CN104852616A - 带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及控制方法。所述带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器，包括直流电源、三电平PWM逆变器、滤波器、负载以及控制电路。其中所述控制电路包括：三相电流检测装置、三相线路阻抗压降计算模块、三相理想电压源、三个加法器和PWM控制信号发生模块。所述控制方法包括以下步骤：检测滤波器输出电流；计算模块计算所需模拟的三相线路阻抗压降；计算PWM控制信号发生模块的电压指令信号，经过PWM控制信号发生模块生成出三电平PWM逆变器中功率开关管的驱动信号。本发明不仅可以模拟电网中的理想电压源，还附带了线路阻抗模拟功能，弥补了已有的电网模拟器功能的不足，增强了电网模拟器的功能。

Description

带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及控制方法

技术领域

本发明属于电能质量分析和控制领域，涉及一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及控制方法，在分布式发电研究中，为系统提供真实的电网环境的发生装置。

背景技术

电网提供的电压为低谐波的标准正弦电压，电网故障具有偶然性和不可控性，在分布式发电的研究以及系统测试时，仅通过电网本身无法模拟出各种故障状态。因此，需要通过一些专门的设备来模拟电网的故障情况。

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《一种电网模拟器》(公开号CN202818122U)和《一种全能量回馈型电网模拟器》(公开号CN 203911496U)，其中：

中国实用新型专利说明书CN202818122U于2013年3月20日公开的《一种电网模拟器》，这种电网模拟器能输出三相独立可调，有谐波、可做低电压穿越实验的交流电源；

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。

纵观现有相关电网模拟器授权专利，没有任何电网模拟器包含线路阻抗模拟功能，仅仅是从理想电源的角度对电网进行模拟，其存在的技术问题如下：

1、实际的电网并非理想电源，不带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器无法真实地反映系统的实际情况；

2、通常电网和负载之间会有一定的传输线路，不带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器无法体现出线路阻抗对电网的影响。

发明内容

本发明提出的一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及控制方法，可以根据实际所需模拟的线路阻抗，通过对负载电流进行反馈调节的方式实现线路阻抗模拟的功能，弥补了现有电网模拟器功能上的不足，具有创新性和实际应用价值。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器，包括直流电源、三电平PWM逆变器、滤波器、负载以及控制电路；所述控制电路包括：三相电流检测装置、三相线路阻抗压降计算模块、三相理想电压源、三个加法器和PWM控制信号发生模块；

所述直流电源输出端与所述三电平PWM逆变器输入端连接；

所述三电平PWM逆变器三相输出端与所述滤波器三相输入端一一对应相连，所述滤波器三相输出端与负载相连，分别输出电压u_a,u_b和u_c，输出电流i_a,i_b和i_c；

所述三相电流检测装置的三相输入端分别与所述滤波器三相输出端一一对应相连，三相电流检测装置的三相输出端与所述三相线路阻抗压降计算模块的三相输入端一一对应相连；

所述三个加法器之间为并联，每个加法器第一输入端接所述三相理想电压源的对应相，第二输入端接所述三相线路阻抗压降计算模块对应相输出端，输出端接所述PWM控制信号发生模块对应相输入端；

所述PWM控制信号发生模块的输出端接所述三电平PWM逆变器中功率开关管的控制端对应相连。

本发明还提供了一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，用三相电流检测装置检测滤波器，得到滤波器输出电流i_a,i_b和i_c；

步骤2，用三相线路阻抗压降计算模块计算所需模拟的三相线路阻抗压降Δu_a，Δu_b，Δu_c，即：

Δu_a＝i_a*Z_a

Δu_b＝i_b*Z_b

Δu_c＝i_c*Z_c

其中，Z_a，Z_b和Z_c为所需模拟的三相线路阻抗，Z_a，Z_b和Z_c的数值为设定值；

步骤3，利用步骤2得到的三相线路阻抗压降Δu_a，Δu_b，Δu_c计算PWM控制信号发生模块的电压指令信号U_a ^*,U_b ^*,U_c ^*，

U_a ^*＝U_a-Δu_a；

U_b ^*＝U_b-Δu_b；

U_c ^*＝U_c-Δu_c；

其中，U_a,U_b,U_c分别为三相理想电压源电压，其数值通过设定得到。

步骤4，将步骤3得到的电压指令信号U_a ^*,U_b ^*,U_c ^*经过PWM控制信号发生模块生成出三电平PWM逆变器中功率开关管的驱动信号，并通过PWM控制信号发生模块的输出端对三电平PWM逆变器中的功率开关管进行控制。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、将电网等效成理想电源串联阻抗模型，提高了电网模拟的准确度；

