CN113484648B - 一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置 - Google Patents

一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置,包括数据收发与传输单元、交直交背靠背型变流器单元、数据处理及储存单元、人机交互单元,交直交背靠背型变流器单元分别与数据收发与传输单元、数据处理及储存单元、人机交互单元相连,其中,交直交背靠背型变流器单元:用于实现能量的双向流动,即从电网吸收和发送能量进行运行,以及通过各类电压、电流和温度传感器感知本单元的运行状态;数据处理及储存单元:用于实时完成测量数据的计算任务,以及将运行信息和装置控制策略参数设定结果存储在Flash存储卡中。本发明的有益效果是:本发明电力电子模拟装置能够快速调整输出电压的运行频率,模拟给定电力系统动态频率特性的运行能力。

Description

一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置
技术领域
本发明涉及电网领域,尤其涉及一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置。
背景技术
电网作为一个巨大有惯性的系统,因此当电网输出有功功率高于或低于负载有功功率时,电网频率会升高或降低。而当电网频率波动较大时会造成用电设备振动变大,影响设备寿命,威胁财产及生命安全。为维持电网频率的稳定,电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减,限制电网频率变化,使电网频率维持稳定,这一过程被称为电力系统的频率调节控制。
传统上测试电力设备对电力系统频率支撑的技术性能是一个传统技术难题。因为电力系统频率特性无法通过变压器实现隔离,因此当需要测试用电设备对大电网的频率支撑性能时,需要将设备接入实际电网,通过长时间运行以满足设备的测试需要。这一过程耗时长且电网各种运行形态不能确保完全遍历。
对各种电力设备提供频率调节控制的控制策略验证和控制性能的量化测量的难点在于如何提供测试实验环境。因为电力系统的频率无法轻易改变,而在实际电力系统由于涉及大量居民和商业负荷的正常供电任务,因此在实际电力系统中进行大功率实验往往会对电网的安全稳定运行带来额外风险。因此,研制一种能够模拟电网动态频率特性的电力电子模拟装置对于提升电力设备频率控制技术性能具有重要的工程意义。
发明内容
本发明提供了一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置,包括数据收发与传输单元、交直交背靠背型变流器单元、数据处理及储存单元、人机交互单元,所述交直交背靠背型变流器单元分别与所述数据收发与传输单元、所述数据处理及储存单元、所述人机交互单元相连,其中,
所述交直交背靠背型变流器单元:用于实现能量的双向流动,即从电网吸收和发送能量进行运行,以及通过各类电压、电流和温度传感器感知本单元的运行状态。
所述数据处理及储存单元:用于实时完成测量数据的计算任务,以及将运行信息和装置控制策略参数设定结果存储在Flash存储卡中。
作为本发明的进一步改进,所述数据收发与传输单元包括以太网通讯芯片、3G/4G通讯芯片及配套的通讯天线。
作为本发明的进一步改进,所述交直交背靠背型变流器单元包括智能功率变换模块,所述智能功率变换模块数量为两个,其中一个为整流单元,用于完成输入交流电压变换为直流电压,另一个为逆变单元,用于完成直流电压到输出交流电压。
作为本发明的进一步改进,所述交直交背靠背型变流器单元包括还包括传感器、电容器。
作为本发明的进一步改进,所述数据处理及存储单元包括DSP芯片、FPGA芯片、A/D芯片、闪存数据存储驱动芯片和FLASH存储卡。
