适用于MW级的大功率电网模拟器拓扑结构的制作方法

本发明属于电能质量分析和控制领域，涉及一种适用于mw级的大功率电网模拟器拓扑，解决了mw级的大功率电网模拟器控制带宽窄的问题，在分布式发电研究中，为系统提供电网环境的发生装置。

技术背景

随着分布式发电系统功率的增加，用来为系统提供电网环境的电网模拟器功率也随着增加。然而在设计大功率电网模拟器拓扑结构过程中，由于受到开关频率的限制，会影响其控制带宽，导致模拟器性能下降。因此为了适应分布式发电系统的发展，迫切需要提供一种适用于mw级的大功率电网模拟器拓扑。

目前，电网模拟器的研究已经成为分布式发电研究的热点问题，如实用新型专利文献《一种全能量回馈型电网模拟器》(公开号cn203911496u)和《串联型电压质量扰动发生装置》(公开号cn1058955a)，其中：

中国实用新型专利cn203911496u于2014年10月29日公开的《一种全能量回馈型电网模拟器》，该实用新型可以实现电网电压渐变、零电压穿越、频率渐变、过(欠)压、过(欠)频等功能的模拟，可以满足光伏逆变器各种电气性能测试及电网故障模拟；

中国实用新型专利cn1058955a于2006年11月8日公开的《串联型电压质量扰动发生装置》，该实用新型可在串联调制模式下产生电压暂降、暂升、过电压、欠电压、三相不平衡、电压波动与闪变、波形畸变等多种电压质量扰动类型。

纵观现有相关电网模拟器授权专利，其存在的技术问题如下：

1、现有的相关资料对于mw级的大功率电网模拟器拓扑的研究甚少，对于大功率电网模拟器控制带宽低的问题也没有给出有效的解决方案；

2、随着分布式发电系统功率的增加，现有的一些电网模拟器无法提供被测试设备所需的测试环境。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有技术中大功率电网模拟器控制带宽窄的问题，思路是将mw级的大功率电网模拟器分解成基波发生模块和谐波发生模块组串联，谐波发生模块组由多个谐波发生模块单元构成，基波发生模块采用高功率低开关频率的mw级三相pwm逆变器实现大功率电网模拟器高功率的要求，谐波发生模块采用多个低功率高开关频率的三相pwm逆变器对大功率电网的带宽进行控制。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种适用于mw级的大功率电网模拟器拓扑结构，由基波发生模块、谐波发生模块组、三相串联耦合式变压器组和三相负载组成；

谐波发生模块组由n个谐波发生模块单元构成，三相串联耦合式变压器组由n个三相串联耦合式变压器单元构成，将谐波发生模块组中的每一个谐波发生模块单元记为谐波发生模块单元i，三相串联耦合式变压器组中的每一个三相串联耦合式变压器单元记为三相串联耦合式变压器单元i，i＝1,2,3...n；

所述基波发生模块由基波发生模块直流源，基波发生模块三相三电平pwm逆变器，基波发生模块三相lc滤波器，基波发生模块三相sts静态切换开关组成；所述基波发生模块直流源与基波发生模块三相三电平pwm逆变器的直流侧输入端相连，所述基波发生模块三相三电平pwm逆变器输出端与所述基波发生模块三相lc滤波器电感输入端一一对应相连，所述基波发生模块三相lc滤波器电容输出端与所述基波发生模块三相sts静态切换开关输入侧一一对应相连，所述基波发生模块三相sts静态切换开关输出侧与三相串联耦合式变压器单元1副边输入侧一一对应连接；

所述谐波发生模块组由n个谐波发生模块单元构成，谐波发生模块单元i由谐波发生模块直流源i，谐波发生模块三相三电平pwm逆变器i，谐波发生模块三相lc滤波器i和谐波发生模块三相sts静态切换开关i组成；所述谐波发生模块直流源i与所述谐波发生模块三相三电平pwm逆变器i的直流侧相连，所述谐波发生模块三相三电平pwm逆变器i输出端与谐波发生模块三相lc滤波器i输入端一一对应相连，所述谐波发生模块三相lc滤波器i输出端与所述谐波发生模块三相sts静态切换开关i输入侧一一对应相连，所述谐波发生模块三相sts静态切换开关i输出侧与所述三相串联耦合式变压器单元i原边输入侧一一对应连接，所述谐波发生模块三相lc滤波器i电容中性点ni与所述三相串联耦合式变压器单元i原边输出侧短接；

所述的三相串联耦合式变压器组由n个三相串联耦合式变压器单元构成，其中第i个三相串联耦合式变压器单元即三相串联耦合式变压器单元i副边输出侧与第(i+1)个三相串联耦合式变压器单元即三相串联耦合式变压器单元(i+1)的副边输入侧一一对应相连，第n个三相串联耦合式变压器单元即三相串联耦合式变压器单元n的副边输出侧与三相负载一一对应相连。

优选的，第i个谐波发生模块三相三电平pwm逆变器即谐波发生模块三相三电平pwm逆变器i开关频率fi小于等于第(i+1)个谐波发生模块三相三电平pwm逆变器即谐波发生模块三相三电平pwm逆变器(i+1)的开关频率f(i+1)的一半，即：

相对于现有的技术，本发明的有益效果为：

1、本发明将mw级的大功率电网模拟器分解成基波发生模块和谐波发生模块组串联；

2、基波发生模块采用高功率低开关频率的mw级三相pwm逆变器实现大功率电网模拟器高功率的要求；

3、谐波发生模块采用多个低功率高开关频率的三相pwm逆变器提高了大功率电网模拟器的控制带宽，成功地解决了mw级的大功率电网模拟器控制带宽窄的问题，可为分布式发电并网研究提供所需的电网环境，以满足研究的需求。

