专利名称：一种电网模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟装置，具体涉及一种电网模拟装置。
背景技术：
随着发电、输电和用电等各类电气设备的广泛应用，电网适应性成为电气设备检测的重要内容。电网适应性检测通常包括对电网电压、频率的偏差及闪变、电网电压不平衡等内容的检测，更完整的电网适应性检测还包括对电网谐波适应性的检测内容。由于电网的偏差及畸变等因素具有很大的偶然性和不可控性，电网适应性检测一般需配置专用的电网模拟装置来进行。电网模拟装置一般为一个电压源，其输出电压从频率上可分为基波部分和谐波部分，谐波部分包含若干次谐波，谐波的频率是基波的整数倍(该整数即为谐波的次数)。按照具体需要，谐波部分可进一步依据其次数分为若干组，如2 7次谐波，8 25次谐波等等。如图1所示，现有的一种常用的电网模拟系统是电压跌落发生器10 (VSG-Voltage Sag Generator)，该装置包括基于多个变压器或变压器的多个抽头和串并联阻抗网络以及机械或电子开关组合。该电压跌落发生器可以模拟电网电压的变化，但功能单一，无法模拟频率变化，无法灵活调节电压，也无法输出谐波。为了解决现有电压跌落发生器的不足，出现了基于电力电子变换技术的电压扰动发生器(VDG-Voltage Disturbance Generator) 0电压扰动发生器20—般为一套交流-直流-交流的基本变换装置(其中包含关键的逆变器部分21)，如图2所示，或者采用多套交流-直流-交流变换装置组合成三相系统，或者级联成一个更高电压或更大容量的变换装置。由于逆变器的三相组合或逆变器级联可以认为只是单套装置的简单扩展，故逻辑上仍可认为是采用一套逆变器。电压扰动发生器可模拟电网电压及频率的变化，可实现无级调节，也可输出部分谐波。但是，现有的电压扰动发生器仍存在如下问题1、采用一套逆变器(或者多套逆变器级联)同时输出基波部分和谐波部分会显著加大系统的开关损耗，严重制约逆变器容量的进一步扩大。在IEC等测试标准中，由于电网电压的基波部分的幅值远远高于谐波部分的幅值，在连接待测设备工作后，一般基波电流的幅值也远远高于谐波部分的幅值。基于脉宽调制PWM原理，逆变器的开关频率一般需为其输出电压频率的几十倍以上，这样其调制电压经过输出滤波器后，才能输出较好的正弦度和较高控制精度的输出电压。例如，假设逆变器需输出的基波电压频率为50Hz，其功率半导体器件的开关频率可为3kHz，此时可输出的谐波部分一般不超过7次(即350Hz)，其输出LC滤波器的转折频率可设置为700Hz左右。若需要逆变器输出更高次的谐波成分，比如 25次谐波(即1250Hz)，则一般需提升其功率半导体器件的开关频率至12kHz或以上，且调整其输出LC滤波器的转折频率至3kHz左右。其结果是，为了支持谐波输出，调整后较高的功率半导体器件开关频率会显著加大系统的开关损耗，特别是与较大的基波电流部分相对应的损耗，严重制约逆变器容量的进一步扩大；
2、同时，采用一套逆变器(或者多套逆变器级联)同时输出基波部分和谐波部分会显著加大系统制造的难度和成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种电网模拟装置，克服现有电压扰动发生器VDG存在的系统开关损耗高、严重制约逆变器容量的进一步扩大、系统制造难度大、成本高等缺陷，满足电气设备电网适应性检测的发展要求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种电网模拟装置，其特征在于，包括耦合变压器和至少两个逆变器；一个所述逆变器A的输出火线分别独立连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组的一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线；其他所述逆变器的输出端分别独立闭合连接所述耦合变压器被所述逆变器A的火线连接的所述耦合线圈组的副边绕组；在所述逆变器中，至少一个逆变器的输出电压中包括基波电压成分，至少一个逆变器的输出电压中包括谐波电压成分。在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器为单相逆变器，所述逆变器A的输出火线连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线，所述逆变器A的输出零线连接至所述电网模拟装置的输出零线；其他所述逆变器的输出火线和输出零线分别独立连接所述耦合变压器被所述逆变器A的火线连接的所述耦合线圈组的副边绕组的两端。在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器A的火线连接的所述耦合变压器的耦合线圈组的数量为一个、两个、三个或多个，连接被所述逆变器A连接的所述耦合线圈组的副边绕组的其他所述逆变器的数量对应为一个、两个、三个或对应的多个。在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波
