专利名称：多功能电网模拟器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电网电压发生装置，更具体地说是一种在分布式并网发电研究 中，为系统提供电网环境的发生装置。
背景技术：
太阳能光伏发电装置、风力发电装置等新能源发电系统的并网运行被世界许多能 源和电力专家公认为可以节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性，是21世纪 电力行业发展的重要方向。为了确保系统安装者的安全以及电网的可靠运行，分布式发电 系统必须满足并网的技术要求，随着越来越多的分布式发电系统接入电网，各国电网公司 均对分布式发电的并网提出了严格的要求。由于电网可能会出现电压幅值跌落、电压频率偏移、三相电压不平衡以及谐波电 压畸变等各种故障状态，因此在分布式发电研究的过程中，考虑电网可能出现的这些故障 状态并研究系统在故障状态下的工作性能是非常重要的。电网提供的电压为低谐波的标准正弦电压，电网故障具有偶然性和不可控性，在 分布式发电的研究以及系统测试时，仅通过电网本身无法模拟出各种故障状态。因此，需要 通过一些专门的设备来模拟电网的故障情况。对于风力发电的低电压穿越测试，已有专门的实现电压跌落发生器VSG，即 Voltage SagGenerator。具体包括基于阻抗形式实现的VSG，是通过在主电路中并联或串 联电阻/电抗实现电压跌落；基于变压器的VSG，是通过变压器的变比实现电网电压的跌 落；基于电力电子变换的VSG，利用交流电力控制电路、交交变频电路以及交直交变换器等 实现电压的跌落。但是，该模拟装置功能相对单一，无法模拟各种电网故障，因此不能完全 满足分布式发电系统的测试要求。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种多功能电网模拟器及 其控制方法，作为分布式发电并网研究中的电网电压发生装置，模拟输出标准电网电压，模 拟电网电压幅值跌落、电网电压频率频率偏移、三相电压不平衡以及电压电压畸变等故障 情况，为分布式发电系统并网研究提供尽可能真实的电网环境，以满足分布式发电研究的需求。本发明为解决技术问题采用如下技术技术方案本发明多功能电网模拟器的特点是所述模拟器的主电路结构为设置三个相互独 立的背靠背系统，所述相互独立的背靠背系统的结构形式为输入侧为三相PWM整流器，输 出侧设置为输出电压可控的单相PWM逆变器；市电经三相变压器隔离后接入三相PWM整流 器；所述单相PWM逆变器经LC滤波器输出。本发明多功能电网模拟器的控制方法的特点是根据输出电压的不同，将模拟器的工作模式分为基波工作模式和谐波工作模式；在所述基波工作模式下输出标准的电网电压，并模拟电网电压幅值跌落、电网电压频率偏 移、三相电压不平衡的电网故障；所述基波工人模式下的控制方式是以输出电压作为外环 反馈变量、以所述LC滤波器中电感的电流作为内环反馈变量、向PWM逆变器输出控制信号 的双闭环控制；在所述谐波工作模式下模拟电网电压谐波畸变故障；所述谐波工作模式下 的控制方式是对50Hz基波频率的电压实行有效值反馈控制、对高次谐波电压实行开环控 制。本发明控制方法的特点也在于所述对高次谐波电压实行开环控制是设置用于抑制LC滤波器对逆变器输出电压 放大作用的的高次谐波电压幅值补偿环节，所述补偿环节是将给定信号乘以一个与所述LC 滤波器参数和谐波电压频率有关的补偿系数Gk(S)，所述补偿系数Gk(S)与所述LC滤波器 参数以及谐波电压的频率有如下关系GK(s) |s = ju = l-ΙΧω2，式中L为所述LC滤波器中 的电感值，C为所述LC滤波器中的电容值，ω为高次谐波电压的频率。