一种电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法

1.一种电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)实时读取物理模拟装置中连接异步电动机和他励直流发电机的转轴的角速度ω；
(2)根据上述角速度ω，计算不同运行状态下对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia如下：
当异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机的机械转矩恒定时，对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia为：
其中C为根据异步电动机额定参数设定的异步电动机的恒定机械转矩，
当异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机消耗的功率恒定时，对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia为：
其中，C为根据异步电动机额定参数设定的异步电动机的恒定功率，
当电力系统的负载为风机类时，异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机的机械转矩T与异步电动机的转轴角速度ω的关系为 时，对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia为：
其中，CT和φ分别为他励直流发电机转矩常数和磁通量，J1为他励直流发电机的转动惯量，ω为异步电动机的转轴角速度，K为风机类负载的特性系数， UN为他励直流发电机的额定电枢电压，IN为他励直流发电机的额定电枢电流，nN为他励直流发电机的额定转速，Ra为他励直流发电机的电枢回路电阻。

一种电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法，属于基于电力、动力系统物理仿真及机电控制技术领域。
背景技术
[0002] 试验技术及条件在现代科学研究和产品生产过程中发挥的作用越来越重要，科研工作者要求能够在尽可能真实的情况下方便地进行试验。电动机负荷是现代工业、农业、商业以及居民用电负荷中最重要的组成部分，它在实际应用中所承担的机械负载具有复杂化、多样化的特点。随着科学技术的飞速发展，电动机所承担的机械负载越来越复杂，考虑到实际生产过程的性质，要对电机或电力传动系统进行现场在线测试同样是不现实的，危险性和成本都比较高。而采用纯理论仿真研究，又难免会脱离真实的物理实际。因此，我们需要一套能够对实际应用中的机械负载进行模拟的系统。将电动负载模拟技术应用于电机性能测试领域,可以充分发挥其优异的转速和转矩控制特性,以及动态响应快、结构灵活多样、高效节能、可靠性高等特点；同时,可以设计出机械负载模拟无法实现的控制方案,如能量回馈、电封闭测试和多路并行测试等,并可使用计算机和虚拟仪器技术实现电动负载模拟系统的自动化和智能化。
[0003] 传统的电力动负荷物理模拟往往需要引入转矩反馈，但是通过转矩传感器直接对电机的轴转矩进行测量在实施中比较困难，而且传感器采回的信号需要滤波，这样会造成频宽变低。同时，引入转矩反馈有可能会因为控制不当造成转矩过大或者出现负转矩，导致损坏电机。在有些方案中，对生成负荷机械特性的直流电机进行转矩控制时，需要量测跨气隙对的磁链、磁通，而这些量在电机中很难获得。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提出一种电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法，针对三种主要类型电力动负荷模拟控制的问题，给出了动负荷模拟系统的总体结构，建立了控制系统的数学方法。
[0005] 本发明提出的电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法，包括以下步骤：
[0006] (1)实时读取物理模拟装置中连接异步电动机和他励直流发电机的转轴的角速度ω；
[0007] (2)根据上述角速度ω，计算不同运行状态下对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia如下：
[0008] 当异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机的机械转矩恒定时 ，对物理模 拟装置中的他励直流发电 机施加的电 枢电 流Ia为：
[0009] 当异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机消耗的功率恒定时，对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia为：
[0010] 当电力系统的负载为风机类时，异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机的机械转矩T与异步电动机的转轴角速度ω的关系为 时，对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia为：
[0011] 其中，C为根据异步电动机额定参数设定的异步电动机的恒定机械转矩或恒定功率，CT和φ分别为他励直流发电机转矩常数和磁通量，Jl为他励直流发电机的转动惯量，ω为异步电动机的转轴角速度，K为风机类负载的特性系数， UN为他励直
流发电机的额定电枢电压，IN为他励直流发电机的额定电枢电流，nN为他励直流发电机的额定转速，Ra为他励直流发电机的电枢回路电阻。
[0012] 本发明提出的电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法，不需要量测用于转矩控制的直流电机跨气隙对的磁链、磁通，且不直接采用转矩量测作为反馈，避免了转矩反馈的引入以及对跨气隙对的磁链、磁通的观测，很大程度上提高了物理实验平台搭建的便利性和可实施性，同时能很好地保护电机不受转矩过大或者转轴反转的伤害。通过对他励直流发电机电枢电流Ia的实时调节，直接控制电磁转矩，进而使他励直流发电机模拟出不同动负荷的特性。此外，相对于传统方案，本发明提出的电力动负荷暂态和动态物理模拟方法，还有很好的动态特性，在异步电动机转轴角速度ω快速改变的情况下，仍然能一定程度上保持对动负荷暂态和动态特性的模拟，并在短时间内恢复到精确的模拟状态。因此，本发明方法具有简单方便、容易实施、控制性能好等特点，经测试，本方法对电力动负荷的模拟精度满足物理实验的需要。
具体实施方式
[0013] 本发明提出的电力系统中电力动负荷暂态和动态物理模拟方法，包括以下步骤：
[0014] (1)实时读取物理模拟装置中连接异步电动机和他励直流发电机的转轴的角速度ω；
[0015] (2)根据上述角速度ω，计算不同运行状态下对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia如下：
[0016] 当异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机的机械转矩恒定时，对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia为：
[0017] 当异步电动机的转轴角速度ω在额定范围内发生变化、且异步电动机消耗的功率恒定时，对物理模拟装置中的他励直流发电机施加的电枢电流Ia为：