附图说明

图1为一种适用于mw级的大功率电网模拟器拓扑结构图；

图2为本发明实施例中2mw电网模拟器拓扑结构系统仿真图。

图中各部分标号与部件对应关系如下：

10-基波发生模块20-谐波发生模块组

30-三相串联耦合式变压器组40-三相负载。

具体实施方式

本实施例中利用matlab/simulink仿真平台搭建2mw的大功率电网模拟器拓扑系统，如图2所示。

本实施例中的适用于mw级的大功率电网模拟器拓扑结构由基波发生模块10、谐波发生模块组20、三相串联耦合式变压器组30和三相负载40组成。

谐波发生模块组20由n个谐波发生模块单元构成，三相串联耦合式变压器组30由n个三相串联耦合式变压器单元构成，将谐波发生模块组20中的每一个谐波发生模块单元记为谐波发生模块单元i，三相串联耦合式变压器组30中的每一个三相串联耦合式变压器单元记为三相串联耦合式变压器单元i，i＝1,2,3...n。在本实施例中，n＝2。即谐波发生模块组20中包含2个谐波发生模块单元，分别记为谐波发生模块单元1和谐波发生模块单元2，三相串联耦合式变压器组30中包含2个三相串联耦合式变压器单元，分别记为三相串联耦合式变压器单元1和三相串联耦合式变压器单元2。

所述基波发生模块10由基波发生模块直流源，基波发生模块三相三电平pwm逆变器，基波发生模块三相lc滤波器，基波发生模块三相sts静态切换开关组成，所述基波发生模块三相三电平pwm逆变器采用高功率低开关频率的mw级三相pwm逆变器；本实施例中取基波发生模块直流源电压1100v，基波发生模块三相三电平pwm逆变器功率2mw,开关频率2.5khz，基波发生模块三相lc滤波器参数l＝0.075mh，c＝334uf；所述基波发生模块直流源与基波发生模块三相三电平pwm逆变器的直流侧输入端相连，所述基波发生模块三相三电平pwm逆变器输出端与所述基波发生模块三相lc滤波器电感输入端一一对应相连，所述基波发生模块三相lc滤波器电容输出端与所述基波发生模块三相sts静态切换开关输入侧一一对应相连，所述基波发生模块三相sts静态切换开关输出侧与所述三相串联耦合式变压器单元1副边输入侧一一对应连接。

所述谐波发生模块组20由n个谐波发生模块单元构成，谐波发生模块单元i由谐波发生模块直流源i，谐波发生模块三相三电平pwm逆变器i，谐波发生模块三相lc滤波器i和谐波发生模块三相sts静态切换开关i组成，所述谐波发生模块三相三电平pwm逆变器i采用低功率高开关频率的三相三电平pwm逆变器，谐波发生模块三相三电平pwm逆变器i的开关频率fi小于等于谐波发生模块三相三电平pwm逆变器(i+1)的开关频率f(i+1)的一半。本实施例中取n＝2，谐波发生模块直流源1电压800v，谐波发生模块三相三电平pwm逆变器1功率100kw，开关频率8khz，谐波发生模块三相lc滤波器1参数l1＝0.12mh，c1＝30uf；谐波发生模块直流源2电压600v，谐波发生模块三相三电平pwm逆变器2功率20kw，开关频率16khz，谐波发生模块三相lc滤波器2参数l2＝0.12mh，c2＝30uf。

如图2所示，谐波发生模块单元1的谐波发生模块直流源1与所述谐波发生模块三相三电平pwm逆变器1的直流侧相连，所述谐波发生模块三相三电平pwm逆变器1的输出端与谐波发生模块三相lc滤波器1的输入端一一对应相连，所述谐波发生模块三相lc滤波器1的输出端与谐波发生模块三相sts静态切换开关1的输入侧一一对应相连，所述谐波发生模块三相sts静态切换开关1的输出侧与所述三相串联耦合式变压器单元1的原边输入侧一一对应连接，所述谐波发生模块三相lc滤波器1的电容中性点n1与所述三相串联耦合式变压器单元1的原边输出侧短接。谐波发生单元的直流源2与所述谐波发生模块三相三电平pwm逆变器2的直流侧相连，所述谐波发生模块三相三电平pwm逆变器2的输出端与所述谐波发生模块三相lc滤波器2的输入端一一对应相连，所述谐波发生模块三相lc滤波器2的输出端与所述谐波发生模块三相sts静态切换开关2的输入侧一一对应相连，所述谐波发生模块三相sts静态切换开关2的输出侧与所述三相串联耦合式变压器单元2的原边输入侧一一对应连接，所述谐波发生模块三相lc滤波器2的电容中性点n2与所述三相串联耦合式变压器单元2的原边输出侧短接。

所述三相串联耦合式变压器组30由n个三相串联耦合式变压器单元构成，其中第i个三相串联耦合式变压器单元即三相串联耦合式变压器单元i副边输出侧与第(i+1)个三相串联耦合式变压器单元即三相串联耦合式变压器单元(i+1)的副边输入侧一一对应相连，第n个三相串联耦合式变压器单元即三相串联耦合式变压器单元n的副边输出侧与三相负载40一一对应相连；本实施例中取n＝2,三相负载为0.5ω阻性负载；三相串联耦合式变压器单元1的副边输出侧与三相串联耦合式变压器单元2的副边输入侧一一对应相连，三相串联耦合式变压器单元2的副边输出侧与三相负载40一一对应相连。