CN104064083B - 一种电网模拟控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网模拟控制系统，其包括依次连接的：转速控制器、电动机、无刷双馈发电机和励磁控制器，以及依次连接的滤波器、待测设备和电子负载，其中：所述转速控制器、励磁控制器以及电子负载均与外围的电网相连；所述滤波器与无刷双馈发电机的功率绕组连接，所述励磁控制器与无刷双馈发电机的控制绕组连接。本发明作为和真实电网相连的、用于并网设备研究的电网电压发生系统，可用于输出多种可设多变模拟电网，从而为并网设备提供尽可能真实的电网环境，满足设备对多种工况电网的测试要求，提高并网设备对电网的适应能力和并网设备的安全性、可靠性。

Description

一种电网模拟控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于为并网设备提供可控电源的电网模拟控制系统。

背景技术

在经济发展过程中，实现经济和社会的协调发展及可持续发展已作为国家发展战略。新能源发电可降低能耗，提高电力系统供电的多元化和灵活性，因此是电力发展的新方向和重要方向。但是为了提高风电、光伏发电等并网设备的可靠性(并网设备的可靠性是验证设备质量的重要指标)，减小电网异常或故障时并网设备对电网的安全性的影响，各国对并网设备提出了严格要求。例如，国家标准GB/T14549-93及国际标准IEC61000等标准对并网设备对电网的适应性有严格的要求，即，要求设备最低必须满足其标准要求。

电力电子设备在工业及民用中的广泛应用，其会对电网安全产生重要影响，因此，如何减小和治理对电网的污染是需要研究重要课题，而其中真实模拟电网的各种工况是研究的必要条件。由于电网可能会出现电压幅值波动、瞬间幅值突跌/突升、频率波动、谐波畸变、电压不平衡等各种故障，因此在并网设备研究的过程中，需要考虑电网可能出现的故障，保证设备最大限度的适应电网运行，并根据故障情况及时脱离电网提高设备运行的可靠性。

由于电网异常现象具有时间上的不确定性和严重程度的不可预估计性，而并网设备在研究和测试时，仅通过电网本身无法测试各种异常现象。因此，需要通过一些专门的设备进行电网模拟，而具有多种功能的模拟系统更为重要。

现有电网模拟器主要通过电力电子器件采用逆变模式控制输出电压，功能相对单一，不可模拟各种电网异常现象，且一般采用PWM和无源滤波技术，因此与真实电网特性具有一定差异，从而不能真实、完全满足并网设备的测试要求。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种电网模拟控制系统，以作为并网设备研究中的电网电压发生装置，并可真实模拟标准电网的多种工况，从而满足并网设备测试要求。

本发明所述的一种电网模拟控制系统，其包括：转速控制器、电动机、无刷双馈发电机、励磁控制器、滤波器、待测设备以及电子负载，其中：

所述转速控制器与外围的电网相连；

所述电动机一方面与用于控制其转速的所述转速控制器连接，另一方面与所述无刷双馈发电机连接；

所述无刷双馈发电机通过其功率绕组与所述滤波器连接，以向该滤波器输出一输出模拟电网电压；

所述励磁控制器一方面与所述电网连接，另一方面与所述无刷双馈发电机的控制绕组连接，以根据所述控制绕组的输出给定电压的幅值和/或频率的变化，通过该控制绕组控制所述功率绕组输出的所述输出模拟电网电压的幅值和/或频率的变化；

所述滤波器连接在所述无刷双馈发电机的功率绕组以及所述待测设备之间；

所述电子负载一方面与所述电网连接，另一方面与所述待测设备连接。

在上述的电网模拟控制系统中，所述励磁控制器包括：

单相标量控制单元，其根据外围输入的单相选择信号，并根据一输出电压幅值给定控制单元提供的所述输出给定电压中单相电压值、一输出电压频率给定控制单元提供的所述输出给定电压的频率以及所述无刷双馈发电机的转速，对所述输出模拟电网电压中的单相电压进行单闭环独立控制，以根据所述输出给定电压中单相电压值和/或所述输出给定电压的频率的变化控制所述输出模拟电网电压中的单相电压的幅值和/或频率的变化；以及

三相矢量控制单元，其根据外围输入的三相选择信号，并根据所述输出电压幅值给定控制单元提供的所述输出给定电压中三相电压值，对所述输出模拟电网电压进行外环闭环控制并生成一给定电流，同时根据所述给定电流、所述输出电压频率给定控制单元提供的所述输出给定电压的频率以及所述无刷双馈发电机的转速，对所述控制绕组的电流进行内环闭环控制，以根据所述输出给定电压中三相电压值和/或所述输出给定电压的频率的变化控制所述输出模拟电网电压中的三相电压的幅值和/或频率的变化。

