CN103078316A - 一种电网电压扰动发生装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电网电压扰动发生装置，包括三相桥式PWM整流器、三H桥三相四线制PWM逆变器，所述整流器的交流侧通过L型滤波器与电网相连，所述整流器的直流侧与三H桥三相四线制PWM逆变器直流侧串联，LC滤波器接在三相四线制三H桥PWM逆变器交流侧，LC滤波器的输出端接一个隔离变压器，隔离变压器的二次侧与负载连接。本发明还提供一种适用于该装置的控制方法。本发明中所述装置能够实现电网电压幅值、频率扰动以及电网谐波现象的模拟，并能够实现能量的双向流动，将被测试太阳能并网设备发出的有功电能回馈到电网，控制方法实现简单方便，能够准确跟踪目标参考值，并且响应快速，稳态误差小，从而能准确模拟电网扰动。

Description

一种电网电压扰动发生装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电气设备及电气工程技术领域，具体是一种电网电压扰动发生装置及其控制方法。

背景技术

随着新能源的大量应用，新能源为主的分布式发电构成的微电网迅速发展，并网变换器作为连接大电网和微电网的桥梁，其应用也普及化。并网变换器的能否稳定的工作直接影响到分布式发电系统工作的安全，如何对并网变换器的性能进行评估，成为现在一个重要的研究课题。目前的电压扰动发生平台多数采用背靠背式双PWM交直交变换器实现模拟，其存在着如下缺陷：

1.大部分电压扰动发生装置采用三相半桥整流器和三相半桥逆变器背靠背相连的拓扑结构，该种结构由于输出的三相电压间可能互相影响，所以不容易实现对三相不对称故障的准确模拟，另外其逆变器侧控制策略较为复杂。

2.部分电压扰动发生装置采用三个单相交直交变换器相并联的拓扑结构，该种结构虽然能够较好的实现所需模拟的功能，但是其采用的器件较多，经济性不好。

发明内容

本发明提供一种电网电压扰动发生装置及其控制方法，可模拟电网扰动，检测并网变换器等电力电子设备在不同的电网条件下的性能，从而评价电力电子设备的性能；在模拟电网故障时更快速、准确，对电网干扰小，而且所使用器件较少、控制策略简单。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电网电压扰动发生装置，包括L型滤波器L1、电压电流双环控制的三相桥式PWM整流器CV、电压电流双环控制的三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3、LC滤波器LC2、三相桥式PWM整流器CV的交流侧通过L型滤波器L1与电网相连，三相桥式PWM整流器CV的直流侧与三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3直流侧串联，三相桥式PWM整流器CV的直流侧与三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3直流侧之间还并联一个直流电容Cdc，LC滤波器LC2接在三相四线制三H桥PWM逆变器H1-H3交流侧，LC滤波器LC2的输出端接一个隔离变压器T，隔离变压器T的二次侧与负载连接。

进一步的，还包括与三相桥式PWM整流器CV连接的整流器控制装置，所述整流器控制装置的输入端接收直流电容Cdc的电压信号Udc、电网三相电压信号及L型滤波器L1上的电流信号ia、ib、ic，经过处理后得到开关信号Sa、Sb、Sc，所述开关信号Sa、Sb、Sc通过整流器控制装置的输出端输入到三相桥式PWM整流器CV中各个IGBT的门级。

进一步的，还包括与三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3连接的逆变器控制装置，所述逆变器控制装置采集逆变器H1-H3某相H桥的输出电压Vc2、输出电流iL2，经过处理得到该相H桥中四个IGBT的开关信号，将开关信号通过输出端分别输入到各IGBT的门极以控制其通断。

本发明还提供一种上述电网电压扰动发生装置的控制方法，所述三相桥式PWM整流器采用电压电流双环控制，其控制步骤具体为：

(1)将基准直流信号电压Udc*与采集到的直流侧电压Udc后与相比较后即得到直压偏差信号，直压偏差信号输入到PI控制器PI1中，PI1的输出信号作为电流环的基准值id*；

(2)采集L型滤波器L1上的电流ia、ib、ic，提取L1上a相电压的相位频率信号sin_cos，将ia、ib、ic、sin_cos输入到d-q变换模块后，得到id与iq分量；