ο在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器采用逆变器结构一，该逆变器结构一包括所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述单相逆变桥包括两个串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述单相逆变桥的中点连接所述单相滤波器，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥的中点、另一端连接所述滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接所述滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述直流环节中点和所述输出零线；或所述逆变器采用逆变器结构二，该逆变器结构二包括所述直流环节包括直流电容组，所述单相逆变桥包括两个桥臂，每个桥臂包括两个相串联的功率半导体开关器件， 所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述单相逆变桥一个桥臂的中点连接所述滤波电抗、另一个桥臂的中点连接所述滤波电容和输出零线，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥一个桥臂的中点，另一端连接滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接该滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述单相逆变桥的另一个桥臂的中点和所述输出零线；或所述逆变器采用逆变器结构一和逆变器结构二。在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器A为三相逆变器，该逆变器A的各条火线分别独立连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组的一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线，所述逆变器A的输出零线连接至所述电网模拟装置的输出零线。在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器A采用逆变器结构三，该逆变器结构三包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接所述滤波电容组和输出火线，所述三个滤波电容组一端分别单独连接所述滤波电抗组和输出火线、另一端连接所述直流环节中点和输出零线；其他所述逆变器采用逆变器结构一，该逆变器结构一包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述单相逆变桥包括两个串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述单相逆变桥的中点连接所述单相滤波器，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥的中点、另一端连接所述滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接所述滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述直流环节中点和所述输出零线；或其他所述逆变器采用逆变器结构二，该逆变器结构二包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括直流电容组，所述单相逆变桥包括两个桥臂，每个桥臂包括两个相串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述单相逆变桥一个桥臂的中点连接所述滤波电抗、另一个桥臂的中点连接所述滤波电容和输出零线，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥一个桥臂的中点，另一端连接滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接该滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述单相逆变桥的另一个桥臂的中点和所述输出零线；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构一和所述逆变器结构二 ；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构三；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构四，该逆变器结构四包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括直流电容组，所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接输出火线，所述三个滤波电容组分别单独跨接在所述输出火线输上。
在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器A为三相逆变器，该逆变器A的火线分别独立连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组的一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线。