CN201159754Y - 模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置 - Google Patents

Abstract

模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置涉及电能质量扰动发生装置，该装置包括谐波源(1)、回馈环节(2)、中间直流电容(3)、控制终端(4)、第一LCL滤波环节(5)、第二LCL滤波环节(6)；所述的控制终端(4)采用DSP控制器实现，根据用户设定产生控制信号，控制谐波源部分产生电流扰动；谐波源和回馈环节通过中间直流电容相级联，组成AC－DC－AC拓扑结构，实现能量回馈；谐波源的交流侧通过第一LCL滤波环节与电网相连接，回馈环节的交流侧通过第二LCL滤波环节与电网相连接。本装置可以模拟多个复合频率的谐波电流、有功电流、感性或者容性的无功电流，能够模拟电弧炉、中频炉、焊机、变频器等多种非线性负载的各种工况。

Description

模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置

技术领域

本实用新型涉及电能质量扰动发生装置、逆变馈能技术，属于电力系统谐波检测、治理设备性能测试领域。

背景技术

电力系统中各种电力电子设备、电弧炉以及电力牵引机车等非线性负载的不断增加，使得电能质量日益恶化。随着对电能质量问题的不断研究和电力电子技术的发展，电能质量检测仪表以及各种电能质量补偿装置得到很快的发展，如何在这些设备正式投运之前方便快捷的测试它们的性能显得极为重要。

目前一些专门研究电能质量的实验室，如美国威奇托州立大学(WSU)电能质量研究室以及德克萨斯A&M大学电力系统电能质量问题的仿真以及测试实验室，都有专门的产生电能质量扰动的装置。但这些电能质量扰动装置一般是基于电压型放大器或电流型放大器原理，这些设备的输出电流或者电压很小，带负载能力极其微弱。由于产生大功率的电能质量干扰代价太高，目前电能质量补偿装置或者电能质量检测仪表的测试基本都是将待测设备运到工业现场进行实地测试。因此，测试周期长、成本高，测试环境标准难以统一。

计算机技术和电力电子技术的发展，尤其是大功率可关断器件的研制和应用，如大功率门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和场控晶闸管(MCT)等器件的逐步应用，使逆变器产生大功率电流电压成为可能，为研制新型的大功率低损耗电能质量信号发生装置提供了技术基础。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提供一种大功率、低损耗，能够产生谐波电流、有功电流、感性或者容性的无功电流，模拟电弧炉、中频炉、焊机、变频器等各种非线性装置实际工况的的电能质量扰动发生装置。

技术方案：本实用新型的模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置包括谐波源、回馈环节、中间直流电容、控制终端、第一LCL滤波环节、第二LCL滤波环节；所述的控制终端采用DSP控制器实现，根据用户设定产生控制信号，控制谐波源部分产生电流扰动；谐波源和回馈环节通过中间直流电容相级联，组成AC-DC-AC拓扑结构，实现能量回馈；谐波源的交流侧通过第一LCL滤波环节与电网相连接，回馈环节的交流侧通过第二LCL滤波环节与电网相连接。

所述的谐波源包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，组成三相桥式PWM变流器结构，谐波源的直流侧与中间直流电容相接，交流侧与第一LCL滤波环节的一端相接，所述的第一LCL滤波环节由第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感和第一阻容、第二阻容、第三阻容组成三个单相T型滤波器；其中，第一桥臂的中点与第四电感相连，第二桥臂的中点与第五电感相连，第三桥臂的中点与第六电感相连。

所述的回馈环节包括第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂，组成三相桥式PWM变流器结构，回馈环节的直流侧与中间直流电容相接，交流侧与第二LCL滤波环节的一端相接，所述的第二LCL滤波环节由第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感和第四阻容、第五阻容、第六阻容组成三个单相T型滤波器；其中，第四桥臂的中点与第七电感相连，第五桥臂的中点与第八电感相连，第六桥臂的中点与第九电感相连。

所述的控制终端采用DSP控制器实现，根据用户设定产生控制信号，控制谐波源部分产生电流扰动。所述的谐波源部分由PWM变流器实现，采用电流跟踪控制技术，跟踪控制终端的指令信号产生要求的谐波、有功、感性或者容性无功电流。谐波源的交流侧与电网相连，中间通过第一LCL滤波环节滤除电流中的开关次的谐波。谐波源和回馈环节通过中间直流电容相级联，组成AC-DC-AC拓扑结构，实现能量回馈。所述回馈环节由逆变器实现，将谐波源产生大功率电流消耗的能量回馈至电源侧以维持直流侧电容电压稳定。回馈环节同样采用电流跟踪控制技术，其交流侧通过LCL滤波环节滤除电流中的开关次的谐波后回馈至电源。回馈点至谐波源之间的部分是电能质量检测仪表的和各种电能质量补偿装置，一般电能质量检测仪表采用串联方式，而电能质量补偿装置采用并联方式。

