电压暂降模拟系统及方法与流程

本发明涉及电力电子控制技术领域，特别是涉及电压暂降模拟系统及方法。

背景技术：

在诸多电能质量问题中，以电压暂降最为突出。当发生电压暂降时，通常会使微型电子计算机、继电器、变频调速装置、嵌入式处理器等电压敏感设备工作失常，特别是当这些设备应用在医疗、电信、半导体等行业时，将导致巨大的经济损失。研究电压暂降对敏感设备的影响机理和治理措施成为一个备受关注问题。

目前，主流的电压暂降模拟装置为基于逆变器的电压暂降模拟装置，但目前的电压暂降模拟装置，难以精确模拟出电压暂降过程。

技术实现要素：

基于此，本发明实施例提供电压暂降模拟系统及方法，能够提高电压暂降过程模拟的精确度。

本发明一方面提供电压暂降模拟系统，包括主电路和控制电路；所述主电路包括整流单元、逆变单元和负载，整流单元的输入端连接电网，整流单元的输出端连接逆变单元的输入端，逆变单元的输出端连接负载；

所述整流单元包括依次连接的交流输入电抗器、整流侧ipm以及直流支撑电容；所述整流单元通过所述交流输入电抗器连接电网，通过所述直流支撑电容连接逆变单元；所述逆变单元包括依次连接的逆变侧ipm以及输出滤波电路；所述逆变单元通过所述输出滤波电路连接负载；

所述控制电路包括控制单元，以及与该控制单元连接的第一交流电压及电流互感器、第二交流电压及电流互感器和直流电压互感器；第一交流电压及电流互感器还连接整流单元，用于检测所述交流输入电抗器中的交流电压电流；第二交流电压及电流互感器还连接逆变单元，用于检测所述输出滤波电路中的交流电压电流；直流电压互感器还连接整流单元，用于检测整流单元输出的直流电压；

所述控制单元还连接整流侧ipm以及逆变侧ipm，用于控制所述整流侧ipm、逆变侧ipm中功率器件的通断。

一种电压暂降模拟方法，适用于上述电压暂降模拟系统，包括步骤：

获取第一交流电压及电流互感器检测到的第一交流电压电流，获取第二交流电压及电流互感器检测到的第二交流电压电流，获取直流电压互感器检测到的直流电压；

根据所述第一交流电压电流、所述第二交流电压电流以及所述直流电压生成对应的第一调制脉冲信号，将所述第一调制脉冲信号发送至整流侧ipm，以控制整流侧ipm中功率器件的通断；

根据预设的电压暂降特征量、第二交流电压电流生成对应的第二调制脉冲信号，将所述第二调制脉冲信号发送至逆变侧ipm，以控制逆变侧ipm中功率器件的通断。

上述技术方案，通过所述主电路、控制电路以及各自的电路构成，可精确模拟电网中电压暂降的发生过程，且控制灵活、动态响应速度快，适用于电压暂降敏感有源或无源设备抗扰度测试研究。

附图说明

图1为一实施例的电压暂降模拟系统的示意性结构图；

图2为另一实施例的电压暂降模拟系统的示意性结构图；

图3为一实施例的电压暂降模拟方法的示意性流程图；

图4为一实施例的电压暂降模拟过程中整流侧电流环控制的原理示意图；

图5为一应用场景下的电压暂降模拟过程中对逆变侧控制的示意性流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为一实施例的电压暂降模拟系统的示意性流程图；在该实施例中，所述电压暂降模拟系统包括主电路和控制电路；所述主电路包括整流单元、逆变单元和负载，整流单元的输入端连接电网，整流单元的输出端连接逆变单元的输入端，逆变单元的输出端连接负载。

其中，所述整流单元包括依次连接的交流输入电抗器、整流侧ipm(intelligentpowermodule，即智能功率模块)以及直流支撑电容；所述整流单元通过所述交流输入电抗器连接电网，通过所述直流支撑电容连接逆变单元；所述逆变单元包括依次连接的逆变侧ipm以及输出滤波电路；所述逆变单元通过所述输出滤波电路连接负载。可以理解的，所述整流单元所连接的电网可为市电电网，即所述整流单元的输入为交流电，经过整流后输出直流电。

