專利名稱：一種大功率電力電子接口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種大功率電力電子接口裝置，特別涉及一種用于電能質(zhì)量 及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中的大功率電力電子接口裝置，屬于電能質(zhì)量控制、改 善設(shè)備實驗平臺領(lǐng)域和大功率電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電能質(zhì)量是一個系統(tǒng)問題，不僅與負荷有關(guān)，而且與系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng) 參數(shù)、運行方式等有關(guān)，因此，考核電能質(zhì)量設(shè)備不僅需要測試設(shè)備的各種電氣 參數(shù)和性能，更重要的一點是將設(shè)備置于電力系統(tǒng)中，綜合衡量設(shè)備的運行功能 及各項性能指標(biāo)。因此需要將電能質(zhì)量設(shè)備的考核建立在基于電力系統(tǒng)的實時仿 真模擬平臺上，并應(yīng)提供具有高電壓、大電流的實驗?zāi)芰Α?br> 隨著電能質(zhì)量控制設(shè)備和各種電力節(jié)能設(shè)備在電力系統(tǒng)中大量推廣應(yīng)用，傳 統(tǒng)的僅從設(shè)備制造角度對設(shè)備的考核方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。 如何從電力系統(tǒng)的角度把握這類設(shè)備的運行與控制，對這類設(shè)備的功能作用進行 評價至關(guān)重要。例如，無功補償設(shè)備的投運給某電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定控制和降低網(wǎng)損 等具有明顯效益，需要考核與評估的問題很多，除了設(shè)備的安全、可靠指標(biāo)外， 關(guān)系到電力系統(tǒng)運行與控制方面的問題有(1)如何定量標(biāo)定對電網(wǎng)電壓改善效 果；(2)如何定量降低網(wǎng)損的大小及其節(jié)能效益；(3)設(shè)備投入電網(wǎng)后，與電網(wǎng) 的參數(shù)是否適配，是否存在諧波放大或諧振等問題；(4)設(shè)備投運后對電網(wǎng)繼電 保護的影響等。又如，對電能質(zhì)量治理設(shè)備的試驗分為型式試驗、出廠試驗和現(xiàn) 場試驗，由于考核方法和設(shè)備的限制，許多試驗無法進行。總之在產(chǎn)品設(shè)計階段 難以進行評估的試驗項目很多，如諧波抑制效果試驗，由于缺乏大功率諧波源難 以進行，即使具備大功率諧波源，但無法針對實際系統(tǒng)注入諧波，因而考核的標(biāo) 準(zhǔn)或過嚴、或偏松，因此導(dǎo)致很多電能質(zhì)量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)難以制定，或標(biāo)準(zhǔn)的可操 作性差，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)缺乏約束力。對節(jié)能類電氣設(shè)備考核通常需要直接帶載運行， 這類電氣設(shè)備產(chǎn)生的節(jié)能效果大多來自負載本身，如風(fēng)機水泵類的管網(wǎng)系統(tǒng)、照 明光學(xué)系統(tǒng)等，對這類設(shè)備的考核需要模擬各類負載特性。
建立電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺需要解決如下問題，其一如何為被考核設(shè)備提供一種符合實際運行條件的電網(wǎng)環(huán)境，將被考核設(shè)備置于虛擬電力系統(tǒng) 中，進行各種接近實際工況的運行考核；被考核設(shè)備的各種運行狀態(tài)反饋到虛擬 電力系統(tǒng)中，實時考核和評價被考核設(shè)備在電力系統(tǒng)的運行及控制情況，并根據(jù) 其結(jié)果進行效益評估。其二是如何構(gòu)建數(shù)字式大功率電子負載，用于模擬任意負 載特性。因此需要解決以下問題-
1) 如何構(gòu)建所需的虛擬數(shù)字電力系統(tǒng)環(huán)境；
構(gòu)建電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺的核心問題之一是構(gòu)建虛擬數(shù)字電 力系統(tǒng)。通過構(gòu)建一種實時仿真的輸入、輸出信號與被考核設(shè)備的接口，使被考 核電氣設(shè)備在虛擬數(shù)字電力系統(tǒng)中表現(xiàn)為一種元件的約束關(guān)系(電壓、電流的伏 安特性/微分一代數(shù)模型)參與到實時仿真計算中，按照實時計算的節(jié)點電壓、 電流代數(shù)方程，通過電力電子系統(tǒng)的快速可控性，提供被考核設(shè)備運行時所需的 能量流動與交換。 一方面，被考核設(shè)備節(jié)點電壓與支路電流通過電壓、電流互感 器、A/D及光電隔離等環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換為弱電信號輸入給虛擬數(shù)字電力系統(tǒng)，用于控 制輸入量，形成實時數(shù)字計算的邊界條件。另一方面，虛擬數(shù)字電力系統(tǒng)各節(jié)點 電壓信號由端口輸出，通過大功率電力電子裝置進行功率放大，為被考核設(shè)備供 電，形成被考核電氣設(shè)備所需電力系統(tǒng)環(huán)境。