在上述的电网模拟控制系统中，所述单相标量控制单元包括依次连接的：第一加法器、第一PI控制器、第一乘法器、第二加法器、第一单相/三相控制选择开关、第一载波信号比较模块、第一输出开关以及第一被控对象模块；还包括依次连接的：第一滤波模块和有效值计算模块，且所述第一滤波模块的输入端与所述第一被控对象模块的输出端连接，所述有效值计算模块的输出端与所述第一加法器的一个输入端连接；其中：

所述第一加法器用于比较所述输出给定电压中单相电压值与所述有效值计算模块输出的单相电压瞬时有效值的差值；

所述第一PI控制器用于对所述第一加法器输出的差值进行PI调节；

所述第一乘法器用于将所述第一PI控制器输出的直流量与一根据所述输出给定电压的频率以及所述无刷双馈发电机的转速所得的基波正弦信号相乘，并生成交流正弦信号；

所述第二加法器用于将所述交流正弦信号与外围输入的预设的单相谐波和直流分量相加，并生成一单相调制信号；

所述第一单相/三相控制选择开关的开闭由所述单相选择信号进行控制；

所述第一载波信号比较模块用于将所述单相调制信号与一载波信号比较，并生成单相SPWM信号；

所述第一输出开关的开闭由外围输入的开通/封锁信号进行控制，当所述第一输出开关闭合时，所述第一载波信号比较模块输出的所述单相SPWM信号被输送至所述第一被控对象模块，从而通过所述控制绕组控制所述功率绕组输出所述输出模拟电网电压中的单相电压；

所述第一滤波模块采样并对所述输出模拟电网电压中的单相电压进行滤波；

所述有效值计算模块接收并对所述第一滤波模块输出的滤波后的单相电压进行有效值计算，并向所述第一加法器反馈所述单相电压瞬时有效值。

在上述的电网模拟控制系统中，所述三相矢量控制单元包括依次连接的：第三加法器、第二PI控制器、第四加法器、第三PI控制器、坐标逆变换模块、第五加法器、第二单相/三相控制选择开关、第二载波信号比较模块、第二输出开关以及第二被控对象模块，还包括依次连接的：第二滤波模块和变换计算模块，以及包括坐标变换模块，且所述第二滤波模块的输入端与所述第二被控对象模块的输出端连接，所述变换计算模块的一个输出端与所述第三加法器的一个输入端连接，所述变换计算模块的另一个输出端分别与所述坐标变换模块的一个输入端以及所述坐标逆变换模块的一个输入端连接，所述坐标变换模块的输出端与所述第四加法器的输入端连接；其中：

所述第三加法器用于比较所述输出给定电压中三相电压值与所述变换计算模块输出的三相电压瞬时有效值的差值；

所述第二PI控制器用于对所述第三加法器输出的差值进行PI调节，并输出所述给定电流；

所述第四加法器用于比较所述给定电流与所述坐标变换模块输出的中间电流的差值；

所述第三PI控制器用于对所述第四加法器输出的差值进行PI调节，并产生中间输出给定电压；

所述坐标逆变换模块用于根据所述变换计算模块输出的矢量控制角度，将所述中间输出给定电压经旋转坐标系变换到三相静止坐标系并得到三相交流信号，且该三相交流信号中的各相信号分别通过一个所述第五加法器对应地与外围输入的预设的各相谐波和直流分量相加，并生成相应的三相调制信号；

第二单相/三相控制选择开关的开闭由所述三相选择信号进行控制；

所述第二载波信号比较模块用于将所述三相调制信号与一载波信号比较，并生成三相SPWM信号；

所述第二输出开关的开闭由外围输入的开通/封锁信号进行控制，当所述第二输出开关闭合时，所述第二载波信号比较模块输出的所述三相SPWM信号被输送至所述第二被控对象模块，从而通过所述控制绕组控制所述功率绕组输出所述输出模拟电网电压中的三相电压；

所述第二滤波模块采样并对所述输出模拟电网电压中的三相电压进行滤波；

所述变换计算模块一方面接收并将所述第二滤波模块输出的滤波后的三相电压进行三相交流量坐标变换后再进行有效值计算，并向所述第三加法器反馈所述三相电压瞬时有效值，另一方面根据所述输出给定电压的频率以及采样到的所述无刷双馈发电机的转速计算得到所述矢量控制角度；

所述坐标变换模块采样并根据所述控制绕组的电流以及所述矢量控制角度计算得到所述中间电流。

在上述的电网模拟控制系统中，所述变换计算模块包括用于计算所述矢量控制角度的矢量控制角度计算子模块，其包括依次连接的：第二乘法器、第六加法器、第七加法器、第四PI调节器以及积分器，还包括依次连接的：第三乘法器和第四乘法器，且所述第四乘法器的输出端与所述第六加法器的一个输入端连接；其中：

