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。仿真和实验结果说明：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，本钱低廉，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)MotorSimulatorbasedonPowerElectricalLoadandItsApplicationinPowerSystemDynamicPhysicalSimulationHuangQingjun1ZouXudong1XiongWei1Liuliangchun2TongLi1KangYong1(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,HubeiProvince)Abstract:Inordertoovercometheshortcomingoftraditionaldriveplatformusedinpowersystemdynamicphysicalsimulation,amotorsimulatingsystembasedonpowerelectricalloadwasproposed.Theprincipleofmotorsimulatingwasanalyzedfirstly,andRTDStechnologywasadoptedtowardsreal-timereferencecurrentcalculation.ToreplacethecostlinessgeneralRTDSsystem,thereal-timemotormodelemulatorwasembeddedinconventionalmicroprocesser,thenthematchedmotormodel,steptimeandnumericalmethodwasstudied.Simulationandexperimentresultsshowedthatmotorsimulatorhadthesameportcharacteristicswiththerealmotorindifferentconditions.TheexperimentprototypedemonstratedtheeffectivenessofthemethodsofrealtimesimulatingandrealtimecontrollinginconventionalDSP.Thewholesystem,whichhadasimplestructureandlowcost,couldreplacethemotoranditsmechanicalloadindynamicphysicalsimulationorthetestofmotordrive,andhadaindustrialapplicationvalueandbroadmarketprospect.Keywords:powerelectricalload,powersystemdynamicphysicalsimulation,motorsimulator,RTDS,real-timemotoremulator1引言国家自然科学基金重点工程〔XXXXXX〕收稿日期2012-09-12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国家自然科学基金重点工程〔XXXXXX〕收稿日期2012-09-12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〔Real-TimeDigitalSimulation，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(MotorSimulator)，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系统本钱昂贵，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。仿真和实验结果说明：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，本钱低廉，具有广阔的市场前景和应用价值。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。因此电机模拟的根本思路就是：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。图1电机模拟器的根本结构图Fig.1Simplifieddiagramofmotorsimulator2.2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。