一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统及其仿真方法
【专利摘要】本发明涉及一种有源滤波器的数模混合仿真系统及其仿真方法，仿真系统用于技术技能培训，所述系统包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的功率模块。本发明既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线仿真研究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。
【专利说明】一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统及其仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力电子领域的仿真系统及其仿真方法，具体讲涉及一种有源电 力滤波器的数模混合仿真系统及其仿真方法。
【背景技术】
[0002] 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，电力电子技术 及装置广泛应用于柔性交流输电、高压直流输电、交直流电力传动等领域。
[0003] 随着电力电子技术的发展，用户对电能质量的要求越来越高。在保证供电可靠性 的前提下，谐波抑制和无功功率补偿构成了当今电能质量控制的核心任务。目前，谐波抑制 的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。有源电力滤波器（APF)采用目前最先进的动态 实时跟踪补偿方式消除电网谐波，通过实时检测由非线性负载所产生的电流波形，分离出 谐波部分，将其反向，同时控制IGBT的触发，将大小相等、方向相反的谐波电流注入到电网 中，实现滤除谐波的功能。但由于该装置的拓扑结构较为复杂，且其中既包含电感、电容等 线性元件，也包含非线性的开关元件，单纯靠理论培训不便于直观地表示出APF的基波特 性、谐波畸变、参数非线性等电气性能以及控制保护等方面的特点，无法达到理想的教学效 果。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明目的是提供一种有源电力滤波器的数模混合仿真系 统及其仿真方法，本发明既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线 仿真研宄，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。
[0005] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0006] 本发明提供一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统，其改进之处在于，所述系 统用于技术技能培训，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理 模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机 进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的APF数字仿真模型主电 路。
[0007] 进一步地，所述低压物理模型包括APF低压物理模型和非线性模型，所述非线性 模型包括感性负载物理模型、容性负载物理模型和充电回路R;所述APF低压物理模型、感 性负载物理模型、容性负载物理模型和充电回路R均接入380V由压等级系统中。
[0008] 进一步地，所述APF低压物理模型包括依次连接的断路器QF、接触器KM2、电抗器 和功率模块；所述功率模块由变流器和直流电容C组成；
[0009] 其中断路器QF用于APF装置本体投入或退出电网系统；所述接触器KM2用于旁路 充电回路R，保证APF装置投入；所述电抗器用于连接变流器与电网系统，起到抑制APF装 置本身的谐波和输出补偿电流的作用；所述功率模块由直流电容供电，通过变流器输出补 偿的无功和谐波电流。
[0010] 进一步地，所述低压物理模型控制系统包括控制平台、APF物理控制器、电压互感 器、电流互感器、光纤转接板和仿真机；所述控制平台通过光纤转接板分别控制APF低压物 理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型；所述APF物理控制器设置在控制平台与 接口转接板之间；所述电压互感器连接在380V电压等级系统中；所述电流互感器与APF低 压物理模型的功率模块连接；所述APF低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理 模型分别通过光电转换板与仿真机连接；
[0011] 所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人机 交互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成APF低压物理模型投切操作，3)完成APF低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物理模 型控制系统异常状态时，保证APF低压物理模型不发生误动作。
[0012] 进一步地，所述控制平台和APF控制器由独立电源供电；所述电压互感器用于采 集380V电压等级系统电压；所述电流互感器用于采集APF低压物理模型的输出电流量，并 将输出电流量数据传送给控制平台，以便参数显示和实现APF装置的保护功能；所述光纤 转接板用于接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿真工作模式信号选通光纤通路；控 制平台根据指令，将继电器信号发给APF低压物理模型的接触器节点，控制APF低压物理模 型投入或退出运行。
[0013] 进一步地，所述APF物理控制器和光纤转接板之间、光纤转接板与APF低压物理模 型的功率模块之间均采用光纤通信；光纤转接板与容性负载物理模型的接触器之间采用光 纤通信；光纤转接板与感性负载物理模型的接触器之间采用电缆通信。
[0014] 进一步地，所述数字仿真机包括工控机、数字仿真模块以及APF的数字仿真模型， APF低压物理模型通过接口转接板与仿真平台接口通信，实现数模混合仿真功能。
[0015] 本发明还提供一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统的仿真方法，其改进之处 在于，所述仿真方法包括下述仿真工作模式：
[0016] ①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式；
[0017] ②数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式；
[0018] ③低压物理模型控制系统控制数字仿真机仿真工作模式。
[0019] 9进一步地，所述仿真工作模式①中，低压物理模型控制系统中的APF物理控制器 控制低压物理模型的APF低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型；