根据瞬时无功功率理论(又称pq理论)，对于PWM逆变器，如果不考虑各部分的损耗，则其交流侧的瞬时有功功率将全部传递到直流侧，即交流侧与直流侧的能量交换取决于瞬时有功功率，而与无功功率无关。因此，产生有功电流将使直流侧电容电压不断升高。本发明采用回馈技术将传递至直流侧的能量逆变后反馈回电网，以维持直流侧电容电压的稳定，这也是本发明的关键。

有益效果：利用本实用新型，采用一套装置就可以模拟各种非线性负载如电弧炉、中频炉、焊机、变频器等，且谐波、有功、无功电流在装置容量允许范围内可以任意调节。另外还可以实现单次谐波控制，这样可以单独检测待测试装置对指定次谐波的补偿能力。采用电能回馈逆变技术，将谐波源消耗的电能反馈回电网，从而节约大量的电能，也减少对实验室的变压器容量的要求。另外，回馈部分有谐波补偿功能，可以滤除谐波，不会影响电网。

附图说明

图1为模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置的总体框图；

图2为本实用新型的主电路结构示意图；

图3为谐波源原理图；

图4为谐波源控制方式；

图5为回馈环节原理图；

图6为回馈环节控制方式。

具体实施方式

附图为本实用新型的实施例，下面结合附图对本发明的内容做进一步说明：

该装置包括谐波源1、回馈环节2、中间直流电容3、控制终端4、第一LCL滤波环节5、第二LCL滤波环节6；所述的控制终端4采用DSP控制器实现，根据用户设定产生控制信号，控制谐波源部分产生电流扰动；谐波源1和回馈环节2通过中间直流电容3相级联，组成AC-DC-AC拓扑结构，实现能量回馈；谐波源1的交流侧通过第一LCL滤波环节5与电网相连接，回馈环节2的交流侧通过第二LCL滤波环节6与电网相连接。

1.谐波源

如图3，谐波源可以看作电源的非线性负载。包括第一桥臂N1、第二桥臂N2、第三桥臂N3，组成三相桥式PWM变流器结构，谐波源1的直流侧与中间直流电容3相接，交流侧与第一LCL滤波环节5的一端相接，所述的第一LCL滤波环节5由第一电感L11、第二电感L12、第三电感L13、第四电感L21、第五电感L22、第六电感L23和第一阻容RC1、第二阻容RC2、第三阻容RC3组成三个单相T型滤波器；其中，第一桥臂N1的中点与第四电感L21相连，第二桥臂N2的中点与第五电感L22相连，第三桥臂N3的中点与第六电感L23相连。

它根据控制终端的设定将从电网中吸收电流，产生指定的有功无功以及谐波电流，模拟实际的非线性负载。在这种情况下，它本身表现出非线性负载的特性。而对于谐波源，回馈环节为直流侧的电阻性负载，消耗谐波源吸收电源的功率从而维持直流侧电容电压的稳定。

谐波、有功及无功电流的给定都是由控制终端完成。谐波电流指令信号由控制终端产生各次谐波电流后进行叠加，作为谐波电流的给定。对于有功无功电流，直接给定需计算相角，而且控制终端产生这样的指令电流信号计算量太大，因此不直接给定。谐波、有功无功电流给定方式如图4所示。

有功无功电流采用基于dq0变换的有功无功电流给定方法，原理如下：

设无穷大电网为无畸变的对称三相电压，为：

$E_{\mathrm{abc}}=U_m\left[\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ \sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

则有功电流为：

$i_{\mathrm{pabc}}=I_{\mathrm{pm}}\left[\begin{array}{c}\sin \left(\text{\ωt}\right)\\ \sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

dq0变换后为：

$i_{\mathrm{pdq}0}=P{i}_{\mathrm{pabc}}={\mathrm{PI}}_{\mathrm{pm}}\left[\begin{array}{c}\sin \left(\text{\ωt}\right)\\ \sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ -1\\ 0\end{array}\right]$

无功电流为：

$i_{\mathrm{qabc}}=I_{\mathrm{qm}}\left[\begin{array}{c}\sin \left(\text{\ωt\±}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\\ \sin (\mathrm{\ωt}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\ωt}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

dq0变换后为：

$i_{\mathrm{qdq}0}=P{i}_{\mathrm{qabc}}={\mathrm{PI}}_{\mathrm{qm}}\left[\begin{array}{c}\sin \left(\text{\ωt\±}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\\ \sin (\mathrm{\ωt}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\ωt}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]=I_{\mathrm{qm}}\left[\begin{array}{c}\±1\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

