基本信息
- 项目名称：
- 可控负荷模拟实验装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本文提出一种模块化可控负荷电流扰动发生装置，该装置由整流变压器、PWM高频整流H桥模块、放电支路、高频H桥模块、低频级联H桥模块、高频连接电抗和低频连接电抗组成。通过相应的控制策略，能有效模拟谐波、无功以及电流波动和负荷电流不平衡,并能模拟复合扰动。在电路仿真和实物实验中取得良好效果。
- 详细介绍：
- 首先介绍下，主电路各部分的主要功能： 输入整流变压器：整流变压器采用单相多绕组结构，为了降低变压器原边电流值，因此变压器原边电压采用线电压接入方式，提高电压等级在同等功率等级下降低了变压器原边输入电流，有利于提高装置运行效率。 PWM整流器：PWM整流器是连接交流电网和直流母线电压之间的关键环节，为装置后级级联H桥功率模块提供稳定的直流母线电压，同时保证整流侧输入功率因数近似为1，并使输入电流谐波含量较低近似为正弦波。 放电支路：由于本装置能够输出有功功率，同时能够对负荷有功进行一定的补偿，因此本装置在实际运行过程中会出现很大的有功交换，特别是对于冲击性负荷的补偿，可能会出现直流电压的剧烈波动，甚至会出现直流母线过压，因此加入放电回路是很有必要的，在PWM整流器不能限制过电压时，放电回路IGBT就开始工作，将直流母线电容通过放电电路放电，使直流母线电压降低。 高频H桥模块：为了提高装置的整体性能，特别是装置发生高次谐波电流的性能，因此引入高频H桥模块，该H桥与低频级联H桥的控制策略和调制方式不用，使得高频谐波电流与基波电流可以实现解耦控制，从而两者的开关频率、控制参数等指标可以进行优化设计，使装置整体性能最优。 低频级联H桥模块：低频级联H桥主要输出的是基波电压，通过调节级联H模块输出的基波电压幅值和相位实现装置基波功率的控制，包括装置从系统吸收或者发出无功功率和有功功率，当级联H桥模块输出电压与系统电压完全同相位，进行幅值调节时，即装置运行于STATCOM状态，对系统无功进行有效的补偿；当级联H桥输出电压与系统电压有相位差时，此时装置能够对系统有功进行调节，因此大大提高了本装置的应用场合。装置容量的绝大部分取决于基频分量的容量，因此本装置的大部分容量由低频级联H桥决定。 高频连接电抗：高频连接电抗是为装置补偿高频谐波电流而设计的，根据装置需要可选择合理的参数。 低频连接电抗：低频连接电抗主要流过的是基波分量，级联H桥输出基波电压与系统电压的差值就降落在低频连接电抗器之上，通过电抗器将基波电压差转换成基波电流，从而实现向系统注入或者吸收无功和有功。 控制系统部分： 可控负荷用电品质扰动发生装置的控制系统主要分为两个部分：指令信号产生电路和控制电路。指令信号产生电路的功能是产生所需要的各种扰动的信号，如谐波电流信号，无功电流信号和负序电流信号等。控制电路的主要功能是在给定的指令信号下，经过适当的电流控制方式产生需要的调制信号，再通过可行的调制技术得到控制IGBT导通与关断的开关信号，从而控制主电路使之输出所需要的电流。 不同的环节采用不同的控制策略。整流模块控制部分采用PI控制，引入直流电压控制环；高频谐波模块采用电流滞环控制；基波模块采用3H桥级联结构，单极倍频载波移相CPS-SPWM调制的控制方法。通过控制调制波，可控制基波模块输出电压的大小和相位。 应用以上的主电路拓扑和相应的控制策略，我们在仿真实验和实物实验中取得了较好的效果。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：电力系统动态模拟就是一种用于研究电力系统动态特性的物理模拟，其实质就是在实验室中根据相似性原理建立电力系统的模型来研究电力系统的特性。无论是新的理论问题的证实，电力系统稳定性的分析，新装置、新设备投入运行前的试验等，都需要在实验室中进行相关的电力系统动态模拟实验。由于动模实验的日益复杂性，对系统模型的精度等各方面有了更高的要求。该负荷模拟装置可以取代传统负荷模拟实验装置，高精度模拟各种负荷特性。 基本思路：由PWM整流H桥模块得到稳定直流电压，然后由PWM逆变H桥模块输出希望的波形。该过程选用用合适的控制策略，以期更好地实现目的。 创新点：采用电力电子技术取代传统的负载模拟形式，具有体积小，可控性，模拟精度高，易在线更改，复合模拟等优点。 技术关键：H桥的设计，及相应的控制策略研究。
科学性、先进性
- 先进性科学性： 1.采用电力电子变流装置取代传统负载模拟装置，解决了传统模拟负荷体积庞大、元件数量多、成本高、能量不回馈，而且不易在线更改等缺点。 2.基波模块和谐波模块采用解耦控制，实现了任意单次谐波以及多次谐波叠加扰动输出，输出最大谐波电流的次数在17次以上，仿真效果良好。 3.多目标复合模拟，可以模拟多种单一以及复合的负载特性，比如同时进行谐波和无功的模拟补偿。 4.试验能量回馈电网，节约能源。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 完成仿真实验，并初步完成实物装置制作和相关实验
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物展示和现场实验展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：通过在人际交互系统输入波形的参数，就可以输出相应的波形，并进行实验数据的观察和记录。 技术优势：与传统负载模拟装置相比，具有易实验操作、体积小、元件数量少、成本低、模拟精度高等优点，并能实现多目标复合模拟，可以模拟各种单一以及复合的负载特性，同时该装置用于实验的能量可回馈给电网，达到节能的目的。 适用范围：该装置适用于电力系统动态模拟实验中，可有效模拟包括谐波、无功、有功、电流扰动、三相不平衡电流在内的各种负荷特性，由于其具有前文所述的优势，其在电力系统动态模拟实验中的应用前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 传统的电力系统动态模拟实验中使用的负荷模型有异步机组负荷模型、灯箱负荷模型、串并联电容器模型等，通过改变电压、串联回路内的电阻电抗，或者改变电动发电机组的激磁特性及附加飞轮片，可以得到一定范围内变化的负荷。但这类负荷模拟装置存在体积庞大、元件数量多、成本高、能量不回馈，而且不易在线更改等缺点，尤其是无法精确模拟各种负荷，并且进行实验时不易操作，十分不便。
