一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于四象限电力电子变流器的电机 模拟装置及方法。
【背景技术】
[0002] 电机在工业生产和研宄试验中有着至关重要的作用。同步发电机、异步发电机可 以发出有功功率和感性、容性无功功率，因此可以为负载供电或对电网进行有功、无功调 节。同步电动机、异步电动机可以吸收有功功率和感性、容性无功功率，因此可以作为负载 或对电网进行有功、无功调节。
[0003] 由于传统电机的惯性大、响应慢且功能具有局限性，对电机的控制较复杂，因此， 用电力电子装置模拟电机特性得到青睐。申请号为201410157692. 0的中国发明专利公开 了《一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法》，该专利利用电力电子来模拟同步发电 机的特性，可以模拟同步发电机对微网进行有功调节和无功调节，同时还可实现微网不同 运行模式下的切换，但是该方法只能模拟同步发电机的运行特性，具有一定的局限性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置及方法， 既可以模拟同步发电机、异步发电机的特性，还可以模拟同步电动机、异步电动机的特性。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置，包括输入开关、输入变压器、连 接电抗、功率单元、输出电抗、输出开关及第一控制系统，所述输入变压器采用三个单相变 压器串联结构，原边采用三角形接法，副边采用多副边绕组结构，每个副边绕组均依次连接 连接电抗及单个功率单元，每个副边绕组上的单个功率单元之间采用级联形式连接起来， 组成单相功率单元，功率单元由三个单相功率单元组成，三个单相功率单元的输出端均分 别通过输出电抗及输出开关与电网或待测设备相连，功率单元的输出端采用带中线的星型 接法，第一控制系统控制连接功率单元的逆变侧，用于形成调制波对功率单元的逆变侧进 行调制；
[0007] 所述第一控制系统在形成调制波时，先对功率单元逆变侧有功功率的参考值和实 际值的差值进行PI控制，同时第一控制系统还对功率单元逆变侧无功功率的参考值和实 际值的差值进行PI控制，将有功功率和无功功率的PI控制结果进行坐标变换，得到功率单 元逆变侧的电流参考值，第一控制系统再将此参考值与功率单元逆变侧电流实际值之差进 行重复学习控制，得到电压调制信号，然后第一控制系统将变流器输出端的输出电压及超 前于输出端电压90°的调制电压相加，得到电压前馈控制信号，最后，第一控制系统将此电 压前馈控制信号与电压调制信号相加，得到功率单元逆变侧的调制波，将此调制波加在功 率单元的逆变侧，即可对功率单元的逆变侧进行调制，从而调节装置输出电压和输出电流 的相位。
[0008] 所述每个副边绕组上的单个功率单元采用两个H桥背靠背连接方式，左侧H桥为 整流侧，右侧H桥为逆变侧，H桥采用全控半导体器件，且均并联有反向续流二极管，在两个 H桥之间并联有储能电容。
[0009] 所述的每个副边绕组上的单个功率单元之间采用级联形式连接起来，级联个数由 待模拟电机的电压等级确定，每相的单个功率单元的逆变侧采用载波移相正弦波脉宽调制 方式进行控制。
[0010] 还包括第二控制系统，第二控制系统控制连接功率单元的整流侧，用来形成调制 波对功率单元整流侧进行调制，在形成调制波时，第二控制系统通过先将采集到的储能电 容两端的电压进行滑窗求平均，得到一个周期的平均值之后，再将此平均值和储能电容两 端的额定电压之差进行PI控制，第二控制系统再将PI控制的输出信号与电压互感器采集 到的输入变压器副边绕组的电压相乘后，得到功率单元输入电流的参考值，然后，第二控制 系统将此参考值与电流互感器采集到的功率单元输入电流的测量值之差进行P控制，得到 调制信号，接着，第二控制系统将输入变压器副边绕组的电压进行P控制后得到前馈控制 信号，最后，第二控制系统将调制信号与前馈控制信号相加，即可得到功率单元整流侧的调 制波，将此调制波加在功率单元的整流侧，即可对功率单元的整流侧进行调制，使储能电容 上具有稳定的电压。
[0011] 一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟方法，依次包括以下步骤
[0012] (1)先闭合输入开关，输入变压器投入工作，储能电容开始充电；
