一种用于大兆瓦级电网特性实时模拟装置的变流拓扑结构的制作方法

1.本发明属于电力电子接入型发电系统性能分析领域，特别是一种用于大兆瓦级电网特性实时模拟装置的变流拓扑结构。


背景技术：

2.随着新能源发电技术的迅速发展，并入电网的新能源发电机组单机容量也越来越大。为了保证并网后系统运行的安全性和稳定性，通常需要在实验室环境下对这类电力电子装置接入型发电系统的性能进行测试。然而，随着系统容量的增大，传统电网模拟装置已无法满足相关测试中的模拟需求。因此，急需研制一种适合用于大容量电力电子接入型发电系统性能分析的功率硬件在环电网特性实时模拟装置。
3.目前，电网模拟装置的研究已经成为了热点问题。如发明专利文献《一种电网模拟器拓扑结构》(公开号cn109378855a)和《一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器》(公开号cn106487240b)，其中：
4.中国专利cn109378855a提出了《一种电网模拟器拓扑结构》，包括输入单元、输出单元、变流单元以及控制单元。该电网模拟器的工作原理为：电网经三相变压器隔离后，接入三相pwm整流器，由交流电转换成直流电，为后级逆变器提供稳定电压；通过相关算法控制逆变器中三相四桥臂开关管的导通和关断，经lc滤波器输出所需的电压波形。但是，该结构并没有将大功率需求和电网暂态特性模拟需求分开，无法实现安全高效的功率交换。
5.中国专利cn106487240b提出了《一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器》，包括电抗器、整流单元、主逆变单元和辅助逆变单元；所述整流单元包括三相pwm整流器和pwm整流控制器；主逆变单元包括主逆变器和主逆变控制器；辅助逆变单元包括辅助逆变器和辅助逆变控制器。该发明提供了一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器，可以有效模拟标准的电网输出电压、电网电压故障工况以及电网谐波含量。但是，该电网模拟装置的逆变部分采用的是单个逆变器拓扑结构，该拓扑结构可以实现的谐波次数有限，无法有效实现高电压动态响应性能模拟。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于大兆瓦级功率硬件在环电网特性实时模拟装置的模块化级联型多电平结构，可以在安全、高效地与负载进行大兆瓦级功率交换的同时，实现模拟装置电压动态响应性能的进一步提升。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于大兆瓦级电网特性实时模拟装置的变流拓扑结构，该结构包括大功率模拟单元、高电压动态响应性能模拟单元、lcl滤波器、三相隔离变压器以及三相负载；
8.所述大功率模拟单元，用于模拟电网电压的基频与低频变化，并提供与三相负载进行功率交换的主要支撑；
9.所述高电压动态响应性能模拟单元具备暂态时间尺度响应速率，模拟电网电压的
高频和非正弦暂态变化，并提供与三相负载进行功率交换的辅助支撑；
10.两个所述模拟单元的输出端串联，之后依次通过lcl滤波器、三相隔离变压器与三相负载相连接，模拟该负载并网点的电网暂稳态特性。
11.进一步地，所述大功率模拟单元包括大功率模拟单元a相模块、大功率模拟单元b相模块、大功率模拟单元c相模块，所述高电压动态响应性能模拟单元包括高电压动态响应模拟单元a相模块、高电压动态响应模拟单元b相模块、高电压动态响应模拟单元c相模块；所述大功率模拟单元a相模块与高电压动态响应模拟单元a相模块串联，大功率模拟单元b相模块与高电压动态响应模拟单元b相模块串联，大功率模拟单元c相模块与高电压动态响应模拟单元c相模块串联；大功率模拟单元的输出端和高电压动态响应性能模拟单元的中性点经过lcl滤波器后，分别与三相隔离变压器的输入端和中性点相连，三相隔离变压器的输出端和中性点分别与三相负载的输入端和中性点相连。
12.进一步地，所述大功率模拟单元a相模块、大功率模拟单元b相模块、大功率模拟单元c相模块、高电压动态响应模拟单元a相模块、高电压动态响应模拟单元b相模块、高电压动态响应模拟单元c相模块均采用若干个h桥模块级联而成的多电平结构，每个h桥模块的输入端均与一个三相pwm整流器相连，三相pwm整流器的输入端与电网连接，向h桥模块提供直流电压。
13.进一步地，所述h桥模块与三相pwm整流器的连接电路包括电网、lcl型滤波器、三相整流桥、直流电容、h桥和负载接口；所述电网经lcl型滤波器为三相整流桥供电，三相整流桥的输出端并联直流电容为h桥供电，h桥的输出端通过负载接口与后端相连。
14.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)该电网模拟装置分为大功率模拟和高电压动态响应性能模拟两个单元，可以安全、高效地与负载进行大兆瓦级功率交换；2)该电网模拟装置的模拟单元均采用若干个h桥模块级联而成的多电平结构，可以进一步提升模拟装置的电压动态响应性能。