作为本发明的进一步改进,所述DSP芯片包括TI公司的TMS320F28335芯片,FPGA芯片包括Xilinx公司的Spartan 6芯片。
作为本发明的进一步改进,所述人机交互单元(4)包括LCD驱动芯片、LCD显示屏、按键模块及驱动模块。
作为本发明的进一步改进,在所述数据收发与传输单元中,能通过按键输入更改预先设定的累积存储规模阈值。
本发明的有益效果是:1、本发明的电力电子模拟装置能够快速调整输出电压的运行频率,模拟给定电力系统动态频率特性的运行能力;2、本发明的电力电子模拟装置具备对所获运行数据进行计算、处理和分析的功能,具体包括进行数据坐标变换处理,对数字信号进行幅值归一化计算处理,对数据包进行打包处理,计算装置有功、无功运行功率、电压电流和运行温度等指标;3、本发明的电力电子模拟装置具备对所获取的运行信息通过3G/4G或以太网通讯及更低性能通讯网络进行本地存储和网络传送功能;4、本发明的电力电子模拟装置对于为电力设备进行调频控制运行具有重要意义,具备为设备实验运行提供外部电网频率变化的模拟运行测试环境。
附图说明
图1是本发明原理框图;
图2是本发明主电路拓扑结构图。
具体实施方式
如图1所示,本发明公开了一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置,该电力电子模拟装置针对为电力设备构建测试环境,提出了使用电力电子技术,构建了一种与交流电网频率隔离的电力电子装置。通过交流/直流/交流的功率变换,实现了交流电网频率与本发明电力电子装置输出交流电压频率的解耦隔离。本发明电力电子装置能够实现与电网交换大功率能量的同时,实现输出交流电压频率的可调可控,实现对电网频率动态运行特性的模拟。
本电力电子模拟装置考虑了近年来电力电子技术的发展状况,以三相全桥拓扑结构的智能功率变换模块(IPM)作为本电力电子模拟装置的功率变换单元主要元件,完成本电力电子模拟装置从交流电网接入,在本电力电子模拟装置进行交流/直流/交流变换,输出实现可控频率交流输出的具体运行模式。通过完成上述交流/直流/交流的变换动作,本电力电子模拟装置实现了输入电源运行频率和输出交流接口运行频率的相互隔离。在电网运行频率变化不大的情况下具备了对输出交流电压频率的宽范围调节能力。
本发明公开的一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置,包括数据收发与传输单元1、交直交背靠背(back-back)型变流器单元2、数据处理及储存单元3、人机交互单元4,所述交直交背靠背型变流器单元1分别与所述数据收发与传输单元2、所述数据处理及储存单元3、所述人机交互单元4相连,其中,
数据收发与传输单元1:支持以太网和3G/4G两种通讯方式,两种通讯方式均可用的情况下优先选用以太网通讯方式。数据收发单元中安装千兆以太网接口芯片及3G/4G收发接口芯片。
所述交直交背靠背型变流器单元2:为本发明电力电子模拟装置的核心单元,由背靠背型三相全桥拓扑电路,传感器等构成,背靠背型三相全桥拓扑电路为智能功率变换模块(IPM)。交直交背靠背型变流器单元2用于实现能量的双向流动,即从电网吸收和发送能量进行运行,以及通过各类电压、电流和温度传感器感知本单元的运行状态。本单元具备感知三相全桥主电路交流测运行电压、电流和直流侧电压、电流以及IPM模块单元运行温度的能力。
所述数据处理及储存单元3:由DSP芯片、FPGA芯片、A/D芯片和闪存数据存储驱动芯片以及FLASH存储卡构成。数据处理及存储单元用于实时完成测量数据的计算任务,具体而言,是指收集本装置输入电压和电流瞬时运行数据,通过Park变换,获取旋转坐标系下d,q轴电压和电流数值,在通过将d,q轴电压电流值分别相乘再相加即可得到输入本发明电力电子模拟装置的有功功率。随后再按照上段描述,基于电网频率特性的动态模型完成输出电压的运行频率控制参考值计算。数据处理及存储单元能将运行信息和装置控制策略参数设定结果存储在Flash存储卡中。运行数据首先保存在数据处理单元DSP芯片内的内存中,当累积数据达到一定规模(例如8Mb)后,一次性地由数据处理单元的DSP芯片发送到FLASH存储卡之中,减少对FLASH存储卡的损耗。可以通过按键输入更改预先设定的累积存储规模(上述8Mb)阈值。
