專利名稱：多功能電網(wǎng)模擬器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)電壓發(fā)生裝置，更具體地說是一種在分布式并網(wǎng)發(fā)電研究 中，為系統(tǒng)提供電網(wǎng)環(huán)境的發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
太陽能光伏發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電裝置等新能源發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行被世界許多能 源和電力專家公認(rèn)為可以節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性，是21世紀(jì) 電力行業(yè)發(fā)展的重要方向。為了確保系統(tǒng)安裝者的安全以及電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，分布式發(fā)電 系統(tǒng)必須滿足并網(wǎng)的技術(shù)要求，隨著越來越多的分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，各國電網(wǎng)公司 均對分布式發(fā)電的并網(wǎng)提出了嚴(yán)格的要求。由于電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)電壓幅值跌落、電壓頻率偏移、三相電壓不平衡以及諧波電 壓畸變等各種故障狀態(tài)，因此在分布式發(fā)電研究的過程中，考慮電網(wǎng)可能出現(xiàn)的這些故障 狀態(tài)并研究系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的工作性能是非常重要的。電網(wǎng)提供的電壓為低諧波的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，電網(wǎng)故障具有偶然性和不可控性，在 分布式發(fā)電的研究以及系統(tǒng)測試時(shí)，僅通過電網(wǎng)本身無法模擬出各種故障狀態(tài)。因此，需要 通過一些專門的設(shè)備來模擬電網(wǎng)的故障情況。對于風(fēng)力發(fā)電的低電壓穿越測試，已有專門的實(shí)現(xiàn)電壓跌落發(fā)生器VSG，即 Voltage SagGenerator。具體包括基于阻抗形式實(shí)現(xiàn)的VSG，是通過在主電路中并聯(lián)或串 聯(lián)電阻/電抗實(shí)現(xiàn)電壓跌落；基于變壓器的VSG，是通過變壓器的變比實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的跌 落；基于電力電子變換的VSG，利用交流電力控制電路、交交變頻電路以及交直交變換器等 實(shí)現(xiàn)電壓的跌落。但是，該模擬裝置功能相對單一，無法模擬各種電網(wǎng)故障，因此不能完全 滿足分布式發(fā)電系統(tǒng)的測試要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種多功能電網(wǎng)模擬器及 其控制方法，作為分布式發(fā)電并網(wǎng)研究中的電網(wǎng)電壓發(fā)生裝置，模擬輸出標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓，模 擬電網(wǎng)電壓幅值跌落、電網(wǎng)電壓頻率頻率偏移、三相電壓不平衡以及電壓電壓畸變等故障 情況，為分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)研究提供盡可能真實(shí)的電網(wǎng)環(huán)境，以滿足分布式發(fā)電研究的需求。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)技術(shù)方案本發(fā)明多功能電網(wǎng)模擬器的特點(diǎn)是所述模擬器的主電路結(jié)構(gòu)為設(shè)置三個(gè)相互獨(dú) 立的背靠背系統(tǒng)，所述相互獨(dú)立的背靠背系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為輸入側(cè)為三相PWM整流器，輸 出側(cè)設(shè)置為輸出電壓可控的單相PWM逆變器；市電經(jīng)三相變壓器隔離后接入三相PWM整流 器；所述單相PWM逆變器經(jīng)LC濾波器輸出。