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专利名称：一种可编程故障电源模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可编程故障电源模拟装置，该装置可以作为基于双馈感应发电机或永磁同步电机的风力发电系统研究以及出厂性能考核的测试设备，也可以作为其他并网电力电子设备性能测试的故障电源装置。
背景技术：
随着以变速恒频双馈感应发电机(doubly fed induction generator, DFIG)为主体的大型风力发电机组在电网中所占比例的快速增加，电力系统对并网风电机组在外部电网故障下的运行能力提出了越来越高的要求。通过世界各国风电运营商或电力调度部门相继出台的风电并网规程来看，当电网出现一定的电压波动与闪变、三相不平衡、谐波畸变，甚至是深度电压跌落等故障时，要求风力发电机仍能与电网保持联接而不解列，即须满足一定的故障穿越运行能力。
为了研究和测试风电机组在各类电网故障下的不间断运行能力，进行风电机组的抗干扰能力测验，必须采用具有特定功能的设备来模拟各类电网故障。对此，国内外学者作了大量研究工作，提出了一些可行的设计方案。但该类研究大多集中于满足风力发电系统低电压穿越能力测试方面的需求，所研制的电网故障模拟装置多以实现电网电压跌落为主，往往被称为电压跌落发生器(voltage sag generator, VSG) 0而对并网点可能出现的电压波动与闪变、谐波畸变、相角跳变、频率漂移等模拟装置的研究则鲜见报道。
现有的电压跌落发生器实现方法可以归纳为三类1.阻抗形式。该类VSG采用继电器、接触器、晶闸管等将电阻或电抗器串联(或并联) 到主回路中来实现电压跌落。这种设计方案结构简单，实现方便。但由于受电阻功率的限制，往往要求电阻阻值较大，且电压跌落程度越深时损耗越大。此外，如果串(并)联阻抗值固定，电压跌落深度就不可调。纵使采用可变电阻器，但由于负载的变化会引起阻抗匹配关系也变化，同样会造成跌落深度难以有效控制。如采用无源阻抗则会使得负载侧设备无法向电网馈送能量，亦即缺乏功率双向流动能力，无法用于DFIG无功补偿能力测试的需要。 这些缺点的存在限制了阻抗型VSG的推广和应用。
2.变压器形式。变压器形式的VSG主要分两类，一类采用继电器(接触器)将变压器并联或串联到主电路中实现电压跌落。另一类利用变压器副边中心抽头的切换操作来实现电压跌落。当采用变压器并联方式实现电压跌落时，其中一个变压器要工作在副边对地短路的故障状态，这就要求该变压器具有较强的抗电流冲击能力，致使该变压器造价过高。 此外，采用变压器串、并联方式实现的电压跌落发生器其电压跌落深度、持续时间深度往往需手动调节，致使其可靠性与安全性进一步下降。采用中心抽头变压器形式的VSG，其缺点是设计、工艺复杂。
3.电力电子变换形式。新的电力系统运行导则对风电机组运行要求日益严格，为真实模拟各类电网故障以进行机组并网前的性能考核，电力电子变换形式的VSG获得了发展机遇。这种采用交-交变频器或交-直-交变频器构成的电子型VSG利用大功率可控器件来实现电压跌落。该类方案的显著特点是电压跌落的持续时间、跌落深度、起止相位和跌落类型均可控制。但该装置仅能够模拟电网电压的跌落，而不能较全面的反映故障电网中的其他重要现象和特征，如风电机组并网点电压波动、三相不平衡、谐波畸变、频率漂移、相角跳变等情况。因而限制了其在并网风电机组及其它电气与电子产品性能测试和研究中的推广应用。
