CN110460252B - 具有输入lc滤波器的电力电子系统工况模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置，包括：输入LC滤波器、电力电子变流器、工况模拟控制器；其中，输入LC滤波器用于对电力电子工况模拟装置的输入电压进行滤波；电力电子变流器用于在电气层面上反映所模拟电力电子系统工况的电流响应；工况模拟控制器用于利用所模拟电力电子系统工况的数学模型和电流控制器进行相关运算。本发明使用的输入LC滤波器可以使电力电子变流器与外部电路解耦，并且为电压采样提供了中性参考点，在准确模拟特定工况的电气行为特性的前提下，提高了工况模拟测试系统在模拟不同工况时的兼容性和灵活性。

Description

具有输入LC滤波器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，涉及具有输入LC滤波器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。其中，交直流电能变换中起着关键性作用的电力电子装置和设备，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特定运行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。
电力电子系统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，以供功能性和可靠性测试。传统的电流响应型(输入电气量为电压，输出电气量为电流)工况模拟方法，将外部电路与用作工况模拟输出的电力电子变流器直接相连，其局限性在于：
1)外部电路对模拟系统的输入电压常常为PWM波形，直接采样时会丢失原始波形中的部分信息，降低工况模拟的准确性；
2)所述电力电子变流器需要与外部电路的PWM载波保持同步，否则输出电流中会有较大的电流纹波；
3)对于三相系统，当输出滤波器没有中性点时，对输入电压的采样需要依靠线电压采样的换算，这样会丢失电压的零序分量，影响对三相不对称工况的模拟效果。
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入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置。
本发明提供一种具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置，包括：电连接的输入LC滤波器、电力电子变流器和工况模拟控制器，其中：
所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置与外部电路相连时，外部电路对所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置的输入电气量为电压，所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置的输出电气量为电流；
所述电力电子变流器，用于产生与所模拟电力电子系统工况相同或相近的电流响应；
所述工况模拟控制器，用于根据所模拟电力电子系统工况，生成所述电力电子变流器的控制信号；
所述输入LC滤波器，由电感、电容组成，用于抑制所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置输入电压的中、高频谐波。
可选地，所述输入LC滤波器具有两组电气端口，其中：
第一组电气端口与外部电路相连，第二组电气端口与所述电力电子系统工况模拟装置中电力电子变流器相连；
所述输入LC滤波器的电感接在所述两组电气端口之间；电容构成电容支路，与所述输入LC滤波器的第二组电气端口形成旁路关系。
可选地，所述输入LC滤波器的电感、电容参数满足：
Figure BDA0002139166400000021
其中，各参量在国际单位制下取值，L、C分别是所述输入LC滤波器的每相等效电感和每相等效电容，fres为所述输入LC滤波器的转折频率，fsw为所述电力电子工况模拟装置中电力电子变流器的最低开关频率，α为比例系数，0<α≤1。
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入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置中，LC滤波器对输入电压基波的幅值和相位影响很小，并且可以有效地抑制输入PWM电压中的开关频率谐波，因此本发明可以在保留输入电压所包含的主要信息的前提下，减小采样带宽受限对采样准确性的影响，进而对特定工况进行更为准确的模拟；
2)本发明提供的具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置中，LC滤波器中含有电容支路，因此可以有效地使所述电力电子变流器与所述工况模拟装置外部电路解耦，即使在所述电力电子变流器与外部电路的PWM载波无同步保持措施的情况下，仍然能避免输出电流中的纹波大量增加，进而使所述工况模拟装置适用于更多工况，具有更高的兼容性；
3)本发明提供的具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置中，三相电路下LC滤波器的电容支路包含中性点，因此，在采样时，可以选取这一中性点作为采样参考点，保留了输入电压零序分量等关键信息，提高了工况模拟的准确性和适用范围。
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入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置示意图；
图2为本发明提供的具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置的一种模拟电机工况实施例的结构示意图。
图中：
1-具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置；
11-输入LC滤波器；
12-电力电子变流器；
13-工况模拟控制器；
2-外部电路。
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。
本发明的实施例提供一种具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置，可以通过输入LC滤波器，抑制所述电力电子系统工况模拟装置交流电气端口输入电压的中、高频谐波，并且使所述电力电子系统工况模拟装置与相连的外部电路解耦。
图1为本发明提供的具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置示意图，图2为本发明提供的采用输入LC滤波器的电力电子工况模拟装置的一种模拟电机工况实施例的结构示意图。
本发明在模拟电机的电气行为特性时，所提供的一种实施例如图2所示。在这一实施例中，电机的调速变频器作为与本实施例中电力电子工况模拟装置相连的外部电路2；所述输入LC滤波器1的第一组电气端口与外部电路2相连，第二组电气端口与所述电力电子系统工况模拟装置中电力电子变流器12相连；所述电感接在所述两组电气端口之间；所述电容构成电容支路，与所述输入LC滤波器的第二组电气端口形成旁路关系。
输入LC滤波器11用于抑制工况模拟装置交流电气端口输入电压的中、高频谐波，并且使电力电子变流器12与工况模拟装置外部电路2相解耦；
具体地，为抑制调速变频器对工况模拟装置输入PWM电压中的开关频率谐波，输入LC滤波器11的截止频率fres的设计满足下式：
Figure BDA0002139166400000041
式中各参量在国际单位制下取值，L、C分别是所述输入LC滤波器11的每相等效电感和每相等效电容，fres为所述输入LC滤波器1的转折频率，fsw为所述电力电子工况模拟装置中电力电子变流器2的最低开关频率，α为比例系数，0<α≤1。
电力电子变流器12，用于产生所模拟电机在驱动控制下相同或相近的电流响应；
作为一优选方式，本实施例中的电力电子变流器包括功率半导体开关桥和可选的输出滤波器，功率半导体开关桥用于交直流电能变换，由IGBT、MOSFET等功率半导体开关器件及必要的其他元器件组成；输出滤波器用于电力电子变流器12输出电流滤波，可根据所模拟电力电子系统工况灵活选择，包括但不限于电感滤波器、LCL滤波器；电力电子变流器12的直流供电端可以接入共模电感用于抑制直流侧正母线和负母线中的共模分量。
工况模拟控制器13，用于根据所模拟电力电子系统工况，产生电力电子变流器12的控制信号；
作为一优选方式，本实施例中的工况模拟控制器包括所模拟电机的数学模型和输出控制器，所模拟电机的数学模型根据采样得到的输入电压计算输出电流的参考值；输出控制器根据这一参考值，通过反馈控制的形式生成所述电力电子变流器12中功率半导体器件的开关指令，对电力电子变流器12的输出电流进行控制；所述输出控制器的包括但不限于PI控制器、PR控制器、滞环控制器。
特别地，本发明具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置中，可以采用输入LC滤波器11的电容支路中性点作为参考点，这样一来，可以在不丢失电压零序分量信息的前提下，对相电压进行有效地采样；此外，由于存在输入LC滤波器11的电容支路，在采样输入LC滤波器11和电力电子变流器12之间一段的电流时，将具有更小的电流纹波，进而将电力电子变流器12的PWM调制载波与调速变频器的PWM调制载波解耦，即使所述电力电子变流器12与外部电路的PWM载波无同步保持措施的情况下，仍然保证输出电流中的纹波不会大量增加，因此工况模拟装置可以在不特别调整PWM调制载波的前提下，更灵活地模拟不同的工况。
本发明提供的具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置中，所采用的输入LC滤波器可以抑制输入PWM电压中的开关频率谐波、使所述电力电子变流器与外部电路的PWM载波解耦、并且为电压采样提供了中性参考点，既使所述工况模拟装置在模拟不同工况时具有更高的兼容性和灵活性，也提高了所述工况模拟装置的准确性。
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 (2)