本發(fā)明多功能電網(wǎng)模擬器的控制方法的特點(diǎn)是根據(jù)輸出電壓的不同，將模擬器的工作模式分為基波工作模式和諧波工作模式；在所述基波工作模式下輸出標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)電壓，并模擬電網(wǎng)電壓幅值跌落、電網(wǎng)電壓頻率偏 移、三相電壓不平衡的電網(wǎng)故障；所述基波工人模式下的控制方式是以輸出電壓作為外環(huán) 反饋?zhàn)兞?、以所述LC濾波器中電感的電流作為內(nèi)環(huán)反饋?zhàn)兞?、向PWM逆變器輸出控制信號(hào) 的雙閉環(huán)控制；在所述諧波工作模式下模擬電網(wǎng)電壓諧波畸變故障；所述諧波工作模式下 的控制方式是對50Hz基波頻率的電壓實(shí)行有效值反饋控制、對高次諧波電壓實(shí)行開環(huán)控 制。本發(fā)明控制方法的特點(diǎn)也在于所述對高次諧波電壓實(shí)行開環(huán)控制是設(shè)置用于抑制LC濾波器對逆變器輸出電壓 放大作用的的高次諧波電壓幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)，所述補(bǔ)償環(huán)節(jié)是將給定信號(hào)乘以一個(gè)與所述LC 濾波器參數(shù)和諧波電壓頻率有關(guān)的補(bǔ)償系數(shù)Gk(S)，所述補(bǔ)償系數(shù)Gk(S)與所述LC濾波器 參數(shù)以及諧波電壓的頻率有如下關(guān)系GK(s) |s = ju = l-ΙΧω2，式中L為所述LC濾波器中 的電感值，C為所述LC濾波器中的電容值，ω為高次諧波電壓的頻率。在所述諧波工作模式中，在所述單相PWM逆變器輸出電壓確定的情況下，根據(jù)拉 格朗日數(shù)乘法計(jì)算得出三相PWM整流器輸出直流電壓需滿足以下條件當(dāng)輸出側(cè)基波電壓 有效值為U1，所述三相PWM整流器輸出的直流電壓電壓Udc需滿足[Zifc^ IflV^tZ1。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明主電路由三個(gè)單相子系統(tǒng)組成，三個(gè)單相系統(tǒng)可以分別作為單相系統(tǒng)運(yùn) 行，三相之間通過通訊實(shí)現(xiàn)同步即可模擬電網(wǎng)，工作方式靈活，易于模塊化。2、根據(jù)輸出電壓的不同，將模擬器分為基波工作模式和諧波工作模式?；üぷ?模式下系統(tǒng)控制采用雙閉環(huán)控制；諧波工作模式下系統(tǒng)控制采用了對50Hz基波頻率的電 壓實(shí)行有效值反饋控制、對高次諧波電壓實(shí)行開環(huán)控制的控制方式。這種控制方式保證了 模擬器可輸出標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)電壓并精確復(fù)現(xiàn)諸如電網(wǎng)電壓跌落、電壓頻率偏移、三相不平衡 以及諧波電壓畸變的電網(wǎng)故障。3、本發(fā)明模擬器的功能是根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)分布式發(fā)電系統(tǒng)的測試條件確定的，適合 對各種并網(wǎng)的分布式系統(tǒng)進(jìn)行測試。4、本發(fā)明利用拉格朗日乘數(shù)法設(shè)計(jì)直流側(cè)電壓，保證了標(biāo)準(zhǔn)要求的任何諧波輸 出，利于進(jìn)行各種電網(wǎng)諧波測試。


圖1為本發(fā)明模擬器主電路圖。圖2為本發(fā)明基波模式系統(tǒng)控制框圖。圖3為本發(fā)明諧波模式系統(tǒng)控制框圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本實(shí)施例中，主電路采用三個(gè)單相系統(tǒng)分別模擬電網(wǎng)的A、B、C三相，每 個(gè)單相系統(tǒng)均為背靠背結(jié)構(gòu)，使得模擬器可以四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量向電網(wǎng)G的回饋。電網(wǎng) G提供的電壓經(jīng)三相變壓器隔離后為后續(xù)整流環(huán)節(jié)供電，整流環(huán)節(jié)采用三相PWM整流器Ml， 三相PWM整流器Ml為后級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流側(cè)并可以實(shí)現(xiàn)能量回饋。相比單相PWM整 流器而言，三相整流器可有效減小直流側(cè)的二次紋波，直流側(cè)電壓比較平穩(wěn)，且三相整流器交流側(cè)由三相電源供電，負(fù)載容量較大，更適用于大功率的場合。