CN208224745U - 基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电能质量测试技术，具体涉及基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台，包括RTDS实时仿真器、高压大容量扰动源、高压大功率设备和电压电流采集装置，高压大功率设备分别与高压大容量扰动源和电压电流采集装置连接，高压大容量扰动源和电压电流采集装置均与RTDS实时仿真器连接。该电能质量扰动平台结合了数字仿真与物理试验的优势，在增加仿真的直观性同时，简化了电力系统参数更改与设置。集成度高，能够在实验室环境下再现配电网电能质量扰动，对高压大功率设备进行电能质量扰动测试。

Description

基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台

技术领域

本实用新型属于电能质量测试技术领域，尤其涉及基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台。

背景技术

电能质量测试技术的核心是电能质量扰动发生器和以其为基础的扰动平台。电能质量扰动装置的发展，可分为三个阶段：

第一个阶段：基于传统电力设备的电能质量扰动发生器。典型的方法是利用变压器，采用手动切换方式实现电力扰动。此方法电路简单、易实现，缺点是只能实现电压暂降或暂升扰动。为了对相关测试设备进行验证，国内常采用阻抗短接或变压器调压的内产生扰动。然而，随着各种治理设备功能的增加和性能的提高，对扰动源提出了可控和多功能的要求。

第二个阶段：采用功率器件，主要是不控或半控型器件。日本关西电力公司研制出一种工作在线性放大区方式下的采用功率器件实现的扰动发生装置。虽然该装置能够产生丰富的波形、动态特性较好，但造价高、功耗大、效率低。有些文献里面基于上述相同原理设计扰动发生装置，装置的容量也受到限制。

第三个阶段：同样采用功率器件，主要是引入全控型器件。目前有关资料中提到的扰动源拓扑结构主要有以下四种：由晶闸管和自耦变压器构成的电压暂降(暂升)和不平衡扰动发生装置；用晶闸管可控电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)构成的电压暂降或暂升扰动发生装置；采用不控整流与全控逆变结构的波形发生设备；采用PWM整流和PWM逆变结构的扰动发生器。由此可见，电能质量扰动发生器的发展和功率器件的发展是紧密相连的。基于全控型器件的电能质量扰动发生器以其优良的可控性，成为未来电力扰动源的主要形式。

与此同时，基于实时数字仿真装置的数字-物理混合仿真技术，利用数字仿真系统建模灵活的特点，为在实验室下实现不同电网环境的模拟提供了条件。

数字-物理混合仿真又称硬件在环仿真，其结合了实时数字仿真和动态物理模拟仿真的优点，既可以对大规模复杂电网进行实时数字仿真，也可以对含大规模电力电子器件开关快速动作的换流器进行精确模拟，大大提高了仿真的效率和仿真的性能。混合仿真中的物理部分采用的是实际装置，可以更直观、更准确地模拟实际装置在电力系统中的运行情况。目前，该方法的研究受接口功率等级的限制，主要用于对电力电子装置中电气等级不高的系统保护单元，和一些控制器单元等进行测试。如果解决了接口功率等级的问题，将能实现大功率电力电子装置与实时数字仿真系统相连，从而为在实验室环境下测试大功率电力电子装置整体性能提供重要手段。

将基于全控器件的电能质量扰动发生装置与基于实时数字仿真装置的数字-物理混合仿真技术相结合，实现在实验室条件下高压大功率设备的电能质量扰动试验，是目前最先进，也是最经济的电能质量扰动平台方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够在实验室环境下对各种典型电力设备(串联补偿设备，并联补偿设备和非补偿设备)及其电能质量问题进行模拟与研究的电能质量扰动平台，该平台适用于10kV等级电力设备性能测试实验，装置功率等级为3MVA。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台，包括RTDS实时仿真器、高压大容量扰动源、高压大功率设备和电压电流采集装置。高压大功率设备分别与高压大容量扰动源和电压电流采集装置连接，高压大容量扰动源和电压电流采集装置均与数字物理混合仿真试验系统连接。

在上述的基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台中，RTDS实时仿真器实现数字仿真，高压大功率设备为物理系统，高压大容量扰动源用于实现数字仿真与物理系统的互联。

在上述的基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台中，高压大容量扰动源采用基于IGBT的级联H桥式背靠背电路，包括输入隔离变压器、背靠背功率单元和输出LC滤波器。

在上述的基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台中，电压电流采集装置包括电压互感器、电流互感器、霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。

本实用新型的有益效果是：

1、该电能质量扰动平台集成度高，装置密度高，设备体积小，且可以根据试验要求设计为固定式扰动平台或移动式电能质量扰动平台。能够实现实验室环境下对电能质量的模拟与试验测试。

2、本电能质量扰动平台在高压大容量扰动源中，采用级联H桥式电路，提高了系统输出的电压与功率等级。能在10kV/3MVA电压功率等级下产生扰动信号，适用于中高压配电网电力设备测试实验。

