模拟电机的电力电子负载及其在电力系统动模试验中的应用

模拟电机特性的电力电子负载

及其在电力系统动模实验中的应用

黄清军，邹旭东，熊威，刘良春，康勇

(华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市430074)

摘要针对电力系统动模实验中需要配备电机类负荷，而传统采用的交流传动平台结构复杂、特性不灵活，提出一种利用电力电子负载模拟电机端口特性的模拟电机系统。分析了电机模拟的原理，提出将实时数字仿真技术引入到电力电子负载平台的方法；鉴于通用RTDS系统价格昂贵，提出常规数字控制器中嵌入电机模型实时仿真单元的方案，并研究了相应的电机模型、仿真步长和数值计算方法。仿真和实验结果表明：电机模拟器能实时模拟出电机不同运行工况下的端口特性。样机实验说明了常规DSP中集成实时仿真和实时控制的方案可行有效。

整个电机模拟系统结构简单，成本低廉，可以取代电机及其机械负载，不仅可用于动模实验，还可用于电机驱动器的测试，具有较高的工业应用价值前景和广阔的市场。

关键词：电力电子负载；电力系统动模实验；电机模拟器；实时数字仿真；实时电机仿真器

中图分类号：(TM743)

Motor Simulator based on Power Electrical Load

and Its Application in Power System Dynamic Physical Simulation

Huang Qingjun1Zou Xudong1Xiong Wei1Liu liangchun2 Tong Li1 Kang Yong1

(Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province)

Abstract: In order to overcome the shortcoming of traditional drive platform used in power system dynamic physical simulation, a motor simulating system based on power electrical load was proposed. The principle of motor simulating was analyzed firstly, and RTDS technology was adopted towards real-time reference current calculation. To replace the costliness general RTDS system, the real-time motor model emulator was embedded in conventional micro processer, then the matched motor model, step time and numerical method was studied. Simulation and experiment results showed that motor simulator had the same port characteristics with the real motor in different conditions. The experiment prototype demonstrated the effectiveness of the methods of real time simulating and real time controlling in conventional DSP. The whole system, which had a simple structure and low cost ,could replace the motor and its mechanical load in dynamic physical simulation or the test of motor drive, and had a industrial application value and broad market prospect.

Keywords: power electrical load, power system dynamic physical simulation, motor simulator, RTDS, real-time motor emulator

1 引言

电力系统动模实验是研究和检验电力系统继电保护产品以及其他一些电力系统自动装置的重要手段之一[1]。在电力系统中，电机既是最主要的发电设备，提供了全世界90%以上的电能；而作为功率负荷，又消耗了全世界发电量的70%以上[2]。为研究电机运行对供电网络造成的影响，在动模实验中需要构造出电机类负载。

虽然电机是一种常见设备，但其机械负载在实验室条件下却不易获得，长期以来都是采用交直流传动平台来模拟不同机械负载下的电机运行工况。文献[3][4][5]分别构造出基于直流电机、异步电机、永磁同步电机的传动实验平台，但这些平台都是以机械负载模拟为目标，结构复杂，电机参数调整不便。文献[1]提出了用电力电子负载进行动模实验的方法，但仅限于模拟电阻电容电感等常规负载，而不适用于电机这种高阶、非线性、动态时变负载。

本文通过将电力系统中常用的实时数字仿真

国家自然科学基金重点项目（XXXXXX）收稿日期2012-09-12

（Real-Time Digital Simulation ，RTDS ）[6-7]

技术引入到传统电力电子负载平台上，进行电机模型实时仿真得到电流指令，并利用变换器生成相应端口电流，从而构造出与电机具有相同端口电压电流特性的模拟负载，简称电机模拟器(Motor Simulator)，可以替代电机及其机械负载用于电力系统动模实验。针对通用RTDS 系统成本昂贵，提出将电机模型实时仿真单元嵌入到功率变换器的控制DSP 中。仿真和实验结果表明：实时仿真单元可准确计算出电机状态；功率变换器能准确跟踪电流指令；从而模拟出电机端口电压电流特性。样机实验不仅验证了电机模拟方案的可行性，还说明以一块常规微处理器DSP2812为核心构成的数字控制系统，可同时实现实时仿真和实时控制。样机主电路和控制系统结构简单，成本低廉，具有广阔的市场前景和应用价值。