三相PWM整流器Ml輸出 直流電壓經(jīng)電容Cd進(jìn)行穩(wěn)壓；直流電壓經(jīng)單相PWM逆變器逆變輸出PWM電壓、PWM電壓由 LC濾波器濾波后輸出交流電壓信號(hào)；本實(shí)施例中，逆變環(huán)節(jié)采用PWM逆變器M2，用三個(gè)單相 PWM逆變器分別模擬三相輸出，且直流側(cè)相互獨(dú)立，由三個(gè)PWM整流器分別提供。本實(shí)施例中控制電路采用基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)，主電路電壓、電流參數(shù)通過 傳感器與數(shù)字控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)輸出電壓的不同，將模擬器分為基波工作 模式和諧波工作模式?；üぷ髂Ｊ较螺敵鰳?biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)電壓，并模擬電網(wǎng)電壓幅值跌落、電 網(wǎng)電壓頻率偏移、三相電壓不平衡的電網(wǎng)故障，諧波工作模式下模擬電網(wǎng)電壓諧波畸變故 障。參見圖2，基波工作模式下系統(tǒng)控制采用雙閉環(huán)控制，輸出電壓外環(huán)可改善波形的 質(zhì)量，電感電流內(nèi)環(huán)可加快逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使得系統(tǒng)非線性負(fù)載適應(yīng)能力加強(qiáng)。逆變器輸 出電壓經(jīng)傳感器測量后得到輸出電壓信號(hào)U0送至DSP控制系統(tǒng)，與給定的電壓信號(hào)iC進(jìn) 行比較，誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出作為內(nèi)環(huán)控制的給定。電感L上的電流經(jīng)測量得 到電感電流信號(hào)l·，與內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)進(jìn)行比較，誤差經(jīng)比例調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出 信號(hào)用于控制逆變器開關(guān)的通斷。參見圖3，諧波工作模式下系統(tǒng)控制采用了對50Hz基波頻率的電壓實(shí)行有效值反 饋控制、對高次諧波電壓實(shí)行開環(huán)控制的控制方式，使得輸出電壓的有效值保持穩(wěn)定，諧波 給定相當(dāng)于開環(huán)疊加，不會(huì)被閉環(huán)抑制。逆變器輸出電壓經(jīng)傳感器測量后得到輸出電壓信 號(hào)u。，經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)Gfilto(S)進(jìn)行濾波后，濾波后的信號(hào)進(jìn)行有效值RMS運(yùn)算得到輸出電 壓的有效值U。，與給定的電壓有效值Ut；進(jìn)行比較，誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。諧波電壓給 定Un*與有效值反饋控制的輸出信號(hào)疊加，得到的總的信號(hào)用于控制逆變器開關(guān)的通斷。諧波工作模式下，主電路會(huì)對高次諧波電壓的幅值有放大作用，為了抑制主電路 對輸出高次諧波電壓的影響，在高次諧波電壓開環(huán)控制中，增加了對高次諧波電壓幅值的 補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償環(huán)節(jié)中，補(bǔ)償系數(shù)與濾波器參數(shù)以及諧波電壓的頻率有關(guān)，Gk(S) = > = I-LCw20 L為濾波器中的電感值，C為濾波器中的電容值，ω為高次諧波電壓的頻率。諧波工作模式下，輸出電壓為50Hz基波電壓和高次諧波電壓疊加而成，因此輸 出電壓的幅值會(huì)有所增大，從而需要較大的直流側(cè)電壓控制增益。本實(shí)施例以IEC相關(guān) 諧波標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，根據(jù)拉格朗日乘數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，對三相PWM整流器提供的直流電壓做出 了要求，當(dāng)輸出側(cè)基波電壓有效值為U1，三相PWM整流器提供的直流電壓電壓Udc需滿足 Udc>\.6\^JlU,，以此保證變換器增益能夠輸出任意諧波。利用拉格朗日乘數(shù)法設(shè)計(jì)直流側(cè)電壓原理1. 1電網(wǎng)模擬器諧波標(biāo)準(zhǔn)(1)電網(wǎng)模擬器可以模擬40次內(nèi)的任意諧波，以奇次諧波為主(2)諧波總含量 THDuTHDu ^ 14%1. 2問題分析根據(jù)1. 1中的規(guī)定，作如下假設(shè)(1)只考慮奇次諧波6k-3 :3，9，15，21，27，33，396k_l :5，11，17，23，29，3權(quán)利要求
