技术领域
[0001] 本
发明涉及新
能源输电技术领域，具体涉及一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器。
背景技术
[0002] 随着
可再生能源并网发电系统在电
力系统的渗透率不断提升，新能源发电对电网运行影响越来越大。为考核并网变流器性能指标，一般需采用可模拟各种电网工作特性的电气设备对变流器进行测试，其中有一种可模拟多种电网特性的电力
电子装置即为电网模拟器。一方面，电网模拟器需模拟电网的非正常工作情况(如电压跌落、
频率偏移，谐波污染等)以考核并网变流器的故障穿越能力；另一方面，电网模拟器需模拟电网阻抗以考核并网变流器在电网阻抗条件下的自适应控制能力。
[0003] 目前国内外基于电力电子技术的电网模拟器分为采用三相统一控制的三相桥式逆变器结构和各相单独控制的组合式三相逆变器结构。现有的这些电网模拟器都是通过控制单一变换器的
输出电压来实现对电网特性的模拟。电网模拟器输出
滤波器的截止频率受
开关频率和装备功率的限制，使电网模拟器输出的高频谐波衰减很大，无法保证模拟
精度。分布式电网中并网逆变器的性能同电网阻抗密切相关，尤其在弱电网下电网阻抗会导致分布式并网逆变器中的输出滤波器谐振点下移，可能会导致分布式并网系统不稳定。而现有电网模拟器方案均无法有效模拟电网阻抗，因此需要提供一种不仅可以模拟电网输出电压还可以模拟电网阻抗变化的电网模拟器。
发明内容
[0004] 为了满足
现有技术的需要，本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。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 所述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；所述主逆变单元包括主逆变器和主逆变控制器；所述辅助逆变单元包括辅助逆变器和辅助逆变控制器；
[0007] 所述三相PWM整流器的输入端通过电抗器接入电网；
[0008] 所述三相PWM整流器的输出端分别与所述主逆变器和辅助逆变器连接，所述辅助逆变器的输出端接入主逆变器的输出端。
[0009] 优选的，所述主逆变器包括三个
单相全桥逆变器；所述三个单相全桥逆变器的输入端并联后接入三相PWM整流器的输出端；
[0010] 所述单相全桥逆变器的输出端接入第一
变压器的原边绕组，所述第一变压器的副边绕组两端并联有第一电容器；所述第一电容器与第一变压器的漏感形成第一
LC滤波器；
[0011] 所述第一变压器和第一电容器的数量均为3；
[0012] 优选的，所述辅助逆变器包括三个单相全桥逆变器；所述三个单相全桥逆变器的输入端并联后接入三相PWM整流器的输出端；
[0013] 所述单相全桥逆变器的输出端接入第二变压器的原边绕组，所述第二变压器的副边绕组与所述主逆变器的输出端
串联；所述副边绕组两端并联有第二电容器；所述第二电容器与第二变压器的漏感形成第二LC滤波器；
[0014] 所述第二电压器和第二电容器的数量均为3；
[0015] 优选的，所述主逆变器的功率开关器件为IGBT，所述辅助逆变器的功率开关器件为MOSFET；
[0016] 优选的，所述PWM整流控制器、主逆变控制器和辅助逆变控制器分别与电网控制平台通信；
[0017] 所述PWM整流控制器接收所述电网控制平台下发的整流调制指令，并依据该整流调制指令控制所述三相PWM整流器输出直流电压；
[0018] 所述主逆变控制器接收所述电网控制平台下发的第一逆变指令，所述主逆变器依据该第一逆变指令对所述直流电压进行逆变，主逆变控制器对主逆变器的输出
信号进行反馈控制；
[0019] 所述辅助逆变控制器接收所述电网控制平台下发的第二逆变指令，所述辅助逆变器依据该第二逆变指令对所述直流电压进行逆变，辅助逆变控制器对辅助逆变器的