通过以上分析可见，无论阻抗形式、变压器形式还是已有的电力电子形式的电压跌落发生器均仅具有功能单一的缺陷，即仅能模拟对称、不对称电压跌落，而无法全面、真实地反映故障电网的其他重要特征，也就无法满足风电机组并网前性能测试的全部要求。 因此，研究、设计、开发出一种新型多功能柔性电网故障模拟装置已是现代风电技术研究中的一项重要而紧迫的工作。发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可编程故障电源模拟装置，满足风电系统日益严格的并网测试要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种可编程故障电源模拟装置，包括进线电抗器组、整流侧变流器、逆变侧变流器、直流母线电容器、直流限压保护电路、出线LC滤波器、电流霍尔传感器、电压霍尔传感器、信号调理电路、DSP数字处理芯片、驱动电路和上位机；其中，上位机通过串口线RS232与DSP进行通讯，控制整流侧变流器和逆变侧变流器工作，实现各类电网故障的模拟；直流限压保护电路由一个IGBT与一个卸荷电阻串联组成，作为直流母线电容器过压时的硬件保护；逆变侧变流器正常工作期间，直流限压保护电路处于关断状态，一旦直流母线电压高于保护上限阈值，上位机则立即发出控制指令触发IGBT导通，实现直流侧快速卸荷；而当母线电压低于保护下限阈值时，上位机则立即发出指令关断直流限压保护电路。
信号调理电路共有6路，每一路包括7个电阻，1个可调电阻，2个运算放大器、4个滤波电容和两个稳压二极管；精度为0. 1%的精密电阻Rl —端与电流传感器A相输出端相连，另一端接至模拟地；该精密电阻的作用是将电流形式的信号量转换为电压形式；电阻 R2 一端与精密电阻相连，另一端接至滤波电容Cl，电容Cl 一端同样接至模拟地；电阻R2和滤波电容Cl共同构成一阶低通滤波电路，滤掉输入信号中的高频干扰信号；电阻R2和滤波电容Cl的公共点接至运算放大器Ul正极输入端，即4号管脚；电阻R3 —端接模拟地，另一端接至可调电阻RWl的1号脚和3号脚，可调电阻RWl的1号脚同时接至运算放大器Ul正极输入端，即2号管脚，可调电阻RWl的2号脚接至运算放大器Ul输出端，即6号管脚；运算放大器Ul的4号脚和7号脚分别接-15V和+15V直流电源，电容C2、C3的作用是稳压； 阻值为Ι.^ Ω的电阻R4—端与运算放大器Ul输出端相连，另一端连接至运算放大器U2 输入端，即3号管脚；阻值分别为IkQ和IJkQ的电阻R5、R6的一端共同接至运算放大器U2输入端，另两端分别接2. 5V的参考电压、模拟地；运算放大器U2负极输入端，即2号管脚与输出端，即6号管脚相连，构成同相跟随电路；运算放大器U2的4号脚和7号脚分别接-15V和+15V直流电源，电容C4、C5的作用是稳压；运算放大器U2输出端与阻值为Ik Ω 的电阻R7相连；R7另一端接至一对串联稳压二极管Dl和D2的中点，即Dl的阳极，Dl的阴极和D2的阳极则分别接至2. 5V直流电源和模拟地，确保调理电路输出电压值的范围在0 2. 5V之间。
逆变侧变流器采用改进矢量控制策略，其程序设计包括以下步骤⑴设定基波电网角频率= 2MfN,fN = 5QHk为电网频率，对ω*进行积分运算即可得到电网角度信号# ；(2)设定三相电压指令L=、LJj、U；算法，确定故障类型及起止时间；(3)将计算得到的三相电压指令LC、U;、U；按照基波电网角度矿进行正转同步坐标变换，得到同步速参考坐标系下电压指令的d、q轴分量《、U:；(4)将电压霍尔传感器和电流霍尔传感器采集到的电压信号I^fc、电流信号Jaj分别进行正转同步坐标变换，得到同步速参考坐标系下反馈电压、电流信号的直流分量形式Ui 