模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种带有同步发电机特性和谐波发生功能的电网模拟器及控制方法。所述带有同步发电机特性和谐波发生功能的电网模拟器，包括同步发电机特性实现模块，谐波发生模块，三相串联耦合式变压器组和三相负载。所述谐波发生模块中三相LC滤波器2输出的电容电压通过三相串联耦合式变压器组与所述同步发电机特性实现模块中三相LC滤波器1的输出电压串联，共同为三相负载供电。本发明公开的电网模拟器通过模拟同步发电机特性，同时又可发出谐波，提高和完善了现有电网模拟器的功能，满足更多的电气和电子产品在电网电压异常情况下的性能测试和研究。

说明书

技术领域

本发明属于电能质量分析和控制领域，涉及一种带有同步发电机特性和谐波发生功能的电网模拟器及其控制方法，既可以模拟同步发电机特性，又可以发出谐波，在分布式发电研究中，为系统提供了带有同步发电机特性和谐波发生功能的电网测试环境，满足更多的电气和电力电子设备的性能测试和研究需要。

背景技术

新能源发电系统的并网运行可以节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性，是21世纪电力行业发展的重要方向。为了确保系统安装者的安全以及电网的可靠运行，分布式发电系统必须满足并网的技术要求，随着越来越多的分布式发电系统接入电网，各国电网公司均对分布式发电提出了严格的要求，因此在分布式发电系统研究中，对能够为电气和电力电子设备提供测试平台的电网模拟器需求迫在眉睫。

能源互联网技术和智能电网技术的快速发展，为同步发电机的应用和推广提供了优越的条件和广阔的平台。目前，同步发电机主要应用于包含光伏、风电、柴油发电、储能系统的等分布式电源的多能互补微电网，电动汽车充电桩、能量路由器、柔性高压直流输电等领域。因此，将同步发电机特性融入到电网模拟器中，增强了电网模拟器的功能，也成为电网模拟器研究重要意义之一。

随着电力电子装置的广泛应用，大量的谐波被注入电网，致使整个电网的电能质量日益恶化。电网中的谐波问题已经引起人们的广泛关注，为了避免谐波的危害，保证较高的供电质量，各个国家、地区和国际组织在这方面制定了诸多的标准。

目前，电网模拟器的研究已经成为分布式发电研究的热点问题，如实用新型专利文献《一种全能量回馈型电网模拟器》(公开号CN203911496U)和《电网模拟器》(公开号CN204668948U)，其中：

中国实用新型专利说明书CN203911496U于2014年10月29日公开的《一种全能量回馈型电网模拟器》，该实用新型可以实现电网电压渐变、零电压穿越、频率渐变、过(欠)压、过(欠)频等功能的模拟，可以满足光伏逆变器各种电气性能测试及电网故障模拟；

中国实用新型专利说明书CN204668948U于2015年9月23日公开的《电网模拟器》，该实用新型包括输入单元、能量转换单元、控制单元、输出单元，能量转换单元包括PWM整流器和PWM逆变器；电网电压通过输入单元传输至能量转换单元，经能量转换单元整流和逆变后传输至输出单元，并通过输出单元向外输出；控制单元接收输出单元传送的反馈信号，控制能量转换单元的运行。本实用新型的电网模拟器稳定性高、可靠性好；且结构简单、易于控制。

纵观现有相关电网模拟器授权专利，仅仅是模拟最基础的电网故障情况，没有任何电网模拟器资料包含同步发电机特性，同时，关于谐波对于电网的影响研究也甚少，其存在的技术问题如下：

1、同步发电机的应用在分布式发电系统研究中越来越广泛，以往只能模拟电网故障情况的电网模拟器已经无法满足现代电气和电力电子设备提供测试要求，需要将同步发电机特性融入电网模拟器中，提高和完善电网模拟器的功能；

2、在理想状态下，电网电压应该是正弦波，但是由于电力系统中存在大量非线性特性的用电设备，导致实际的波形偏离正弦波，为了还原真实的电网环境，需要在电网模拟器中设置相应的谐波发生模块20，来模拟电压正弦的畸变现象。