输出信号进行反馈控制；
[0020] 优选的，所述电网模拟器的工作模式包括电网谐波模拟模式和电网阻抗模拟模式；
[0021] 当所述电网模拟器工作于电网谐波模拟模式时，电网模拟器的输出电压U1PCC的计算公式为：
[0022] U1PCC＝U11+U12 (1)
[0023] 其中，U11为主逆变器的输出电压， U12为辅助逆变器的输出电压， Um为基波电压幅值，ω为基波
角频率， 为基波电压的初始
相角，ai为第i次谐波电压幅值相对于基波电压幅值的比例， 为第i次谐波电压的初始相角；
[0024] 当所述电网模拟器工作于电网阻抗模拟模式时，电网模拟器的输出电压U2PCC的计算公式为：
[0025] U2PCC＝U21+U22 (2)
[0026] 其中，U21为主逆变器的输出电压，
[0027] U22为辅助逆变器的输出电压，U22＝-Iz·Zg；Zg为电网等效阻抗，Zg＝rg+j(iωLg)，rg为电网等效阻抗中的
电阻值，Lg为电网等效阻抗中的电感值，i＝1,2,...,n；Iz为电网模拟器的负载
电流， IZ0为负载电流的
直流分量， 为第i次谐波电流的余弦分量系数， 为第i次谐波电流的正弦分量系数；
[0028] 优选的，所述电网模拟器的主逆变控制器包括电压外环反馈控制和电流内环反馈控制；所述电压外环反馈控制包括PI+重复控制器，该PI+重复控制器的反馈量为第一电容器两端的电压；所述电流内环反馈控制包括P控制器，该P控制器的反馈量为第一LC滤波器的漏感电流；
[0029] 所述电网模拟器的辅助逆变控制器包括电压外环反馈控制和电流内环反馈控制；所述电压外环反馈控制包括PI+重复控制器，该PI+重复控制器的反馈量为第二电容器两端的电压；所述电流内环反馈控制包括P控制器，该P控制器的反馈量为第二LC滤波器的漏感电流；
[0030] 优选的，
[0031] 当电网模拟器工作于电网谐波模拟模式时，所述主逆变器的参考控制电压U1ref＝U11，辅助逆变器的参考控制电压U2ref＝U12；
[0032] 当电网模拟器工作于电网阻抗模拟模式时，所述主逆变器的参考控制电压U1ref＝U21，辅助逆变器的参考控制电压U2ref＝U22。
[0033] 与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
[0034] 1、本发明技术方案中，采用辅助逆变器模拟电网谐波和电网阻抗特性，采用高开关频率和高带宽滤波器，同时辅助逆变控制器也仅需考虑对电网谐波参数的
跟踪；
[0035] 2、本发明技术方案中，由于现有大功率电网模拟器开关频率较低以及滤波器截止频率带宽较小，使其谐波模拟常常失真，并无法准确模拟电网阻抗，因此采用主逆变器仅模拟电网基波及其变化，辅助逆变器模拟谐波和阻抗变化，使得电网模拟器的主
电路参数、各控制器和功能设计更加简单；
[0036] 3、本发明技术方案中，对负载电流进行FFT分析，并依据电网控制平台设定的电网阻抗，经过运算得到虚拟电网阻抗压降，该虚拟电网阻抗压降可以视为各次谐波的
叠加，从而实现对虚拟电网阻抗压降的精确跟踪；
[0037] 4、本发明提供的一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器，不仅可以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，还可以模拟电网阻抗变化，能够更好地满足分布式发电测试研究的需要。
附图说明
[0038] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0039] 图1：本发明
实施例中一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器主电路拓扑图；
[0040] 图2：本发明实施例中主逆变器和辅助逆变器的单相拓扑图；