其中,DSP芯片以TI公司的TMS320F28335芯片为代表。FPGA芯片以Xilinx公司的Spartan 6芯片为代表。DSP芯片负责各类数据计算与分析任务,FPGA芯片负责控制和连接各个其他单元的任务,完成数据处理单元与其他单元间的数据交互任务。
当本单元中数据存储闪存卡的储空间出现溢出时具备以顺序滚动覆盖最初存储数据的方式存储数据的能力。此外,当FLASH存储卡存储空间出现溢出时顺序滚动覆盖最初的存储数据。同时本发明电力电子模拟装置具备将运行状态数据经过数据收发与传输单元通过连接以太网和3G/4G网络向其他设备进行传输的技术能力。
人机交互单元4由LCD驱动芯片、LCD显示屏、按键模块及驱动模块构成,LCD显示屏上可显示当前电力电子模拟装置的输出电压频率、输出有功功率、输入有功功率及电流等实时参数;LCD显示屏上还可显示当前电力电子模拟装置的频率特性参数。
本发明的电力电子模拟装置接入交流供电电源工作,通过将交流电源整流为直流后再通过逆变生成交流输出电压。在这一过程中交流输出电压的频率将不受输入电压频率的影响。交流输出电压的频率将由功率变换单元,即智能功率变换模块(IPM)的变换控制指令决定。本发明电力电子模拟装置中包括两个完全相同的三相IPM模块,其中一个称为整流单元,完成输入交流电压变换为直流电压的运行目的。另一个称为逆变单元,完成直流电压到输出交流电压的运行目标。
本发明电力电子模拟装置具备实时测量装置输入有功功率瞬时值的功能。通过测量装置输入三相电压和电流瞬时值,结合三相瞬时有功功率计算公式,获取三相输入有功功率后,构建三相输入有功功率的运行时间序列。根据预先设定的电力系统频率控制特性一阶模型,通过双线性变换的方法,获取电力系统频率控制特性的离散运行模型。将电力系统输入有功功率时间序列输入电力系统频率控制特性的离散运行模型后,模型将输出本装置输出电压控制频率的给定参考值。本发明电力电子模拟装置将控制IPM模块的控制信号,决定本装置输出交流电压的输出频率。
作为本发明的第1实施例,本发明的电力电子模拟装置与电网系统连接,本例中电力电子模拟装置与380V三相系统相连接。经过本电力电子模拟装置的背靠背智能功率变换模块(IPM)中的整流单元,将380V三相系统整流得到650V直流电压。随后,IPM模块的逆变单元将逆变生成380V三相交流输出。生成的逆变交流输出的频率则取决于本电力电子模拟装置装置与电网交互有功功率的具体数值。
在本例中,本电力电子模拟装置与电网在0-10秒内交互的有功功率一直为0。10秒-60秒之间,交互的有功功率突变为吸收有功功率10kW。事先设定的系统频率响应特性的一阶传递函数为本发明电力电子模拟装置以1秒的时间间隔向IPM模块的控制单元发送输出频率的控制指令。0-10秒内的给定频率为50Hz,11秒至15秒的频率设定在50Hz的基础上频率控制的偏差指令如下表所示:
表1 频率控制指令的偏移设置量结果
作为本发明的第2实施例,在本例中,本发明电力电子模拟装置与电网交互有功功率的场景与例1中存在区别。本发明电力电子模拟装置与电网在0-10秒内交互的有功功率一直为0。10秒-60秒之间,交互的有功功率突变为向电网发送有功功率10kW。事先设定的系统频率响应特性的一阶传递函数为本发明电力电子模拟装置以1秒的时间间隔向IPM模块的控制单元发送输出频率的控制指令。0-10秒内的给定频率为50Hz,11秒至15秒的频率设定在50Hz的基础上频率控制的偏差指令如下表所示:
表 频率控制指令的偏移设置量结果