2、可以模拟带线路阻抗的电网，便于研究线路阻抗对系统的影响。

附图说明

图1为本发明的一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器结构图。

图2为具体实施例中电网模拟器接实际线路阻抗时结构图。

图3为具体实施例中电网模拟器模拟线路阻抗输出电压波形图。

图4为具体实施例中电网模拟器接实际线路阻抗输出电压波形图。

具体实施方式

利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建系统模型，提供了一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器，具体如图1所示。

由图1可见，本发明包括直流电源、三电平PWM逆变器、滤波器、负载以及控制电路。其中控制电路包括：三相电流检测装置、三相线路阻抗压降计算模块、三相理想电压源、三个加法器和PWM控制信号发生模块。

具体各个部分的连接如下：

所述直流电源输出端与所述三电平PWM逆变器输入端连接；

所述三电平PWM逆变器三相输出端与所述滤波器三相输入端一一对应相连，所述滤波器三相输出端与负载相连，分别输出电压u_a,u_b和u_c，输出电流i_a,i_b和i_c；

所述三相电流检测装置的三相输入端与所述滤波器三相输出端一一对应相连，三相输出端与所述三相线路阻抗压降计算模块的三相输入端一一对应相连；

所述三个加法器之间为并联，每个加法器第一输入端接所述三相理想电压源的对应相，第二输入端接所述三相线路阻抗压降计算模块对应相输出端，输出端接所述PWM控制信号发生模块对应相输入端；

所述PWM控制信号发生模块的输出端接所述三电平PWM逆变器中功率开关管的控制端对应相连。

在实施例中，系统的相关参数如下：

直流电源电压U_dc＝400V；

三电平PWM逆变器功率等级P＝125Kw,开关频率f_δW＝8KHz；

滤波器采用LC滤波器，具体参数滤波电感0.12e-3H，滤波电容30e-6F；三相理想电压源分别为：

U_a＝81.6497sin(100πt)，

$U_b=81.6497\sin (100\mathrm{\πt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}),$

$U_c=81.6497\sin (100\mathrm{\πt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π});$

其中，t为时间，为设定值。

负载选用三相电阻型负载，阻值为0.5欧姆。

另外，本发明还提供一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，用三相电流检测装置检测滤波器，得到滤波器输出电流i_a,i_b和i_c；

步骤2，用三相线路阻抗压降计算模块计算所需模拟的三相线路阻抗压降Δu_a，Δu_b，Δu_c，即：

Δu_a＝i_a*Z_a

Δu_b＝i_b*Z_b

Δu_c＝i_c*Z_c

其中，Z_a，Z_b和Z_c为所需模拟的三相线路阻抗，Z_a，Z_b和Z_c的数值为设定值。本具体实施例中，三相所需模拟的线路阻抗分别为：A相电阻R＝0.01Ω,B相电感L＝1e-5H,C相电容C＝1e-2F，即分别设置三相的线路阻抗为：

Z_a＝0.01Ω

Z_b＝ωL＝2*π*50*1e-5＝0.0031Ω

$Z_c=\frac{1}{\mathrm{\ωC}}=\frac{1}{2*\mathrm{\π}*50*1e-2}=0.3183\mathrm{\Ω},$

步骤3，利用步骤2得到的三相线路阻抗压降Δu_a，Δu_b，Δu_c计算PWM控制信号发生模块的电压指令信号U_a ^*,U_b ^*,U_c ^*，

U_a ^*＝U_a-Δu_a；

U_b ^*＝U_b-Δu_b；

U_c ^*＝U_c-Δu_c；

其中，U_a,U_b,U_c分别为三相理想电压源电压，其数值通过设定得到。本实施例中：

U_a＝81.6497sin(100πt)

$U_b=81.6497\sin (100\mathrm{\πt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$U_c=81.6497\sin (100\mathrm{\πt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