2) 如何為實驗平臺提供高電壓、大功率電力電子接口裝置； 在電能質(zhì)量綜合試驗平臺中，大功率電力電子裝置受控于虛擬數(shù)字電力系
統(tǒng)，為被考核電氣設(shè)備所需的電力系統(tǒng)環(huán)境提供能量并完成所需能量的輸入與回 饋。為實現(xiàn)電能質(zhì)量設(shè)備考核目標(biāo)，綜合實驗平臺所需的大功率電力電子電源要 求具有快速響應(yīng)、能提供任意波形等特點。
無論是電力系統(tǒng)環(huán)境還是負載模擬環(huán)境，大功率電力電子接口裝置將實現(xiàn)能 量交換與回饋，使整個實驗系統(tǒng)所需耗能最小。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種大功率電力電子接口裝置，它在電能質(zhì)量及 節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中取代傳統(tǒng)的功率放大器，為被考核設(shè)備所需的電力系統(tǒng) 環(huán)境提供能量并完成所需能量的輸入與回饋，它提供一種符合實際運行條件的電 網(wǎng)環(huán)境，將被考核設(shè)備置于虛擬電力系統(tǒng)中，進行各種接近實際工況的運行考核; 同時它提高接口電氣參數(shù)，實現(xiàn)較大容量功率的吞吐，解決了電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中數(shù)字一物理混合仿真系統(tǒng)中功率放大器的性能限制問題。
本實用新型的技術(shù)方案是 一種大功率電力電子接口裝置，其特征在于采
用全控器件IGBT驅(qū)動單元和續(xù)流二極管構(gòu)成三相整流+逆變結(jié)構(gòu)，主要由隔離
變壓器、整流電路、逆變電路及接口控制單元組成；整流電路通過隔離變壓器接
交流系統(tǒng)，逆變電路接被考核設(shè)備基本電路；接口控制單元接收來自實時數(shù)字仿
真子系統(tǒng)的信號，并分別與整流電路和逆變電路連接。
如上所述的大功率電力電子接口裝置，其特征在于當(dāng)需要大功率非線性負
荷時，將三相整流電路與逆變電路互換。
如上所述的大功率電力電子接口裝置，其特征在于它是實時數(shù)字仿真子系
統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)信號與被考核設(shè)備之間的接口。
本實用新型的工作原理是在電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中，采用本 實用新型代替?zhèn)鹘y(tǒng)混合仿真系統(tǒng)中的功率放大器，其本質(zhì)上是背靠背變流器；變 流器受控于實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)輸出的邊界電壓數(shù)字信號，在該信號的控制下可 輸出任意波形。大功率電力電子接口裝置的能量取自電網(wǎng)，根據(jù)被考核設(shè)備額定 電壓、功率的大小可任意調(diào)節(jié)，所以大功率電力電子接口裝置的電氣參數(shù)可達到 被考核設(shè)備現(xiàn)場運行的水平，并能夠根據(jù)實際情況與包括大功率電力電子接口裝 置和被考核設(shè)備的動態(tài)物理子系統(tǒng)進行四象限的有功、無功交換，實現(xiàn)現(xiàn)場運行 環(huán)境的構(gòu)建及模擬。
由于大功率電力電子接口裝置采用變流器結(jié)構(gòu)，整流和逆變電路可隨意控制
互為轉(zhuǎn)換，因此大功率電力電子接口裝置可兼作大功率非線性負荷，非線性負荷 由被考核設(shè)備驅(qū)動，而負荷的性質(zhì)、參數(shù)則由實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)控制，該負荷 在實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)的控制下，可模擬各類負載特性，為實驗平臺提供負載環(huán) 境。其中，整流電路采用獨立控制方式；考慮直流側(cè)負荷變化的影響，盡可能減 小注入電網(wǎng)的諧波。逆變電路要求能快速跟蹤端口信號，采用響應(yīng)速度極快的無 差拍控制技術(shù)，實現(xiàn)端口信號的精確跟蹤。
在電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中，動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)在實時數(shù)字仿 真子系統(tǒng)的控制下，在其網(wǎng)絡(luò)端口形成相應(yīng)的模擬電壓、電流信號；大功率電力 電子接口裝置將該信號放大到被考核設(shè)備現(xiàn)場的運行水平。實時數(shù)字仿真子系統(tǒng) 構(gòu)成的虛擬電力系統(tǒng)的運行參數(shù)發(fā)送給動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)，并對系統(tǒng)各元件的 運行狀態(tài)進行實時參數(shù)辨識，在每個仿真步長取動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)交界點的電流作為節(jié)點注入電流，將其運行狀態(tài)加入到實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)的仿真計算中， 實現(xiàn)實驗室條件下對電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備進行測試考核實驗。通過大功率電力電 子接口裝置在實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)信號與被考核設(shè)備之間的對 接，使被考核設(shè)備在虛擬數(shù)字電力系統(tǒng)中表現(xiàn)為一種元件的約束關(guān)系(電壓電流 的伏安特性/微分一代數(shù)模型)參與實時仿真的計算，按照實時計算的節(jié)點電壓 電流代數(shù)方程，通過大功率電力電子接口裝置的快速可控性提供被考核設(shè)備運行