3、本电能质量扰动平台采用了先进的数字物理仿真技术，结合了数字仿真简易性和物理仿真直观性。数字仿真器中不仅能够实现简单的设定电压/电流质量扰动，输出预定的扰动信号，而且能够根据实际电力系统建立电力仿真系统模型，模拟输出不同电力系统故障和不正常运行情况下的电压/电流扰动信号。实现对实际系统电能质量扰动的模拟，增加了系统仿真的直观性。

4、本电能质量扰动平台运用数字仿真技术的优势，可以在数字仿真系统中实现对参数的更改和重置而不需要更改电力器件。增加装置的灵活性和适用性。

附图说明

图1本实用新型一个实施例的结构原理拓扑图；

图2本实用新型一个实施例高压大容量扰动源结构原理图；

图3本实用新型一个实施例高压大容量扰动源功率单元拓扑图；

图4本实用新型一个实施例高压大容量扰动源整流侧控制框图；

图5本实用新型一个实施例PWM整流桥SPWM调制原理图；

图6本实用新型一个实施例高压大容量扰动源逆变侧控制框图；

图7本实用新型一个实施例滤波回路结构图；

图8本实用新型一个实施例电压扰动模式原理图；

图9本实用新型一个实施例电流扰动模式原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

本实施例是通过下述技术方案来实现的，如图1所示，基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台，包括RTDS实时仿真器、高压大容量扰动源、高压大功率设备和电压电流采集装置，高压大功率设备分别与高压大容量扰动源和电压电流采集装置连接，高压大容量扰动源和电压电流采集装置均与数字物理混合仿真试验系统连接。

基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台中，RTDS实时仿真器实现数字仿真，高压大功率设备为物理系统，高压大容量扰动源用于实现数字仿真与物理系统的互联。

而且RTDS实时仿真器是由加拿大Manitoba的高压直流输电研究中心在EMTP/EMTDC基础上开发的实时数字仿真器，是目前世界上开发最早，应用也最广泛的电力系统实时仿真工具。高压大容量扰动源包括输入隔离变压器、背靠背功率单元、输出LC滤波器。高压大容量扰动源采用基于IGBT的级联H桥式背靠背电路，包括整流侧和逆变侧。整流侧用于控制直流电压，逆变侧用于控制输出扰动，实现数字物理接口功能，以及电能质量扰动功能。电压电流采集装置包括电压互感器，电流互感器，霍尔电压传感器，霍尔电流传感器。

工作原理是：高压大容量扰动源连接数字物理混合仿真试验系统和被测设备，实现功率流动和信号互联。在系统实际工作中，在RTDS实时仿真器中建立电网的数字模型，模拟各种的电能质量问题，输出不同电压信号作为高压大容量扰动源的参考信号，高压大容量扰动源进行信号不失真功率放大，输出电压，与各种高压大功率设备连接，通过电压、电流传感器采集大功率设备连接节点的信号，反馈到RTDS实时仿真器，实现一个闭环的实时仿真试验系统，具有更高的真实性和可靠性。这其中，RTDS实时仿真器可以搭建不同的高压电网、配电网数字模型，实现模拟实际设备并入所研究电网抗电能质量扰动能力和运行状态受影响程度的试验测试和量化评估，具有很好的可信度；高压大容量扰动源主体采用背靠背H桥级联型结构，通过配套多抽头输入输出变压器，其可实现多电压等级的扰动，满足高压、大容量需求。

如图2所示，高压大容量扰动源主体采用背靠背H桥级联型结构，主要包括输入隔离变压器、背靠背功率单元、输出LC滤波器。通过配套多抽头输入输出变压器，其可实现多电压等级的扰动，最终构成完整的高压大容量扰动源整体方案。

如图3所示，高压大容量扰动源的功率单元，其主拓扑为单相H桥背靠背变流器，采用两级AC/DC/AC变换器结构。其中左边变流器连接电网等交流电源，作为整流侧，通过对交流输入电流和直流电容电压的控制，实现单位功率因数控制和稳定直流电压。右边变流器连接滤波回路，作为逆变侧，接受RTDS传递过来的电压信号，作为参考信号，通过适当的控制手段实现试验所需电流、电压波形输出。两边通过中间的直流电容C进行连接，其作为直流段储能元件，调节输入输出有功功率平衡，维持直流电压稳定，抑制直流电压谐波，同时亦使得整流部分和逆变控制解耦，系统易于分开控制。

如图4所示，高压大容量扰动源整流侧控制框图，PWM整流桥的控制方法采用电压外环与电流内环相结合的双环控制方法。电压外环是对直流侧电压u_dcx的控制，为直流侧电压的指令值。当不考虑谐波干扰时，u_dcx实际包含直流分量和交流分量，但交流分量存在波动且含量较小，所以将对u_dcx的控制转化为对u_dcx的直流量的控制。其中，通过u_dcx滑窗求平均得到，即为u_dcx工频周期的平均值。直流侧电压u_dcx与指令值比较后得到电压偏差Δu_dcx，电压偏差Δu_dcx经过PI控制后得到信号ΔI_x，ΔI_x与单元输入电压u_sx相乘后得到与输入电压u_sx同相位的电流指令电流指令与单元输入电流i_sx比较后得到电流差信号Δi_sx，Δi_sx经过比例环节k_p1后得到调制波信号u_m1x。此外，为了使直压控制效果更稳定，且减小直流电压控制外环PI控制器的压力，需加入电压前馈控制。即将单元输入电压u_sx经过比例环节k_p2后得到调制波信号u_m2x。则调制波信号u_m1x与u_m2x之和，即为PWM整流桥的最终调制信号u_mx。

