CN110460251A - 基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于阻抗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阻抗补偿器，用于将所述电力电子变流器中输出滤波器的频域特性补偿至所模拟电力电子系统工况的频域特性，实现电力电子系统工况模拟的技术目标。本发明不含有输出控制闭环，可以在一定程度上避免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，采用所提供方法搭建的系统的动态响应过程可以与理论值更加接近；另一方面，基于阻抗补偿器搭建的系统整体频域特性与所模拟电力电子系统工况高度接近，系统在中高频段稳态性能上更接近理论值，所述工况模拟装置所适用的频率范围也更广。

Description

基于阻抗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，涉及一种基于阻抗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，通常采用所模拟系统的数学模型及目标工况计算得到所模拟系统在特定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)当对电机等装置工作频率不断变化的工况进行模拟时，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基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置。

本发明提供一种基于阻抗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内部含有阻抗补偿器的工况模拟控制器，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，用于输出与所述含有阻抗补偿的工况模拟器所模拟系统的目标工况相同或相近的交、直流电气响应；

所述含有阻抗补偿的工况模拟控制器，包括所模拟系统的数学模型、阻抗补偿器、输出滤波器电压转换；其中所述阻抗补偿器用于将所述电力电子变流器中输出滤波器的频域特性以开环和串联校正的形式补偿至所模拟系统的目标工况的频域特性。

可选地，所述工况模拟控制器中采样信号输入后，各部分按信号流顺序依次是：所模拟工况数学模型、阻抗补偿器、输出滤波器电压转换；

所述所模拟工况数学模型，用于将所述电力电子变流器电路的端口电压转换至所模拟电力电子系统工况阻抗两端的电压降，计算所模拟电力电子系统工况的非电气信号；

所述阻抗补偿器，根据所述所模拟电力电子系统工况阻抗两端的电压降计算得到所述输出滤波器两端电压降；

所述输出滤波器电压转换，将所述输出滤波器两端电压降转换至所述电力电子变流器的调制电压；

所述工况模拟控制器的输出信号再进行调制，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。

可选地，所述阻抗补偿器的运算逻辑是：

先确定所述阻抗补偿器的频域传递函数G_comp(s)；其中，所述阻抗补偿器的频域传递函数G_comp(s)是一个分式，G_comp(s)的分子是所模拟电力电子系统工况的传递函数或近似传递函数G_tar(s)，G_comp(s)的分母是所述电力电子变流器中输出电流滤波器的传递函数或近似传递函数G_flt(s)：

根据所述阻抗补偿器的频域传递函数，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，作为所述阻抗补偿器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明提供的基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置，不含有输出控制闭环，因此，可以在一定程度上避免输出控制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，采用所提供方法搭建的系统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)本发明提供的基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置，在模拟装置的工作频率不断变化的工况时，由于采用所提供方法搭建的系统整体频域特性与所模拟电力电子系统工况高度接近，系统在中高频段稳态性能上将更接近理论值，即所搭建工况模拟系统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为本发明提供的基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置的结构示意图；

图2为本发明提供的基于阻抗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3为本发明提供的实施例中工况模拟控制器的结构示意图；

图4为本发明提供的实施例中基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置的工况模拟控制器中的所模拟三相电动机变频运行工况下的数学模型；其中，u_sd、u_sq和i_sd、i_sq分别是电力电子变流器中采样得到的输入电压与实时电流的dq轴分量，T_load是负载转矩信号，u_tard和u_tarq分别是所模拟电机定子电感两端d、q轴电压降，ω_m是电机转速，θ_m是转子位置；

图5为本发明提供的实施例中基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置的工况模拟控制器中的阻抗补偿器；

图6为本发明提供的实施例中基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置的工况模拟控制器中的输出滤波器电压转换；其中，u_od和u_oq分别是用作调制产生电力电子变流器动作指令的调制电压信号。

图中：

1-基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置；

2-电力电子变流器；

21-功率半导体开关桥；

22-输出滤波器；

3-工况模拟控制器；

31-阻抗补偿器；

32-所模拟工况数学模型；

33-输出滤波器电压转换；

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为本发明提供的基于阻抗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，基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置对三相永磁同步电机的变频调速工况进行了模拟；图2为本发明提供的基于阻抗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，所述的基于阻抗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用于将所述电力电子变流器中输出滤波器的频域特性补偿至所模拟电力电子系统工况的频域特性，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。如图3所示，其输入信号为所述电力电子变流器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，所述工况模拟控制器3按信号流顺序依次包括所模拟工况数学模型32、阻抗补偿器31以及输出滤波器电压转换33。

