一种基于九开关变流器的电网模拟器及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种电网电压发生装置，具体是一种基于九开关变流器的电网模拟器及其应用方法。

背景技术

风力发电、太阳能光伏发电等分布式发电系统的并网运行被学者专家公认为可以节约成本、降低能耗、提高电力系统的经济性、稳定性和灵活性。但随着大规模的分布式系统接入电网，分布式发电系统对电网的消极影响逐渐凸显出来，比如电网会出现电压幅值跌落、骤升，电压相位偏移等故障。在分布式系统并入电网的研究中，了解电力系统在这些故障下的运行特性就显得十分重要。然而由于电网的目标是提供标准三相正弦电压，各种形式的电网故障并不多见，并且在实验室条件范围内，仅通过电网很难复现这些故障。因此，需要一种能够按照测试要求复现电网故障的装置，即电网模拟器。

根据国内外对电网模拟器多年的研究成果来看，可以将电网模拟器装置归纳为三种：基于阻抗形式、基于变压器形式和基于电力电子变换形式。其中基于电力电子变换形式的电网模拟器运行灵活，功能强大，能够满足各种故障情况下的测试要求。

目前基于电力电子变换形式的电网模拟器拓扑结构使用较多的有以下几种：

1.背靠背式十二开关变流器拓扑，整流环节采用三相PWM整流器，逆变环节采用三相PWM逆变器；

2.三相分离结构拓扑，整流环节采用三相PWM整流器，逆变环节采用3个单相逆变器。同时为了避免发生直流侧短路，必须使用变压器进行隔离；

3.基谐分解型结构拓扑，整个系统分为基波和谐波两个部分，基波和谐波整流模块都采用了三相PWM整流器，基波和谐波逆变模块都分别采用了3个单相逆变器，相当于使用了两个三相分离结构拓扑；

4.多电平基谐分解型结构，整个系统也是分为基波和谐波两个部分，基波发生模块采用大功率低开关频率的三电平背靠背系统，谐波发生模块采用小功率高带宽的三电平背靠背系统；

5.多电平DC-DC结构，主要特点是由多个功率模块组成了功率变流器，一共有三相。一个功率模块包括了工频二极管，DC-DC变流器以及单相H桥逆变器。

以上拓扑结构及控制都比较复杂、开关器件多、体积大且造价高。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于九开关变流器的电网模拟器，不仅可以四象限运行以实现电能向电网的回馈，而且可提供三相电网电压输出并模拟如电压跌落、相位偏移等各种电网故障情况；同时相对于以上拓扑结构，基于九开关变流器的电网模拟器成本更低、体积更小、损耗更少。

本发明采用下述技术方案：

一种基于九开关变流器的电网模拟器，包括输入单元、输出单元、变流单元和控制单元，所述输入单元的输出端通过变流单元与输出单元连接，所述控制单元与变流单元和输出单元连接；所述的变流单元采用九开关变流器；所述控制单元通过检测逆变侧三相电压，经过坐标变换，通过PI控制调节，获得逆变侧PWM控制信号，从而控制变流单元中九开关变流器功率器件的开通与关断，产生所需要模拟的电网电压。

进一步的，所述的输入单元包括三相变压器和电感L1；所述的输出单元包括LC滤波器和输出端口。

进一步的，所述九开关变流器具有三根并联的桥臂，所述的桥臂包括三个串联的开关管，上桥臂三个开关管分别为S

一种根据上述基于九开关变流器的电网模拟器的应用方法，包括以下步骤：

步骤一，首先利用开关函数法，根据九开关变流器的拓扑建立整流侧和逆变侧的数学模型；

步骤二，根据步骤一所得出的数学模型得到整个九开关变流器的具体工作状态，选择同频模式作为九开关变流器的调制模式；

步骤三，根据步骤二选择的同频调制方式，再结合相应的控制方式，得到高响应速度、高质量的输出电压，从而提高电网模拟器的效率和可靠性。

进一步的，所述步骤一具体包括：定义开关管的开关状态为：

其中，x＝a、b、c分别对应相应的九开关变流器的等效整流侧部分的A、B、C三个桥臂，A、B、C三相输出电压分别为U

九开关变流器的等效逆变侧开关函数为：

其中，x＝a、b、c分别对应相应的九开关逆变侧部分的A、B、C三个桥臂，A、B、C三相输出电压分别为U

根据基尔霍夫电流定律，得到九开关变流器的直流侧方程：

其中，i

进一步的，步骤二中，根据两输出端口电压频率是否相同，九开关变流器的调制模式分为CF模式和DF模式两种。

进一步的，在CF模式中，两端口输出电压的频率相同，仅幅值、相位有所区别；将所述九开关变流器上下输出端口的调制波信号U

进一步的，所述步骤三具体为：

所述九开关变流器逆变侧采用双闭环控制，其中直流母线电压控制外环，通过将直流母线电压参考值与实测值相比较后，通过PI控制器及给定的功率因素分别产生d轴和q轴电流指令值；

将标准电网电流指令值或者所需模拟的电网故障工况电流指令值，输入解耦PI控制器构成的电流内环，产生相应的d、q轴的调制信号，最后通过Park逆变换得到三相调制信号，根据PWM调制方法，完成对九开关变流器逆变侧的输出控制。