在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器A采用逆变器结构四，该逆变器结构四包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括直流电容组，所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接输出火线，所述三个滤波电容组分别单独跨接在所述输出火线上；其他所述逆变器采用逆变器结构一，该逆变器结构一包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述单相逆变桥包括两个串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述单相逆变桥的中点连接所述单相滤波器，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥的中点、另一端连接所述滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接所述滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述直流环节中点和所述输出零线；或其他所述逆变器采用逆变器结构二，该逆变器结构二包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括直流电容组，所述单相逆变桥包括两个桥臂，每个桥臂包括两个相串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述单相逆变桥一个桥臂的中点连接所述滤波电抗、另一个桥臂的中点连接所述滤波电容和输出零线，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥一个桥臂的中点，另一端连接滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接该滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述单相逆变桥的另一个桥臂的中点和所述输出零线；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构一和所述逆变器结构二 ；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构四；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构三，该逆变器结构三包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接所述滤波电容组和输出火线，所述三个滤波电容组一端分别单独连接所述滤波电抗组和输出火线、另一端连接所述直流环节中点和输出零线。在本发明的电网模拟装置中，所述逆变器的开关频率至少为两种频率。实施本发明的电网模拟装置，与现有技术比较，其有益效果是1.电网模拟装置采用至少两个通过耦合器连接的逆变器，可以设置输出基波电压成分的逆变器容量较大，并采用相对较低的开关频率，设置输出高次谐波电压成分的逆变器容量较小，并采用相对较高的开关频率，显著降低了逆变器的开关损耗和制造成本，利于逆变器容量的进一步扩大；2.耦合变压器的电压降主要为谐波电压部分，所占比例较小，耦合变压器所需容量较小，制造成本较低；3.有效降低了包含谐波电压成分输出的电网模拟装置的制造难度和制造成本，满足大容量电网模拟装置的要求。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是现有一种电网模拟系统电压跌落发生器VSG的结构示意图。图2是现有另一种电网模拟系统电压扰动发生器VDG的结构示意图。图3是本发明电网模拟装置的基本原理示意图。图4是本发明电网模拟装置实施例一的原理示意图。图5是本发明电网模拟装置实施例一中逆变器一种实施方式的结构图。图6是本发明电网模拟装置实施例二的原理示意图。图7是本发明电网模拟装置实施例二中逆变器一种实施方式的结构图。图8是本发明电网模拟装置实施例三的原理示意图。图9是本发明电网模拟装置实施例三中逆变器一种实施方式的结构图。图10是本发明电网模拟装置实施例四的原理示意图。图11是本发明电网模拟装置实施例四中逆变器一种实施方式的结构图。图12至14是本发明电网模拟装置中逆变器直流输入电路三种实施方式。图15至17是本发明电网模拟装置中逆变器直流输入的三种配置方式。图18至20是本发明电网模拟装置中逆变器控制器的三种配置方式。
具体实施例方式如图3所示，本发明是电网模拟装置包括耦合变压器303和至少两个逆变器301、 302，其中一个逆变器A(如逆变器301或逆变器30 的输出火线分别独立连接耦合变压器303的耦合线圈组的原边绕组(“分别独立连接”是指逆变器A的每条火线分别各自连接不同的耦合线圈组的原边绕组或者不同的一组相互串联的多个耦合线圈组的原边绕组) 的一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联多个原边绕组的另一端连接至电网模拟装置的输出火线。耦合变压器303的耦合线圈组数量可以是一个，两个或多个。此处的耦合变压器303不是指物理意义上的耦合变压器，而是指实现电压耦合的装置，因此，耦合变压器 303可以包括多个物理意义上的耦合变压器。逆变器中除逆变器A之外的其他逆变器输出端分别独立闭合连接耦合变压器被逆变器A的火线连接的耦合线圈组的副边绕组(“分别独立闭合连接”是指其他逆变器输出端分别与耦合变压器被逆变器A的火线连接的耦合变压器303的耦合线圈组的副边绕组连接成闭合回路，可以是其他逆变器的两条火线连接该副边绕组的两端，也可以是其他逆变器的一条火线和零线连接该副边绕组的两端)。