步骤4，将步骤3得到的电压指令信号U_a ^*,U_b ^*,U_c ^*经过PWM控制信号发生模块生成出三电平PWM逆变器中功率开关管的驱动信号，并通过PWM控制信号发生模块的输出端对三电平PWM逆变器中的功率开关管进行控制。

图3为本实施例输出电压u_a,u_b和u_c波形图。

同时，为了验证本发明中线路阻抗模拟功能的有效性，实施例还仿真了系统接实际线路阻抗的情况，具体结构参见图2。

系统的相关参数如下：

直流电源电压U_dc＝400V；

三电平PWM逆变器功率等级P＝125Kw,开关频率f_δW＝8KHz；

滤波器采用三相LC滤波器，具体参数滤波电感0.12e-3H，滤波电容30e-6F；

三相理想电压源分别为：

U_a＝81.6497sin(100πt)

$U_b=81.6497\sin (100\mathrm{\πt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$U_c=81.6497\sin (100\mathrm{\πt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

其中，t为时间，为设定值。

负载选用三相电阻型负载，阻值为0.5欧姆。

如图2所示，直流电源输出端与三电平PWM逆变器输入端连接；三电平PWM逆变器三相输出端与滤波器三相输入端一一对应相连，滤波器三相输出端分别连接不同的实际阻抗，其中A相接电阻R，B相接电感L，C相接电容C，计算公式如下：

R＝0.01Ω，

L＝1e-5H，

C＝1e-2F，这样输出电压u_a′,u_b′和u_c′；

图4为输出电压u_a′,u_b′和u_c′波形图。

通过图3和图4，列出表格1为时间0.315s时所述控制方法得到的输出电压值与接实际线路阻抗得到的输出电压值：

列表1

由表格1很清楚地看出，与系统接实际的线路阻抗相比，采用本发明控制方法的电网模拟器输出的电压值近似相等，误差在1％以内，说明所述一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及其控制方法能够实现线路阻抗的模拟，是有效可行的。

Claims (2)

1.一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器，包括直流电源、三电平PWM逆变器、滤波器、负载以及控制电路，其特征在于：

所述控制电路包括三相电流检测装置、三相线路阻抗压降计算模块、三相理想电压源、三个加法器和PWM控制信号发生模块；

所述直流电源输出端与所述三电平PWM逆变器输入端连接；

所述三电平PWM逆变器三相输出端与所述滤波器三相输入端一一对应相连，所述滤波器三相输出端与负载相连，分别输出电压u_a，u_b和u_c，输出电流i_a，i_b和i_c；

所述三相电流检测装置的三相输入端分别与所述滤波器三相输出端一一对应相连，三相电流检测装置的三相输出端与所述三相线路阻抗压降计算模块的三相输入端一一对应相连；

所述三个加法器之间为并联，每个加法器第一输入端接所述三相理想电压源的对应相，第二输入端接所述三相线路阻抗压降计算模块对应相输出端，输出端接所述PWM控制信号发生模块对应相输入端；

所述PWM控制信号发生模块的输出端与所述三电平PWM逆变器中功率开关管的控制端对应相连。

2.根据权利要求书1所述一种带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，用三相电流检测装置检测滤波器，得到滤波器输出电流i_a，i_b和i_c；

步骤2，用三相线路阻抗压降计算模块计算所需模拟的三相线路阻抗压降Δu_a，Δu_b，Δu_c，即：

Δu_a＝i_a*Z_a

Δu_b＝i_b*Z_b

Δu_c＝i_c*Z_c

其中，Z_a，Z_b和Z_c为所需模拟的三相线路阻抗，Z_a，Z_b和Z_c的数值为设定值；

步骤3，利用步骤2得到的三相线路阻抗压降Δu_a，Δu_b，Δu_c计算PWM控制信号发生模块的电压指令信号U_a ^*，U_b ^*，U_c ^*，

U_a ^*＝U_a-Δu_a；

U_b ^*＝U_b-Δu_b；

u_c ^*＝U_c-Δu_c；

其中，U_a，U_b，U_c分别为三相理想电压源电压，其数值为设定值；

步骤4，将步骤3得到的电压指令信号U_a ^*，U_b ^*，U_c ^*经过PWM控制信号发生模块生成出三电平PWM逆变器中功率开关管的驱动信号，并通过PWM控制信号发生模块的输出端对三电平PWM逆变器中的功率开关管进行控制。