1.一种具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置，其特征在于，包括：电连接的输入LC滤波器、电力电子变流器和工况模拟控制器，其中：
所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置与外部电路相连时，外部电路对所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置的输入电气量为电压，所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置的输出电气量为电流；
所述电力电子变流器，用于产生与所模拟电力电子系统工况相同或相近的电流响应；
所述工况模拟控制器，用于根据所模拟电力电子系统工况，生成所述电力电子变流器的控制信号；
所述输入LC滤波器，由电感、电容组成，用于抑制所述具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置输入电压的中、高频谐波；
所述输入LC滤波器具有两组电气端口，其中：
第一组电气端口与外部电路相连，第二组电气端口与所述电力电子系统工况模拟装置中电力电子变流器相连；
所述输入LC滤波器的电感接在所述两组电气端口之间；电容构成电容支路，与所述输入LC滤波器的第二组电气端口形成旁路关系；
所述输入LC滤波器的电感、电容参数满足：
Figure FDA0002952047380000011
其中，各参量在国际单位制下取值，L、C分别是所述输入LC滤波器的每相等效电感和每相等效电容，fres为所述输入LC滤波器的转折频率，fsw为所述电力电子系统工况模拟装置中电力电子变流器的最低开关频率，α为比例系数，0<α≤1；
三相电路下LC滤波器的电容支路包含中性点，在采样时，选取这一中性点作为采样参考点，保留了输入电压零序分量信息；采样输入LC滤波器与电力电子变流器之间的电流实现电路控制，采样外部电路与输入LC滤波器之间的电流实现外部电路的控制；
所述电力电子变流器包括功率半导体开关桥和可选的输出滤波器，功率半导体开关桥用于交直流电能变换，输出滤波器用于电力电子变流器输出电流滤波，根据所模拟电力电子系统工况灵活选择，电力电子变流器的直流供电端接入共模电感用于抑制直流侧正母线和负母线中的共模分量；
所述工况模拟控制器包括所模拟电机的数学模型和输出控制器，所模拟电机的数学模型根据采样得到的输入电压计算输出电流的参考值；输出控制器根据这一参考值，通过反馈控制的形式生成所述电力电子变流器中功率半导体器件的开关指令，对电力电子变流器的输出电流进行控制。
2.根据权利要求1所述的具有输入LC滤波器的电力电子系统工况模拟装置，其特征在于，所述输出控制器为PI控制器、PR控制器或滞环控制器。
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