一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路

技术领域

本发明涉及配电网实时仿真技术领域，具体涉及一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路。

背景技术

数模混合实时仿真系统是目前最为有效的研究含分布式电源、高渗透率充电等设备的复杂配电网全工况运行的工具。但数字和物理系统的对接却面临挑战，昂贵的功率放大器、电压或功率水平的约束极大限制了数模混合实时仿真系统的研究范围和适应能力。

配电网实时仿真中，复杂扰动类型对物理侧的影响研究受到广泛关注，仿真的输出结果采用低成本手段转换为准确的物理量是一个热点研究方向。

目前功率放大器存在的功能单一、价格昂贵、容量较小的缺点，需要实现一种低成本、多扰动类型的实时仿真接口电路，可根据实时仿真系统输出的指令下控制输出对应的各种带宽的扰动功率物理量。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路，包括：

交流稳压电源(6)、串联型电压扰动支路和串联注入变压器组(5)；

所述串联注入变压器组(5)的副边绕组分别串联接入交流稳压电源(6)与物理侧电路(11)之间的三相电源线路；

所述交流稳压电源(6)提供输出信号基础功率；

所述串联型电压扰动支路一端连接到三相电源线路，另一端连接串联注入变压器组(5)的原边绕组，所述串联型扰动支路通过控制电路控制提供输出信号扰动功率。

优选的，所述串联型电压扰动支路包括：并联换流变压器(1)、三相全桥PWM变流器(2)、直流斩波器及超级电容储能系统(3)、单相全桥PWM变流器组(4)；

所述并联换流变压器(1)的原边三相引线并联接入到所述交流稳压电源(6)供电线路上，副边三相引线与三相全桥PWM变流器(2)的三个桥臂终端连接；

所述三相全桥PWM变流器(2)的直流母线间并联了直流斩波器及超级电容储能系统(3)后连接到单相全桥PWM变流器组(4)；

所述单相全桥PWM变流器组(4)接入串联注入变压器组(5)。

优选的，所述并联换流变压器(1)为三相双绕组变压器，原边和副边分别为星形和三角形接线。

优选的，所述三相全桥PWM变流器(2)包括：三个桥臂终端；

所述每个桥臂包括两个串联的IGBT和与所述IGBT反并联的二极管；

三个桥臂的上端点和下端点分别连接到一起。

优选的，所述直流斩波器及超级电容储能系统(3)包括：超级电容储能单元、共用电感和开关器件；

所述开关器件与超级电容储能单元并联于PWM变流器输出的直流母线间；

所述共用电感的一侧连接所述超级电容的正极，另一侧连接到直流斩波桥臂的终端。

优选的，所述超级电容储能单元包括多个超级电容单体和两只二极管；

所述多个超级电容单体串联构成超级电容，其中一只二极管阳极、阴极分别接至所述超级电容负极、正极；另一只二极管的阳极、阴极分别接至所述超级电容的正极、三相全桥PWM变流器(2)输出的正极直流母线上。