、％和1^ ；(5)将步骤(3)和步骤(4)得到的同步速参考坐标系下电压指令与反馈电压信号分别作减法运算，得到电压误差信号么％ >Δ0；，即= Ifd — Ud MJq = U； — Ug ；(6)将步骤(5)所获得的电压误差信号ΔΓ々、Δ ；送入P1-R电压控制器进行调节，得到参考电流信号；(7)将步骤(6)所获得的参考电流信号I；、I；与步骤(4)所获得的直流形式电流信号作减法运算，得到电流误差信号Mi、ΔΙ,,即Mi = J； — Ii、^Iq =；(8)将步骤(7)所获得的电流误差信号、Δ 送入PI-R电流控制器进行调节，得到电压补偿信号ALZflrf、Δσ^ ；其中，电流控制器的设计与电压控制器相同；(9)将步骤(4)得到的同步速参考坐标系下的电压d、q轴分量分别与步骤(8)所获得的电压补偿信号Δ ^^Δ ;做加法运算，得到电压信号&、& ,即E^ =kUTJd、Vq =^q+ Uq ；(10)将步骤(9)得到的电压指令G、(作反同步坐标变换，即可得到两相静止坐标系下的电压信号、^δ ,将Fff、^送入空间矢量调制(space vector modulation, SVM)�？椋纯刹枰牡髦菩藕牛潭姹洳啾淞髌魇涑龇讲ǖ缪梗籐C滤波器对逆变侧变流器产生的开关频率及其倍频的电压方波进行滤波，得到所需要的电压波形，进而实现各类电网故障的模拟。
本发明的有益效果是，本发明可编程故障电源模拟装置能够实现电网电压对称、 不对称跌落，三相不平衡，谐波畸变，频率漂移，相角跳变，电压波动等多种电网故障的模拟，且电压跌落幅值与相数、三相不平衡度、谐波次数及比例、频率漂移大小与方向、相角变化大小与性质、电压波动趋势以及故障持续时间等参数均可柔性调节，可作为满足大功率风电系统设计、研究以及出厂性能考核的测试设备，也可以作为其他并网电力电子设备性能测试的故障电源装置。


图1表示本发明可编程故障电源模拟装置的结构性原理图； 图2表示本发明可编程故障电源模拟装置的信号调理电路图；图3表示本发明可编程故障电源模拟装置的改进矢量控制策略结构图； 图4表示本发明可编程故障电源模拟装置的PI-R控制器的原理图； 图5表示可编程故障电源模拟装置模拟的电网电压对称及不对称跌落故障时的实验波形图；图中，(A)为三相电压对称跌落至额定值的20%时的波形，(B)为两相电压跌落至额定值的50%时的波形；其中，Flag为故障标志位，在其为低电平的区间内出现各类电网故障；巧、巧JJe分别为可编程故障电源模拟装置输出的三相电压，以下同；图6表示可编程故障电源模拟装置模拟的电网电压不平衡度为10%时的实验波形图； 图7表示可编程故障电源模拟装置模拟的电网电压谐波畸变故障时的实验波形图； 图8表示可编程故障电源模拟装置模拟的电网电压频率漂移故障时的实验波形图； 图9表示可编程故障电源模拟装置模拟的电网电压相角跳变故障时的实验波形图；其中，β为电压的相位角；图10表示可编程故障电源模拟装置模拟的电网电压波动故障时的实验波形图； 图11表示可编程故障电源模拟装置模拟的电网不平衡且谐波畸变故障时的实验波形图；图12表示可编程故障电源模拟装置供电条件下DFIG低电压穿越试验的波形图；其中， U叙表示可编程故障电源模拟装置输出的三相电压，即DFIG定子侧电压，Jia6e、Jrafe表示流经定子绕组和转子侧变流器的电流，Icb表示流经Crowbar的电流，Vdc表示DFIG直流母线电压，巧分别表示DFIG输出有功、无功功率，2；表示电磁转矩。
图1中，进线电抗器组1、整流侧变流器2、逆变侧变流器3、直流母线电容器4、直流限压保护电路5、出线LC滤波器6、电流霍尔传感器7、电压霍尔传感器8、信号调理电路 9、DSP数字处理芯片10、驱动电路11、上位机12、变压器13、DFIG风电机组14。