其中，所述控制电路包括控制单元，以及与该控制单元连接的第一交流电压及电流互感器、第二交流电压及电流互感器和直流电压互感器；第一交流电压及电流互感器还连接整流单元，用于检测输入整流侧ipm的交流电压电流；第二交流电压及电流互感器还连接逆变单元，用于检测逆变侧ipm输出的交流电压电流；直流电压互感器还连接整流单元，用于检测整流单元输出的直流电压。可以理解的，第一交流电压及电流互感器、第二交流电压及电流互感器可为兼具电压互感器和电流互感器的器件，或者为单独的电压互感器和电流互感器。当为独立的电压互感器、电流互感器时，所述控制电路包括两组交流电压互感器和两组交流电流互感器。

其中，所述控制单元还连接整流侧ipm以及逆变侧ipm，用于控制所述整流侧ipm、逆变侧ipm中功率器件的通断。可以理解的，所述整流侧ipm、逆变侧ipm中均包含若干个开关器件，例如igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)和/或二极管等；且所述整流侧ipm、逆变侧ipm中的开关器件能够在调制脉冲信号的作用下导通或者截断。

基于上述实施例的电压暂降模拟系统，通过所述主电路、控制电路以及各自的电路构成，可准确模拟电网中电压暂降的发生过程，且控制灵活、动态响应速度快，适用于电压暂降敏感有源或无源设备抗扰度测试研究。

在一优选实施例中，如图2所示，所述整流单元还包括输入隔离变压器，通过该输入隔离变压器可减小对电网带来谐波污染；对应地，所述逆变单元还包括输出隔离变压器。所述整流单元通过所述输入隔离变压器连接电网，输入隔离变压器的输出端通过交流输入电抗器连接整流侧ipm的交流输入端。所述输出滤波电路的输出端通过输出隔离变压器连接负载。

在一优选实施例中，所述输入隔离变压器接入的是三相交流电，对应地，所述输入隔离变压器为三相隔离变压器；所述交流输入电抗器为三相输入电抗器；所述整流侧ipm、逆变侧ipm分别为三相桥式整流电路、三相桥式逆变电路；所述输出隔离变压器为三相隔离变压器。

可选地，所述输入隔离变压器为三相yn-y型隔离变压器；所述输出隔离变压器为三相δ-yn型隔离变压器；所述输出滤波电路为lc滤波器。对应地，系统中各部分的连接关系为：三相输入隔离变压器直接连接三相电网，三相桥式整流电路的交流侧经过输入电抗器连接到三相输入隔离变压器；三相桥式整流电路的直流侧通过直流支撑电容与三相桥式逆变电路的直流侧连接；三相桥式逆变电路的交流侧通过输出lc滤波器、输出隔离变压器连接负载。

在一可选实施例中，所述控制单元为dsp控制核心，例如为tms320f28335芯片，可实现整流单元和逆变单元的控制。

参考图2所示，所述逆变单元还包括开关k，作为逆变单元的负载公共连接点。控制电路通过互感器从主电路取得电压电流信息，经过dsp控制核心处理计算，生成调制脉冲，触发主电路中的功率器件通断，从而实现电压暂降的模拟发生。并且，当负载为无源用电负荷时，整流侧通过输入隔离变压器从电网取得电能，维持直流电压恒定；当负载为有源设备时，整流侧在维持直流电压平衡的同时可将多余的能量反馈给电网。由此可实现能量双向流动，适用于动态电压恢复器(dvr)、可再生能源并网装置等有源设备电压暂降试验使用，且不向电网注入谐波及无功功率。