時所需的能量流動與交換。
本實用新型的有益效果是它在電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中取代傳 統(tǒng)的功率放大器，為被考核電氣設(shè)備所需的電力系統(tǒng)環(huán)境提供能量并完成所需能
量的輸入與回饋，并能快速響應(yīng)和提供任意波形，提高接口電氣參數(shù)，實現(xiàn)較大 容量功率的吞吐，解決了電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中數(shù)字—物理混合仿
真系統(tǒng)中功率放大器的性能限制問題；同時它為實驗平臺提供高電壓、大功率非
線性電力電子負荷，該負荷在實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)的控制下，可模擬各類負載特 性，為實驗平臺提供負載環(huán)境。


圖1，采用本實用新型的電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備的綜合實驗平臺總體框圖。
圖2，本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3，圖2中的接口控制單元原理框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型大功率電力電子接口裝置做詳細的說明。
圖l中的標(biāo)記l-實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)，2-大功率電力電子接口裝置，3-動 態(tài)物理模擬子系統(tǒng)，4-被考核設(shè)備，5-控制環(huán)節(jié)，6-基本電路，7-全局控制單元, 8-人機界面，9-數(shù)據(jù)庫，10-數(shù)據(jù)分析，ll-監(jiān)控設(shè)備A， 12-監(jiān)控設(shè)備B， 13-電壓 /電流互感器，14-光隔，15-模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D， 16-數(shù)字等效受控源，17-輸出端口， 18-數(shù)字仿真單元；
圖2中的標(biāo)記19-隔離變壓器，20-整流電路，21-逆變電路，22-接口控制 單元，23-交流系統(tǒng)；圖3中的標(biāo)記24-主電路控制DSP， 25-主電路控制FPGA， 26-光隔FPGA;
采用本實用新型的電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備的綜合實驗平臺總體框圖如圖1所 示，該綜合實驗平臺包括實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)l、動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)3和全局 控制單元7;全局控制單元7主要分為人機界面8、數(shù)據(jù)庫9和數(shù)據(jù)分析10三部 分；動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)3中有大功率電力電子接口裝置2、被考核設(shè)備4和監(jiān) 控設(shè)備All，被考核設(shè)備4中控制環(huán)節(jié)5和基本電路6電連接，基本電路6又與 大功率電力電子接口裝置2電連接，監(jiān)控設(shè)備All分別與大功率電力電子接口 裝置2、控制環(huán)節(jié)5、數(shù)據(jù)庫9和數(shù)據(jù)分析10電連接；實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)1 包括監(jiān)控設(shè)備B12、數(shù)字等效受控源16、輸出端口17、數(shù)字仿真單元18;數(shù)字 等效受控源16和輸出端口 17電連接，監(jiān)控設(shè)備B12分別與數(shù)據(jù)庫9、數(shù)據(jù)分析 10和數(shù)字仿真單元I8電連接；
實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)l中輸出端口 17的信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D15和光 隔14傳輸給大功率電力電子接口裝置2;大功率電力電子接口裝置2根據(jù)實時 數(shù)字仿真子系統(tǒng)l傳來的端口信號及本地信號，控制接口運行，將端口信號放大 到實際現(xiàn)場水平；其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D15、光隔14和大功率電力電子接口裝 置2之間的順序電連接，形成硬件接口，即動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)3在讀入信號的 控制下，在其網(wǎng)絡(luò)端口上形成相應(yīng)的模擬電壓與電流信號；