具体实施方式
本发明的风力发电用可编程故障电源模拟装置可实现电网对称、不对称电压跌落及泵升，三相不平衡，谐波畸变，频率漂移，相角跳变，电压波动等多种电网故障的模拟，功能拓展性较强；且由于具有电压闭环控制能力，可保证应用中不会因巨大冲击电流引起的电源内阻压降至使电压跌落动态波形、跌落幅度受到损失，解决了采用电阻分压、变压器变压等方式因电源内阻压降大、又无电压闭环造成的测试电压误差，有效提高了装置实验精度，具有较强的鲁棒性。
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明可编程故障电源模拟装置包括进线电抗器组1、整流侧变流器 2、逆变侧变流器3、直流母线电容器4、直流限压保护电路5、出线LC滤波器6、电流霍尔传感器7、电压霍尔传感器8、信号调理电路9、DSP数字处理芯片10、驱动电路11和上位机12。
进线电抗器组1包括三个进线电抗器，三个进线电抗器分别串联到整流侧变流器 2的三相输入端；整流侧变流器2、逆变侧变流器3、直流母线电容器4和直流限压保护电路 5采用并联方式的电气连接；逆变侧变流器3的三相输出端分别通过电流霍尔传感器7与出线LC滤波器6的三相输入端相连；电压霍尔传感器8并联至LC滤波器6输出端；信号调理电路9分别与电流霍尔传感器7和电压霍尔传感器8相连，接收电流霍尔传感器7测得的三相电流和电压霍尔传感器8测得的三相电压信号；DSP数字处理芯片10与信号调理电路9相连，接收信号调理电路处理后的信号；驱动电路11分别与DSP数字处理芯片10和逆变侧变流器3相连，接收DSP数字处理芯片10发送来的控制指令，控制逆变侧变流器3开通、关断；上位机12通过串口线RS232与DSP数字处理芯片10进行通讯，控制整流侧变流器2和逆变侧变流器3工作。
整流侧变流器2和逆变侧变流器3均由三相桥式IGBT电路组成，IGBT可以选用赛米控(Semicon)公司生产的IGBT模块，型号为SKM75GB124D，但不限于此；整流侧变流器2的作用是维持母线电压稳定，确保能量实现双向流动，其控制采用传统的矢量控制方法；逆变侧变流器3的作用是实现各类电网故障的模拟，采用改进矢量控制策略；直流限压保护电路 5由一个IGBT与一个卸荷电阻串联组成，作为直流母线电容器4过压时的硬件保护，其门级驱动�？椴捎萌卓毓旧男秃盼猄KHI161的驱动�？椋９ぷ髌诩洌绷飨扪贡；さ缏�5处于关断状态，一旦直流母线电压高于保护上限阈值，DSP则瞬即发送导通信号，触发 IGBT导11，实现快速卸荷，而当母线电压低于保护下限阈值时，则立即关断直流限压保护电路5 ；出线LC滤波器6由一组(三个)电抗器和一组(三个)电容器并联组成，用以滤除逆变侧变流器3开关频率及其倍频电压谐波；电流霍尔传感器7 (三个)用以测量三相电流信号Ic、 Ib、Is ；电压霍尔传感器8 (三个)用以测量三个线电压信号Uab、Ubc、U:。
信号调理电路9将采集到的相电流信号Ia、Ib、Ic与线电压信号Uab、Ubc、Uea 分别送进行信号处理，转换成DSP能够识别的模拟信号量；参照图2，以A相电流I0的调理电路为例(其余，两相电流信号Ib、Jtf和三个线电压信号Uab、Ubc、Uca的调理电路相同)，包括7个电阻，1个可调电阻，2个运算放大器、4个滤波电容和两个稳压二极管；精度为 0. 