发明内容

本发明公开了一种模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置及控制方法，通过模拟同步发电机特性，输出具有下垂特性的50Hz工频电压并充当电网基波电压，同时又可发出谐波，提高和完善了已有电网模拟器的功能，满足更多的电气和电子产品在电网电压异常情况下的性能测试和研究。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置，包括同步发电机特性实现模块10，谐波发生模块20，三相串联耦合式变压器组30和三相负载40；

所述同步发电机特性实现模块10包括直流源1，三相三电平PWM逆变器1，三相LC滤波器1，三相△/Y型隔离变压器和三相STS静态切换开关1；所述直流源1与所述三相三电平PWM逆变器1的直流侧输入端相连，所述三相三电平PWM逆变器1输出端与所述三相LC滤波器1电感输入端一一对应相连，所述三相LC滤波器1电感输出端与所述三相△/Y型隔离变压器原边输入端一一对应相连，所述三相△/Y型隔离变压器副边输出端与所述三相LC滤波器1电容输入端一一对应相连，所述三相LC滤波器1电容输出端与所述三相STS静态切换开关1输入侧一一对应相连，所述三相STS静态切换开关1输出侧与所述三相串联耦合式变压器组30副边输入侧一一对应连接；

所述谐波发生模块20包括直流源2，三相三电平PWM逆变器2，三相LC滤波器2和三相STS静态切换开关2；所述直流源2与所述三相三电平PWM逆变器2的直流侧输入端相连，所述三相三电平PWM逆变器2输出端与所述三相LC滤波器2电感输入端一一对应相连，所述三相LC滤波器2电容输出端与所述三相STS静态切换开关2输入侧一一对应相连，所述三相STS静态切换开关2输出侧与所述三相串联耦合式变压器组30原边输入侧一一对应连接，所述三相LC滤波器2的电容中性点N与所述三相串联耦合式变压器组30原边输出侧短接；

所述三相串联耦合式变压器组30副边输出端与所述三相负载40输入端一一对应连接，所述三相负载40输出端短接。

本发明还提供了一种模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置的控制方法，所述控制方法包括同步发电机特性控制部分和谐波控制部分；

所述同步发电机特性控制部分包括以下步骤：

步骤1，先采集一个开关周期内所述三相LC滤波器1电感电流i_aL1、i_bL1、i_cL1,电容电流i_a1、i_b1、i_c1，电容相电压u_a1、u_b1和u_c1，然后通过坐标变换得到电感电流dq轴分量i_dL1、i_qL1，电容电流dq轴分量i_d1、i_q1和电容相电压dq轴分量u_d1、u_q1，最后通过功率计算得到电磁功率P_out，平均无功功率Q_out；

电感电流坐标变换方程为：

电容电流坐标变换方程为：

电容相电压坐标变换方程为：

以上六个坐标变换方程中，θ为q轴和d轴的夹差；

电磁功率P_out计算方程为：

平均无功功率Q_out计算方程为：

步骤2，根据步骤1中的电磁功率P_out，平均无功功率Q_out，给定有功功率P₀，给定无功功率Q₀，同步角频率ω₀，空载电势E₀，通过虚拟同步电机算法，得到暂态电压E_dre，机械角频率ω；

虚拟同步电机算法的计算方程为：

其中，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼系数，n为无功下垂系数，s为拉普拉斯算子；

步骤3，根据步骤1中的三相LC滤波器1电感电流dq轴分量i_dL1、i_qL1，电容电流dq轴分量i_d1、i_q1和电容相电压dq轴分量u_d1、u_q1,步骤2中的暂态电压E_dre，机械角频率ω，通过电压电流双闭环控制得到三相三电平PWM逆变器1的控制电压dq轴分量u_PWMq1，u_PWMd1；