[0013] (2)选择所需的电压UMf、电流IMf、相角0 Mf，计算出有功功率参考值PMf、无功功 率参考值 QMf，其中，PMf= U MfIrafcos 9 raf，Qraf= U MfIMfsin 9 ，下标 ref表示电网；
[0014] (3)利用功率传感器采集功率单元逆变侧的有功功率P和无功功率Q，将计算出的 有功功率参考值P Mf与测量到功率单元逆变侧的的有功功率P的差值输入第一 PI控制器， 将计算出的无功功率参考值Qref与测量到功率单元逆变侧的的无功功率Q的差值输入进行 输入第二PI控制器，经过PI控制之后的有功功率和无功功率经过坐标变换后得到功率单
示积分；
[0015] (4)利用电流互感器采集功率单元逆变侧的电流实际值is，将步骤（3)得到的功 率单元逆变侧的电流参考值与功率单元逆变侧的电流实际值i 3的差值进行重复学习控 制，得到调制信号Vml;
[0016] (5)利用电压互感器采集装置输出端电压Us，将电压Us乘以比例系数k p5后得到与 输出电压同相位的分量1^5113，电压us±乘以比例系数k p6后得到超前于输出电压90°的分 量kp6us 1，1^5113与k p6us 1相加后，得到前馈控制信号Vm2，将调制信号Vml与前馈控制信号V m2 相加后，得到单个功率单元逆变侧的调制波Vni，电压usi为超前于装置输出端电压90°的电 压，下标P表示比例；
[0017] (6)将步骤（5)得到的单个功率单元逆变侧的调制波Vni依次错开180/N，N为每相 功率单元的个数，即可得到各个功率单元的调制波；
[0018] (7)将步骤（6)得到的各个功率单元的调制波依次加在功率单元的逆变侧，对功 率单元的逆变侧进行控制，从而调节装置输出电压和输出功率的相位。
[0019]还包括步骤（8)至步骤（13)，具体为：
[0020] (8)利用电压互感器采集储能电容两端的电压，记为ud。，将其滑窗求平均得到一 个周期的平均值，下标dc表示直流；
[0021] (9)将步骤⑶得到的平均值与储能电容两端电压的参考值的差值Audc 输入第三PI控制器，得到信号A I，参考值的大小等于储能电容的额定电压；第三PI控
表;^拉普拉斯变换；
[0022] (10)利用电压互感器采集输入变压器副边绕组的电压Usl，将步骤（9)得到的信号 A I与输入变压器副边绕组电压Usl相乘后得到功率单元输入电流的参考值G，下标si表示 变压器副边，下标s表示变压器；
[0023] (11)利用电流互感器采集功率单元的输入电流is，将功率单元输入电流的参考值 g与功率单元输入电流的测量值^的差值Ai JiI入第一 P控制器，乘以比例系数kpl后，得 到电压调制信号Uml，其中，下标p表示比例；
[0024] (12)将采集到的输入变压器副边绕组的电压Usl输入第二P控制器，乘以比例系 数k p2后，得到电压前馈控制信号U m2，将电压调制信号Unll与电压前馈控制信号U m2相加，得 到功率单元整流侧的调制波Uni，其中，下标Sl表示变压器副边，下标S表示变压器，下标P 表示比例；
[0025] (13)将步骤（12)得到的调制波UjJP在功率单元的整流侧，使储能电容上具有稳 定的电压。
[0026] 本发明可以同时模拟同步发电机、同步电动机、异步发电机、异步电动机的特性。
[0027] 当电流超前电压0~90°时，变流器发出有功功率功率和容性无功；当电流滞后 电压0~90°时，变流器发出有功功率和感性无功功率，此时变流器模拟同步或异步发电 机特性。
[0028] 当电流超前电压90~180°时，变流器吸收有功功率和感性无功功率；当电流滞 后电压90~180°时，变流器吸收有功功率和容性无功功率，此时变流器模拟同步或异步 电动机特性。
[0029] 在发电机特性时，变流器可为负载提供电源，也可为负载提供试验源以检测负载 特性，还可调节电网无功功率等；在电动机特性时，变流器作为负载，可为待考核电源提供 负载以检测电源特性，亦可作为负载调节电网功率平衡等；同时本发明采用四象限电力电 子变流器模拟电机，控制方便，响应及时。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明所述的基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置拓扑结构图；
[0031] 图2为图1所示装置中功率单元的电路图；