[0020] 所述APF低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远方 投切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数，380V 母线电压上升或下降，在投入APF低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分布， 380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内；
[0021] 所述仿真工作模式①为模拟仿真，用APF物理控制器来控制APF低压物理模型功 率模块的输出无功；
[0022] 所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制APF低压物理模 型和APF物理控制器控制数字仿真机中的APF数字仿真模型主电路。
[0023] 与最接近的现有技术比，本发明的优异效果是：
[0024] 本发明中的APF物理模型系统能够将实际应用于供电系统的APF的电气特性、运 行维护特点、控制保护策略等性能生动演示出来，能够灵活自主设定运行参数及控制策略。 在培训教学时，基于本发明的物理模型系统，便于培训学员理论联系实际，深刻理解有源滤 波器的原理和作用，有助于培训学员学习APF的实操及运行维护特点，可使培训学员在正 式上岗前就能够熟练了解掌握APF的操作规程，同时使学员对数字仿真系统的应用也得到 充分的学习。物理模型通过接口转接板和光纤来实现数字仿真机和物理模型控制系统间的 相互通讯：物理模型系统的运行情况可以在控制系统的人机界面上显示，控制系统可以对 物理模型进行在线控制，数字仿真机和控制系统可进行在线实时仿真。该系统既可以对物 理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线仿真研宄，教学模式灵活多样，可起到良 好的示范教学效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明提供的低压物理模型主回路接线图；
[0026] 图2是本发明提供的数模混合仿真系统构成图；
[0027] 图3是本发明提供的低压物理模型控制系统框架图；
[0028] 图4是本发明提供的光纤转接板电路示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0030] 本发明提供一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统，该系统用于技术技能培 训，数模混合仿真系统构成图如图2所示，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数 字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合 仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的APF 数字仿真模型主电路。
[0031] 所述低压物理模型包括APF低压物理模型和非线性模型，所述非线性模型包括感 性负载物理模型和容性负载物理模型；所述APF低压物理模型、感性负载物理模型和容性 负载物理模型均接入380V电压等级系统中。
[0032] 本发明提供的低压物理模型主回路接线图如图1所示，APF低压物理模型包括依 次连接的断路器QF、接触器KM2、电抗器和功率模块；所述功率模块由变流器和直流电容C 组成；
[0033] 其中断路器QF用于APF装置本体投入或退出电网系统；所述接触器KM2用于旁路 充电回路R，保证APF装置投入；所述电抗器用于连接变流器与电网系统，起到抑制APF装 置本身的谐波和输出补偿电流的作用；所述功率模块由直流电容供电，通过变流器输出补 偿的无功和谐波电流。
[0034] 所述低压物理模型控制系统包括控制平台、APF物理控制器、电压互感器、电流互 感器、光纤转接板和仿真机；所述控制平台通过光纤转接板分别控制APF低压物理模型、感 性负载物理模型和容性负载物理模型；所述APF物理控制器设置在控制平台与接口转接板 之间；所述电压互感器连接在380V电压等级系统中；所述电流互感器与APF低压物理模型 连接；所述APF低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别通过光电转换 板与仿真机连接；
[0035] 所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人机 交互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成APF低压物理模型投切操作，3)完成APF低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物理模 型控制系统异常状态时，保证APF低压物理模型不发生误动作。低压物理模型控制系统框 架图如3所示。
[0036] 所述控制平台和APF控制器由独立电源供电；所述电压互感器用于采集380V电压 等级系统电压；所述电流互感器用于采集APF低压物理模型功率模块的输出电流量，并将 输出电流量数据传送给控制平台，以便参数显示和实现有源滤波器APF装置的保护功能； 所述光纤转接板用于接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿真工作模式信号选通光 纤通路；控制平台根据指令，将继电器信号发给APF低压物理模型的接触器节点，控制APF 低压物理模型投入或退出运行。
[0037] 所述APF物理控制器和光纤转接板之间、光纤转接板与APF低压物理模型之间均 采用光纤通信；光纤转接板与容性负载物理模型的接触器之间采用光纤通信；光纤转接板 与感性负载物理模型的接触器之间采用电缆通信。
[0038] 所述数字仿真机包括工控机、数字仿真模块以及APF的数字仿真模型，APF低压物 理模型通过接口转接板与仿真平台接口通信，实现数模混合仿真功能。
[0039] 本发明还提供一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统的仿真方法，其特征在 于，所述仿真方法包括下述仿真工作模式：
[0040] ①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式；
[0041] ②数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式；
[0042] ③低压物理模型控制系统控制数字仿真机仿真工作模式。
[0043] 所述仿真工作模式①中，低压物理模型控制系统中的APF物理控制器控制低压物 理模型的APF低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型；
[0044] 所述APF低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远方 投切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数，380V 母线电压上升或下降，在投入APF低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分布， 380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内；