在所述谐波工作模式中，在所述单相PWM逆变器输出电压确定的情况下，根据拉 格朗日数乘法计算得出三相PWM整流器输出直流电压需满足以下条件当输出侧基波电压 有效值为U1，所述三相PWM整流器输出的直流电压电压Udc需满足[Zifc^ IflV^tZ1。与已有技术相比，本发明有益效果体现在1、本发明主电路由三个单相子系统组成，三个单相系统可以分别作为单相系统运 行，三相之间通过通讯实现同步即可模拟电网，工作方式灵活，易于模块化。2、根据输出电压的不同，将模拟器分为基波工作模式和谐波工作模式。基波工作 模式下系统控制采用双闭环控制；谐波工作模式下系统控制采用了对50Hz基波频率的电 压实行有效值反馈控制、对高次谐波电压实行开环控制的控制方式。这种控制方式保证了 模拟器可输出标准的电网电压并精确复现诸如电网电压跌落、电压频率偏移、三相不平衡 以及谐波电压畸变的电网故障。3、本发明模拟器的功能是根据IEC标准分布式发电系统的测试条件确定的，适合 对各种并网的分布式系统进行测试。4、本发明利用拉格朗日乘数法设计直流侧电压，保证了标准要求的任何谐波输 出，利于进行各种电网谐波测试。
图1为本发明模拟器主电路图。图2为本发明基波模式系统控制框图。图3为本发明谐波模式系统控制框图。
具体实施例方式参见图1，本实施例中，主电路采用三个单相系统分别模拟电网的A、B、C三相，每 个单相系统均为背靠背结构，使得模拟器可以四象限运行，实现能量向电网G的回馈。电网 G提供的电压经三相变压器隔离后为后续整流环节供电，整流环节采用三相PWM整流器Ml， 三相PWM整流器Ml为后级电路提供稳定的直流侧并可以实现能量回馈。相比单相PWM整 流器而言，三相整流器可有效减小直流侧的二次纹波，直流侧电压比较平稳，且三相整流器交流侧由三相电源供电，负载容量较大，更适用于大功率的场合。三相PWM整流器Ml输出 直流电压经电容Cd进行稳压；直流电压经单相PWM逆变器逆变输出PWM电压、PWM电压由 LC滤波器滤波后输出交流电压信号；本实施例中，逆变环节采用PWM逆变器M2，用三个单相 PWM逆变器分别模拟三相输出，且直流侧相互独立，由三个PWM整流器分别提供。本实施例中控制电路采用基于DSP的数字控制系统，主电路电压、电流参数通过 传感器与数字控制系统形成闭环控制系统。根据输出电压的不同，将模拟器分为基波工作 模式和谐波工作模式。基波工作模式下输出标准的电网电压，并模拟电网电压幅值跌落、电 网电压频率偏移、三相电压不平衡的电网故障，谐波工作模式下模拟电网电压谐波畸变故 障。参见图2，基波工作模式下系统控制采用双闭环控制，输出电压外环可改善波形的 质量，电感电流内环可加快逆变器动态响应，使得系统非线性负载适应能力加强。逆变器输 出电压经传感器测量后得到输出电压信号U0送至DSP控制系统，与给定的电压信号iC进 行比较，误差经PI调节器进行调节，输出作为内环控制的给定。电感L上的电流经测量得 到电感电流信号l·，与内环的给定信号进行比较，误差经比例调节器进行调节，调节器输出 信号用于控制逆变器开关的通断。参见图3，谐波工作模式下系统控制采用了对50Hz基波频率的电压实行有效值反 馈控制、对高次谐波电压实行开环控制的控制方式，使得输出电压的有效值保持稳定，谐波 给定相当于开环叠加，不会被闭环抑制。逆变器输出电压经传感器测量后得到输出电压信 号u。，经过滤波环节Gfilto(S)进行滤波后，滤波后的信号进行有效值RMS运算得到输出电 压的有效值U。，与给定的电压有效值Ut；进行比较，误差经PI调节器进行调节。谐波电压给 定Un*与有效值反馈控制的输出信号叠加，得到的总的信号用于控制逆变器开关的通断。