一種電力電子裝置動態模擬系統設計方法
【專利摘要】本發明公開一種電力電子裝置動態模擬系統的參數設計方法，包括：模型系統與原型系統相似判據的推導方法；模型系統參數設計方法。本發明結合電力電子裝置的系統控制環路，同時設計模型系統的電氣參數以及控制參數，解決了傳統方法無法設計與原型系統調制比不同的模型系統的問題，增加了模型系統的設計自由度。本發明設計過程簡單，具有很強的實用價值。
【專利說明】
一種電力電子裝置動態模擬系統設計方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種電力電子裝置動態模擬系統的設計方法。
【背景技術】
[0002]隨著大容量電力電子裝置在電力系統中廣泛應用，裝置電壓電流等級不斷提高，這給電力電子裝置的快速開發和性能測試帶來巨大挑戰。因此，迫切需要小容量、低電壓的電力電子模型裝置來模擬大容量、高電壓實際電力電子裝置動穩態性能，這就所謂的動態模擬技術。
[0003]動態模擬技術的關鍵在于設計與原型系統相似的模型系統，設計模型系統的過程為:根據相似理論推導出原型系統和模型系統之間的相似判據，利用相似判據的約束設計模型系統的各項參數。動態模擬技術在電力系統中已取得廣泛應用，一般來說，模型系統設計方法有三種:(I)量綱分析法；(2)方程分析法；(3)標么值相等法。其中標么值相等法最為常用。文獻《直流輸電系統的動態模擬》電力系統自動化2004年第10期，采用標幺值相等法，對三峽-常州高壓直流輸電系統進行動態模擬，設計了功率為30kVA模型系統的電氣參數；文獻《基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電動態模擬系統》電力系統自動化2014年第11期，以南匯柔性直流輸電示范工程為原型系統，采用標么值相等法設計了功率為SOkVA模型系統的電氣參數。上述文獻中，模型系統只設計電氣參數，不設計控制參數，模型系統與原型系統必須保持調制比一致，導致模型系統設計的自由度下降。
[0004]上述問題是在電力電子裝置動態模擬系統設計中應當予以考慮并解決的。

【發明內容】

[0005]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種電力電子裝置動態模擬系統設計方法，用于設計模型系統的電氣參數和控制參數。
[0006]本發明的技術解決方案是:
[0007]—種電力電子裝置動態模擬系統設計方法，包括:
[0008]一種用于動態模擬的相似判據；
[0009]—種模型系統的參數設計方法。
[0010]其特征還在于包括:
[0011]根據相似理論，以電力電子裝置的控制框圖為基礎，推導出判定模型系統與原型系統相似的相似判據。利用所述相似判據，設計模型系統的控制框圖，進而設計模型系統各部分的參數。
[0012]所述的相似判據，其特征在于:(I)模型系統的物理結構與控制結構與原型系統保持相似；(2)模型系統控制框圖中每一個信號量和原型系統中對應的信號量保持比例關系，存在一個固定的比例系數；(3)模型系統控制框圖中每一個環節和原型系統中對應的環節保持比例關系，存在一個固定的比例系數；(4)模型系統控制框圖中每一個環節輸出信號量的比例系數等于該環節的比例系數與該環節輸入信號量比例系數的乘積；(5)模型系統控制框圖中每一個比較點處的各個信號量的比例系數相等。
[0013]所述的模型系統參數設計方法，其特征在于:(I)利用上述的相似判據，設計模型系統控制框圖中各個環節相對于原型系統的比例系數，包括:PWM調制環節、控制器環節、濾波器環節和采樣環節，并根據所述比例系數設計模型系統中各個環節對應的電氣參數以及控制參數；(2)模型系統P麗調制環節的設計，根據模型系統設計指標，求出模型系統P麗調制環節的比例系數和模型系統PWM調制環節輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統PWM調制環節輸入量的比例系數；(3)模型系統控制器環節的設計，根據模型系統控制器環節輸入輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