1%的精密电阻Rl和电阻R2的一端分别与串接在逆变侧变流器3的A相输出端上的电流霍尔传感器7相连，精密电阻Rl的另一端接至模拟地；该精密电阻Rl的作用是将电流形式的信号量转换为电压形式；电阻R2另一端分别与滤波电容Cl和运算放大器Ul正输入端相连，电容Cl的另一端接至模拟地；电阻R2和滤波电容Cl共同构成一阶低通滤波电路，滤掉输入信号中的高频干扰信号；电阻R3 —端接模拟地，另一端分别与可调电阻RWl的一个固定端和可调端、运算放大器Ul负输入端相连，可调电阻RWl的另一个固定端接至运算放大器Ul输出端；运算放大器Ul的正极电源端分别与+15V直流电源和和电容C2的一端相连；负极电源端分别与-15V直流电源和电容C3的一端相连；电容C2、C3的另一端均接模7拟地；电容C2、C3的作用是稳压；运算放大器Ul的其他管脚悬空；电阻R4 —端与运算放大器Ul输出端相连，电阻R4的另一端与电阻R5、电阻R6和运算放大器U2输入端相连；电阻 R5的另一端接至参考电压端V,ef、、电阻R6的另一端接至模拟地；运算放大器U2负输入端与输出端相连，构成同相跟随电路；运算放大器U2的正极电源端分别与+15V直流电源和和电容C4相连；负极电源端分别与-15V直流电源和电容C5相连；电容C4、C5的另一端均接模拟地；电容C4、C5的作用是稳压；运算放大器U2的其他管脚悬空；运算放大器U2输出端与电阻R7相连、电阻R7的另一端分别与稳压二极管Dl的阳极和稳压二极管D2的阴极相连；稳压二极管Dl的阴极接至2. 5V的参考电压端V,ef，稳压二极管D2的阳极接模拟地，稳压二极管Dl和D2的作用是确保调理电路输出电压值的范围在0 2. 5V之间。
上位机12给定电压指令算法，采用改进矢量控制策略控制DSP输出所需要的脉冲信号；参照控制结构图3，其程序设计的具体步骤是(1)设定基波电网角频率W= , = 50压为电网频率，对￥进行积分运算15 即可得到电网角度信号矿；(2)设定三相电压指令U:、L^、rj；算法，确定故障类型及起止时间；理想电网条件下，三相电压对称且严格正弦，电压控制指令给定为ILr* = ^aE(HJfXi)U^ = B+ iin(io*χ + 2 τ/3)；U* = C+ xt + 4π 3)式中，4+、5+、分别代表三相电压基波正序分量的幅值，实时改变上式中三相电压的幅值即可产生电压对称、不对称跌落故障；同理，给定4+、S+、C+按预先设定的向量表变化，可以模拟电网电压的波动，向量表的设计可通过定时器的配合，设定电压幅值按预先指定的规律变化来实现；实时改变角频率指令￡^即可模拟电网频率漂移故障；当电网电压含有负序及谐波分量时，电压控制指令给定为，式中，、、为三相电压基波负序分量的幅值，、Bf3、Cn为三相电压η次谐波(η为有符号数，当n=Wc+l，k为大于等于1的整数时，η为正数；当n=Wc-l，k为大于等于 1的整数时，η为负数)分量的幅值。于是改变上式中基波负序分量和谐波分量的幅值大小即可方便地产生电网电压不平衡或谐波畸变，或两类故障兼而有之。
(3)将计算得到的三相电压指令《、《、 ；按照基波电网角度化进行正转同步坐标变换16，得到同步速参考坐标系下电压指令的d、q轴分量U、U:；(4)将电压霍尔传感器和电流霍尔传感器采集到的电压信号Fefc、电流信号J-分别进行正转同步坐标变换，即模块17、18，得到同步速参考坐标系下反馈电压、电流信号的直流分量形式^、％和4、及；其中1^3fc、J<A分别代表电压、电流综合矢量；电压、电流的正转同步坐标变换表达式如下所示
权利要求
