一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器制造技术

本发明专利技术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，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；三相PWM整流器的输入端通过电抗器接入电网；三相PWM整流器的输出端分别与主逆变器和辅助逆变器连接，辅助逆变器的输出端接入主逆变器的输出端。与现有技术相比，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源输电
，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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
为了满足现有技术的需要，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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；所述三相PWM整流器的输入端通过电抗器接入电网；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。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；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；所述第一变压器和第一电容器的数量均为3；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；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；所述第二电压器和第二电容器的数量均为3；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；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；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；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；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；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；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：U1PCC＝U11+U12(1)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；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：U2PCC＝U21+U22(2)其中，U21为主逆变器的输出电压，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；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；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；优选的，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；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。与最接近的现有技术相比，本专利技术的优异效果是：1、本专利技术技术方案中，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；2、本专利技术技术方案中，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；3、本专利技术技术方案中，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；4、本专利技术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。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1：本专利技术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；图2：本专利技术实施例中主逆变器和辅助逆变器的单相拓扑图；图3：本专利技术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；图4：本专利技术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；图5：本专利技术实施例中主逆变器和辅助逆变器模拟电网谐波的波形图；图6：本专利技术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；图7：本专利技术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。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器，其特征在于，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；所述三相PWM整流器的输入端通过电抗器接入电网；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。

【技术特征摘要】
1.一种具有精确谐波电压和虚拟阻抗控制的电网模拟器，其特征在于，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；所述三相PWM整流器的输入端通过电抗器接入电网；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。2.如权利要求1所述的电网模拟器，其特征在于，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；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；所述第一变压器和第一电容器的数量均为3。3.如权利要求1所述的电网模拟器，其特征在于，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；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；所述第二电压器和第二电容器的数量均为3。4.如权利要求1所述的电网模拟器，其特征在于，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。5.如权利要求1所述的电网模拟器，其特征在于，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；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；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；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。6.如权利要求1所述的电网模拟器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，胡金杭，陶以彬，李官军，刘欢，冯鑫振，周晨，余豪杰，崔红芬，曹远志，庄俊，赫卫国，李跃龙，朱红保，侯书毅，鄢盛驰，卢俊峰，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32