統控制器環節的比例系數；(4)模型系統濾波器環節的設計，根據模型系統濾波器環節輸入輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統濾波器環節的比例系數；(5)模型系統采樣環節的設計，根據模型系統設計指標，求出模型系統采樣環節的比例系數和模型系統采樣環節輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統采樣環節輸入量的比例系數；(6)根據上述比例系數設計模型系統的電氣參數和控制參數。
[0014]與現有設計方法相比，本發明的一種電力電子裝置動態模擬系統設計方法具有優點是:為了增加電力電子裝置動態模擬系統參數設計的自由度，本發明利用所述的相似判據同時設計模擬系統的電氣參數和控制參數，使得模擬系統的調制比不受原型系統調制比的影響，放寬了模擬系統參數設計的限制。
[0015]本發明在保留傳統電力電子裝置動態模擬系統設計方法優點的基礎上，結合功率電氣和控制兩部分，解決了傳統方法只針對功率電氣部分參數設計，不考慮控制部分的模擬等效，同時增加了動態模擬系統參數設計自由度。
【附圖說明】
[0016]圖1是大容量電力電子裝置的典型控制框圖；
[0017]圖2是小容量模型系統的控制框圖；
[0018]圖3是模型系統控制框圖中某一環節；
[0019]圖4是模型系統控制框圖中某一比較點；
[0020]圖5是原型系統PffM調制環節；
[0021]圖6是模型系統PffM調制環節；
[0022]圖7是原型系統控制器環節；
[0023]圖8是模型系統控制器環節；
[0024]圖9是原型系統濾波器環節；
[0025]圖10是模型系統濾波器環節；
[0026]圖11是原型系統采樣環節；
[0027]圖12是模型系統采樣環節；
[0028]圖13是全橋逆變器主電路；
[0029]圖14是全橋逆變器控制框圖；
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明的實施進行詳細描述:
[0031]大容量電力電子裝置典型控制框圖如附圖1所示，其中R(s)為基準量，C(s)為控制量，N(S)為擾動量，Gc(S)為控制器環節傳遞函數，Gm(S)為PffM調制環節傳遞函數，Gz(S)為濾波器環節傳遞函數，H(S)為采樣環節傳遞函數。以所述大容量電力電子裝置為原型系統，小容量模型系統控制框圖中各個變量和傳遞函數與原型系統相差一個固定的比例系數，模型系統控制框圖如附圖2所不，其中kR、kc、kN、kcM、kcc、kcz和kH為比例系數。附圖2的模型系統控制框圖中存在如附圖3和附圖4所示的兩種基本單元:對象環節和比較點。其中X(s)、G(s)、y
(S)、X1(S)、X2(S)和X3(S)分別為原型系統中對應信號量和傳遞函數，kin、kG、kmjt、kpl、kp2和kp3為模型系統相對于原型系統的比例系數。模型系統的控制框圖均由這兩種基本單元組成，這兩種基本單元具有一般性。因此所述相似判據為:
[0032](I)模型系統控制框圖與原型系統控制框圖結構相似，模型系統控制框圖中每個變量與原型系統對應變量存在比例關系，模型系統控制框圖中每個傳遞函數與原型系統對應傳遞函數存在比例關系；
[0033](2)模型系統控制框圖中每一個環節均滿足IwzkirAG;
[0034](3)模型系統控制框圖中每一個比較點均滿足kpl = kp2 = kp3。
[0035]本發明的一種模型系統參數設計方法。如附圖3所示，運用所述相似判據求出模型系統各個傳遞函數的比例系數kC，模型系統各部分參數即可求出。所述模型系統參數設計方法包括:
[0036](I)模型系統P麗調制環節設計。所述原型系統中P麗調制環節如附圖5所示，所述模型系統中P麗調制環節如附圖6所示，其中k1、k。、kCM和kN為相對于原型系統的比例系數。P麗調制環節的傳遞函數為Gm (s) = Udc/VM，其中Udc為原型系統直流側電壓;Vm為載波幅值。模型系統PWM調制環節的傳遞函數為k?*GM( s) = kudc*Udc/VM，其中kud。為模型系統直流側電壓相對于原型系統的比例系數，模型系統載波幅值與原型系統保持一致。當N(S)等于O時，取ki = I，運用所述相似判據可以得到kcMzkudc^k。= !^。；當N(S)不等于O時，運用所述相似