15.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
16.图1为一个实施例中模块化级联型多电平结构示意图。
17.图2为一个实施例中大功率模拟单元模块的lcl型三相pwm整流电路和h桥电路示意图。
18.图3为一个实施例中高电压动态响应性能模拟单元模块的lcl型三相pwm整流电路和h桥电路示意图。
具体实施方式
19.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
20.在一个实施例中，结合图1，提供了一种用于大兆瓦级电网特性实时模拟装置的变流拓扑结构，该结构包括大功率模拟单元1、高电压动态响应性能模拟单元2、lcl滤波器3、三相隔离变压器4以及三相负载5；
21.所述大功率模拟单元1，用于模拟电网电压的基频与低频变化，并提供与三相负载5进行功率交换的主要支撑；
22.所述高电压动态响应性能模拟单元2具备暂态时间尺度响应速率，模拟电网电压的高频和非正弦暂态变化，并提供与三相负载5进行功率交换的辅助支撑；
23.两个所述模拟单元的输出端串联，之后依次通过lcl滤波器3、三相隔离变压器4与三相负载5相连接，模拟该负载并网点的电网暂稳态特性。
24.进一步地，在其中一个实施例中，所述大功率模拟单元1包括大功率模拟单元a相模块11、大功率模拟单元b相模块12、大功率模拟单元c相模块13，所述高电压动态响应性能模拟单元2包括高电压动态响应模拟单元a相模块21、高电压动态响应模拟单元b相模块22、高电压动态响应模拟单元c相模块23；所述大功率模拟单元a相模块11与高电压动态响应模拟单元a相模块21串联，大功率模拟单元b相模块12与高电压动态响应模拟单元b相模块22串联，大功率模拟单元c相模块13与高电压动态响应模拟单元c相模块23串联；大功率模拟单元1的输出端和高电压动态响应性能模拟单元2的中性点经过lcl滤波器3后，分别与三相隔离变压器4的输入端和中性点相连，三相隔离变压器4的输出端和中性点分别与三相负载5的输入端和中性点相连，lcl型滤波器3是一个三阶低通滤波器，对高频谐波抑制能力强。
25.进一步地，在其中一个实施例中，所述大功率模拟单元a相模块11、大功率模拟单元b相模块12、大功率模拟单元c相模块13均采用若干个第一h桥模块112级联而成的多电平结构，每个第一h桥模块112的输入端均与一个第一三相pwm整流器111相连，第一三相pwm整流器111的输入端与电网连接，向h桥模块提供直流电压。
26.进一步地，在其中一个实施例中，所述大功率模拟单元1需要承受大功率，因此其中的功率器件采用igct器件。
27.进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述第一h桥模块112与第一三相pwm整流器111的连接电路包括第一电网61、第一lcl型滤波器62、第一三相整流桥63、第一直流电容64、第一h桥65和第一负载接口66；所述第一电网61经第一lcl型滤波器62为第一三相整流桥63供电，第一三相整流桥63的输出端并联直流电容64为第一h桥65供电，第一h桥65的输出端通过第一负载接口66与后端相连。
28.进一步地，在其中一个实施例中，所述高电压动态响应模拟单元a相模块21、高电压动态响应模拟单元b相模块22、高电压动态响应模拟单元c相模块23均采用若干个第二h桥模块212级联而成的多电平结构，每个第二h桥模块212的输入端均与一个第二三相pwm整流器211相连，第二三相pwm整流器211的输入端与电网连接，向h桥模块提供直流电压。
29.进一步地，在其中一个实施例中，所述高电压动态响应性能模拟单元2需要使用较高的开关频率，因此其中的功率器件采用igbt器件。
30.进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，所述第二三相pwm整流器211和第二h桥模块212的连接电路包括第二电网71、第二lcl型滤波器72、第二三相整流桥73、第二直流电容74、第二h桥75和第二负载接口76；所述第二电网71经第二lcl型滤波器72为第二三相整流桥73供电，第二三相整流桥73的输出端并联第二直流电容74为第二h桥75供电，第二h桥75的输出端通过第二负载接口76与后端相连。
31.本发明将大兆瓦级功率硬件在环电网特性实时模拟装置的大功率需求和电网暂态特性模拟需求分开实现，并采用模块化级联型多电平拓扑结构，可以在安全、高效地与负
载进行大兆瓦级功率交换的同时，实现模拟装置的电压动态响应性能的进一步提升，尤为适合大容量电力电子装置接入型发电系统的性能分析。
32.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。