因此，有功电流经过变换后只与i_q有关，而无功电流只与i_d有关，且都为直流分量，i_q和i_d大小分别与有功无功电流的幅值相等。

谐波源的PWM控制方式采用三角波比较方式，控制终端根据设定产生指令信号，把实际电流波形作为反馈信号，将指令信号减去反馈信号后进行比例积分，得到主电路的控制电流，对此控制电流进行PWM变换后作为主电路开关器件的控制信号。控制方式如图4所示。

2.回馈环节

回馈环节原理图如图5所示，回馈环节2包括第四桥臂N4、第五桥臂N5、第六桥臂N6，组成三相桥式PWM变流器结构，回馈环节2的直流侧与中间直流电容3相接，交流侧与第二LCL滤波环节6的一端相接，所述的第二LCL滤波环节6由第七电感L31、第八电感L32、第九电感L33、第十电感L41、第十一电感L42、第十二电感L43和第四阻容RC4、第五阻容RC5、第六阻容RC6组成三个单相T型滤波器；其中，第四桥臂N4的中点与第七电感L31相连，第五桥臂N5的中点与第八电感L32相连，第六桥臂N6的中点与第九电感L33相连。

其中主电路的电容和谐波源中的电容是同一个电容。对于电源，谐波源为其非线性负载，而对于回馈环节，由于共用电容且直流侧电容电压几乎恒定，谐波源又相当于回馈部分直流侧的直流电源，回馈环节将直流逆变后反馈回电网，实现能量回馈。

电容电压的稳定是整个系统稳定的关键，根据仿真结果，电容电压的稳定应由回馈部分控制。根据瞬时无功功率理论(又称pq理论)，对于PWM逆变器，瞬时无功不会导致交流侧和直流侧之间的能量交换。而各相电路瞬时有功功率之和等于三相电路瞬时有功功率p。也就是说，对于PWM逆变器，如果不考虑各部分的损耗，则其交流侧的瞬时有功功率将全部传递到直流侧，即交流侧与直流侧的能量交换取决于瞬时有功功率，而与无功功率无关。

因此，控制电容电压的稳定只要控制有功功率(即有功电流)即可，而有功电流只与i_q有关。通过比例积分控制器PI3将参考电压减去直流侧电容电压后进行比例积分得到维持电容电压稳定所需的电流Δi_q(如图6)。

回馈环节的PWM控制方式与谐波源部分相同，仍采用三角波比较方式。指令信号由负荷电流i_L与维持电容电压稳定的有功电流相叠加而成，如图6所示。把实际的回馈电流波形作为反馈信号，将指令信号减去反馈信号后进行比例积分，得到主电路的控制电流，对此控制电流进行PWM变换后作为主电路开关器件的控制信号。

Claims (3)

1.一种模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置，其特征在于该装置包括谐波源(1)、回馈环节(2)、中间直流电容(3)、控制终端(4)、第一LCL滤波环节(5)、第二LCL滤波环节(6)；所述的控制终端(4)采用DSP控制器实现，根据用户设定产生控制信号，控制谐波源部分产生电流扰动；谐波源(1)和回馈环节(2)通过中间直流电容(3)相级联，组成AC-DC-AC拓扑结构，实现能量回馈；谐波源(1)的交流侧通过第一LCL滤波环节(5)与电网相连接，回馈环节(2)的交流侧通过第二LCL滤波环节(6)与电网相连接。

2.根据权利要求1所述的模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置，其特征在于所述的谐波源(1)包括第一桥臂(N1)、第二桥臂(N2)、第三桥臂(N3)，组成三相桥式PWM变流器结构，谐波源(1)的直流侧与中间直流电容(3)相接，交流侧与第一LCL滤波环节(5)的一端相接，所述的第一LCL滤波环节(5)由第一电感(L11)、第二电感(L12)、第三电感(L13)、第四电感(L21)、第五电感(L22)、第六电感(L23)和第一阻容(RC1)、第二阻容(RC2)、第三阻容(RC3)组成三个单相T型滤波器；其中，第一桥臂(N1)的中点与第四电感(L21)相连，第二桥臂(N2)的中点与第五电感(L22)相连，第三桥臂(N3)的中点与第六电感(L23)相连。

3.根据权利要求1所述的模拟非线性装置实际工况的电能质量扰动发生装置，其特征在于所述的回馈环节(2)包括第四桥臂(N4)、第五桥臂(N5)、第六桥臂(N6)，组成三相桥式PWM变流器结构，回馈环节(2)的直流侧与中间直流电容(3)相接，交流侧与第二LCL滤波环节(6)的一端相接，所述的第二LCL滤波环节(6)由第七电感(L31)、第八电感(L32)、第九电感(L33)、第十电感(L41)、第十一电感(L42)、第十二电感(L43)和第四阻容(RC4)、第五阻容(RC5)、第六阻容(RC6)组成三个单相T型滤波器；其中，第四桥臂(N4)的中点与第七电感(L31)相连，第五桥臂(N5)的中点与第八电感(L32)相连，第六桥臂(N6)的中点与第九电感(L33)相连。

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