电压电流双闭环控制方程为：

其中，K_up1为电压闭环控制的比例系数，K_ui1为电压闭环控制的积分系数，K_ip1为电流闭环控制参数，s为拉普拉斯算子；

步骤4，根据步骤3中得到的三相三电平PWM逆变器1控制电压dq轴分量u_PWMq1，u_PWMd1，通过坐标反变换得到三相调制波电压u_PWMa1，u_PWMb1和u_PWMc1，再通过PWM调制生成控制信号S₁驱动三相三电平PWM逆变器1；

坐标反变换公式为：

u_PWMa1＝u_PWMq1cosθ+u_PWMd1sinθ

所述谐波发生控制部分包括以下步骤：

首先给定三相三电平PWM逆变器2的三相指令电压u_refa2，u_refb2和u_refc2，取绝对值得到三相指令电压幅值|u_refa2|，|u_refb2|和|u_refc2|；其次采集一个开关周期内所述三相LC滤波器2电容相电压u_a2，u_b2和u_c2，取绝对值得到电容相电压幅值|u_a2|，|u_b2|和|u_c2|；然后通过幅值闭环控制得到三相三电平PWM逆变器2的三相调制波电压u_PWMa2，u_PWMb2和u_PWMc2，再通过PWM调制生成控制信号S₂驱动三相三电平PWM逆变器2；

幅值闭环控制方程为：

其中，K_p2为幅值闭环控制比例参数，K_i2为幅值闭环控制积分系数，ω为三相指令电压u_refa2，u_refb2和u_refc2的角频率，t为时间。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1、相对于现有技术，本发明所述模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置可以模拟同步发电机特性，输出带有下垂特性的电压作为电网模拟器的基波；

2、本发明所述模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置还可以发出谐波，提高和完善了现有电网模拟器的功能，为更多的电气和电子产品在电网电压异常情况下的性能测试和研究提供平台。

附图说明

图1为本发明带有同步发电机特性和谐波发生功能的电网模拟器拓扑图；

图2为本发明一种模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置的同步发电机特性控制图；

图3为本发明模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置的谐波发生特性控制图。

具体实施方式

利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建系统模型。

参见图1，本发明所述模拟同步发电机特性和谐波电压发生的装置包括同步发电机特性实现模块10，谐波发生模块20，三相串联耦合式变压器组30和三相负载40。

所述同步发电机特性实现模块10包括直流源1，三相三电平PWM逆变器1，三相LC滤波器1，三相△/Y型隔离变压器和三相STS静态切换开关1。本实施例中取直流源1电压为600V,取三相三电平PWM逆变器1功率100KW，额定电压400V，开关频率6KHz。本实施例的三相LC滤波器1，取电感0.5mH，电容90uF。本实施例的三相△/Y型隔离变压器为变比270/400的Dy11型隔离变压器。

所述直流源1与所述三相三电平PWM逆变器1的直流侧输入端相连，所述三相三电平PWM逆变器1输出端与所述三相LC滤波器1电感输入端一一对应相连，所述三相LC滤波器1电感输出端与所述三相△/Y型隔离变压器原边输入端一一对应相连，所述三相△/Y型隔离变压器副边输出端与所述三相LC滤波器1电容输入端一一对应相连，所述三相LC滤波器1电容输出端与所述三相STS静态切换开关1输入侧一一对应相连，所述三相STS静态切换开关1输出侧与所述三相串联耦合式变压器组30副边输入侧一一对应连接；

所述谐波发生模块20包括直流源2，三相三电平PWM逆变器2，三相LC滤波器2和三相STS静态切换开关2。本实施例中取直流源电压为800V，取三相三电平PWM逆变器2功率20KW，额定电压380V，开关频率16KHz。本实施例的三相LC滤波器2，取电感0.12mH，电容30uF。

所述直流源2与所述三相三电平PWM逆变器2的直流侧输入端相连，所述三相三电平PWM逆变器2输出端与所述三相LC滤波器2电感输入端一一对应相连，所述三相LC滤波器2电容输出端与所述三相STS静态切换开关2输入侧一一对应相连，所述三相STS静态切换开关2输出侧与所述三相串联耦合式变压器组30原边输入侧一一对应连接，所述三相LC滤波器2电容中性点N与所述三相串联耦合式变压器组30原边输出侧短接。

