[0056] (11)将步骤（10)得到的各个功率单元的调制波依次加在功率单元104的逆变侧， 对功率单元104进行控制，从而调节输出电压和输出电流的相位。
[0057] 本发明在工作时，上述步骤中得到的调制波分别加入功率单元的整流侧和逆变 侦牝分别测量输出端电压和电流的幅值及相位，如图6所示，^?为输出端电压、}为输出端电 流，9为输出端电流}超前输出端电压的角度，以输出端电压作为参考向量，当输出端 电流i在第一象限，即输出端电流相位超前输出端电压相位〇~90°时，变流器发出有功功 率和容性无功功率；当输出端电流}在第IV象限，即输出端电流相位滞后输出端电压相位 0~90°时，变流器发出有功功率和感性无功功率，以上两种情况下变流器模拟同步发电 机和异步发电机的特性。
[0058] 当输出端电流}在第II象限，即输出端电流相位超前输出端电压相位90~180° 时，变流器吸收有功功率和感性无功率；当输出端电流}在第III象限，即输出端电流相位 滞后输出端电压相位90~180°时，变流器吸收有功功率和容性无功功率，以上两种情况 下变流器模拟同步电动机和异步电动机的特性。
【主权项】
1. 一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置，其特征在于：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 逆变侧进彳丁调制； 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。2. 如权利要求1所述的一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置，其特征在 于：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 侦牝右侧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。3. 如权利要求2所述的一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置，其特征在 于：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。4. 如权利要求3所述的一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置，其特征在 于：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。5. 利用权利要求4所述的一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟装置进行模拟 的方法，其特征在于：依次包括以下步骤 (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； (2) 选择所需的电压UMf、电流IMf、相角0Mf，计算出有功功率参考值PMf、无功功率参 考值QMf，其中，PMf=UMfIrafcos9raf，Qraf=UMfIMfsin9 ，下标ref表示电网； (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PMf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QMf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元逆 变侧的电流参考值i%第一PI控制器的计算公式为第二PI控制器的计算公式为其中，kp3、kp4均为比例系数，ki3、ki4均为积分系数，下标p表示比例，下标i表示 积分； (4) 利用电流互感器采集功率单元逆变侧的电流实际值、，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is的差值进行重复学习控制，得 到调制信号Vml; (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kp5后得到与输 出电压同相位的分量kp5us，电压us±乘以比例系数kp6后得到超前于输出电压90°的分量 kp6us1，心此与kp6us1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Vm2相 加后，得到单个功率单元逆变侧的调制波％，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； (6) 将步骤（5)得到的单个功率单元逆变侧的调制波VJ^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； (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。6.如权利要求5所述的一种基于四象限电力电子变流器的电机模拟方法，其特征在 于，还包括步骤（8)至步骤（13)，具体为： (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Hdc，下标dc表示直流； (9) 将步骤⑶得到的平均值％c与储能电容两端电压的参考值4c的差值Aud。输入 第三PI控制器，得到信号AI，参考值的大小等于储能电容的额定电压；第三PI控制 器的计算公式为！其中，kp为比例系数，p表示比例，ki为积分系数，i表示积分，s表 示拉普拉斯变换； (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AI 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i〗，下标si表示变 压器副边，下标s表示变压器； (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is的差值Ai3输入第一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； (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kp2 后，得到电压前馈控制信号um2，将电压调制信号uml与电压前馈控制信号um2相加，得到功率 单元整流侧的调制波IV其中，下标si表示变压器副边，下标s表示变压器，下标p表示比 例； (13) 将步骤（12)得到的调制波um加在功率单元的整流侧，使储能电容上具有稳定的 电压。
【专利摘要】本发明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，装置包括输入开关、输入变压器、连接电抗、功率单元、输出电抗及输出开关，通过在功率单元的整流侧加调制波来使功率单元的电压趋于稳定，通过控制四象限电力电子变流器输出端的电压电流，来改变四象限电力电子变流器发出或吸收有功或无功功率，从而模拟同步发电机、异步发电机、同步电动机、异步电动机的运行特性。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，控制方便，响应及时。
【IPC分类】H02J3/18
【公开号】CN104993494
【申请号】CN201510269047
【发明人】李琼林, 石光, 张振安, 李尚盛, 吴楠, 张博, 孙建军, 查晓明
【申请人】国网河南省电力公司电力科学研究院, 武汉大学, 国家电网公司
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年5月22日