(3)采集电网三相电压电压，和sin_cos输入到d-q变换模块后，得到Usd、Usq，即交轴电压和直轴电压；

(4)用id*与id相比较后得到d轴电流偏差信号，将d轴电流偏差信号输入PI控制器PI2中，Usd减去PI2的输出后即为d轴控制信号；将q轴信号电流置零，即取iq*＝0，将iq*与iq相比较后，差值信号输入到PI控制器PI3中，Usq减去PI3的输出即为q轴控制信号；

(5)d轴控制信号加上iq*ω*L1，其中ω为电网的角频率，即100*πrad/s，L1为电网侧滤波电感大小，即得到解耦后的d轴控制信号，q轴控制信号减去id*ω*L1，即得到解耦后的q轴控制信号；

(6)将解耦后的d轴、q轴控制信号与sin_cos一起输入到dq反变换模块中，经过dq反变换后，即得到三相调制信号；

(7)将三相调制信号送至PWM发生器后得到开关信号Sa、Sb、Sc，将开关信号分别输入到三相桥式PWM整流器中各个IGBT的门级，从而控制CV的六个IGBT的通断；

所述三相桥式PWM整流器采用电压电流双环控制，其控制步骤具体为：

首先采集逆变器某相的输出电压Vc2、输出电流iL2，将该相调制信号电压Vc2*与Vc2相比较后，输入到PR控制器中，再将PR控制器的输出值作为内环电流的基准值iL2*，与内环电流iL2相比较后输入到比例控制器P中，将比例控制器P的输出信号送入单相PWM发生器中，即得到该相H桥中四个IGBT的开关信号，将开关信号分别输入到各IGBT的门极中以控制其通断。

相比于现有的电压扰动平台技术方案，本发明的优点在于：

1、本发明的整流器采用PWM技术，相比于目前常用的整流技术，如三相不控整流电路，PWM整流技术产生谐波更小，波形更稳定，IGBT器件在在电压应力方面有独特的优势。同时采用PWM变换器可以实现能量双向流动，使装置既可以满足电压源的输出调控，也可满足新能源并网装置的发电馈入电网的技术要求，即能够将被测试的并网装置发出的功率回馈到电网。

2、本发明的逆变器采用三相全桥逆变电路。因为现有电压扰动发生装置中，逆变侧常常采用三相半桥PWM逆变，因此三相电压间存在互相干扰的情况，不能很好的模拟电网三相不平衡故障。本发明的逆变器为三相全桥逆变电路，即三个独立的单相全桥整流器相并联，在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用，尤其在模拟三相不平衡扰动时，相比于三相半桥逆变器，输出波形更加精确；另外，其采用模块化结构，便于扩展装置容量。

3、本发明的控制方案为电压电流双环控制，相比于现有电压扰动发生装置中采用的单环控制方式，本发明的整流器和逆变器电流可以快速跟随电压，所以动态性能更好，在模拟电网故障时更快速、准确，并且产生的无功功率少，对电网干扰小。

附图说明

图1是本发明电网电压扰动发生装置的电路总体拓扑图；

图2是本发明中整流器CV的电压电流双环控制框图；

图3是本发明中逆变器H1、H2、H3的电压电流双环控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本发明电网电压扰动发生装置包括L型滤波器L1、电压电流双环控制的三相桥式PWM整流器(CV)、直流电容Cdc、电压电流双环控制的三H桥三相四线制PWM逆变器(H1-H3)、逆变输出侧LC滤波器LC2、隔离变压器T。三相桥式PWM整流器的交流侧通过L型滤波器L1与电网相连，三相桥式PWM整流器的直流侧与三H桥三相四线制PWM逆变器直流侧串联，三相桥式PWM整流器的直流侧与三H桥三相四线制PWM逆变器直流侧之间还并联一个直流电容Cdc。所述L型滤波器L1接在三相桥式PWM整流器交流侧，且L型滤波器L1安装在电网侧；同时，逆变输出侧LC滤波器LC2接在三相四线制三H桥PWM逆变器交流侧，逆变输出侧LC滤波器LC2的输出端接一个隔离变压器T，隔离变压器T的二次侧连接负载。