与传统电网模拟器采用的背靠背式十二开关变流器拓扑相比，本发明的有益效果体现在：

本发明首先依据九开关变流器的拓扑结构给出整流侧和逆变侧的数学模型，然后采用一种同频调制模式和相应的控制策略，最终可在九开关逆变侧输出幅值和相位可调的电压，从而模拟诸如电网电压跌落、相位偏移等常见故障，整体上实现一种电网模拟器的功能；从背靠背式十二开关变流器和九开关变流器它们各自的电路拓扑、数学模型和控制策略上可以验证：本发明基于九开关变流器的电网模拟器可以节省3个开关管，缩小变流器的体积，降低系统成本，且结构简单，易于实现和控制，可模拟诸如电网电压跌落，相位偏移常见故障。

附图说明

图1为本发明基于九开关变流器的电网模拟器其中一个实施例的模块框图；

图2为本发明基于九开关变流器的电网模拟器其中一个实施例的电路拓扑图；

图3为本发明九开关变流器的等效整流侧拓扑图；

图4为本发明九开关变流器的等效逆变侧拓扑图；

图5为本发明九开关变流器开关状态产生过程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于九开关变流器的电网模拟器其中一个实施例，包括四个单元：输入单元10、输出单元20、变流单元30和控制单元40，所述输入单元10的输入端与电网连接，所述输入单元10的输出端通过变流单元30与输出单元20连接，所述控制单元40与变流单元30和输出单元20连接。

请进一步参阅图2，所述输入单元10包括三相变压器T和电感L1；所述输出单元20包括LC滤波器和输出端口；九开关变流器的上桥臂通过三相变压器T与三相交流电连接，下桥臂通过LC滤波器与模拟器负载连接。

所述变流单元30采用九开关变流器替代现有的背靠背式十二开关变流器；所述控制单元40通过互感器检测变流单元30中九开关变流器逆变侧的三相电压，经过坐标变换，通过PI控制调节，获得逆变侧PWM控制信号，从而控制变流单元30中九开关变流器功率器件的开通与关断，产生所需要模拟的电网电压；同时为了控制九开关变流器直流侧电压为恒定值，需将九开关变流器直流侧电压引入控制环；为了保证功率平衡，引入电流控制。整体上控制单元40实现一种以所需要的电网电压为目标，控制变流单元30中九开关变流器功率器件的导通与关断的功能，一方面可以使变流单元30输出所需要的电网电压，另一方面可以保证整个变流单元30的动态响应速度和输出电压质量。

如图2所示为本发明基于九开关变流器的电网模拟器拓扑，所述变流单元30采用九开关变流器，所述九开关变流器具有三根并联的桥臂，所述的桥臂包括三个串联的开关管，上桥臂三个开关管分别为S

本发明实施例还提供一种基于九开关变流器的电网模拟器的应用方法，所述基于九开关变流器的电网模拟器作为分布式发电研究中的电网电压模拟器，可用于模拟输出标准电网电压，还可以模拟诸如电网电压跌落、相位偏移常见故障，所述方法具体步骤如下：

步骤一，首先利用开关函数法，根据九开关变流器的拓扑建立整流侧和逆变侧的数学模型。

九开关变流器的等效整流侧模型如图3所示，下桥臂三个开关管S

其中，x＝a、b、c分别对应相应的九开关变流器的等效整流侧部分的A、B、C三个桥臂。A、B、C三相输出电压分别为U

九开关变流器的等效逆变侧模型如图4所示，上桥臂三个开关管S

其中，x＝a、b、c分别对应相应的九开关逆变侧部分的A、B、C三个桥臂，A、B、C三相输出电压分别为U

根据基尔霍夫电流定律，可得到九开关变流器的直流侧方程：

其中，i

步骤二，根据步骤一所得出的数学模型得到整个九开关变流器的具体工作状态，选择同频模式作为九开关变流器的调制模式。

根据两输出端口电压频率是否相同，九开关变流器的调制模式可分为同频模式(Constant Frequency，CF)和异频模式(Diverse Frequency，DF)两种。

本发明实施例选择CF模式，两端口输出电压的频率相同，仅幅值、相位有所区别。如图5所示，其中S

步骤三，根据步骤二选择的同频调制方式，再结合相应的控制方式，得到高响应速度、高质量的输出电压，从而可提高电网模拟器的效率和可靠性。

具体的，所述九开关变流器逆变侧采用双闭环控制，如图2中的控制单元所示，其中直流母线电压控制外环，通过将直流母线电压参考值

将标准电网电流指令值或者所需模拟的电网故障工况电流指令值

结合同频调制模式和相应的控制方式，所述基于九开关变流器的电网模拟器可实现输出标准电网电压，模拟电压跌落、相位偏移故障的功能。

本发明依据九开关变流器的拓扑结构给出整流侧和逆变侧的数学模型，然后采用一种同频调制模式和相应的控制策略，最终可在九开关逆变侧输出幅值和相位可调的电压，从而模拟诸如电网电压跌落、相位偏移等常见故障，整体上实现一种电网模拟器的功能；从背靠背式十二开关变流器和九开关变流器它们各自的电路拓扑、数学模型和控制策略上可以验证：本发明基于九开关变流器的电网模拟器可以节省3个开关管，缩小变流器的体积，降低系统成本，且结构简单，易于实现和控制，可模拟诸如电网电压跌落，相位偏移常见故障。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。