优选的，所述开关器件包括：两个IGBT和两个二极管；

每个IGBT分别反向并联一个二极管。

优选的，还包括LCL滤波器(10)；

所述LCL滤波器(10)接于并联换流变压器(1)副边三相引线与三相全桥PWM变流器(2)之间；

所述LCL滤波器(10)包括三个单相LCL支路；

每相LCL支路包括两只串联的电感，以及一端与所述两只电感连接的电容器；

三个单相LCL滤波支路的电容器的另一端连接到一起，形成三相LCL滤波电路。

优选的，还包括谐振阻尼滤波器(7)；

所述谐振阻尼滤波器(7)并联在LC低通滤波器和串联注入变压器组(5)之间。

优选的，所述谐振阻尼滤波器(7)包括：三个并联的阻容阻尼支路；

每条阻容阻尼支路包括串联的电容和电阻。

优选的，还包括电池储能单元(8)；

所述电池储能单元(8)并联在直流斩波器及超级电容储能系统(3)的超级电容两端。

优选的，所述电池储能单元(8)包括：并联的放电支路和电池；

所述放电支路包括串联的一只IGBT和一只耗能电阻。

优选的，还包括平波和限压电路(9)；

所述平波和限压电路(9)接于直流斩波器及超级电容储能系统(3)和单相全桥PWM变流器组(4)之间；

所述平波和限压电路(9)包括：并联的平波电容器和降压斩波器；

所述降压斩波器包括一个IGBT、联续流二极管和耗能电阻；

所述IGBT反并联续流二极管后与耗能电阻串联。

优选的，所述单相全桥PWM变流器组(4)包括：三台单相全桥PWM变流器；

每个单相全桥PWM变流器包括两个桥臂；

每个桥臂包括2个串联的IGBT，以及与每个IGBT反向并联的续流二极管。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路，包括：交流稳压电源(6)、串联型电压扰动支路和串联注入变压器组(5)；所述串联注入变压器组(5)的副边绕组分别串联接入交流稳压电源(6)与物理侧电路(11)之间的三相电源线路；所述交流稳压电源(6)提供输出信号基础功率；所述串联型电压扰动支路一端连接到三相电源线路，另一端连接串联注入变压器组(5)的原边绕组，所述串联型扰动支路通过控制电路控制提供输出信号扰动功率。基于串联补偿模式实现低成本、多扰动类型的实时仿真接口电路，可根据实时仿真系统输出的指令下控制输出对应的各种带宽的扰动功率物理量。

附图说明

图1为本发明的配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路图；

图2为接口电路产生电压暂升、暂降波形的机理；

并联换流变压器1、三相全桥PWM变流器2、直流斩波器及超级电容储能系统3、单相全桥PWM变流器组4、串联注入变压器组5、交流稳压电源6、谐振阻尼滤波器7、电池储能单元8、平波和限压电路9、接入LCL滤波器10和物理侧电路11。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

本发明的目的在于提供一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路，以实现降低当前功率放大器高成本、低容量的缺点。

本发明提供的一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路基于串联补偿的方式进行实时仿真系统扰动信号的功率转换输出，信号的基础功率由恒定的交流稳压电源提供，扰动功率由串联补偿电源提供，这样的设计即可实现接口电路能提供远大于传统功率放大器提供的转换功率。在输出功率中占比较高的基本功率由成低廉的交流稳压电源提供，而宽频带高精度的扰动功率由小功率的串联补偿电路提供，由交流稳压电源和串联补偿电路构成的实时仿真系统数模接口电路便实现了降低成本、提高容量和控制精度的目标。

本发明一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路，如图1所示包括：

并联换流变压器1为三相双绕组变压器，原副边分别为星形和三角形接线，连接组为Y/D-11，变压器原边三相引线并联连接到三相供电线路上，副边三相引线连接到三相全桥PWM变流器2的三个桥臂终端。

每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管串联而成。三个桥臂上下端点分别连接到一起，形成变流器的直流母线，上端母线P为正极，下端母线N为负极。当三相全桥PWM变流器2工作于高频整流状态下时，能量从电网侧流向直流侧的负载；而它工作于再生状态下，相当于三相PWM电压型逆变器，将直流侧的能量回馈到交流侧电网。正负两条直流母线连接到直流斩波器及超级电容储能系统3。

超级电容储能系统3，由若干超级电容单体串联而成，连接到超级电容的两只二极管实现对超级电容的保护。一只二极管阳极、阴极分别接至超级电容负极、正极；另一只二极管的阳极、阴极分别接至超级电容的正极、三相全桥PWM变流器2输出的正极直流母线P。直流斩波器及超级电容储能系统3采用的开关器件为两只IGBT，高位IGBT实现超级电容充电的降压斩波控制，低位IGBT实现超级电容放电的升压斩波控制，两只二极管分别与IGBT反向并联。连接到超级电容正极上的电感为升压斩波与降压斩波的共用电感，电感的另一侧引线连接到直流斩波桥臂的终端。三相全桥PWM变流器2输出的直流母线间并联了直流斩波和超级电容储能系统3后，连接到三台单相全桥PWM变流器4的直流侧，构成共用直流母线。

每个单相全桥PWM变流器分别由两个桥臂、四只IGBT构成，每只IGBT均反向并联了续流二极管。单相全桥PWM变流器的两个桥臂终端连接到LC低通滤波器，与三相串联滤波电感相连，然后接入串联注入变压器组5。串联注入变压器组由三台单相注入变压器构成，每台变压器均为单相双绕组结构。串联注入变压器5的输出信号和交流稳压电源6的输出信号叠加，构成了实时仿真器输出的复合扰动信号施加到物理侧电路11上。为了有效支撑电压及减小纹波，三台单相全桥PWM变流器的共用直流母线间连接有平波和限压电路9，平波和限压电路9由平波电容器和限压斩波器构成，限压斩波器由一只IGBT T2反并联续流二极管后与耗能电阻R2串联构成。