所述三相桥式PWM整流器，用于将电网中吸收的电能变换为直流电，并作为逆变侧的直压电源。由于整流器采用三相PWM整流方式，直流电压稳定；使用IGBT作为开关器件，易于控制桥臂关断，实现能量回馈，而且可以实现能量双向流动，将被测试的新能源(例如光伏)并网装置发出的功率回馈到电网。

电压电流双环控制的三H桥三相四线制PWM逆变器的直流输入端并接后和CV的直流输出端串联在一起，构成交直交变换器。

本发明电网电压扰动发生装置的输入端接三相380V工频交流电，其供电源为电网。将电网电压输入一个电感滤波器L1，滤波后输入到三相桥式PWM整流器(CV)中。CV采用三相SPWM调制方式，其控制框图如图2所示。为稳定CV输出的直流电压，在CV直流侧并联一个直流电容Cdc。

稳压电容中的直流电压输入到H1、H2、H3的直流输入端，作为H1、H2、H3的电源，该电路拓扑结构如图1中所示，H1、H2、H3均采用SPWM调制方式，其控制框图如图3所示。H1-H3的输出电压不是标准三相工频交流电压，含有开关频率次谐波成分较大，因此在输出侧串联一个LC滤波器LC2。其经过LC2滤波后，输出电压波形接近于标准正弦波，输入到隔离变压器T中。

隔离变压器T使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。隔离变压器T二次侧与负载通过三相四线制接法相连。

现有技术中整流器通常采用单环控制，虽然控制简单，但是当逆变器发生变化时，整流器的动态性能不能满足要求。也有一些电压扰动发生平台中，逆变器采用基于d-q变换的双环积分控制，该种方式控制参数设置复杂，而且不能很好地模拟三相不对称故障。

为了能够实现所需功能，并避免存在的上述问题，本发明提出了如下控制方法：

对于电能变换器，为了能够使输出直流电压更稳定，采用电压电流双环控制方式。该种控制方式能够使输出电压自动跟踪基准值，并使输出电流自动跟踪输入电流，从而使响应更快，输出电压稳态误差更小。其中电流内环的作用是为了保证基波下功率因数的要求。电压外环控制主要为了稳定输出电压，使输出电压自动跟踪输入基准值。

本发明中三相桥式PWM整流器(CV)的控制框图如图2所示，为电压电流双环控制，控制对象为直流电压和电网侧瞬时电流值。其外环控制信号为直流电容Cdc的电压Udc，将基准直流信号电压Udc*与采集到的直流侧电压Udc后与相比较后即得到直压偏差信号，直压偏差信号输入到PI控制器PI1中，PI1的输出信号作为电流环的基准值id*。采集L1上的电流ia、ib、ic，提取L1上a相电压的相位频率信号sin_cos，将ia、ib、ic、sin_cos输入到d-q变换模块后，可以得到id与iq分量。采集电网三相电压电压，和sin_cos输入到d-q变换模块后，可以得到Usd、Usq，即交轴电压和直轴电压。用id*与id相比较后得到d轴电流偏差信号，将d轴电流偏差信号输入PI控制器PI2中，Usd减去PI2的输出后即为d轴控制信号。为使整流器等效为一阻感性质，将q轴信号电流置零，即取iq*＝0，将iq*与iq相比较后，差值信号输入到PI控制器PI3中，Usq减去PI3的输出即为q轴控制信号。

对逆变器数学模型进行d-q变换时，d轴和q轴控制量会有耦合，所以必须将PI2、PI3的输出信号做前馈解耦后，才易于分别控制。前馈解耦的方法具体为：d轴控制信号加上iq*ω*L1(其中ω为电网的角频率，即100*πrad/s，L1为电网侧滤波电感大小)，即得到解耦后的d轴控制信号，q轴控制信号减去id*ω*L1，即得到解耦后的q轴控制信号。将解耦后的d轴、q轴控制信号与sin_cos一起输入到dq反变换模块中，经过dq反变换后，即得到三相调制信号，将三相调制信号送至PWM发生器后得到开关信号Sa、Sb、Sc，将开关信号分别输入到三相桥式PWM整流器中各个IGBT的门级，从而控制CV的六个IGBT(T1-T6)的通断。