在本发明的电网模拟装置的逆变器中，至少一个逆变器的输出电压中包括基波电压成分，至少一个逆变器的输出电压中包括谐波电压成分。这样，通过耦合变压器303将基波电压成分与谐波电压成分耦合，得到带有基波电压成分和谐波电压成分的输出电压。电网模拟装置的输出端连接待测设备304。以下以具体实施例进行说明。实施例一如图4所示，本发明的电网模拟装置包括两个单相逆变器11、12和耦合变压器13， 耦合变压器13包括一个耦合线圈组Ml。逆变器11的输出火线Ll连接耦合变压器13的耦合线圈组Ml的原边绕组一端，耦合线圈组Ml的原边绕组的另一端连接至电网模拟装置的输出火线，连接待测设备14的输入火线L，逆变器12的输出火线L2和输出零线N2连接耦合变压器13的副边绕组两端，逆变器11的输出零线m为电网模拟装置的输出零线，连接待测设备14的输入零线N。设逆变器11和逆变器12的输出电压分别为V1、V2，输出电流分别为II、12，待测设备14的电压和电流分别为Vo、Io，耦合变压器13的变比为n2 nl=k，忽略耦合变压器13的漏感和激磁电流，根据电压叠加定律及变压器基本原理可知Vo = Vl+V2/k，Il = Ιο, 12 = Ιο/ko设电网模拟装置的输出容量为200kVA，基波频率为50Hz，输出电压的基波有效值为200V，所需的谐波输出为2 25 (最高不限于25次，下同)次，其累积幅值不超过基波的10%。电网模拟装置的输出电流主要为基波成分，按基波计算大约为200kVA/200V =IOOOA0假设逆变器11和逆变器12分别承担基波电压和谐波电压的输出，且其输出电压均可达到200V，依据上述关系式，选择k = 10，则11 = Io 1000A, 12 = Io/k = Io/lO ^ IOOAo逆变器11的输出电流约为1000A，其容量约为200Vxl000A = 200kVA ；逆变器12 的输出电流约为100A，其容量约为200Vxl00A = 20kVA。这样，逆变器12的输出电流和容量均约为逆变器11或整个电网模拟装置的1/10倍。同样，耦合变压器13的容量可按其原边绕组计算如下原边绕组的电压降为V2/k = 200V/10 = 20V，原边电流为I 1000A，其容量约为20V χ 1000A = 20kVA。故耦合变压器13的容量也约为逆变器11或整个电网模拟装置的1/10倍。本实施例的单相逆变器11、12采用如图5所示的单相逆变器1000的结构该单相逆变器1000包括直流环节1100、单相逆变桥1200和单相滤波器1300，直流环节1100包括相串联的对等直流电容组Cdcl和Cdc2，直流环节1100两端连接单相逆变桥1200的输入端，直流环节1100的中点NO同时连接输出零线M。单相逆变桥1200包括串联的功率半导体开关器件Ql和Q2，单相逆变桥1200的中点P连接单相滤波器。单相滤波器1300包括滤波电抗Lf和滤波电容组Cf，其中，滤波电抗Lf 一端连接单相逆变桥1200的中点P、另一端连接滤波电容组Cf和输出火线Li ；滤波电容组Cf 一端连接滤波电抗Lf和输出火线Li、另一端连接直流环节1100的中点NO和输出零线Ni。在其他实施例中，单相逆变器11、12也可以采用如图7所示的单相逆变器2000的结构该单相逆变器2000包括直流环节2100、单相逆变桥2200和单相滤波器2300，直流环节2100包括直流电容组Cdc，其两端连接单相逆变桥2200。单相逆变桥2200包括两个桥臂，每个桥臂分别由两个功率半导体开关器件串联构成，单相滤波器2300包括滤波电抗Lf 和滤波电容组Cf。单相逆变桥2200的一个桥臂的中点Pl连接单相滤波器2300中的滤波电抗Lf，另一个桥臂的中点P2连接单相滤波器2300中的滤波电容Cf和输出零线M ；单相滤波器2300的滤波电抗Lf 一端连接单相逆变桥的桥臂中点Pl，另一端连接滤波电容组Cf 和输出火线Li ；滤波电容组Cf 一端连接滤波电抗Lf和输出火线Li，另一端连接单相逆变桥2200的桥臂中点P2和输出零线Ni。在其他实施例中，单相逆变器11、12可以分别采用如图5所示的单相逆变器1000 的结构(见上述)和如图7所示的单相逆变器2000的结构(见上述)。单相逆变器11、12可采用的逆变器结构包括但不限于上述单相逆变器1000、单相逆变器2000的逆变器结构。实施例二如图6所示，本发明的电网模拟装置包括三个单相逆变器21、22、23和耦合变压器对，耦合变压器M包括两个耦合线圈组Ml和M2。逆变器21的输出火线Ll连接耦合变压器M两个耦合线圈组Ml和M2相互串联的原边绕组nl、n3的一端，相互串联的原边绕组 nl、n3的另一端连接至电网模拟装置的火线输出端，连接待测设备25的输入火线L ；逆变器21的输出零线m为电网模拟装置的零线输出端，连接待测设备25的输入零线N。逆变器22的输出火线L2和输出零线N2连接耦合线圈组Ml的副边绕组n2两端，逆变器23的输出火线L3和输出零线Ν3连接耦合线圈组Μ2的副边绕组η4两端。设逆变器21、22、23的输出电压分别为VI、V2、V3，输出电流分别为II、12、13，待测设备25的电压和电流分别为Vo、Io，耦合变压器M的耦合线圈组Ml的变比为π2 nl =k，耦合线圈组M2的变比为n4 π3 = m,忽略耦合变压器M的漏感和激磁电流，根据电压叠加定律及变压器基本原理可知=Vo = Vl+V2/k+V3/m, Il = Ιο, 12 = Io/k, 13 = Io/m。设电网模拟装置的输出容量为200kVA，基波频率为50Hz，输出电压的基波有效值为200V。所需谐波输出为2 25次，其中2 10次的低次谐波的累积幅值不超过基波的 10%,11 25次地高次谐波的的累积幅值不超过基波的5%。电网模拟装置的输出电流主要为基波成分，数值按基波计算大约为200kVA/200V= IOOOA0假设逆变器21、22、23分别承担基波电压、2 10次的低次谐波电压和11 25次的谐波电压的输出，且其输出电压均可达到200V，取k = 10，m = 20，依据上述关系式可得11 = Io 1000A, 12 = Io/k = Io/lO ^ 100A, 13 = Io/m = Io/20 ^ 50A。逆变器21的输出电流约为1000A，其容量约为200Vxl000A = 200kVA ；逆变器22 的输出电流约为100A，其容量约为200Vxl00A = 20kVA ；逆变器23的输出电流约为50A，其容量约为200Vx50A = 10kVA。这样，逆变器22的输出电流和容量均为逆变器21或整个电网模拟装置的1/10倍，逆变器23的输出电流和容量均为逆变器21或整个电网模拟装置的 1/20倍。同样，耦合变压器M的耦合线圈组Ml的容量可按其原边绕组计算如下原边绕组的电压降为V2/k = 200V/10 = 20V，原边电流为Io ^ 1000A，故其容量约为20Vxl000A = 20kVA。故耦合线圈组Ml容量约为逆变器21或整个电网模拟装置的1/10倍。耦合线圈组 M2容量可按其原边绕组计算如下原边绕组的电压降为V3/m = 200V/20 = 10V，原边电流为Io 1000A，故其容量约为lOVxlOOOA = 10kVA。故耦合线圈组M2容量约为逆变器21 或整个电网模拟装置的1/20倍。