其中主电路局部包括：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。(a)基于电机模拟器的实验系统(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比照图Fig.2Schematicofdynamicphysicalsimulationbasedonmotorsimulatorandconventionalmotor–loaddrivetested.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。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，本钱昂贵。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，大幅度降低系统本钱。但相对于通用RTDS系统，控制器计算能力有限，还需执行变换器实时控制，必须择优选择电机模型、数值计算方法以防止微处理器计算过负荷。3.1适于电机模拟技术的电机模型在电机模拟系统中，端口电压未知，其频率、相位、幅值、相序都可能快速变化，不仅实时锁相困难，而且旋转坐标变换后的电气量也未必是直流量。而αβ坐标系下，不需要锁相和旋转坐标变换。因此本文选用在αβ坐标系下，以角速度ωr，转子磁链Ψrα、Ψrβ，定子电流为状态量isα、isβ为状态变量，得到五阶电机动态数学模型[11]：式中电机结构参数包括：极对数np，转动惯量J，定转子互感Lm，转子电感Lr，转子电阻Rr，转子时间常数Tr=Lr/Rr，定子电感Ls，定子电阻Rs，漏磁系数σ=1-Lm2/(Ls*Lr)。可见电机是以端口电压usα、usβ和负载转矩TL为输入的非线性系统，只要实时检测端口电压和给定负载转矩，就可确定电机中各状态量的实时数值。3.2电机模型的实时计算在选定电机状态方程后，需利用数值积分方法求解电机模型，即进行电机模型实时仿真。由于实时仿真是无反应的纯积分过程，运算误差会累加且不会自动校正，计算精度只能依靠数值计算方法和计算步长的选择来保证。如何选取数值计算方法和计算步长，既能保证计算精度又不会导致数字处理器运算超负荷，成为电机模型实时仿真的关键。当实时控制和实时仿真集中于单块处理器时，设实时仿真步长h，每步运算执行时间为ts；实时控制周期为T，控制程序最大执行时间为tc。那么整个控制周期内的仿真和控制最大执行时间为：式中[]符号表示向上取整，如[2.5]=3，[2]=2为确保实时控制程序和实时仿真程序能按照设定执行完成，要求tall≤T，带入式(2)得； 不管步长h如何，控制时间tc和仿真时间ts都必须满足式(3),这是系统正常运行的最低要求。在h≤T时，周期T内可能需要屡次进入仿真程序，为防止处理器超负荷，步长h必须满足条件：式中<>符号表示向下取整，如[2.5]=2，[2]=2说明在控制周期T、执行时间tc、ts一定时，仿真步长h不能太小；当h≥T时，tall=tc+ts，h更大也不会减少tall，而实时仿真单元是以h周期更新电流指令，h太大时模拟系统的时效性变差。因此仿真步长h的取值范围应该是：由于kW级以上容量的功率变换器控制周期T通常为十到百微秒数量级。此时仿真步长的选择不是以最小步长为目标，而是在h≤T的情况下，选择计算量小而且仿真精度高的计算方法和步长。常用的数值计算方法有Euler法、梯形法、Runge—Kutta法、Adams法等[12]。其中只有Euler法和Adams法每步只执行一次微分量迭代运算，对式(1)的电机模型来说是运算量最小的方法。Adams法仅比Euler法增加了少量加法运算，但精度却比同步长的欧拉法高很多，从而在较大步长下就能准确计算出电机状态，更适合于在对计算精度和计算量要求都比拟严格的电机模型实时仿真单元。因此本文选用两步Adams法求解电机模型，其数值计算公式为：式中Fk表示k时刻微分导数，xk表示k时刻状态量，h为计算步长。选用表1的电机参数，在50Hz、380V输入下空载启动，利用式(6)进行仿真计算，得到电机模型的仿真结果如图3(b)所示。说明Adams法在较大步长下就可准确计算出电机状态，100us步长下精度已经足够高；而欧拉法在该步长下算出的状态量严重偏离实际值，即使步长减小十倍到10us仍存在明显误差，需要计算步长更小才能保证计算精度，这极大增加了实时仿真的计算量。因此，两步Adams法更适合在常规数字控制器中进行电机实时仿真。(a)Euler法计算结果(b)Adams法计算结果图3Adams法和Euler法进行电机模型仿真的计算结果Fig.3thecalculatedresultsofEulerMethodandAdamsMethod电机模拟器的仿真分析为验证上述电机模拟方案的可行性，本文按图2(a)所示结构在Matlab/Simulink中构建了电机模拟系统，其中待模拟三相鼠笼型异步电机参数见表1，所采用电机模拟器的主要参数见表2，控制系统采用C_Function模拟DSP中断程序实现电机模型实时仿真和变换器控制。