本发明三相四线制三H桥PWM逆变器H1-H3的控制框图如图3所示，为瞬时电压和瞬时电流控制的电压电流双环控制。所述逆变器为三相全桥式逆变器，其电路中的每一个H桥产生出一相的电压。某相H桥的控制方法如下：首先采集逆变器该相的输出电压Vc2、输出电流iL2，将该相调制信号电压Vc2*与Vc2相比较后，输入到PR控制器中，再将PR控制器的输出值作为内环电流的基准值iL2*，与内环电流iL2相比较后输入到比例控制器P中，将比例控制器P的输出信号送入单相PWM发生器中，即得到该相H桥中四个IGBT的开关信号，将开关信号分别输入到各IGBT的门极中，控制其通断。

下面以H1的控制为例进行详细说明。采集H1所接LC滤波器LC2的电容电压VC2_a瞬时值作为外环反馈信号，采集滤波电感电流iL2_a瞬时值作为内环反馈信号。根据实际值和期望值的偏差来实时控制输出电压波形，保证输出电压波形的精度，消除各种非正弦因素和扰动对输出电压的影响。VC2*为目标电压的波形，即所需模拟的电压波形，VC2*_a为VC2*的a相信号，将VC2*_a与VC2_a进行比较后，得到反馈电压偏差信号，并将其输入到PR控制器中，再将PR控制器的输出值作为内环电流的基准值iL2*，与内环电流iL2_a相比较后输入到比例控制器P中，将P的输出信号送入单相PWM发生器中，即得到A相控制信号Sa’，通过开关信号Sa’控制H1桥上四个IGBT的通断，从而得到A相电压。

H2、H3的控制方法与H1相同，其调制信号VC2*分别与H1相差120°、240°。

目前国外针对并网变换器的相关标准已经颁布，国内相关标准也在逐步颁布，例如GB/T 19939光伏系统并网技术要求；GB/T 20046光伏(PV)系统电网接口特性；GB/T 20513光伏系统性能监测测量、数据交换和分析导则；GB/Z 19964光伏发电站接入电力系统的技术规定。

参考上述文献，可将并网变换器的效率、可靠性、对直流输入电压的适应范围、输出电能的波形列为并网变换器的四个重要指标。其中，可靠性反映了并网变换器在不同的条件下的运行性能。本装置可于模拟电网扰动，检测并网变换器在不同电网工况下的性能。其中所模拟电网扰动包括：

a)电压中断(interruption outage)，在一定时间内，一相或多相完全失去电压(低于0.8*标称值)称为断电。

b)频率偏差(frequency deviation)，电网中实际运行的频率值与频率标准值之间的偏差称之为频率偏差。我国电力系统的正常频率偏差允许值为±0.2Hz，小容量系统中，频率偏差值为±0.5Hz。

c)电压下跌(电压跌落，dip)，持续时间0.01s-1min，幅值为0.1-0.9(标称值)，系统频率仍为标称值。

d)电压上升(电压隆起，swell)，电压持续时间为0.01s-1min，幅值为1.1-1.8(标称值)。

e)电压波动(fluctuation)，电压波动是在包络线内的电压的有规则变动或是幅值通常不超出0.9-1.1倍标称值电压范围的一系列电压随机变化。

f)过电压(overvoltage)，电压持续时间为大于1min，幅值为1.1-1.2(标称值)，系统频率仍为标称值。

g)欠电压(undervoltage)，电压持续时间为大于1min，幅值为0.8-0.9(标称值)，系统频率仍为标称值。

通过本装置模拟上述所提到的几种电网故障，其具体实施方式如下：

(1)电压中断。在本装置中，通过改变H1-H3的调制波VC2*实现，调节某相VC2*，使其低于0.8倍标称值，从而模拟出电压中断。

(2)频率偏差。在本装置中，改变调节H1-H3中VC2*频率，使其频率在50±0.5Hz内波动。

(3)电压下跌。在本装置中，改变H1-H3中VC2*的幅值，使其幅值变为0.1-0.9(标称值)，持续0.01s-1min后回到标称值。

(4)电压上升。发生方式与电压下跌相似，改变H1-H3中VC2*，使其幅值变为1.1-1.8(标称值)，持续0.01s-1min后回到标称值。

(5)电压波动。在本装置中，改变VC2*，使其幅值在0.9-1.1倍标称值之间变化。

(6)过电压。在本装置中，调节VC2*，使其幅值变为1.1-1.2倍标称值，并持续1分钟以上。

(7)欠电压。在本装置中，调节VC2*，使其幅值变为0.8-0.9倍标称值，并持续1分钟以上。

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。

Claims (4)