基于上述实施例的电压暂降模拟系统，图3为一种电压暂降模拟方法的示意性流程图，包括步骤：

s11，获取第一交流电压及电流互感器检测到的第一交流电压电流，获取第二交流电压及电流互感器检测到的第二交流电压电流，获取直流电压互感器检测到的直流电压。

参考上述系统实施例所述，所述第一交流电压及电流互感器检测的是输入整流侧ipm的交流电压电流；所述第二交流电压及电流互感器检测的是逆变侧ipm输出的交流电压电流；所述直流电压互感器检测的是整流单元输出的直流电压。

s12，根据所述第一交流电压电流、所述第二交流电压电流以及所述直流电压电流生成对应的第一调制脉冲信号，将所述第一调制脉冲信号发送至整流侧ipm，以控制整流侧ipm中功率器件的通断。

s13，根据预设的电压暂降特征量、第二交流电压电流生成对应的第二调制脉冲信号，将所述第二调制脉冲信号发送至逆变侧ipm，以控制逆变侧ipm中功率器件的通断。

可以理解的，上述步骤的执行主体可为控制单元，并且上述步骤s12、s13可同时执行，以同时控制整流侧ipm和逆变侧ipm。

本实施例中，所述控制单元通过调制脉冲信号控制整流侧、逆变侧中器件的通断。可以理解的是，还可采用调制脉冲信号之外的其他信号控制整流侧、逆变侧中器件的通断。

通过上述实施例的电压暂降模拟方法，在整流侧改进了整流侧的电流环控制，可实现整流侧与逆变侧功率解耦，抑制电压暂降发生过程中直流电压的波动；在逆变侧控制无需反馈环，减小硬件计算资源开销，动态响应速度快，且能够自动满足相与相之间的幅值相位关系，有效模拟电压暂降发生过程。

在一可选实施例中，上述步骤s12中，根据所述第一交流电压电流、所述第二交流电压电流以及所述直流电压生成对应的第一调制脉冲信号，包括：

根据第二交流电压电流计算输出滤波电路输出的d轴有功电流分量；根据所述直流电压计算整流单元的直流电压环输出值；将所述输出滤波电路输出的d轴有功电流分量作为前馈信号，与整流单元的直流电压环输出值进行叠加，得到整流单元的d轴有功电流参考值；根据第一交流电压电流、所述d轴有功电流参考值以及预设的q轴电流参考值，对整流单元进行电流环pi控制，通过dq前馈解耦控制得到对应的调制波，根据所述调制波生成第一调制脉冲信号。

在一可选实施例中，根据第二交流电压电流计算输出滤波电路输出的d轴有功电流分量为：

id_inv＝(v'αi'α+v'βi'β)/ed

其中，id_inv为输出滤波电路输出的d轴有功电流，v'α、v'β和i'α、i'β分别为负载电压、电流在两相静止坐标系下的α轴分量、β轴分量，ed为电网电压的d轴分量。

根据第一交流电压电流、所述d轴有功电流参考值以及预设的q轴电流参考值，对整流单元进行电流环pi控制，通过dq前馈解耦控制得到对应的调制波，包括：

建立在dq坐标系下整流单元状态空间方程为：

其中，l、r分别为交流输入电抗器的等效电感和等效电阻；ed、eq分别为电网的d轴电压分量、q轴电压分量，id、iq分别为交流输入电抗器中电感的d轴电流分量、q轴电流分量，sd、sq分别为d轴调制信号分量、q轴调制信号分量，prec为整流侧ipm输出的有功功率，pinv为逆变侧ipm输出的有功功率，ω为电网交流电的角频率，vdc为整流单元输出的直流电压，c为直流支撑电容。

根据整流单元状态空间方程，以d轴定向，建立整流单元电流环pi控制方程为：

根据电流环pi控制方程得到整流侧ipm的交流电压为：

其中，分别为d轴电压和q轴电压，id_ref、iq_ref为预设的q轴电流指令值和d轴电流指令值；kip、kii分别为电流环pi控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；

将转换为两相静止坐标系下的α轴分量β轴分量根据得出整流单元对应的调制波。

在一可选实施例中，参考图4所示，其中，根据所述直流电压计算整流单元的直流电压环输出值的具体实现方式可包括：

将整流单元输出的直流电压进行惯性滤波，并与预设的直流电压指令值比较进行pi调节，得到整流单元的直流电压环输出值；将所述输出滤波电路输出的d轴有功电流分量作为前馈信号，与整流单元的直流电压环输出值进行叠加，得到整流单元的d轴有功电流参考值为：