三相串联耦合式变压器组30变比为1，三相负载40为40KW功率运行时4欧姆电阻。所述三相串联耦合式变压器组30副边输出端与所述三相负载40输入端一一对应连接，所述三相负载40输出端短接。

所述同步发电机特性控制部分参见图2，包括以下步骤：

步骤1：先采集一个开关周期内所述三相LC滤波器1电感电流i_aL1、i_bL1、i_cL1,电容电流i_a1、i_b1、i_c1，电容相电压u_a1、u_b1和u_c1，然后通过坐标变换得到电感电流dq轴分量i_dL1、i_qL1，电容电流dq轴分量i_d1、i_q1和电容相电压dq轴分量u_d1、u_q1，最后通过功率计算得到电磁功率P_out，平均无功功率Q_out；

电感电流坐标变换方程为：

电容电流坐标变换方程为：

电容相电压坐标变换方程为：

以上坐标变换方程中，θ为q轴和d轴的夹差，单位为弧度/秒。

电磁功率P_out计算方程为：

平均无功功率Q_out计算方程为：

步骤2，根据步骤1中的电磁功率P_out，平均无功功率Q_out，给定有功功率P₀，给定无功功率Q₀，同步角频率ω₀，空载电势E₀，通过虚拟同步电机算法，得到暂态电压E_dre，机械角频率ω。

本实施例中取P₀＝40kW，Q₀＝0，ω₀＝314rad/s，E₀＝220V。

虚拟同步电机算法的计算方程为：

其中，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼系数，n为无功下垂系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中取D＝2pu，n＝1.1e-4。

步骤3：根据步骤1中的三相LC滤波器1电感电流dq轴分量i_dL1、i_qL1，电容电流dq轴分量i_d1、i_q1和电容相电压dq轴分量u_d1、u_q1,步骤2中的暂态电压E_dre，机械角频率ω，通过电压电流双闭环控制得到三相三相三电平PWM逆变器1的控制电压dq轴分量u_PWMq1，u_PWMd1；

电压电流双闭环控制方程为：

其中，K_up1为电压闭环控制的比例系数，K_ui1为电压闭环控制的积分系数，K_ip1为电流闭环控制参数，s为拉普拉斯算子。本实施例中取K_up1＝0.1，K_ui1＝500，K_ip1＝0.06。

步骤4：根据步骤3中得到的三相三电平PWM逆变器1控制电压dq轴分量u_PWMq1，u_PWMd1通过坐标反变换得到三相调制波电压u_PWMa1，u_PWMb1和u_PWMc1，再通过PWM调制生成控制信号S₁驱动三相三电平PWM逆变器1。

坐标反变换公式为：

u_PWMa1＝u_PWMq1cosθ+u_PWMd1sinθ

所述谐波发生控制部分参见图3，包括以下步骤：

首先给定三相三电平PWM逆变器2的三相指令电压u_refa2，u_refb2和u_refc2，取绝对值得到三相指令电压幅值|u_refa2|，|u_refb2|和|u_refc2|；其次采集一个开关周期内所述三相LC滤波器2电容相电压u_a2，u_b2和u_c2，取绝对值得到电容相电压幅值|u_a2|，|u_b2|和|u_c2|；然后通过幅值闭环控制得到三相三电平PWM逆变器2的三相调制波电压u_PWMa2，u_PWMb2和u_PWMc2，再通过PWM调制生成控制信号S₂驱动三相三电平PWM逆变器2。

幅值闭环控制方程为：

其中，K_p2为幅值闭环控制比例参数，K_i2为幅值闭环控制积分系数，ω为三相指令电压u_refa2，u_refb2和u_refc2的角频率，单位为弧度/秒，t为时间，单位为秒。本实施例取K_p2＝0.1，K_i2＝15，ω＝1570弧度/秒。