为了减小逆变器2注入电源的谐波，逆变器2的输入侧配置了LCL滤波器10，LCL滤波器由三个单相LCL支路构成，每相LCL支路由2只电感串联，两只电感连接处接有电容器，构成了T型滤波电路。三个LCL滤波支路的电容另一端连接到一点，形成三相LCL滤波电路。在一些应用中，考虑到直流斩波器及超级电容储能系统3中超级电容储能不足，因此在直流斩波器及超级电容储能系统3的超级电容两端并联了电池储能单元8，由放电支路和电池Eb并联构成。放电支路由一只IGBT T1串联一只耗能电阻R1构成。单相全桥PWM变流器组4的输出接有LC滤波器，一般情况下可以有效滤除PWM载波频率对应的高次谐波，但实际运行中，可能与物理侧电路的参数发生谐波放大导致参数谐振问题。因此，设置了谐波谐振阻尼回路7，由三个阻容阻尼支路并联构成，每条支路由电容Cx和电阻Rx串联构成。

基于串联补偿模式实现大容量、多扰动类型的功率信号输出方法，较好克服了目前功率放大器存在的功能单一、价格昂贵、容量较小的缺点，具有显著的技术经济优越性。接口电路可在串联调制模式下产生配电网全工况复杂扰动的各种暂稳态扰动波形。

电池储能单元8的作用是当物理侧电路需要提供较大能量，而超级电容储能不足时，由电池Eb进行有功支撑。对能量较小的负荷，由超级电容储能进行支撑，这样可以显著减小电池Eb的容量配置，既减小了投资，又提升了运行工况的适应性，满足快速和慢速冲击负荷的调节需求。电池储能单元8中的放电支路用于对电池E8进行运维管理，避免电池长期浮充导致性能下降。

当直流母线PN出现过电压时，平波和限压电路9发挥限压作用，限压支路调节T2的通断，实际上就是调节施加在R2上的电压，R2上的电压越高，则R2吸收的冲击功率就越大。T2占空比越大，则它导通的时间越长，R2上的平均电压越高，消耗的功率越大。因此，T2的占空比越高，R2消耗的冲击功率越大，从而限制直流母线PN之间的过电压。

谐波谐振阻尼回路7和逆变器组4中设置的LC输出滤波器的作用是不同的。LC输出滤波器作为高通滤波器进行设计，将逆变器的高频载波信号滤除，而只输出远低于载波频率的工频信号。而谐波谐振阻尼回路7是作为阻尼滤波器进行设计的，用于抑制外部电路可能引发的谐波谐振导致输出不稳定。

在运行中，若无谐波谐振发生，仅LC输出滤波器发挥作用，谐波谐振阻尼回路与LC滤波器并联运行，等效为旁路状态；当系统有谐波谐振发生，谐波谐振阻尼回路7发挥作用，阻尼谐振能量，稳定调节器输出。

本发明的优点在于：基于串联补偿模式实现大容量、多扰动类型的功率信号输出方法，较好克服了目前功率放大器存在的功能单一、价格昂贵、容量较小的缺点，具有显著的技术经济优越性。接口电路可在串联调制模式下产生配电网全工况复杂扰动的各种暂稳态扰动波形。

实施例2：

利用本发明提供的一种配电网扰动的实时仿真系统数模接口电路，实现不同扰动波形的实施例阐述如下。

数模接口电路输出的电压为基波稳压电源输出的电压与扰动源输出的电压之和。下面以接口电路产生电压暂升、暂降扰动为例进行说明。

电压暂升、暂降的统一数学表达式可以由式(1)表示，其中f(t)为方波函数，函数f(t)的幅值为1，周期T和占空比D都可以调节，电压暂升、暂降本质上是一种典型的矩形波调制的电压波动与闪变，波形如图2所示：

u＝u

其中，u1是交流稳压电源6输出的三相对称基波电压，u2为通过控制单相全桥PWM变流器组4输出基波电压：

u

当f(t)＝1时，即逆变器输出电压与系统电压同相位，产生电压暂升，其暂升幅值为A

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。