为检验模拟准确性，同时进行Simulink电机模块仿真并将其作为比拟基准。表1待模拟的三相异步电机参数表Tab.1Parametersofsimulatedthree-phaseinductionmotor参数数值参数数值额定功率/kW10额定电压/V380额定转速/r·min-11400额定频率/Hz50定子电阻Rs/Ω2.7转子电阻Rr/Ω2.70定子电抗Ls/H0.2609转子电抗Lr/H0.2618定转子互感Lm/H0.2485漏磁系数σ0.096极对数np/对2转动惯量J/kg·m20.0043表2电机模拟器离线仿真主要参数表Tab.2Parametersofthemotorsimulator参数数值参数数值模拟侧电感L1/mH20并网侧电感L2/mH3模拟侧内阻R1/Ω0.5网侧电阻R2/Ω0.4直流母线电容C/uF4700直流电压/V600仿真步长h/us100开关频率fs/Hz10k在电机端口电压为50Hz、108V三相正弦时，对电机的空载启动和突加负载过程进行模拟仿真，仿真结果如图4所示。空载启动过程中，观测输入线电压uab，转速nr，相电流ia及其局部放大图；负载突变时，输入电压不变，观测负载转矩TL，转速nr，相电流ia。(a)空载启动(b)突加机械负载图4电机模拟器的离线仿真波形Fig.4SimulationwaveformsoftheMotorSimulator从图4中可以看出，电机模拟器能准确的模拟出空载启动和负载突加时的电机端口电流特性。在相同的端口电压和机械负载转矩作用下，无论是动态响应过渡过程，还是稳态运行点，电机模拟器的端口电流及转速量都与Simulink中电机模块的端口量根本一致。证明了实时电机模型仿真单元能够准确计算出电机的转速、电流等实时状态量；功率变换器可以准确跟踪上述电流指令产生相应的端口电流；从而使得电机模拟器具有与实际电机几乎完全一样的端口电压电流特性。实验验证在理论分析和仿真研究的根底上，本文按图2(a)结构研制了一台电机模拟器实验样机，待模拟的电机参数同表1，样机设计容量10kW，开关器件采用英飞凌的IGBT模块BSM150GB120DN2，实际运行参数如表3。表3电机模拟器样机参数表Tab.3Parametersofthemotorsimulator参数数值参数数值模拟侧线电压/V108并网侧电压/V108模拟侧电感L1/mH3并网侧电感L2/mH2模拟侧内阻R1/Ω0.5网侧电阻R2/Ω0.4直流母线电容C/uF4700直流电压/V200仿真步长h/us104开关频率fs/Hz9.6k电机供电电源为三相50Hz正弦电压源，控制系统以一块32位定点型处理器DSP2812为核心，在该DSP中集成了电机模型实时仿真、模拟变换器控制、并网变换器控制、上位机通讯等功能，实时仿真的端口电压由采样单元实时检测而来，负载转矩由上位机串口通讯进行数字设定。5.1DSP2812中嵌入电机实时仿真的实验验证电机模拟器样机的控制周期为104us(9.6kHz)。在这104us的中断时间内，需要完成网侧变换器控制、电机模型实时仿真及电流跟踪控制。为验证控制器DSP2812的运算能力是否能够满足电机模拟系统实时仿真和实时控制的需要，首先在样机上测试了数字控制系统的执行时间，得到各功能单元的执行时间见表3。样机中，并网变换器控制程序历时36.2us；电机模型实时仿真及变换器控制历时36.0us；合计72us时间，占中断周期的70%。其中执行时间较长的单元为电压电流AD转换和SVPWM调制，而嵌入的电机模型实时仿真计算时间4.8us，仅占据了整个104us中断时间的4%-5%，没有显著增加数字控制器负担。这一方面是因为Adams法计算量本身就小，另一方面也是源于在程序实现上对计算过程进行优化设计。说明经过合理选择数值计算方法、计算步长、优化程序计算流程，常规控制器DSP2812完全可以满足实时仿真和实时控制的运算需要。表3电机模型实时仿真和控制单元的执行时间Tab.3Processorexecutiontimeofemulationandcontrol模拟侧控制器并网侧控制器功能单元执行时间(us)功能单元执行时间(us)模拟功能设定1.6数字锁相0.8AD采样11.6AD采样14.1采样数据变换1.2采样数据变换2.8RTDS电机仿真4.8直流电压环1.3电流闭环控制3.6电流环控制3.9SVPWM调制13.2SVPWM调制13.3总执行时间36.0总执行时间36.25.2模拟电机空载启动和负载突加的实验样机端口接50Hz、108V〔线电压〕的三相正弦电压，于t1时刻开启电机模拟功能，进行模拟电机空载启动的实验，虽然样机中电机模型实时仿真和电流控制都是基于αβ坐标系，但由于电机暂态过渡过程一般需持续较多基波周期，在此时间段内交变的电压电流不便于精确观测分析，为更清晰展示电机模拟的整个过渡过程，将电压和电流量变换到dq坐标系下进行输出。