其中，id_ref表示整流单元的d轴有功电流参考值，kvp、kvi分别表示电压环pi控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，vdc为整流单元输出的直流电压，vdc_ref为预设的直流电压指令值。

在一可选实施例中，上述步骤s13中，根据预设的电压暂降特征量、第二交流电压电流生成对应的第二调制脉冲信号，包括：

获取预设的电压暂降特征量，所述电压暂降特征量包括电压暂降类型、幅值、持续时间和/或暂降起始点；根据所述电压暂降特征参量以及第二交流电压电流计算输出滤波电路输出电压的正负零序分量；根据所述正负零序分量得到正负零序调制信号，根据所述正负零序调制信号生成第二调制脉冲信号。

在一可选实施例中，还包括步骤：预先计算逆变侧ipm的死区平均基波电压损失，根据死区平均基波电压损失计算逆变侧ipm死区效应的电压方程，并将所述电压方程转化成正负零序方程，所述正负零序方程用于计算逆变侧ipm输出电压的正负零序分量。

例如：计算逆变侧ipm的死区平均基波电压损失为：

其中，ve为死区平均基波电压损失，ut、ud分别是逆变侧ipm的igbt饱和导通压降和二极管导通压降，td、ton、toff分别为逆变侧ipm的死区时间、导通时间、关断时间，tc为预设的调制脉冲信号周期；

计及逆变侧ipm死区效应的电压方程为：

其中，为逆变侧ipm输出的交流电压，为输出滤波电路的电感电流，为输出滤波电路输出的电压，为死区电压损失，为输出滤波电路的等效阻抗；为逆变侧ipm输出的交流电角频率；

通过对称分量法，将所述电压方程转化为正负零序方程为：

其中，为逆变侧ipm输出的正负零序电压，为输出滤波电路中电感的正负零序电流，为输出滤波电路输出的正负零序电压，为死区电压的正负零序分量，vdc为整流单元输出的直流电压，为调制波的正负零序分量。

结合图2、图4以及图5所示，下面对本发明上述实施例的电压暂降模拟方法作进一步的解释说明。

如图2所示，所涉及的电压暂降模拟系统包括yny型隔离变压器、输入电抗器、整流ipm、直流支撑电容、逆变ipm、输出lc滤波器、δ-yn型隔离变压器、交流电压电流互感器、直流电压互感器及以dsp28335为核心的控制系统，k为开关，也是负载公共连接点。通过互感器从主电路取得电压电流信息，经过dsp控制系统处理计算，生成调制脉冲，触发主电路功率期间通断，从而实现电压暂降的模拟发生。

假设三相交流输入电抗器的参数相同，其等效电感与等效电阻分别为l和r，则得到在dq坐标系下的整流侧状态空间方程可为：

其中，l、r分别为交流输入电抗器的等效电感和等效电阻；ed、eq分别为电网的d轴电压分量、q轴电压分量，id、iq分别为交流输入电抗器中电感的d轴电流分量、q轴电流分量，sd、sq分别为调制信号的d、q轴分量，prec为整流侧ipm输出的有功功率，pinv为逆变侧ipm输出的有功功率，ω为电网交流电的角频率，vdc为整流单元输出的直流电压，c为直流支撑电容。

以d轴定向，则d、q轴电流分别代表交流电流的有功和无功分量，两者存在一定的耦合关系，本实施例中，通过前馈解耦控制实现整流侧有功电流和无功电流的独立控制。考虑到三相对称电压电流经过派克变换后都是直流量，采用pi控制即可实现无静差控制，即以d轴定向，建立整流单元的电流环pi控制方程为：

可得到整流侧ipm的交流电压为

其中，分别为d轴电压和q轴电压，id_ref、iq_ref为预设的q轴电流指令值和d轴电流指令值(即分别为无功电流指令值和有功电流指令值)；kip、kii分别为电流环pi控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。为避免向电网注入无功，优选地，设定iq_ref＝0。

式(3)即为整流侧电流环控制方程，实现了整流侧有功和无功的解耦控制。同时由式(1)可见，整流侧与逆变侧也存在着功率耦合，在模拟电压暂将发生期间，负载电压发生突变将导致逆变侧有功突变，从而使整流单元输出的直流电压波动。在一实施例中，由直流电压环生成有功指令值，为了抑制直流电压波动，通过瞬时功率理论算出逆变侧的有功功率，并在整流侧电流环控制的d轴有功参考电流生成时叠加逆变侧的有功功率对应的有功电流，即