以丫守至丨JkcM — kudc，ko — kN，ki — kout/kcM— kN/kudc ο
[0037](2)模型系統控制器環節設計。采用常見的電壓電流雙環控制策略為例闡述模型系統控制器環節的設計過程。原型系統控制框圖中控制器環節如附圖7所示，為保證模型系統控制器環節與原型系統相似，取模型系統的控制器環節如附圖8所示，其中GKsWPGKs)分別為原型系統電壓外環控制器和電流內環控制器的傳遞函數，u(s)、uf(s)、ue(s)、i(s)、if(s)、ie(s)和m(s)分別為原型系統控制器環節的各個信號量，ku、kin1、kG1、kmjt1、k1、kin2、kc2和Lut2為模型系統中對應傳遞函數和信號量相對于原型系統的比例系數。由于模型系統的電壓電流等級已知，因此模型系統的電壓電流等級相對于原型系統的比例系數已知，即ku和匕為已知量。觀察附圖8可以發現，圖中存在兩處比較點，根據所述相似判據可得:kinl =ku ； kouti = kin2 = ki ； kci = ki/ku; kc2 = kout2/ki。求出kci和kc2的值即可根據原型系統的控制參數確定模型系統中對應的控制參數，從而完成對模型系統控制器環節的設計。
[0038](3)模型系統濾波器環節設計。不論采用L型濾波器、LCL型濾波器還是其他無源濾波器，原型系統控制框圖中控制器環節均可等效表示為如附圖9所示的環節，為保證模型系統濾波器環節與原型系統相似，模型系統的濾波器采用與原型系統一致的濾波器類型，模型系統濾波器環節如附圖10所示。其中Gz(S)為原型系統濾波器的傳遞函數，X(S)和y(s)分別為原型系統濾波器環節的輸入輸出信號量，kln、kCz和koutS模型系統中對應傳遞函數和信號量相對于原型系統的比例系數。模型系統的濾波器環節與原型系統對應環節相似，根據所述相似判據可得^z = KutAin。電力電子裝置的濾波器通常由電感L、電容C和電阻R等無源器件組成，在求得kcz后，模型系統濾波器中各個器件的參數如下:LmLs/kcz;Rm=Rs/kcz;Cm=Cs*kcz。其中，下標S表示原型系統濾波器中各參量，m表示模型系統濾波器中各參量。
[0039](4)模型系統采樣環節設計。如附圖11所示為原型系統的采樣環節，模型系統與原型系統的采樣網絡結構保持一致，因此模型系統采樣環節可以表示為附圖12所示的環節，其中H(S)為原型系統濾波器的傳遞函數，X(S)和y(s)分別為原型系統濾波器環節的輸入輸出信號量，kin、kH和k-為模型系統中對應傳遞函數和信號量相對于原型系統的比例系數。kH的取值可以按照實際采樣器件的型號選定合適的比例，屬于已知量;采樣環節的輸入通常為系統的功率信號，因此kin的取值可以通過設計指標求得，在已知kH和kin后，可以求得:Lut = I^kin。根據所述相似判據，kout的值可以用于確定模型系統控制環路基準信號相對于原型系統基準信號的比例系數，同時也可以確定模型系統控制器環節的輸入比例系數。
[0040]下面結合實例對本發明的實施進行進一步的描述:
[0041]以附圖13所示的全橋逆變電路為原型系統進行了動態模擬系統設計，該電路采用如附圖14所示的控制框圖，采樣電感電流k作為反饋與基準電流進行比較(采樣系數設為I)，電流環調節器為PI調節器，調制方式為雙極性SPWM調制。原型系統參數為:直流側電壓(Udc)為4000V;電網電壓有效值(Us)為2200V;額定有功功率(P)為778kW;開關頻率(fs)為1kHz;逆變側濾波電感值(L)為8mH;電流環控制參數(KP/Ki)為0.016/0.0018。模型系統的設計指標為:直流側電壓為500V;電網電壓有效值為220V;額定有功功率為15.56kW。模型系統參數設計過程如下:
[0042](I)無源器件參數設計