[0041] 图3：本发明实施例中一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器单相系统示意图；
[0042] 图4：本发明实施例中主逆变控制器和辅助逆变控制器的控制逻辑
框图；
[0043] 图5：本发明实施例中主逆变器和辅助逆变器模拟电网谐波的
波形图；
[0044] 图6：本发明实施例中一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器模拟等效电网阻抗的模型；
[0045] 图7：本发明实施例中电网等效阻抗、公共耦合点电压和负载电流的关系图。
具体实施方式
[0046] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0047] 本发明提供的一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器，能够精确模拟电网谐波电压和虚拟阻抗，作为分布式发电并网变流器的测试装置，该电网模拟器不仅可以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，还可以模拟电网阻抗变化，能够更好地满足分布式发电测试研究需要。
[0048] 本发明中电网模拟器的实施例如图1和3所示，具体为：
[0049] 该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，整流单元的一端通过电抗器接入电网，另一端分别与主逆变单元和辅助逆变单元连接。
[0050] 1、整流单元
[0051] 本实施例中整流单元包括三相PWM整流器和PWM整流控制器。三相PWM整流器的输入端通过电抗器接入电网；输出端分别与主逆变单元的主逆变器和辅助逆变单元的辅助逆变器连接，向主逆变器和辅助逆变器提供直流侧电源。
[0052] PWM整流控制器与电网控制平台通信，接收电网控制平台下发的整流调制指令，并依据该整流调制指令控制PWM整流器输出的直流电压。
[0053] 2、主逆变单元
[0054] 本实施例中主逆变单元包括主逆变器和主逆变控制器。
[0055] (1)主逆变器
[0056] 本实施例中主逆变器和辅助逆变器的主电路结构完全相同，如图2所示，该主逆变器包括三个单相全桥逆变器，辅助逆变器也包括三个单相全桥逆变器。
[0057] 如图1所示，主逆变器的三个单相全桥逆变器的输入端并联后接入三相PWM整流器的输出端；单相全桥逆变器的输出端接入第一变压器的原边绕组，第一变压器的副边绕组两端并联有第一电容器；第一电容器与第一变压器的漏感形成第一LC滤波器。
[0058] 本实施例中，第一变压器和第一电容器的数量均为3，与三个单相全桥逆变器构成三相主逆变器。
[0059] 主逆变器，用于模拟电网基波电压、电网电压闪变和
低电压穿越等电网特性，承担电网模拟器输出功率较大的部分。由于电网正常运行或者极端故障情况下，其谐波电压幅值和阻抗压降均远小于基波电压幅值，主逆变器的工作电压远高于辅助逆变器。同时，电网模拟器一般需要承担较大负载，主逆变器功率远大于辅助逆变器。因此，本实施例中主逆变器为大功率逆变器，主逆变器中的功率开关器件采用IGBT，满足其高压、大功率和低开关频率的要求。
[0060] (2)主逆变控制器
[0061] 该主逆变控制器与电网控制平台通信，接收电网控制平台下发的第一逆变指令。主逆变器依据该第一逆变指令对PWM整流器输出的直流电压进行逆变，如图4所示，主逆变控制器对主逆变器中第一电容器上的电压v10进行反馈控制。
[0062] 如图4所示，主逆变控制器采用电压电流双闭环控制，该电压电流双闭环控制包括电压外环反馈控制和电流内环反馈控制；电压外环反馈控制包括PI+重复控制器，该PI+重复控制器的反馈量为第一电容器两端的电压v10；电流内环反馈控制包括P控制器，该P控制器的反馈量为第一LC滤波器的漏感电流i1f。