谐波工作模式下，主电路会对高次谐波电压的幅值有放大作用，为了抑制主电路 对输出高次谐波电压的影响，在高次谐波电压开环控制中，增加了对高次谐波电压幅值的 补偿环节，补偿环节中，补偿系数与滤波器参数以及谐波电压的频率有关，Gk(S) = > = I-LCw20 L为滤波器中的电感值，C为滤波器中的电容值，ω为高次谐波电压的频率。谐波工作模式下，输出电压为50Hz基波电压和高次谐波电压叠加而成，因此输 出电压的幅值会有所增大，从而需要较大的直流侧电压控制增益。本实施例以IEC相关 谐波标准为依据，根据拉格朗日乘数法进行计算，对三相PWM整流器提供的直流电压做出 了要求，当输出侧基波电压有效值为U1，三相PWM整流器提供的直流电压电压Udc需满足 Udc>\.6\^JlU,，以此保证变换器增益能够输出任意谐波。利用拉格朗日乘数法设计直流侧电压原理1. 1电网模拟器谐波标准(1)电网模拟器可以模拟40次内的任意谐波，以奇次谐波为主(2)谐波总含量 THDuTHDu ^ 14%1. 2问题分析根据1. 1中的规定，作如下假设(1)只考虑奇次谐波6k-3 :3，9，15，21，27，33，396k_l :5，11，17，23，29，3权利要求
一种多功能电网模拟器，其特征是所述模拟器的主电路结构为设置三个相互独立的背靠背系统，所述相互独立的背靠背系统的结构形式为输入侧为三相PWM整流器，输出侧设置为输出电压可控的单相PWM逆变器；市电经三相变压器隔离后接入三相PWM整流器；所述单相PWM逆变器经LC滤波器输出。
2.权利要求1所述多功能电网模拟器的控制方法，其特征是根据输出电压的不同，将模拟器的工作模式分为基波工作模式和谐波工作模式；在所 述基波工作模式下输出标准的电网电压，并模拟电网电压幅值跌落、电网电压频率偏移、三 相电压不平衡的电网故障；所述基波工人模式下的控制方式是以输出电压作为外环反馈变 量、以所述LC滤波器中电感的电流作为内环反馈变量、向PWM逆变器输出控制信号的双闭 环控制；在所述谐波工作模式下模拟电网电压谐波畸变故障；所述谐波工作模式下的控制 方式是对50Hz基波频率的电压实行有效值反馈控制、对高次谐波电压实行开环控制。
3.根据权利要求2所述的多功能电网模拟器的控制方法，其特征是所述对高次谐波电 压实行开环控制是设置用于抑制LC滤波器对逆变器输出电压放大作用的的高次谐波电压 幅值补偿环节，所述补偿环节是将给定信号乘以一个与所述LC滤波器参数和谐波电压频 率有关的补偿系数Gk(S)，所述补偿系数Gk(S)与所述LC滤波器参数以及谐波电压的频率 有如下关系GK(s) |s = ju = I-LC ω2，式中L为所述LC滤波器中的电感值，C为所述LC滤 波器中的电容值，ω为高次谐波电压的频率。
4.根据权利要求2所述的多功能电网模拟器的控制方法，其特征是在所述谐波工作模 式中，在所述单相PWM逆变器输出电压确定的情况下，根据拉格朗日数乘法计算得出三相 PWM整流器输出直流电压需满足以下条件当输出侧基波电压有效值为U1，所述三相PWM整 流器输出的直流电压电压Udc需满足Vifc > 1.6lV2[/,。
全文摘要
本发明公开了一种多功能电网模拟器及其控制方法，其特征是模拟器的主电路结构为设置三个相互独立的背靠背系统，所述相互独立的背靠背系统的结构形式为输入侧为三相PWM整流器，输出侧设置为输出电压可控的单相PWM逆变器；市电经三相变压器隔离后接入三相PWM整流器；所述单相PWM逆变器经LC滤波器输出。本发明作为分布式发电并网研究中的电网电压发生装置，可用于模拟输出标准电网电压等，为分布式发电系统并网研究提供尽可能真实的电网环境，以满足分布式发电研究的需求。
文档编号H02J3/01GK101950982SQ20101029500
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者丁杰, 刘芳, 张兴, 杨淑英, 王莹, 谢震 申请人:合肥工业大学