实验系统中，只有端口电压电流可直接测量，实时仿真转速信息、指令电流、及坐标变换后的电压电流量经DSP的PWM口输出并低通滤波得来。由此得到的模拟电机空载启动实验波形如图5(a)所示，分别为输入电压uab，电机转速nr，相电流ia及其局部放大图，及同步坐标系中的电压Ud-Uq，电流Id-Iq。从图5(a)可以看出，在电机模拟功能开启之前，虽然端口已有电压，但端口电流很小可以忽略；在t1时刻投入模拟功能后，端口迅速出现较大启动冲击电流，输入电压也被拉低，电机加速直至升到同步速附近，电流才平滑减小。在同步旋转dq坐标下，在根本按照Ud≈+Us，Uq≈0进行电压定向时，有功电流分量Id和无功电流Iq迅速增加再以振荡衰减，其中Id回归至零值而Iq为较小的负值，与电机的空载运行状态相符。比照第四幅图中电机启动和稳态运行时的电流指令和实际端口电流放大波形可知，功率变换器能够实时准确跟踪电机模型实时单元输出的电流指令，仅在稳态电流偏小时才存在着较大的跟踪误差。比照样机实验与图4(a)离线仿真电机启动过程，在输入电压根本相同时，样机模拟出的端口电流、计算转速与离散仿真中端口量的数值和变化趋势都根本一致。只是样机实验的启动过程稍长需要350ms而仿真中仅300ms；冲击电流偏小，样机中电流Ia最大为8.7A而仿真中到达10.5A。这是由于实验中供电电源具有较大内阻抗，从图5(a)中uab和Ud-Uq波形可以看出，在负载电流较大时端口电压下降明显。(a)模拟电机空载启动(b)模拟机械负载突加图5模拟电机启动和负载突加的实验波形Fig.9ExperimentwaveformsoftheMotorSimulator当电机空载启动后稳态运行时，维持输入电压不变，通过上位机增大机械负载转矩给定，得到模拟电机机械负载突加时的实验波形如图5(b)所示。由于端口电压根本不变，重点观测给定负载转矩TL，端口相电流ia，电机转速nr，及坐标变换后的电流Id-Iq。图5(b)中，负载转矩突加时，电机模拟器的端口电流平稳增加，虚拟转速缓慢下降，在旋转坐标系下，无功电流Iq根本不变，有功电流Id从0增加到稳定值。与图4(b)所示的离线仿真波形一致。综合电机空载启动和突加负载两种典型工况，将电机模拟器样机结果与Simulink电机模块离线仿真进行比照可知：通过实时检测端口电压和数字给定负载转矩，电机模型实时仿真单元能准确获知电机在这些电压转矩输入下的实时状态量；电流控制器能够快速准确的跟踪此电流指令，从而实现对电机端口UI特性的模拟；从而使得电机模拟器具有与实际电机几乎完全一致的端口特性，说明样机实现了对电机的模拟。6结论针对电力系统动模实验需要构造电机负荷，本文提出了利用电力电子负载模拟电机端口特性的方案，利用电机模型实时仿真生成电流参考指令；为防止使用昂贵的RTDS系统，提出一种将电机模型实时仿真单元嵌入到常规的实时控制数字处理器DSP2812的方法。通过理论分析、仿真研究和样机实验，可以得出以下结论：1通过实时检测端口输入电压和给定负载转矩，并进行电机模型实时仿真，可以实时准确计算出待模拟电机在这些输入下的电机状态量；2以电机模型实时仿真中的定子电流为指令，对功率变换器进行直接电流闭环控制，可以准确跟踪电流指令，从而生成与实际电机接入时一样的端口电流；3将电机模型实时仿真单元嵌入到以常规实时控制微处理器DSP2812为核心的系统中是可行的，该数字控制系统能满足整个系统实时仿真和实时控制的要求。4综上所述，利用RTDS技术和功率变换器来模拟电机端口特性的方案可行有效，不仅可用于电力系统动模实验，还能用于各类电机驱动器的功率考核和性能测试。系统结构简单，本钱低廉，具有较好的应用价值和广阔的市场前景。参考文献赵剑锋，潘诗锋，王浔．大功率能量回馈型交流电子负载及其在电力系统动模实验中的应用[J]．电工技术学报2006．21(12)：35-39．ZhaoJianfeng，PanShifeng，WangXun．HighpowerenergyfeedbackACelectronicloadanditsapplicationinpowersystemdynamicphysicalsimulation[J]．TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2006，21(12)：35-39(inChinese)．李华德．交流调速控制系统[M]．北京：电子工业出版社，2003.刘其辉，贺益康，赵仁德．基于直流电动机的风力机特性模拟[J]．中国电机工程学报，20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