿器的运算逻辑是：

先确定所述电力电子工况模拟装置中，所述输出滤波器和所述输出控制器所构成输出控制闭环的传递函数或者近似传递函数G_cls(s)，所述频域补偿器的传递函数G_comp(s)等于所述传递函数或近似传递函数G_cls(s)的倒数：

根据所述频域补偿器的传递函数，在所述工况模拟控制器中以模拟电路、程序或数字形式实现，作为所述工况模拟控制器的频域补偿器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明提供的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，其控制中的频域补偿器可以在一定程度上缓解输出闭环对系统频域特性和控制带宽的影响，在外界条件的暂态变化时，补偿后电力电子系统工况模拟装置的动态响应过程可以与理论值更加接近，响应速度也可以更快；

2)本发明提供的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，在所模拟电力电子系统工况与频率相关时，可以在中高频段的稳态性能上较传统电力电子系统工况模拟装置更接近理论值，即补偿后的电力电子系统工况模拟装置所适用的频率范围得到了提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置的结构示意图；

图2为本发明提供的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置的一种实施例与电机驱动变频器相连时的系统示意图。

图中：

1-具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置；

2-电力电子变流器；

21-功率半导体开关；

22-输出滤波器；

3-工况模拟控制器；

31-所模拟电力电子系统工况数学模型；

32-频域补偿器；

33-输出控制器；

4-电机调速变频器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明提供的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置的结构示意图；本实施例中，具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置对三相电动机的变频调速工况进行了模拟，图2为本发明提供的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置的一种实施例与电机驱动变频器相连时的系统示意图，所述的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置包括电力电子变流器2以及工况模拟控制器3。

所述电力电子变流器2用来输出所模拟的三相电动机变频调速时的电压、电流响应。其输入信号为所述电力电子变流器的动作指令，输出为所模拟的三相电动机变频调速运行工况下的端口电压、电流特性。本实施例中，电力电子变流器2包括功率半导体开关桥21和输出滤波器22，功率半导体开关桥21采用三相两电平变流器，输出滤波器22采用三相电感滤波器。

所述工况模拟控制器3用于完全补偿或部分补偿所述输出滤波器和所述输出控制器所构成的输出控制闭环的频域特性，并产生所述电力电子变流器电路中功率半导体器件的动作指令。其输入信号为电力电子变流器2输出的所模拟的三相电动机变频调速运行工况下的端口电压、电流特性，输出为所述电力电子变流器电路中功率半导体器件的动作指令。其中，工况模拟控制器3包括所模拟电力电子系统工况数学模型31、频域补偿器32以及输出控制器33。所述工况模拟控制器3中采样信号输入后，各部分按信号流顺序依次是：所模拟电力电子系统工况数学模型31、频域补偿器32、输出控制器33。

所模拟电力电子系统工况数学模型31用于将所述电力电子变流器电路的端口电压v_in转换至所模拟电力电子系统工况的理论电流响应i_s，并计算所模拟电力电子系统工况的非电气信号。其输入为对所述电力电子变流器2采样得到的端口电压、电流信号和负载转矩信号T_load，输出为所模拟电机的定子电流理论值i_s以及电机转速ω_m和转子位置θ_m等信号。根据输入的电压、电流信号和负载转矩信号T_load，结合所模拟电机的数学模型，计算得到所模拟电机的定子电流理论值i_s，并且将电机转速ω_m和转子位置θ_m等信号经由信号输出端口输出；所模拟电力电子系统工况数学模型31输出的所模拟电机的定子电流理论值i_s随后传送至频域补偿器32。

所述频域补偿器32用于完全补偿或部分补偿所述输出滤波器22和所述输出控制器33所构成的输出控制闭环的频域特性。其输入为所模拟电机的定子电流理论值i_s，输出为输出电流的控制参考值i_out*。频域补偿器32的参数设计方法是：先确定所述电力电子工况模拟装置1中，所述输出滤波器22和所述输出控制器33所构成输出控制闭环的传递函数或者近似传递函数G_cls(s)，所述频域补偿器32的传递函数G_comp(s)等于所述传递函数或近似传递函数G_cls(s)的倒数：

根据所述频域补偿器32的传递函数，在所述工况模拟控制器中以模拟电路、程序或数字形式实现，作为所述工况模拟控制器3的频域补偿器32。

具体地，如果所述电力电子工况模拟装置1中所述输出滤波器22是一个电感值为L_f、电阻值为R_f的电感滤波器，其传递函数是G_flt(s)：

如果所述输出控制器33的传递函数是G_PI(s)，控制延时的传递函数是G_d(s)，那么所述输出滤波器22和所述输出控制器33所构成的输出控制闭环的传递函数G_cls(s)是：