本实施例的单相逆变器21、22、23采用如图7所示的单相逆变器2000的结构(见上述)。在其他实施例中，单相逆变器21、22、23可以采用如图5所示的单相逆变器1000的结构(见上述)。在其他实施例中，单相逆变器21、22、23可以采用如图5所示的单相逆变器1000的结构和如图7所示的单相逆变器2000的结构。单相逆变器21、22、23可采用的逆变器结构包括但不限于上述单相逆变器1000、单相逆变器2000的逆变器结构。在其他实施例中，电网模拟装置可以包括耦合变压器和四个单相逆变器，耦合变压器包括三个耦合线圈组，一个单相逆变器A的火线连接耦合变压器三个耦合线圈组的原边绕组一端，耦合变压器原边绕组的另一端连接至电网模拟装置的火线输出端，该单相逆变器A的零线为电网模拟装置的零线输出端，除单相逆变器A以外的其他单相逆变器的火线和零线分别独立连接耦合变压器耦合线圈组的副边绕组。同理，在其他实施例中，电网模拟装置可以包括耦合变压器和N个单相逆变器，耦合变压器包括N-I个耦合线圈组，单相逆变器与耦合变压器的连接方式如上述。实施例三如图8所示，本发明的电网模拟装置包括耦合变压器33和两个三相有零线逆变器 31、32。耦合变压器33包括三个耦合线圈组M1、M2、M3，在物理上可以采用三个独立的0型铁芯，也可以采用一个E型铁芯。逆变器31的输出火线L11、L21、L31分别连接耦合变压器33三个耦合线圈组Ml、 M2、M3的原边绕组一端，三个耦合线圈组M1、M2、M3的原边绕组另一端分别连接至电网模拟装置的三条输出火线，连接待测设备34的输入火线L1、L2、L3，逆变器31的零线附为电网模拟装置的输出零线N ；耦合变压器33三个耦合线圈组Ml、M2、M3的副边绕组分别连接在逆变器32的输出火线L12、L22、L32和输出零线N2之间。在本实施例中，逆变器31的输出火线L11、L21、L31分别连接的耦合线圈组的原边绕组数量相等，为对称结构。在其他实施例中，逆变器31的输出火线L11、L21、L31分别连接的耦合线圈组的原边绕组数量可以不相等，为非对称结构，也能够实现本发明目的。设逆变器31和逆变器32的输出相电压分别为VI、V2，输出电流分别为II、12，待测设备；34的相电压和电流分别为Vo、Io，耦合变压器33的变比n2 nl = k，忽略耦合变压器的漏感和激磁电流，根据电压叠加定律及变压器基本原理可知Vo = Vl+V2/k，Il = Ιο,
12 = Ιο/ko设电网模拟装置的输出容量为600kVA，基波频率为50Hz，输出相电压的基波有效值为400V，所需谐波输出为2 25次，其累积幅值不超过基波的10%。电网模拟装置的电流主要为基波成分，数值按基波计算大约为600kVA/3/400V = 500A。设逆变器31和逆变器32分别承担基波电压和谐波电压的输出，且其输出相电压均可达到400V，取k = 10，依据上述关系式可得11 = Io ^ 500A, 12 = Io/k = Io/lO ^ 50A。逆变器31的输出电流约为500A，其容量约为400Vx500Ax3 = 600kVA ；逆变器32 的输出电流约为50A，其容量约为400Vx50Ax3 = 60kVA。这样，逆变器32的输出电流和容量均为逆变器31或整个电网模拟装置的1/10倍。同样，耦合变压器33的一个耦合线圈组的容量可按其原边绕组计算如下原边绕组的电压降为V2/k = 400V/10 = 40V，原边电流为Il 500A，故其容量约为40Vx500A = 20kVA，故耦合变压器三个耦合线圈组Ml、M2、M3 的累积容量也约为逆变器31或整个电网模拟装置的1/10倍。
在本实施例中，三相有零线逆变器31、32采用如图9所示的三相有零线逆变器结构，该三相有零线逆变器3000包括直流环节3100、三相逆变桥3200和三相滤波器3300，直流环节3100包括相串联的对等直流电容组Cdcl和Cdc2，直流环节3100的两端连接三相逆变桥3200的输入端，直流环节3100的中点NO连接输出零线Ni。三相逆变桥3200包括三个桥臂，每个桥臂分别由两个功率半导体开关器件串联构成，三相滤波器3300包括滤波电抗Lfl、Lf2、Lf3和滤波电容组Cfl、Cf2、Cf3，三相逆变桥3200三个桥臂的中点PI、P2、P3 分别连接三相滤波器中的滤波电抗Lfl、Lf2、Lf3。三相滤波器3300的滤波电抗Lfl、Lf2、 Lf3—端分别连接三相逆变桥3200的中点P1、P2、P3，另一端分别连接滤波电容组Cfl、Cf2、 Cf3和输出火线Lli、L2i、L3i ；滤波电容组Cf 1、Cf2、Cf3 —端分别连接滤波电抗Lf 1、Lf2、 Lf3和输出火线L1 i、L2i、L3i，另一端连接直流环节中3100的中点NO和输出零线Ni。在其他实施例中，三相有零线逆变器32可以采用三个单相逆变器来代替，采用的单相逆变器采用如图5所示的单相逆变器1000的结构(见上述)，也可以采用如图7所示的单相逆变器2000的结构(见上述)，或既采用如图5所示的单相逆变器1000的结构也采用如图7所示的单相逆变器2000的结构，均能够实现本发明目的。采用的单相逆变器结构包括但不限于上述单相逆变器1000、单相逆变器2000的逆变器结构。