專利名稱：多功能電網模擬器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電網電壓發生裝置，更具體地說是一種在分布式并網發電 研究中，為系統提供電網環境的發生裝置。
背景技術：
太陽能光伏發電裝置、風力發電裝置等新能源發電系統的并網運行被世界許多 能源和電力專家公認為可以節省投資、降低能耗、提高電力系統可靠性和靈活性，是21 世紀電力行業發展的重要方向。為了確保系統安裝者的安全以及電網的可靠運行，分布 式發電系統必須滿足并網的技術要求，隨著越來越多的分布式發電系統接入電網，各國 電網公司均對分布式發電的并網提出了嚴格的要求。由于電網可能會出現電壓幅值跌落、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，因此在分布式發電研究的過程中，考慮電網可能出現的這些 故障狀態并研究系統在故障狀態下的工作性能是非常重要的。電網提供的電壓為低諧波的標準正弦電壓，電網故障具有偶然性和不可控性， 在分布式發電的研究以及系統測試時，僅通過電網本身無法模擬出各種故障狀態。因 此，需要通過一些專門的設備來模擬電網的故障情況。對于風力發電的低電壓穿越測試，已有專門的實現電壓跌落發生器VSG，即 Voltage Sag Generator。具體包括基于阻抗形式實現的VSG，是通過在主電路中并聯或 串聯電阻/電抗實現電壓跌落；基于變壓器的VSG，是通過變壓器的變比實現電網電壓 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 變換器等實現電壓的跌落。但是，該模擬裝置功能相對單一，無法模擬各種電網故障， 因此不能完全滿足分布式發電系統的測試要求。
實用新型內容本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種多功能電網模 擬器，作為分布式發電并網研究中的電網電壓發生裝置，模擬輸出標準電網電壓，模擬 電網電壓幅值跌落、電網電壓頻率頻率偏移、三相電壓不平衡以及電壓電壓畸變等故障 情況，為分布式發電系統并網研究提供盡可能真實的電網環境，以滿足分布式發電研究 的需求。本實用新型為解決技術問題采用如下技術技術方案本實用新型多功能電網模擬器的特點是所述模擬器的主電路結構為設置三個 相互獨立的背靠背系統，所述相互獨立的背靠背系統的結構形式為輸入側為三相PWM 整流器，輸出側設置為輸出電壓可控的單相PWM逆變器；市電經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LC濾波器輸出。本實用新型多功能電網模擬器的控制方法是根據輸出電壓的不同，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準的電網電壓，并模擬電網電壓幅值跌落、電網電壓頻率偏移、三相電壓不平衡的電網故障；所述 基波工人模式下的控制方式是以輸出電壓作為外環反饋變量、以所述LC濾波器中電感的 電流作為內環反饋變量、向PWM逆變器輸出控制信號的雙閉環控制；在所述諧波工作 模式下模擬電網電壓諧波畸變故障；所述諧波工作模式下的控制方式是對50Hz基波頻率 的電壓實行有效值反饋控制、對高次諧波電壓實行開環控制。與已有技術相比，本實用新型有益效果體現在1、本實用新型主電路由三個單相子系統組成，三個單相系統可以分別作為單相 系統運行，三相之間通過通訊實現同步即可模擬電網，工作方式靈活，易于模塊化。2、本實用新型可以根據輸出電壓的不同，將模擬器分為基波工作模式和諧波工 作模式。基波工作模式下系統控制采用雙閉環控制；諧波工作模式下系統控制采用了對 50Hz基波頻率的電壓實行有效值反饋控制、對高次諧波電壓實行開環控制的控制方式。 這種控制方式保證了模擬器可輸出標準的電網電壓并精確復現諸如電網電壓跌落、電壓 頻率偏移、三相不平衡以及諧波電壓畸變的電網故障。
圖1為本實用新型模擬器主電路圖。圖2為本實用新型基波模式系統控制框圖。圖3為本實用新型諧波模式系統控制框圖。
具體實施方式