1.一种可编程故障电源模拟装置，其特征在于，包括进线电抗器组(1)、整流侧变流器(2)、逆变侧变流器(3)、直流母线电容器(4)、直流限压保护电路(5)、出线LC滤波器 (6)、电流霍尔传感器(7)、电压霍尔传感器(8)、信号调理电路(9)、DSP数字处理芯片(10)、 驱动电路(11)和上位机(12 )等；其中，所述进线电抗器组(1)包括三个进线电抗器，三个进线电抗器分别串联到整流侧变流器(2)的三相输入端；整流侧变流器(2)、逆变侧变流器 (3)、直流母线电容器(4)和直流限压保护电路(5)采用并联方式的电气连接；逆变侧变流器(3)的三相输出端分别通过电流霍尔传感器(7)与出线LC滤波器(6)的三相输入端相连；电压霍尔传感器(8)并联至LC滤波器(6)输出端；信号调理电路(9)分别与电流霍尔传感器(7)和电压霍尔传感器(8)相连，接收电流霍尔传感器(7)测得的三相电流和电压霍尔传感器(8)测得的三相电压信号；DSP数字处理芯片(10)与信号调理电路(9)相连，接收信号调理电路处理后的信号；驱动电路(11)分别与DSP数字处理芯片(10)和逆变侧变流器(3 )相连，接收DSP数字处理芯片(10 )发送来的控制指令，控制逆变侧变流器(3 )开通、 关断；上位机(12)通过串口线RS232与DSP数字处理芯片(10)进行通讯，控制整流侧变流器(2 )和逆变侧变流器(3 )工作。
2.根据权利要求1所述可编程故障电源模拟装置，其特征在于，所述信号调理电路9包括七个电阻、一个可调电阻、两个运算放大器、四个滤波电容和两个稳压二极管；精密电阻 Rl和电阻R2的一端分别与串接在逆变侧变流器3的A相输出端上的电流霍尔传感器7相连，精密电阻Rl的另一端接至模拟地；电阻R2另一端分别与滤波电容Cl和运算放大器Ul 正输入端相连，电容Cl的另一端接至模拟地；电阻R3 —端接模拟地，另一端分别与可调电阻RWl的一个固定端和可调端、运算放大器Ul负输入端相连，可调电阻RWl的另一个固定端接至运算放大器Ul输出端；运算放大器Ul的正极电源端分别与+15V直流电源和和电容 C2的一端相连；负极电源端分别与-15V直流电源和电容C3的一端相连；电容C2、C3的另一端均接模拟地；电阻R4 —端与运算放大器Ul输出端相连，电阻R4的另一端与电阻R5、 电阻R6和运算放大器U2输入端相连；电阻R5的另一端接至参考电压端V,ef、、电阻R6的另一端接至模拟地；运算放大器U2负输入端与输出端相连，构成同相跟随电路；运算放大器U2的正极电源端分别与+15V直流电源和和电容C4相连；负极电源端分别与-15V直流电源和电容C5相连；电容C4、C5的另一端均接模拟地；运算放大器U2输出端与电阻R7相连、电阻R7的另一端分别与稳压二极管Dl的阳极和稳压二极管D2的阴极相连；稳压二极管Dl的阴极接至2. 5V的参考电压端V,ef，稳压二极管D2的阳极接模拟地。
全文摘要
本发明公开了一种可编程故障电源模拟装置，其特征在于由进线电抗器、LC滤波器、直流母线电容器、电压霍尔传感器、电流霍尔传感器、整流侧变流器、逆变侧变流器以及直流限压保护电路构成。上位机向DSP发出驱动信号指令，分别控制整流侧、逆变侧变流器工作。本方法可实现电网电压对称、不对称跌落，三相不平衡，谐波畸变，频率漂移，相角跳变，电压波动等多种电网故障的模拟，且电压跌落幅值与相数、三相不平衡度、谐波次数及比例、频率漂移大小与方向、相角变化大小与性质、电压波动趋势以及故障持续时间等参数均可柔性调节，可作为风力发电系统研究以及出厂性能考核的测试设备，或其他并网电力电子设备性能测试的故障电源装置。
文档编号G01R1/28GK102520218SQ201110401698
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者周鹏, 徐海亮, 章玮, 胡家兵, 贺益康 申请人:浙江大学