在其他实施例中，三相有零线逆变器32可以采用如图11所示的三相无零线逆变器结构代替，此时，耦合变压器33的三个耦合线圈组M1、M2、M3的副边绕组分别连接在三相无零线逆变器的输出火线L12/L22，L22/L32和L32/L12之间。如图11所示，三相无零线逆变器4000包括直流环节4100、三相逆变桥4200和三相滤波器4300，直流环节4100包括直流电容组Cdc，其两端连接三相逆变桥4200，三相逆变桥4200包括三个桥臂，每个桥臂由两个功率半导体开关器件串联构成，三相滤波器4300 包括滤波电抗Lfl、Lf2、Lf3和滤波电容组Cfl、Cf2、Cf3，三相逆变桥4200三个桥臂的中点 P1、P2、P3分别连接三相滤波器4300的滤波电抗Lfl、Lf2、Lf3 ；三相滤波器4300的滤波电抗Lf 1、Lf2、Lf3 一端分别连接三相逆变桥4200的中点PI、P2、P3，另一端分别连接滤波电容组Cfl、Cf2、Cf3和输出火线Lli、L2i、L3i ；滤波电容组Cfl、Cf2、Cf3分别跨接在输出火线 Lli/L2i、L2i/L3i、L3i/Lli 之间。实施例四如图10所示，本发明的电网模拟装置包括耦合器变压器43和两个三相无零线逆变器41、42。耦合变压器43包括三个耦合线圈组M1、M2、M3，在物理上可以采用三个独立的 0型铁芯，也可以采用一个E型铁芯。其中，逆变器41的输出火线L11、L21、L31分别连接耦合变压器43的耦合线圈组 M1、M2、M3的原边绕组的一端，三个耦合线圈组M1、M2、M3的原边绕组另一端分别连接至电网模拟装置的三条输出火线，分别连接待测设备44的输入火线L1、L2、L3 ；耦合线圈组Ml、 M2、M3的副边绕组分别连接在逆变器42的输出火线L12/L22，L22/L32和L32/L12之间。设逆变器411和逆变器42的输出线电压分别为V1、V2，输出电流分别为11、12，待测设备44的线电压和电流分别为Vo和Io，设耦合变压器43的变比为n2 nl = k，忽略耦合变压器的漏感和激磁电流，以L1_L2之间的线电压为例，根据电压叠加定律及变压器基本原理可得Vo—L1—L2 = VI—L1—L2+V2—L1—L2/k_V2—L2—L3/k
= VIlll2+ (V2—L1—L2-V2—L2—L3) /kIl = Ιο, 12 = Io/k这里，V2 u L2-V2』2 u与线电压V2 U』2、V2』2 ω的关系有如线电压和相电压的关系， 故在有效值上一般会大于线电压V2—u^及u的有效值。这样，从容量设计角度，可根据以下关系式来设计逆变器42输出电压的有效值Vo <= Vl+V2/k设电网模拟装置的输出容量为600kVA，基波频率为50Hz，输出线电压的基波有效值为690V，所需谐波输出为2 25次，其中2 7次谐波的累积幅值不超过基波的10%， 8 25次谐波的累积幅值不超过基波的5%。电网模拟装置的输出电流主要为基波成分， 数值按基波计算大约为600kVA/l. 732/690V = 502A。设逆变器41承担基波电压及2 7 次的低次谐波电压的输出，且其输出线电压可达到690V ；逆变器42承担8 25次的高次谐波电压的输出，且其输出线电压均可达到345V，取k = 10，依据上述关系式可得V2/k = 345/10 = 690x5%= Vlx5%Il = Io ^ 502A ；12 = Io/k = Io/lO ^ 50A逆变器41的输出电流约为502A，其容量约为690Vx502Axl. 732 = 600kVA ；逆变器 42的输出电流约为50A，其容量约为345Vx50Axl. 732 = 30kVA。这样，逆变器42的输出电流约为逆变器41或整个电网模拟装置的1/10倍，其输出容量约为逆变器41或整个电网模拟装置的1/20倍。同样，耦合变压器43的容量可按其原边绕组计算如下原边绕组的电压降为 V1/1. 732x5%= 690/1. 732x 5%= 20V，原边电流为 Il ^ 502A，故其容量约为 20Vx502A =10kVA。故耦合变压器43的累积容量为逆变器41或整个电网模拟装置的1/20倍。在本实施例中，三相无零线逆变器41、42采用如图11所示的三相无零线逆变器 4000的逆变器结构(见上述)，在其他实施例中，三相无零线逆变器42可以采用如图9所示的三相有零线逆变器结构代替，此时，耦合变压器43的三个耦合线圈组M1、M2、M3的副边绕组分别连接在三相有零线逆变器的输出火线L12、L22和L32与零线N2之间。 在其他实施例中，三相无零线逆变器42可以采用三个单相逆变器代替，采用的单相逆变器采用如图5所示的单相逆变器1000的结构(见上述)，也可以采用如图7所示的单相逆变器2000的结构(见上述)，或既采用如图5所示的单相逆变器1000的结构也采用如图7所示的单相逆变器2000的结构，均能够实现本发明目的。采用的单相逆变器结构包括但不限于上述单相逆变器1000、单相逆变器2000的逆变器结构。在上述各实施例中，各逆变器的开关频率可以采用相同频率，也可以采用不同频率，均能够实现本发明目的。采用不同开关频率时，比如主要输出基波或低次谐波电压成分的逆变器采用较低的开关频率，有利于降低其开关损耗，从而降低整个电网模拟装置的制造难度和制造成本，满足大容量电网模拟装置的要求。在上述各实施例中，各逆变器的直流输入可以是完全独立的，也可以全部共用 (即所有逆变器共用同一直流输入)，或者部分共用(即部分逆变器共用同一直流输入)，如图12至14所示。在上述各实施例中，在控制方式上，各逆变器可以采用各自独立的控制器进行分别控制，也可以全部或部分采用同一套控制器进行统一控制，如图15至17所示。当采用多套控制器时，一般还需在多套控制器之间设置通讯协调装置。在上述各实施例中，所对应的控制器的物理实现可采用模拟电路、数字电路或处理器；所对应的控制器的控制模式可以采用开环控制，或者闭环控制，或者部分采用开环控制，部分采用闭环控制，如图18至20所示。 在上述各实施例中，电网模拟装置采用多个逆变器以及耦合变压器，可依据输出电压中不同频率成分的比例要求，设置不同容量的逆变器，且各逆变器可采用不同的开关频率和滤波器，在保障各自输出性能的前提下，可有效地降低开关损耗和制造成本，从而实现整个电网模拟装置的优化设计。