[0063] 当电网模拟器工作于电网谐波模拟模式时，第一逆变指令U1ref＝U11，当电网模拟器工作于电网阻抗模拟模式时，第一逆变指令U1ref＝U21。第一逆变指令与第一电容器上的电压v10进行比较，其差值经过电压控制器即PI+重复控制器，输出主逆变电流指令，该电流指令与主逆变器
输出侧的漏感电流i1f进行比较，其差值经过电流控制器，即P控制器输出主逆变器电压调制波u1m。
[0064] 3、辅助逆变单元
[0065] 本实施例中辅助逆变单元包括辅助逆变器和辅助逆变控制器。辅助逆变器的输出端接入主逆变器的输出端。
[0066] (1)辅助逆变器
[0067] 该辅助逆变器包括三个单相全桥逆变器，如图1所示：
[0068] 三个单相全桥逆变器的输入端并联后接入三相PWM整流器的输出端；单相全桥逆变器的输出端接入第二变压器的原边绕组，第二变压器的副边绕组与主逆变器的输出端串联；第二变压器的副边绕组两端并联有第二电容器；第二电容器与第二变压器的漏感形成第二LC滤波器，该第二LC滤波器为高带宽滤波器。
[0069] 本实施例中，第二电压器和第二电容器的数量均为3，与三个单相全桥逆变器构成三相辅助逆变器。
[0070] 辅助逆变器，用于模拟电网谐波和电网阻抗特性，承担电网模拟器输出功率较小的部分。辅助逆变器为小功率逆变器，本实施例中辅助逆变器中的功率开关器件采用MOSFET，满足其因模拟电网高频谐波所需的高开关频率。
[0071] (2)辅助逆变控制器
[0072] 该辅助逆变控制器与电网控制平台通信，接收电网控制平台下发的第二逆变指令。辅助逆变器依据该第二逆变指令对PWM整流器输出的直流电压进行逆变，如图4所示，辅助逆变控制器对辅助逆变器中第二电容器上的电压v20进行反馈控制。
[0073] 如图4所示，辅助逆变控制器采用电压电流双闭环控制，该电压电流双闭环控制包括电压外环反馈控制和电流内环反馈控制；电压外环反馈控制包括PI+重复控制器，该PI+重复控制器的反馈量为第二电容器两端的电压v20；电流内环反馈控制包括P控制器，该P控制器的反馈量为第二LC滤波器的漏感电流i2f。
[0074] 当电网模拟器工作于电网谐波模拟模式时，第二逆变指令U2ref＝U12，当电网模拟器工作于电网阻抗模拟模式时，第二逆变指令U2ref＝U22。第二逆变指令与第二电容器上的电压v20进行比较，其差值经过电压控制器即PI+重复控制器，输出辅助逆变电流指令，该电流指令与辅助逆变器即P控制器，输出侧的漏感电流i2f进行比较，其差值经过电流控制器输出辅助逆变器电压调制波u2m。
[0075] 如图3所示，本实施例中PWM整流控制器、主逆变控制器和辅助逆变控制器相互独立，电网控制平台协调控制PWM整流控制器、主逆变控制器和辅助逆变控制器工作。三相PWM整流器与主逆变器，以及三相PWM整流器与辅助逆变器构成双级逆变拓扑结构，第一级为三相PWM整流器，第二级分别为主逆变器和辅助逆变器，从而可以使得电网模拟器能够实现
能量的双向流动。
[0076] (3)电网控制平台
[0077] 电网控制平台包括一个上位机，该上位机可以实现
人机交互功能。通过在上位机中设定电网模拟器需要模拟的电网工作特性和在该电网工作特性下各控制器的控制参数，向各控制器下发指令。本实施例中电网工作特性包括：
[0078] ①：电网理想工作特性
[0079] 电网理想工作特性指的是模拟电网基波电压的幅值和频率，幅值和频率的具体数值由上位机设定。
[0080] ②：电压闪变
[0081] 电压闪变指的是模拟电网基波电压的幅值和频率发生跃变，幅值和频率的具体数值由上位机设定。
[0083] 低电压穿越指的是模拟电网对称或不对称电压跌落，电压跌落深度和持续时间由上位机设定，且设定电网模拟器的输出电压不随负载变化而变化。
[0084] ④：电网谐波
[0085] 电网谐波指的是模拟电网电压含有谐波分量时的波形情况，各次谐波相对于基波的幅值百分比和