2 电机模拟器的工作原理及其系统结构

2.1 电机模拟器工作原理

电机作为一种机电能量转换装置，既有转速转矩等机械状态量，又包含电压电流等电气状态量。但在电力系统动模实验中，并不以机电能量转换为目标，而是关注各种电机工况下的端口电压电流特性，特别是电机各种运行工况对供电网络的影响。此时可将电机视为一种有源阻抗型电气负载，从而像模拟电阻负载一样模拟电机的端口电压电流特性。由于电机供电电源通常为电压源，电机模拟的重点就是模拟出相应端口电流，使得“模拟电机”接到供电电源时，呈现出与实际电机接入时一样的端口特性。此时在供电电源看来，接入实际电机还是接入“模拟电机”完全等效。

因此电机模拟的基本思路就是：建立待模拟电机及其机械负载的数学模型，实时检测端口电压输入量并实时仿真，计算出电机实际接入系统时的端口电流，然后控制功率变换器生成相应电流。由此得出电机模拟系统至少应包括电机模型实时仿真器、功率变换器及其电流控制器，如图1所示。

电机仿真器

功率变换器

电流控制器U abc

i ref i abc

被试驱动器

图1 电机模拟器的基本结构图

Fig.1 Simplified diagram of motor simulator

2.2 电机模拟器的系统结构

基于上述分析，本文提出利用电力电子负载模拟电机特性的方案，不仅可模拟出电机端口电压电流特性，还能将吸收的电能回馈电网以节约电能。整个系统由功率变换器及其数字控制系统构成，如图2(a)所示。其中主电路部分包括：①三相电网；②并网变换器；③直流母线；④模拟变换器；⑤电机供电电源。相对于图2(b)所示的交流传动实验平台，减少了两台同轴相连的电机。

电机供电电源

VSI

AFU

电机模拟器

控制系统

⑨电流控制器⑩并网控制器

i abc

ω

⑦电机模型实时仿真器

⑥电压采样器

U z

⑧编码器i ref

①

②

③

④

⑤

(a) 基于电机模拟器的实验系统

控制系统

⑤

VSI

AFU

电机及其模拟机械负载

机械负载控制器并网控制器

M 1M 2

i abc ω

ω

i abc

Ecoder

Ecoder

电机供电电源

(b) 基于交流传动平台的实验系统

图2 电机模拟系统与交流传动实验系统结构对比图 Fig.2 Schematic of dynamic physical simulation based on motor simulator and conventional motor –load drive tested.

数字控制系统由一块数字控制器DSP2812为核心构成，包括以下功能单元：⑥电压采集器；⑦电机模型实时仿真器；⑧编码器，将实时仿真的电机转速位置信息编码输出；⑨模拟侧控制器；⑩并网控制器。

功率变换器拓扑及其电流控制策略已得到深入研究[8-10]，而电机模型实时仿真，特别是在常规数字控制器中实现电机仿真却鲜有文献涉及，因此本文的重点在于如何在常规DSP 中嵌入电机模型实时仿真。

3 电机模型实时仿真

电机模拟器能否准确模拟出电机的端口特性，关键在于能否获得电机的端口电流实时状态。对电机这种非线性时变系统而言，在端口输入电压和机械负载随机变化的情况下，只有对电机建模并实时仿真才能实时准确获知相应的电机状态量。而通用RTDS 系统是基于PC 机或专用DSP ，结构复杂，成本昂贵。本文提出在功率变换器控制的微处理器中嵌入电机模型实时仿真单元，可简化系统结构，