权利要求
1.一种电网模拟装置，其特征在于，包括耦合变压器和至少两个逆变器；一个所述逆变器A的输出火线分别独立连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组的一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线；其他所述逆变器的输出端分别独立闭合连接所述耦合变压器被所述逆变器A的火线连接的所述耦合线圈组的副边绕组；在所述逆变器中，至少一个逆变器的输出电压中包括基波电压成分，至少一个逆变器的输出电压中包括谐波电压成分。
2.如权利要求1所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器为单相逆变器，所述逆变器A的输出火线连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线，所述逆变器 A的输出零线连接至所述电网模拟装置的输出零线；其他所述逆变器的输出火线和输出零线分别独立连接所述耦合变压器被所述逆变器A 的火线连接的所述耦合线圈组的副边绕组的两端。
3.如权利要求2所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器A的火线连接的所述耦合变压器的耦合线圈组的数量为一个、两个、三个或多个，连接被所述逆变器A连接的所述耦合线圈组的副边绕组的其他所述逆变器的数量对应为一个、两个、三个或对应的多个。
4.如权利要求2所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器。
5.如权利要求4所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器采用逆变器结构一， 该逆变器结构一包括所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述单相逆变桥包括两个串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述单相逆变桥的中点连接所述单相滤波器，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥的中点、另一端连接所述滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接所述滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述直流环节中点和所述输出零线；或所述逆变器采用逆变器结构二，该逆变器结构二包括所述直流环节包括直流电容组，所述单相逆变桥包括两个桥臂，每个桥臂包括两个相串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端， 所述单相逆变桥一个桥臂的中点连接所述滤波电抗、另一个桥臂的中点连接所述滤波电容和输出零线，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥一个桥臂的中点，另一端连接滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接该滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述单相逆变桥的另一个桥臂的中点和所述输出零线；或所述逆变器采用逆变器结构一和逆变器结构二。
6.如权利要求1所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器A为三相逆变器，该逆变器A的各条火线分别独立连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组的一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线， 所述逆变器A的输出零线连接至所述电网模拟装置的输出零线。
7.如权利要求6所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器A采用逆变器结构三，该逆变器结构三包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半 导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接所述滤波电容组和输出火线，所述三个滤波电容组一端分别单独连接所述滤波电抗组和输出火线、另一端连接所述直流环节中点和输出零线；其他所述逆变器采用逆变器结构一，该逆变器结构一包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述单相逆变桥包括两个串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述单相逆变桥的中点连接所述单相滤波器，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥的中点、另一端连接所述滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接所述滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述直流环节中点和所述输出零线；或其他所述逆变器采用逆变器结构二，该逆变器结构二包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括直流电容组，所述单相逆变桥包括两个桥臂，每个桥臂包括两个相串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述单相逆变桥一个桥臂的中点连接所述滤波电抗、另一个桥臂的中点连接所述滤波电容和输出零线，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥一个桥臂的中点，另一端连接滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接该滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述单相逆变桥的另一个桥臂的中点和所述输出零线.