參見圖1，本實施例中，主電路采用三個單相系統分別模擬電網的A、B、C三 相，每個單相系統均為背靠背結構，使得模擬器可以四象限運行，實現能量向電網G的 回饋。電網G提供的電壓經三相變壓器隔離后為后續整流環節供電，整流環節采用三相 PWM整流器M1，三相PWM整流器Ml為后級電路提供穩定的直流側并可以實現能量回 饋。相比單相PWM整流器而言，三相整流器可有效減小直流側的二次紋波，直流側電 壓比較平穩，且三相整流器交流側由三相電源供電，負載容量較大，更適用于大功率的 場合。三相PWM整流器Ml輸出直流電壓經電容Cd進行穩壓；直流電壓經單相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；本實施 例中，逆變環節采用PWM逆變器M2，用三個單相PWM逆變器分別模擬三相輸出，且 直流側相互獨立，由三個PWM整流器分別提供。本實施例中控制電路采用基于DSP的數字控制系統，主電路電壓、電流參數通 過傳感器與數字控制系統形成閉環控制系統。根據輸出電壓的不同，將模擬器分為基波 工作模式和諧波工作模式。基波工作模式下輸出標準的電網電壓，并模擬電網電壓幅值 跌落、電網電壓頻率偏移、三相電壓不平衡的電網故障，諧波工作模式下模擬電網電壓 諧波畸變故障。參見圖2，基波工作模式下系統控制采用雙閉環控制，輸出電壓外環可改善波形 的質量，電感電流內環可加快逆變器動態響應，使得系統非線性負載適應能力加強。逆 變器輸出電壓經傳感器測量后得到輸出電壓信號U。送至DSP控制系統，與給定的電壓信 號u。'進行比較，誤差經PI調節器進行調節，輸出作為內環控制的給定。電感L上的電流經測量得到電感電流信號Iu與內環的給定信號進行比較，誤差經比例調節器進行調 節，調節器輸出信號用于控制逆變器開關的通斷。參見圖3，諧波工作模式下系統控制采用了對50Hz基波頻率的電壓實行有效 值反饋控制、對高次諧波電壓實行開環控制的控制方式，使得輸出電壓的有效值保持穩 定，諧波給定相當于開環疊加，不會被閉環抑制。逆變器輸出電壓經傳感器測量后得到 輸出電壓信號u。，經過濾波環節Gfilto(S)進行濾波后，濾波后的信號進行有效值RMS運 算得到輸出電壓的有效值U。，與給定的電壓有效值U。'進行比較，誤差經PI調節器進行 調節。諧波電壓給定與有效值反饋控制的輸出信號疊加，得到的總的信號用于控制逆 變器開關的通斷。諧波工作模式下，主電路會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控制中，增加了對高次諧波電壓幅 值的補償環節，補償環節中，補償系數與濾波器參數以及諧波電壓的頻率有關，Gk(S)Is =
= 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 出電壓的幅值會有所增大，從而需要較大的直流側電壓控制增益。本實施例以IEC相關 諧波標準為依據，根據拉格朗日乘數法進行計算，對三相PWM整流器提供的直流電壓做 出了要求，當輸出側基波電壓有效值為U1,三相PWM整流器提供的直流電壓電壓Ud。需 滿足，以此保證變換器增益能夠輸出任意諧波。利用拉格朗日乘數法設計直流側電壓原理1.1電網模擬器諧波標準(1)電網模擬器可以模擬40次內的任意諧波，以奇次諧波為主(2)諧波總含量 THDuTHDu《14%1.2問題分析根據1.1中的規定，作如下假設(1)只考慮奇次諧波6k-3 3，9，15，21，27，33，396k-1 5，11，17，23，29，356k+1 7，13，19，25，31，37共19種諧波(2)諧波含量按照最高設計，設各次分量的有效值為U1, U6k_3，U6k+ U6k+權利要求1. 一種多功能電網模擬器，其特征是所述模擬器的主電路結構為設置三個相互獨 立的背靠背系統，所述相互獨立的背靠背系統的結構形式為輸入側為三相PWM整流 器，輸出側設置為輸出電壓可控的單相PWM逆變器；市電經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LC濾波器輸出。
專利摘要本實用新型公開了一種多功能電網模擬器，其特征是模擬器的主電路結構為設置三個相互獨立的背靠背系統，所述相互獨立的背靠背系統的結構形式為輸入側為三相PWM整流器，輸出側設置為輸出電壓可控的單相PWM逆變器；市電經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LC濾波器輸出。本實用新型作為分布式發電并網研究中的電網電壓發生裝置，可用于模擬輸出標準電網電壓等，為分布式發電系統并網研究提供盡可能真實的電網環境，以滿足分布式發電研究的需求。
文檔編號H02J3/38GK201797326SQ20102054597
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月25日 優先權日2010年9月25日
發明者丁杰, 劉芳, 張興, 楊淑英, 王瑩, 謝震 申請人:合肥工業大學