如果将G_cls(s)近似为一个一阶惯性环节G₁(s)：

所述频域补偿器32的传递函数是G_comp(s)：

将这一传递函数以模拟电路或数字形式在工况模拟控制器3中实现，即为所述频域补偿器32。

作为一优选方式，所述频域补偿器32可以与所模拟电力电子系统工况数学模型31作为一个整体，以便于在模拟、数字电路或数字控制器中实现；例如，当所模拟电力电子系统工况为定子等效电感为L_s、等效电阻为R_s的永磁同步电机时，定子传递函数为G_s(s)：

所述频域补偿器32与所模拟电力电子系统工况模型31所构成的整体传递函数是G_m(s)：

而后即可以将G_m(s)作为一个整体以模拟电流或数字形式在所述工况模拟控制器3中实现。

可选地，所述频域补偿器32也可以位于所模拟电力电子系统工况数学模型31之前，此时，所述频域补偿器32的输入是端口电压u_in，输出u_s作为所述所模拟工况数学模型31的输入信号，所模拟工况数学模型31的输出信号作为输出电流控制参考值i_out*。

所述输出控制器33，其输入为电流控制参考值i_out*，输出为所述电力电子变流器2的调制电压信号，用于根据电流控制参考值i_out*，经由控制计算，得到输出调制信号，并经过调制，产生所述电力电子变流器电路2中功率半导体器件21的动作指令。

与具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置1相连的电机调速变频器4，根据所述所模拟电力电子系统工况模型31输出的电机转速ω_m和转子位置θ_m等信号，实时改变具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置1的输入电压，进而实现电力电子系统工况模拟的工作目标。

此处所描述的实施例中，以三相电动机作为被模拟的电力电子系统工况，在其他实施例中，所模拟电力电子系统也可以是其他的电力电子系统，如阻性负载、微电网等，具体实现的原理与上述电机实施例示意的相同或类似，在此不再赘述。

本发明提供的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，可以有效地模拟特定电力电子系统工况针对输入电压的电流响应，或针对输入电流的电压响应；所采用的输出补偿器可以完全或部分补偿所述电力电子系统工况模拟装置中输出控制闭环对系统频域特性的影响，使系统的动态性能在变化的暂态过程中可以与理论值更加接近，提高控制带宽和响应速度，还可以在所模拟电力电子系统工况与频率相关时，使系统在中高频段的稳态性能上更接近理论值，即提高了工况模拟装置所适用的频率范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，其特征在于，包括：电连接的电力电子变流器电路和工况模拟控制器，且所述工况模拟控制器内部有频域补偿器，其中：

所述电力电子变流器电路，包括功率半导体开关桥、输出滤波器，用于对所述具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置电气连接的外部电路，输出与所模拟电力电子系统工况相同或相近的交、直流电气响应；

所述工况模拟控制器，包括所模拟电力电子系统工况的数学模型、频域补偿器、输出控制器，用于产生所述电力电子变流器电路中功率半导体器件的动作指令；

所述频域补偿器，位于所述工况模拟控制器内部，用于完全补偿或部分补偿所述输出滤波器和所述输出控制器所构成的输出控制闭环的频域特性。

2.根据权利要求1所述的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，其特征在于，所述工况模拟控制器内部信号流的顺序和信号传递关系是以下二者中任一形式：

形式一：所述工况模拟控制器内部按信号流顺序依次为：所模拟电力电子系统工况的数学模型、频域补偿器、输出控制器；所述所模拟电力电子系统工况的数学模型的输入是所述工况模拟控制器的采样输入信号，输出是所模拟电力电子系统工况的电流响应理论值和所模拟电力电子系统工况的非电气信号，所模拟电力电子系统工况的电流响应理论值作为频域补偿器的输入，频域补偿器的输出是输出电流控制的参考值，所述输出控制器根据输出电流控制的参考值对输出电流进行闭环控制；

形式二：所述工况模拟控制器内部按信号流顺序依次为：频域补偿器、所模拟电力电子系统工况的数学模型、输出控制器；所述频域补偿器的输入是所述工况模拟控制器的采样输入信号，输出是所模拟电力电子系统工况的电压理论值，所模拟电力电子系统工况的电压理论值作为所模拟电力电子系统工况的输入，所模拟电力电子系统工况的输出是输出电流控制的参考值和所模拟电力电子系统工况的非电气信号，所述输出控制器根据输出电流控制的参考值对输出电流进行闭环控制。

3.根据权利要求1所述的具有输出补偿的电力电子系统工况模拟装置，其特征在于，所述频域补偿器的运算逻辑是：

先确定所述电力电子工况模拟装置中，所述输出滤波器和所述输出控制器所构成输出控制闭环的传递函数或者近似传递函数G_cls(s)，所述频域补偿器的传递函数G_comp(s)等于所述传递函数或近似传递函数G_cls(s)的倒数：

根据所述频域补偿器的传递函数，在所述工况模拟控制器中以模拟电路、程序或数字形式实现，作为所述工况模拟控制器的频域补偿器。