一入 ，或其他所述逆变器采用所述逆变器结构一和所述逆变器结构二；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构三；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构四，该逆变器结构四包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括直流电容组，所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接输出火线，所述三个滤波电容组分别单独跨接在所述输出火线输上。
8.如权利要求1所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器A为三相逆变器，该逆变器A的火线分别独立连接所述耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组的一端，被连接原边绕组或被连接的相互串联的原边绕组的另一端连接至所述电网模拟装置的输出火线。
9.如权利要求8所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器A采用逆变器结构四， 该逆变器结构四包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括直流电容组， 所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接输出火线，所述三个滤波电容组分别单独跨接在所述输出火线上；其他所述逆变器采用逆变器结构一，该逆变器结构一包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述单相逆变桥包括两个串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述单相逆变桥的中点连接所述单相滤波器，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥的中点、另一端连接所述滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接所述滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述直流环节中点和所述输出零线；或其他所述逆变器采用逆变器结构二，该逆变器结构二包括直流环节、单相逆变桥和单相滤波器，所述直流环节包括直流电容组，所述单相逆变桥包括两个桥臂，每个桥臂包括两个相串联的功率半导体开关器件，所述单相滤波器包括滤波电抗和滤波电容组；所述直流环节两端连接所述单相逆变桥输入端，所述单相逆变桥一个桥臂的中点连接所述滤波电抗、另一个桥臂的中点连接所述滤波电容和输出零线，所述滤波电抗一端连接所述单相逆变桥一个桥臂的中点，另一端连接滤波电容组和输出火线，所述滤波电容组一端连接该滤波电抗和所述输出火线，另一端连接所述单相逆变桥的另一个桥臂的中点和所述输出零线. 或其他所述逆变器采用所述逆变器结构一和所述逆变器结构二； 或其他所述逆变器采用所述逆变器结构四；或其他所述逆变器采用所述逆变器结构三，该逆变器结构三包括直流环节、三相逆变桥和三相滤波器，所述直流环节包括串联的两组对等的直流电容组，所述三相逆变桥包括三个桥臂，每个所述桥壁包括两个串联的功率半导体开关器件，所述三相滤波器包括三个滤波电抗组和三个滤波电容组，所述直流环节两端连接所述三相逆变桥输入端，所述直流环节的中点连接输出零线，所述三相逆变桥三个桥臂的中点分别独立连接所述三相滤波器中的滤波电抗组，所述三个滤波电抗组一端分别单独连接所述三相逆变桥的中点、另一端分别单独连接所述滤波电容组和输出火线，所述三个滤波电容组一端分别单独连接所述滤波电抗组和输出火线、另一端连接所述直流环节中点和输出零线。
10.如权利要求1至9之一所述的电网模拟装置，其特征在于，所述逆变器的开关频率至少为两种频率。
全文摘要
一种电网模拟装置，包括耦合变压器和至少两个逆变器；一个逆变器A的输出火线分别独立连接耦合变压器的耦合线圈组的原边绕组的一端，被连接原边绕组或被连接相互串联的原边绕组的另一端连接至电网模拟装置的输出火线；其他逆变器的输出端分别独立闭合连接耦合变压器被逆变器A的火线连接的耦合线圈组的副边绕组；在逆变器中，至少一个逆变器的输出电压中包括基波电压成分，至少一个逆变器的输出电压中包括谐波电压成分。本发明显著降低逆变器的开关损耗和制造成本，降低耦合变压器的制造成本，从而有效地降低包含谐波电压成分输出的电网模拟装置的制造难度和制造成本，满足大容量电网模拟装置的要求。
文档编号H02M7/48GK102185337SQ201110116468
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月6日 优先权日2011年5月6日
发明者周党生, 王云杰, 盛小军 申请人:深圳市禾望电气有限公司