1.一种电网电压扰动发生装置，其特征在于：包括L型滤波器L1、电压电流双环控制的三相桥式PWM整流器CV、电压电流双环控制的三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3、LC滤波器LC2、三相桥式PWM整流器CV的交流侧通过L型滤波器L1与电网相连，三相桥式PWM整流器CV的直流侧与三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3直流侧串联，三相桥式PWM整流器CV的直流侧与三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3直流侧之间还并联一个直流电容Cdc，LC滤波器LC2接在三相四线制三H桥PWM逆变器H1-H3交流侧，LC滤波器LC2的输出端接一个隔离变压器T，隔离变压器T的二次侧与负载连接。

2.如权利要求1所述的电网电压扰动发生装置，其特征在于：还包括与三相桥式PWM整流器CV连接的整流器控制装置，所述整流器控制装置的输入端接收直流电容Cdc的电压信号Udc、电网三相电压信号及L型滤波器L1上的电流信号ia、ib、ic，经过处理后得到开关信号Sa、Sb、Sc，所述开关信号Sa、Sb、Sc通过整流器控制装置的输出端输入到三相桥式PWM整流器CV中各个IGBT的门级。

3.如权利要求1所述的电网电压扰动发生装置，其特征在于：还包括与三H桥三相四线制PWM逆变器H1-H3连接的逆变器控制装置，所述逆变器控制装置采集逆变器H1-H3某相H桥的输出电压Vc2、输出电流iL2，经过处理得到该相H桥中四个IGBT的开关信号，将开关信号通过输出端分别输入到各IGBT的门极以控制其通断。

4.一种如权利要求1所述的电网电压扰动发生装置的控制方法，其特征在于：

所述三相桥式PWM整流器采用电压电流双环控制，其控制步骤具体为：

(1)将基准直流信号电压Udc*与采集到的直流侧电压Udc后与相比较后即得到直压偏差信号，直压偏差信号输入到PI控制器PI1中，PI1的输出信号作为电流环的基准值id*；

(2)采集L型滤波器L1上的电流ia、ib、ic，提取L1上a相电压的相位频率信号sin_cos，将ia、ib、ic、sin_cos输入到d-q变换模块后，得到id与iq分量；

(3)采集电网三相电压电压，和sin_cos输入到d-q变换模块后，得到Usd、Usq，即交轴电压和直轴电压；

(4)用id*与id相比较后得到d轴电流偏差信号，将d轴电流偏差信号输入PI控制器PI2中，Usd减去PI2的输出后即为d轴控制信号；将q轴信号电流置零，即取iq*＝0，将iq*与iq相比较后，差值信号输入到PI控制器PI3中，Usq减去PI3的输出即为q轴控制信号；

(5)d轴控制信号加上iq*ω*L1，其中ω为电网的角频率，即100*πrad/s，L1为电网侧滤波电感大小，即得到解耦后的d轴控制信号，q轴控制信号减去id*ω*L1，即得到解耦后的q轴控制信号；

(6)将解耦后的d轴、q轴控制信号与sin_cos一起输入到dq反变换模块中，经过dq反变换后，即得到三相调制信号；

(7)将三相调制信号送至PWM发生器后得到开关信号Sa、Sb、Sc，将开关信号分别输入到三相桥式PWM整流器中各个IGBT的门级，从而控制CV的六个IGBT的通断；

所述三相桥式PWM整流器采用电压电流双环控制，其控制步骤具体为：

首先采集逆变器某相的输出电压Vc2、输出电流iL2，将该相调制信号电压Vc2*与Vc2相比较后，输入到PR控制器中，再将PR控制器的输出值作为内环电流的基准值iL2*，与内环电流iL2相比较后输入到比例控制器P中，将比例控制器P的输出信号送入单相PWM发生器中，即得到该相H桥中四个IGBT的开关信号，将开关信号分别输入到各IGBT的门极中以控制其通断。

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