[0045] 所述仿真工作模式①为模拟仿真，用APF物理控制器来控制APF低压物理模型功 率模块输出无功；
[0046] 所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制APF低压物理模 型和APF物理控制器控制数字仿真机中的APF数字仿真模型主电路。
[0047] 三种工作方式通过给每个物理模型装设光纤转接板来完成工作方式转换，光纤转 接板电路示意图如图4所示。转接板功能主要是：
[0048] 1)接收远方旋钮工作模式电信号；
[0049] 2)根据工作模式信号选通光纤通路。
[0050] 选通真值表如下：
[0051]
【权利要求】
1. 一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统，其特征在于，所述系统用于技术技能培 训，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由 低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低 压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的APF数字仿真模型主电路。
2. 如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述低压物理模型包括APF低 压物理模型和非线性模型，所述非线性模型包括感性负载物理模型、容性负载物理模型和 充电回路R;所述APF低压物理模型、感性负载物理模型、容性负载物理模型和充电回路R 均接入380V电压等级系统中。
3. 如权利要求2所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述APF低压物理模型包括 依次连接的断路器QF、接触器KM2、电抗器和功率模块；所述功率模块由变流器和直流电容 C组成； 其中断路器QF用于APF装置本体投入或退出电网系统；所述接触器KM2用于旁路充电 回路R，保证APF装置投入；所述电抗器用于连接变流器与电网系统，起到抑制APF装置本 身的谐波和输出补偿电流的作用；所述功率模块由直流电容供电，通过变流器输出补偿的 无功和谐波电流。
4. 如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述低压物理模型控制系统 包括控制平台、APF物理控制器、电压互感器、电流互感器、光纤转接板和仿真机；所述控制 平台通过光纤转接板分别控制APF低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模 型；所述APF物理控制器设置在控制平台与接口转接板之间；所述电压互感器连接在380V 电压等级系统中；所述电流互感器与APF低压物理模型的功率模块连接；所述APF低压物 理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别通过光电转换板与仿真机连接； 所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人机交 互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成APF低 压物理模型投切操作，3)完成APF低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物理模型 控制系统异常状态时，保证APF低压物理模型不发生误动作。
5. 如权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述控制平台和APF控制器由 独立电源供电；所述电压互感器用于采集380V电压等级系统电压；所述电流互感器用于采 集APF低压物理模型的输出电流量，并将输出电流量数据传送给控制平台，以便参数显示 和实现APF装置的保护功能；所述光纤转接板用于接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根 据仿真工作模式信号选通光纤通路；控制平台根据指令，将继电器信号发给APF低压物理 模型的接触器节点，控制APF低压物理模型投入或退出运行。
6. 如权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述APF物理控制器和光纤转 接板之间、光纤转接板与APF低压物理模型的功率模块之间均采用光纤通信；光纤转接板 与容性负载物理模型的接触器之间采用光纤通信；光纤转接板与感性负载物理模型的接触 器之间采用电缆通信。
7. 如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述数字仿真机包括工控机、 数字仿真模块以及APF的数字仿真模型，APF低压物理模型通过接口转接板与仿真平台接 口通信，实现数模混合仿真功能。
8. 如权利要求1-7中任一项所述的一种有源电力滤波器的数模混合仿真系统的仿真 方法，其特征在于，所述仿真方法包括下述仿真工作模式： ① 低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式； ② 数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式； ③ 低压物理模型控制系统控制数字仿真机仿真工作模式。
9.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，所述仿真工作模式①中，低压物理模型 控制系统中的APF物理控制器控制低压物理模型的APF低压物理模型、容性负载物理模型 和感性负载物理模型； 所述APF低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远方投切 功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数，380V母线 电压上升或下降，在投入APF低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分布，380V母 线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内； 所述仿真工作模式①为模拟仿真，用APF物理控制器来控制APF低压物理模型功率模 块的输出无功； 所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制APF低压物理模型和 APF物理控制器控制数字仿真机中的APF数字仿真模型主电路。
【文档编号】G09B23/18GK104485043SQ201410712259
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】张艳杰, 刘汝水, 李涛, 郑壮壮, 袁蒙, 夏冰 申请人:国家电网公司, 国网技术学院, 国网智能电网研究院, 中电普瑞科技有限公司