被考核設(shè)備4產(chǎn)生的補償信號通過電壓/電流互感器13、光隔14和模數(shù)轉(zhuǎn)換 器A/D15傳到實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)1，實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)1將該補償信號作為 數(shù)字等效受控源16反饋到實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)的輸出端口 17;其中，電壓/電流 互感器13、光隔14、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D15和數(shù)字等效受控源17之間的順序電連 接，形成軟件接口，即實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)1通過輸入邊界點的電壓、電流信號， 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D 15轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量，形成數(shù)字仿真子系統(tǒng)1的邊界條件。
同時數(shù)字仿真子系統(tǒng)l、大功率電力電子接口裝置2、動態(tài)物理模擬子系統(tǒng) 3、被考核設(shè)備4信號傳輸?shù)人斜匦璧南到y(tǒng)運行信號，通過監(jiān)控設(shè)備All、 B12 傳送至全局控制單元7的數(shù)據(jù)庫9及數(shù)據(jù)分析10，供存儲、分析。
本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,大功率電力電子接口裝置2主要 由隔離變壓器19、整流電路20、逆變電路21及接口控制單元22組成；整流電 路20通過隔離變壓器19接交流系統(tǒng)23,逆變電路21接被考核設(shè)備4的基本電路6;接口控制單元22接收來自實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)1的信號，并分別與整流 電路20和逆變電路21連接；當(dāng)需要大功率非線性負荷時，將三相整流電路20 與逆變電路21互換，三相整流電路20和逆變電路21由續(xù)流二極管grl-gr6、 gil-gi6構(gòu)成。
圖2中的接口控制單元原理框圖如圖3所示，整流電路20與逆變電路21 的控制器均采用全控器件IGBT驅(qū)動單元和DSP (數(shù)字信號處理)+FPGA (現(xiàn) 場可編程門陣列)結(jié)構(gòu)，分兩層。上層控制由主電路控制DSP24和主電路控制 FPGA25兩塊板卡組成；上層控制負責(zé)完成人機接口、開關(guān)量開入〃開出控制、 算法控制和檢測算法的實現(xiàn)、主電路控制信號生成等功能。下層控制為光隔 FPGA26板卡，通過光纖收發(fā)控制和主電路控制FPGA25卡通訊，接收上層控制 單元發(fā)出的控制信號，分配給大功率電力電子接口裝置2的各電力電子開關(guān)器 件，同時監(jiān)控大功率電力電子接口裝置2主電路的工作狀態(tài)，并上傳故障信息。
權(quán)利要求1、一種大功率電力電子接口裝置，其特征在于采用全控器件IGBT驅(qū)動單元和續(xù)流二極管構(gòu)成三相整流+逆變結(jié)構(gòu)，主要由隔離變壓器、整流電路、逆變電路及接口控制單元組成；整流電路通過隔離變壓器接交流系統(tǒng)，逆變電路接被考核設(shè)備基本電路；接口控制單元接收來自實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)的信號，并分別與整流電路和逆變電路連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大功率電力電子接口裝置，其特征在于當(dāng)需要 大功率非線性負荷時，將三相整流電路與逆變電路互換。
專利摘要本實用新型提供一種大功率電力電子接口裝置，采用全控器件IGBT驅(qū)動單元和三相整流+逆變結(jié)構(gòu)，包括隔離變壓器、整流電路、逆變電路及接口控制單元；整流電路通過隔離變壓器接交流系統(tǒng)，逆變電路接被考核設(shè)備基本電路；接口控制單元接收來自實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)的信號，并分別與整流電路和逆變電路連接。它在電能質(zhì)量及節(jié)能設(shè)備綜合實驗平臺中取代傳統(tǒng)的功率放大器，為被考核設(shè)備所需的電力系統(tǒng)環(huán)境提供能量并完成所需能量的輸入與回饋；并能提高接口電氣參數(shù)，實現(xiàn)較大容量功率的吞吐，解決了實驗平臺中數(shù)字—物理混合仿真系統(tǒng)中功率放大器的性能限制問題；同時它為實驗平臺提供高電壓、大功率非線性電力電子負荷。
文檔編號H02M5/00GK201260133SQ200820191028
公開日2009年6月17日 申請日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者左文霞, 李尚勝, 李澍森, 查曉明, 桂朋林, 石延輝, 程軍照 申請人:國網(wǎng)武漢高壓研究院