每个功率单元中PWM整流桥的调制方式是一致的，图5给出了对应的1到N个功率单元PWM整流桥的SPWM调制方法。每个功率单元的调制波u_m1，…，u_mx，…，u_mN按照图4方式生成。每个功率单元调制采用的三角载波相同，但左桥臂三角载波的初相位与右桥臂三角载波的初相位相差180°，即c与c₁的初相位相差180°。在调制波与三角载波的交点处控制器件的通断，且每个桥臂的上下两个器件的导通状态互补。

如图6所示，高压大容量扰动源逆变侧控制框图；以电压源型变流器VSC表示基于H桥级联型逆变器的电能质量试验电源，L为输出滤波电感，u_o为H桥级联型逆变器输出电压，i_o为H桥级联型逆变器输出电流。H桥级联型逆变器的控制系统分为三层。第一层和第二层控制属于VSC控制，主要是电流、电压环控制，其控制的目标是u_o＝u_ref，i_o＝i_ref。第三层主要是基于模型的控制。关于H桥级联型逆变器三层控制的具体描述如下：

(1)第一层控制。对电压、电流进行快速的一次调节，可能存在控制偏差。

(2)第二层控制。对电压、电流进行渐进的二次调整，尽可能减小控制偏差。

(3)第三层控制。对电压、电流进行三次调整，依赖数学模型对逆变器的输出波形或端口外特性进行精确控制。

如图7所示，滤波回路结构图；在扰动源工作在电压或电流扰动输出时，所需的LC滤波器支路的参数不同。电压扰动输出时，滤波电感L要求较小，并考虑配置一定的滤波电容C；电流扰动输出时，滤波电感L要求较大，不需配置滤波电容C(用线路及降压变等效电容代替)。设计两个辅助开关KM8和KM9来实现滤波回路的切换。当KM8断开和KM9均闭合，工作于电压扰动输出模式；当KM8闭合，KM9断开时，工作于电流扰动输出模式。滤波回路设计的思路，考虑电流扰动模式下，存在平台降压变压器及被测变压器漏抗。考虑谐振阻尼电阻的切换，电流模式下的大电感由此小电感配合两个变压器的漏抗完成。

如图8所示，电压扰动模式原理图，在电压源模式下，RTDS实时仿真器建立模型，产生包括输出电压调幅、输出电压变频、电压暂降、电压不平衡、电压波动、电压谐波等各种电能质量问题的节点电压信号，节点电压信号传入到高压大容量扰动源的主控箱，通过重复控制+有源阻尼的控制策略，四象限背靠背变流器能够输出含不同电能质量问题的电压波形，电压接入需要测量研究的电力电子设备，从而做到电压不同电能质量问题对高压大功率设备影响的研究。

如图9所示，电流扰动模式原理图，在电流源模式下，RTDS实时仿真器建立模型，产生包括电流三相不平衡、电流谐波、电流波动与闪变、功率因数、电流调节等各种电能质量问题的电流信号，电流信号传入到高压大容量扰动源的主控箱，通过重复控制+有源阻尼的控制策略，四象限背靠背变流器能够输出含不同电能质量问题的电流波形，电流流入电网，从而做到不同电流电能质量问题对电网及高压大功率设备影响的研究。

本实施例不仅可以通过实时数字仿真器中模拟电力系统故障或不正常运行情况，在此基础上研究实际电网在故障或不正运行情况下的电力设备的性能。还可以模拟预定电压/电流扰动输出，测试在预定的不同电能质量情况下电力设备的性能。同时，具有灵活性高，实用性强的特点。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台，包括RTDS实时仿真器、高压大容量扰动源、高压大功率设备和电压电流采集装置，高压大功率设备分别与高压大容量扰动源和电压电流采集装置连接，高压大容量扰动源和电压电流采集装置均与数字物理混合仿真试验系统连接。

2.如权利要求1所述的基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台，其特征是，RTDS实时仿真器实现数字仿真，高压大功率设备为物理系统，高压大容量扰动源用于实现数字仿真与物理系统的互联。

3.如权利要求1所述的基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台，其特征是，高压大容量扰动源采用基于IGBT的级联H桥式背靠背电路，包括输入隔离变压器、背靠背功率单元和输出LC滤波器。

4.如权利要求1所述的基于数字物理混合仿真的高压大功率电能质量扰动平台，其特征是，电压电流采集装置包括电压互感器、电流互感器、霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。