其中，kvp、kvi分别为电压环pi控制器的比例系数和积分系数，id_inv为逆变侧的d轴有功电流，其表达式为

id_inv＝(v'αi'α+v'βi'β)/ed(5)

其中，v'α、v'β、i'α、i'β分别为逆变侧ipm输出的电压电流在两相静止坐标系下的α、β轴分量。最终，得到整流侧控制结构图如图4所示。

图5为逆变侧产生电压暂降的控制算法流程图。在pwm控制(即脉冲宽度调制)过程中，由于逆变侧ipm的功率器件的导通与关断都需要一定的时间，为了防止上下桥臂同时导通，加入了一段死区时间。逆变侧产生电压暂降的控制算法流程包括：

获取电压暂降类型、幅值、持续时间、暂降起始点等特征量；根据死区时间、功率器件导通时间和关断时间、管压降等计算逆变侧ipm死区电压。由死区造成的平均基波电压损失可用式(6)表示：

其中，ve为平均基波电压损失幅值，ut、ud分别是逆变侧ipm的igbt饱和导通压降和二极管导通压降，td、ton、toff分别为死区时间、导通时间、关断时间，tc为预设的pwm周期。应该注意的是，每一相的死区电压相位与该相电流相反。

列写考虑死区效应的逆变侧电压方程，并转化成正负零序方程。

假设电压暂降过程中，负载公共连接点k处的三相电压为三相电感电流为三相桥式逆变器交流输出电压为为输出滤波电路的等效阻抗；为逆变侧ipm输出的交流电角频率，死区电压损失为则通过对称分量法，转化为正负零序方程如下：

其中，为公共连接点k处的正负零序电压，为三相电感的正负零序电流，为三相桥式逆变器交流输出的正负零序电压，死区电压的正负零序分量，为调制波的正负零序分量。

提取三相桥式逆变器交流输出的各相暂降幅值、相位关系，以上述正负零序方程分别计算正负零序调制比，再转化成三相调制比，得到各相调制信号的幅值和相位。

对于三相无中性线系统，零序电流不能流通，因此有则：

通过式(8)可得到三相桥式逆变器对应的三相调制波为：

其中，t为旋转矩阵，a＝e^j120°为旋转因子。

判断当前控制周期是否为暂降起始点对应的时刻？若是，执行电压暂降算法，按照式(9)给定调制信号；否则，继续判断当前控制周期是否为暂降起始点对应的时刻。

当收到电压暂降指令时，利用式(9)计算得到三相桥式逆变器对应的调制波，通过spwm调制技术控制三相桥式逆变器的功率器件通断，模拟电压暂降过程。同时判断是否达到设定的暂降持续时间？若是，结束三相桥式逆变器的控制，否则，继续执行电压暂降算法，按照式(9)给定调制信号。

可选地，针对电压暂降起始点和电压暂降持续时间的处理为：设暂降起始点对应的角度为持续时间为t，控制周期为ts，则电压暂降起始点的控制周期数n1和电压暂降持续时间的控制周期数n2分别为：

基于上述实施例的电压暂降模拟方法，具有以下优点：

通过改进整流侧电流控制环，实现整流侧与逆变侧功率解耦，抑制电压暂降发生过程中直流电压的波动；

逆变侧控制采用计及死区影响的在线计算调制比的控制方式，无需反馈环，减小硬件计算资源开销，动态响应速度快，且能够自动满足相与相之间的幅值相位关系；

可实现能量双向流动，适用于动态电压恢复器(dvr)、可再生能源并网装置等有源设备电压暂降试验使用，且不向电网注入谐波及无功功率；

综合考虑电压暂降多特征量包括暂降类型、幅值、持续时间、暂降起始点等，精确模拟电压暂降发生过程。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。可以理解，其中所使用的术语“第一”、“第二”等在本文中用于区分对象，但这些对象不受这些术语限制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。