一種多功能電網(wǎng)模擬器，其特征是所述模擬器的主電路結(jié)構(gòu)為設(shè)置三個(gè)相互獨(dú)立的背靠背系統(tǒng)，所述相互獨(dú)立的背靠背系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為輸入側(cè)為三相PWM整流器，輸出側(cè)設(shè)置為輸出電壓可控的單相PWM逆變器；市電經(jīng)三相變壓器隔離后接入三相PWM整流器；所述單相PWM逆變器經(jīng)LC濾波器輸出。
2.權(quán)利要求1所述多功能電網(wǎng)模擬器的控制方法，其特征是根據(jù)輸出電壓的不同，將模擬器的工作模式分為基波工作模式和諧波工作模式；在所 述基波工作模式下輸出標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)電壓，并模擬電網(wǎng)電壓幅值跌落、電網(wǎng)電壓頻率偏移、三 相電壓不平衡的電網(wǎng)故障；所述基波工人模式下的控制方式是以輸出電壓作為外環(huán)反饋?zhàn)?量、以所述LC濾波器中電感的電流作為內(nèi)環(huán)反饋?zhàn)兞?、向PWM逆變器輸出控制信號(hào)的雙閉 環(huán)控制；在所述諧波工作模式下模擬電網(wǎng)電壓諧波畸變故障；所述諧波工作模式下的控制 方式是對50Hz基波頻率的電壓實(shí)行有效值反饋控制、對高次諧波電壓實(shí)行開環(huán)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能電網(wǎng)模擬器的控制方法，其特征是所述對高次諧波電 壓實(shí)行開環(huán)控制是設(shè)置用于抑制LC濾波器對逆變器輸出電壓放大作用的的高次諧波電壓 幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)，所述補(bǔ)償環(huán)節(jié)是將給定信號(hào)乘以一個(gè)與所述LC濾波器參數(shù)和諧波電壓頻 率有關(guān)的補(bǔ)償系數(shù)Gk(S)，所述補(bǔ)償系數(shù)Gk(S)與所述LC濾波器參數(shù)以及諧波電壓的頻率 有如下關(guān)系GK(s) |s = ju = I-LC ω2，式中L為所述LC濾波器中的電感值，C為所述LC濾 波器中的電容值，ω為高次諧波電壓的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能電網(wǎng)模擬器的控制方法，其特征是在所述諧波工作模 式中，在所述單相PWM逆變器輸出電壓確定的情況下，根據(jù)拉格朗日數(shù)乘法計(jì)算得出三相 PWM整流器輸出直流電壓需滿足以下條件當(dāng)輸出側(cè)基波電壓有效值為U1，所述三相PWM整 流器輸出的直流電壓電壓Udc需滿足Vifc > 1.6lV2[/,。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能電網(wǎng)模擬器及其控制方法，其特征是模擬器的主電路結(jié)構(gòu)為設(shè)置三個(gè)相互獨(dú)立的背靠背系統(tǒng)，所述相互獨(dú)立的背靠背系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為輸入側(cè)為三相PWM整流器，輸出側(cè)設(shè)置為輸出電壓可控的單相PWM逆變器；市電經(jīng)三相變壓器隔離后接入三相PWM整流器；所述單相PWM逆變器經(jīng)LC濾波器輸出。本發(fā)明作為分布式發(fā)電并網(wǎng)研究中的電網(wǎng)電壓發(fā)生裝置，可用于模擬輸出標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓等，為分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)研究提供盡可能真實(shí)的電網(wǎng)環(huán)境，以滿足分布式發(fā)電研究的需求。
文檔編號(hào)H02J3/01GK101950982SQ20101029500
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者丁杰, 劉芳, 張興, 楊淑英, 王瑩, 謝震 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)