所述所模拟工况数学模型32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阻抗两端的电压降v_tar，并计算所模拟电力电子系统工况中的非电气信号。如图4所示，其输入为对所述电力电子变流器2采样得到的输入电压u_sd、u_sq、实时电流i_sd、i_sq以及负载转矩信号T_load，输出为所模拟电机定子电感两端d、q轴电压降u_tard和u_tarq，以及电机转速ω_m和转子位置θ_m等信号。根据电力电子变流器2中采样得到的输入电压u_sd、u_sq、实时电流i_sd、i_sq和负载转矩信号T_load，进行所模拟电机在dq同步旋转坐标系下数学模型中的d、q轴分量解耦计算，以及电磁转矩T_e、电机转速ω_m、转子位置θ_m等非电气信号的相关计算，得到所模拟电机定子电感两端d、q轴电压降u_tard和u_tarq，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。其中，u_sd、u_sq和i_sd、i_sq分别是电力电子变流器2中采样得到的输入电压与实时电流的dq轴分量。

所述阻抗补偿器31用于将所述电力电子变流器中输出滤波器的频域特性补偿至所模拟电力电子系统工况的频域特性。

所述阻抗补偿器31的频域传递函数G_comp(s)是一个分式，G_comp(s)的分子是所模拟电力电子系统工况的传递函数或近似传递函数G_tar(s)，G_comp(s)的分母是所述电力电子变流器中输出电流滤波器的传递函数或近似传递函数G_flt(s)，即：

如图5所示，在dq坐标系下，其d、q轴输入分别为所模拟电机定子电感两端电压降u_tard和u_tarq，输出为所述输出滤波器两端电压降u_fltd和u_fltq；当所述输出滤波器22为感值是L_f、阻值为R_f的电感，所模拟电机的定子电感和电阻分别是L_s和R_s时，所述阻抗补偿器31的传递函数可以是如下所示的G_comp(s)：

其中L_s在d轴分量计算中是L_sd，在q轴分量计算中是L_sq。

所述输出滤波器电压转换33，用于将所述输出滤波器22两端电压降v_flt转换至所述电力电子变流器电路2的调制电压v_o。如图6所示，其输入为所述输出滤波器两端电压降u_fltd和u_fltq，输出为所述电力电子变流器2的调制电压u_od和u_oq，在所述输出滤波器电压转换33中，所述调制电压u_od和u_oq分别等于所述输出滤波器两端电压降u_fltd和u_fltq加上所述输入端口电压u_sd、u_sq，和dq轴分量之间的电压耦合。所述工况模拟控制器的输出信号u_od和u_oq再进行调制，产生所述电力电子变流器2中功率半导体开关桥21的动作指令。

在本实施例中，阻抗补偿器31能将电力电子变流器2中输出滤波器22的频域特性，完全或部分补偿至所模拟电力电子系统工况的频域特性，阻抗补偿器31的频域传递函数是：使用所模拟电力电子系统工况的传递函数除以阻抗补偿器所校正的电力电子变流器和滤波器级联系统的传递函数后，所得到的结果或近似结果。与基于阻抗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，根据所述所模拟工况数学模型32输出的电机转速ω_m和转子位置θ_m等信号，实时改变基于阻抗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，以电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。

本发明提供的基于阻抗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；基于阻抗补偿器的设计可以在一定程度上避免输出闭环对系统频域特性和控制带宽的影响，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，即提高了所述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)

1.一种基于阻抗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内部含有阻抗补偿器的工况模拟控制器，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，用于输出与所述含有阻抗补偿的工况模拟器所模拟系统的目标工况相同或相近的交、直流电气响应；

所述含有阻抗补偿的工况模拟控制器，包括所模拟系统的数学模型、阻抗补偿器、输出滤波器电压转换；其中所述阻抗补偿器用于将所述电力电子变流器中输出滤波器的频域特性以开环和串联校正的形式补偿至所模拟系统的目标工况的频域特性。

2.根据权利要求1所述的基于阻抗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中采样信号输入后，各部分按信号流顺序依次是：所模拟工况数学模型、阻抗补偿器、输出滤波器电压转换；

所述所模拟工况数学模型，用于将所述电力电子变流器电路的端口电压转换至所模拟电力电子系统工况阻抗两端的电压降，计算所模拟电力电子系统工况的非电气信号；

所述阻抗补偿器，根据所述所模拟电力电子系统工况阻抗两端的电压降计算得到所述输出滤波器两端电压降；

所述输出滤波器电压转换，将所述输出滤波器两端电压降转换至所述电力电子变流器的调制电压；

所述工况模拟控制器的输出信号再进行调制，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。

3.根据权利要求1所述的基于阻抗补偿的电力电子系统工况模拟装置，其特征在于，所述阻抗补偿器的运算逻辑是：

先确定所述阻抗补偿器的频域传递函数G_comp(s)；其中，所述阻抗补偿器的频域传递函数G_comp(s)是一个分式，G_comp(s)的分子是所模拟电力电子系统工况的传递函数或近似传递函数G_tar(s)，G_comp(s)的分母是所述电力电子变流器中输出电流滤波器的传递函数或近似传递函数G_flt(s)：

根据所述阻抗补偿器的频域传递函数，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，作为所述阻抗补偿器。