[0043]由模型系統設計指標可知模型系統的電流等級相對于原型系統的系數1^為0.2;由于調制比不一致，所以直流側電壓等級相對于原型系統的比例系數kud。為0.125，交流側電壓等級相對于原型系統的比例系數kua。為0.1 Aua。和分別為模型系統濾波器環節輸入輸出量的比例系數，所以根據所述濾波器環節設計方法可知模型系統濾波器參數相對于原型系統的比例系數為kuacyki = 0.5，所以模型系統濾波電感感值取4mH。
[0044](2)電流環參數設計
[0045]控制環節的輸出為PWM調制環節的輸入，根據所述模型系統控制器環節設計方法，取模型系統控制環節的輸出比例系數為“。/1^。= 0.8;控制環節的輸入為電感電流的誤差值，因此模型系統控制環節的輸入比例系數Sk1。根據所述模型系統控制器環節設計方法，模型系統控制環節相對于原型系統的比例系數為iwcyaid。)=.，所以取模型系統的PI參數為0.064/0.0072。
[0046]使用了本發明的電力電子裝置動態模擬系統設計方法，相比于傳統的設計方法，增加電力電子裝置動態模擬系統參數設計的自由度，同時設計模擬系統的電氣參數和控制參數，使得模擬系統的調制比不受原型系統調制比的影響，放寬了模擬系統參數設計的限制，具有很強的實用價值。
【主權項】
1.一種電力電子裝置動態模擬系統設計方法，包括: 一種用于動態模擬的相似判據； 一種模型系統的參數設計方法。 其特征還在于包括: 根據相似理論，以電力電子裝置的控制框圖為基礎，推導出判定模型系統與原型系統相似的相似判據。利用所述相似判據，設計模型系統的控制框圖，進而設計模型系統各部分的參數。2.如權利要求1所述的相似判據，其特征在于: (a)模型系統的物理結構與控制結構與原型系統保持相似； (b)模型系統控制框圖中每一個信號量和原型系統中對應的信號量保持比例關系，存在一個固定的比例系數； (c)模型系統控制框圖中每一個環節和原型系統中對應的環節保持比例關系，存在以個固定的比例系數； (d)模型系統控制框圖中每一個環節輸出信號量的比例系數等于該環節的比例系數與該環節輸入信號量比例系數的乘積； (e)模型系統控制框圖中每一個比較點處的各個信號量的比例系數相等。3.如權利要求1所述的模型系統參數的設計方法，其特征在于: (a)利用上述的相似判據，設計模型系統控制框圖中各個環節相對于原型系統的比例系數，包括:PWM調制環節、控制器環節、濾波器環節和采樣環節，并根據所述比例系數設計模型系統中各個環節對應的電氣參數以及控制參數； (b)模型系統PffM調制環節的設計，根據模型系統設計指標，求出模型系統P麗調制環節的比例系數和模型系統HVM調制環節輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統PffM調制環節輸入量的比例系數； (c)模型系統控制器環節的設計，根據模型系統控制器環節輸入輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統控制器環節的比例系數； (d)模型系統濾波器環節的設計，根據模型系統濾波器環節輸入輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統濾波器環節的比例系數； (e)模型系統采樣環節的設計，根據模型系統設計指標，求出模型系統采樣環節的比例系數和模型系統采樣環節輸出量的比例系數，然后利用所述相似判據求出模型系統采樣環節輸入量的比例系數； (f)根據上述比例系數設計模型系統的電氣參數和控制參數。
【文檔編號】G05B17/02GK106054663SQ201610164810
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年3月21日 公開號201610164810.X, CN 106054663 A, CN 106054663A, CN 201610164810, CN-A-106054663, CN106054663 A, CN106054663A, CN201610164810, CN201610164810.X
【發明人】胡海兵, 秦陽, 陸道榮, 王江峰
【申請人】南京航空航天大學