相位偏移由上位机设定。
[0086] ⑤：电网阻抗特性
[0087] 电网阻抗特性指的是模拟电网阻抗特性，以测试并网逆变器在弱电网下的工作特性及应对弱电网阻抗策略的有效性，电网阻抗压降随负载电流变化而变化。
[0088] 4、电网模拟器的工作模式
[0089] 本实施例中该工作模式包括电网谐波模拟模式和电网阻抗模拟模式，其中：
[0090] (1)电网谐波模拟模式
[0091] 当电网模拟器工作于电网谐波模拟模式时，电网模拟器的输出电压U1PCC的计算公式为：
[0092] U1PCC＝U11+U12 (1)
[0093] 其中，U11为主逆变器的输出电压， U12为辅助逆变器的输出电压， Um为基波电压幅值，ω为基波角频率， 为基波电压的初始
相角，ai为第i次谐波电压幅值相对于基波电压幅值的比例， 为第i次谐波电压的初始相角。本实施例中输出电压U11、输出电压U12和输出电压U1PCC的波形关系如图5所示。
[0094] 本实施例中主逆变器的参考控制电压U1ref为电网基波分量，U1ref＝U11，辅助逆变器的参考控制电压U2ref为各次谐波分量之和，U2ref＝U12。
[0095] 本实施例中电网含谐波的电压 表达式为：
[0096]
[0097] (2)电网阻抗模拟模式
[0098] 电网模拟器模拟等效电网阻抗的模型如图6所示，从分布式并网系统公共耦合点PCC角度看，电网可以视为理想电压源和阻感型内阻的串联。电网阻抗由电网内部阻抗、传输线阻抗和变压器阻抗组成，在弱电网下电网阻抗会导致分布式并网逆变器中的输出滤波器谐振点下移，可能会导致分布式并网系统不稳定，因此，模拟电网阻抗变化用于考核并网变流器在电网阻抗条件下的自适应控制能力。图6中电网等效阻抗z、负载电流Iz和公共耦合点电压UPCC之间的关系如图7所示，主逆变器输出电压为U21，当电网等效阻抗z设定为z1时，若此时负载电流Iz为Iz1，则Iz1在z1上的交点即为电网模拟器输出电压UPCC1；此时，若将电网等效阻抗z设定为z2，而负载电流保持为Iz1不变，则Iz1在z2上的交点即为电网模拟器输出电压UPCC2，可以看出，电网模拟器输出电压随着等效阻抗的不同而改变，具体原理如下：
[0099] 分布式并网系统公共耦合点电压UPCC的计算公式为：
[0100] Upcc＝Ugrid-ΔUg＝Ugrid-Iz·Zg (3)
[0101] 其中，Ugrid为理想电网电压，ΔUg为电网阻抗压降，Zg为电网等效阻抗，Iz为电网模拟器的负载电流。
[0102] 电网模拟器与分布式并网系统的连接端即为公共耦合点PCC，因此主逆变器可以模拟理想电网电压Ugrid，辅助逆变器可以模拟电网阻抗压降ΔUg，即当电网模拟器工作于电网阻抗模拟模式时，电网模拟器的输出电压U2PCC的计算公式为：
[0103] U2PCC＝U21+U22 (4)
[0104] 其中，U21为主逆变器的输出电压，
[0105] U22为辅助逆变器的输出电压，U22＝-Iz·Zg，Zg＝rg+j(iωLg)，rg为电网等效阻抗中的电阻值，i＝1,2,...,n。对负载电流Iz进行FFT分析可以得到：
[0106]
[0107] 其中，IZ0为负载电流的直流分量， 为第i次谐波电流的余弦分量系数， 为第i次谐波电流的正弦分量系数。此时，由于直流分量在电感上的压降为0，辅助逆变器的输出电压U22的计算公式为：
[0108]
[0109] 本实施例中主逆变器的参考控制电压U1ref＝U21，辅助逆变器的参考控制电压U2ref＝U22，从而使得辅助逆变器输出与负载电流Iz相对应的电压波形，可以较精确地模拟电网阻抗。
[0110] 最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本
申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