作为本发明的第3实施例,本例中,本发明电力电子模拟装置按照1秒的时间周期记录本装置的运行状态。本发明电力电子模拟装置具备装置的运行功率、电压、电流和IPM模块的电压、电流和运行温度的技术能力。考虑到记录需要添加数据包头和数据包尾。每秒的数据块大小为2k字节。因此记录缓存8M字节的大小具备记录4096秒的长度容量。因此本发明电力电子模拟装置每4096秒将本电力电子模拟装置数据处理单元DSP中内存缓存记录发送至本电力电子模拟装置的SD存储卡进行保存。同时本电力电子模拟装置通过数据传输单元以以太网和3G/4G网络向上位机构发送运行数据。
本发明的有益效果:1、本发明的电力电子模拟装置能够快速调整输出电压的运行频率,模拟给定电力系统动态频率特性的运行能力;2、本发明的电力电子模拟装置具备对所获运行数据进行计算、处理和分析的功能,具体包括进行数据坐标变换处理,对数字信号进行幅值归一化计算处理,对数据包进行打包处理,计算装置有功、无功运行功率、电压电流和运行温度等指标;3、本发明的电力电子模拟装置具备对所获取的运行信息通过3G/4G或以太网通讯及更低性能通讯网络进行本地存储和网络传送功能;4、本发明的电力电子模拟装置对于为电力设备进行调频控制运行具有重要意义,具备为设备实验运行提供外部电网频率变化的模拟运行测试环境。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电网频率运行特性的电力电子模拟装置,其特征在于:包括数据收发与传输单元(1)、交直交背靠背型变流器单元(2)、数据处理及储存单元(3)、人机交互单元(4),所述交直交背靠背型变流器单元(2)分别与所述数据收发与传输单元(1)、所述数据处理及储存单元(3)、所述人机交互单元(4)相连,其中,
所述交直交背靠背型变流器单元(2):用于实现能量的双向流动,即从电网吸收和发送能量进行运行,以及通过各类电压、电流和温度传感器感知本单元的运行状态;
所述数据处理及储存单元(3):用于实时完成测量数据的计算任务,以及将运行信息和装置控制策略参数设定结果存储在Flash存储卡中;
所述交直交背靠背型变流器单元包括智能功率变换模块,所述智能功率变换模块数量为两个,其中一个为整流单元,用于完成输入交流电压变换为直流电压,另一个为逆变单元,用于完成直流电压到输出交流电压;
所述数据处理及储存单元(3)收集电力电子模拟装置输入电压和电流瞬时运行数据,通过Park变换,获取旋转坐标系下d,q轴电压和电流数值,再通过将d,q轴电压电流值分别相乘再相加得到输入电力电子模拟装置的有功功率,然后,基于电网频率特性的动态模型完成输出电压的运行频率控制参考值计算,具体为:通过测量装置输入三相电压和电流瞬时值,结合三相瞬时有功功率计算公式,构建三相输入有功功率的运行时间序列,根据预先设定的电力系统频率控制特性一阶模型,通过双线性变换的方法,获取电力系统频率控制特性的离散运行模型,将运行时间序列输入离散运行模型后,离散运行模型输出电压控制频率的给定参考值。
2.根据权利要求1所述的电力电子模拟装置,其特征在于:所述数据收发与传输单元(1)包括以太网通讯芯片、3G/4G通讯芯片及配套的通讯天线。
3.根据权利要求1所述的电力电子模拟装置,其特征在于:所述交直交背靠背型变流器单元包括还包括传感器、电容器。
4.根据权利要求1所述的电力电子模拟装置,其特征在于:所述数据处理及储存单元(3)包括DSP芯片、FPGA芯片、A/D芯片、闪数据存储驱动芯片和FLASH存储卡。
5.根据权利要求4所述的电力电子模拟装置,其特征在于:所述DSP芯片包括TI公司的TMS320F28335芯片,FPGA芯片包括Xilinx公司的Spartan 6芯片。
6.根据权利要求1所述的电力电子模拟装置,其特征在于:所述人机交互单元(4)包括LCD驱动芯片、LCD显示屏、按键模块及驱动模块。
7.根据权利要求1所述的电力电子模拟装置,其特征在于:在所述数据收发与传输单元(1)中,能通过按键输入更改预先设定的累积存储规模阈值。
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