所述第二乘法器用于将所述输出给定电压的频率转换为给定角频率，且该第二乘法器的系数为2π；

所述第三乘法器用于将采样到的所述无刷双馈发电机的转速转换为发电机转速频率，且该第三乘法器的系数为(p_o+p_c)/60，其中，p_o为所述无刷双馈发电机的功率绕组的极对数，p_c为所述无刷双馈发电机的控制绕组的极对数；

所述第四乘法器用于将所述发电机转速频率转换为发电机转速角频率，且该第四乘法器的系数为2π；

所述第六加法器用于将所述给定角频率与所述发电机转速角频率相减，并输出控制绕组励磁给定角频率；

所述第七加法器用于将所述控制绕组励磁给定角频率与采样到的控制绕组励磁角频率相减，并输出相应的误差信号；

所述第四PI调节器用于对所述第七加法器输出的误差信号进行PI调节，并输出控制绕组控制角频率；

所述积分器用于对所述控制绕组控制角频率进行累积计算，从而得到所述矢量控制角度。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明作为和真实电网相连的、用于并网设备研究的电网模拟系统，可用于输出多种可设多变模拟电网，从而为并网设备提供尽可能真实的电网环境，满足设备对多种工况电网的测试要求，提高并网设备对电网的适应能力和并网设备的安全性、可靠性。

附图说明

图1是本发明一种电网模拟控制系统的结构示意图；

图2是本发明中励磁控制器的单相标量控制单元的结构示意图；

图3是本发明中励磁控制器的三相矢量控制单元的结构示意图；

图4是本发明中励磁控制器的矢量控制角度计算子模块的结构示意图；

图5是本发明中励磁控制器的输出电压频率给定控制单元的工作原理图；

图6是本发明中励磁控制器的输出电压幅值给定控制单元的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明，即一种电网模拟控制系统，包括：转速控制器1、电动机2、无刷双馈发电机3、励磁控制器4、滤波器5、待测设备6以及电子负载7，其中，转速控制器1和电动机2构成了用于控制电机转速恒定的原动系统；无刷双馈发电机3和励磁控制器4构成了用于根据电机转速和控制目标要求产生输出模拟电网的发电系统；滤波器5为滤除电力电子器件开关噪声的滤波环节；电子负载7用于为待测设备6提供负载并实现能量循环利用；具体来说：

转速控制器1一方面与电网8相连，另一方面与电动机2连接，其主要用于控制电动机2的转速稳定，以满足无刷双馈发电机3对转速的要求，并根据系统要求可任意配置转速；

电动机2一方面与转速控制器1连接，从而由该转速控制器1控制以任意设定的转速稳定运转，另一方面还通过转子和联轴器(图中未示)与无刷双馈发电机3连接，从而实现将电能转换为机械能，并将能量通过机械力的方式传输到无刷双馈发电机3；

无刷双馈发电机3(与传统有刷双馈电机相比省略了电刷和滑环结构，从而提高了整个系统的安全性和可靠性)在结构上定子具有电气隔离的两套绕组，一套绕组为与励磁控制器4相连的控制绕组，另一套绕组为控制输出模拟电网电压的功率绕组，其中，通过控制控制绕组的输出给定电压的幅值和/或频率，即可分别控制输出模拟电网电压的幅值和/或频率，从而实现模拟出真实电网的各种工况；

励磁控制器4一方面与电网8相连，另一方面与无刷双馈发电机3相连，以控制该无刷双馈发电机3的控制绕组，使其控制功率绕组输出满足要求的输出模拟电网电压，即，根据无刷双馈发电机3转速和输出模拟电网电压要求设定励磁频率及幅值等以控制输出模拟电网电压的频率及幅值(励磁控制器4的具体控制功能将在下文中详述)，励磁控制器4是整个系统的核心，其具有四象限运行功能，根据无刷双馈发电机3转速的不同可实现能量的双向流动，即，在同步转速以下能量通过励磁控制器4流向无刷双馈发电机3，在高于同步转速以上能量由无刷双馈发电机3通过励磁控制器4流向电网。

滤波器5连接在无刷双馈发电机3的功率绕组以及待测设备6之间，滤波器5的主要功能是滤除励磁控制器4的载波噪声和由于无刷双馈发电机3本身结构原因所产生的高频谐波，从而提高输出电能质量，输出电压频率和幅值可控的电压信号，使得输出信号满足输出要求；

待测设备6通过滤波器5与无刷双馈发电机3的功率绕组产生的模拟发电电网相连，该待测设备6为并网设备，通过控制功率绕组所提供的输出模拟电网电压即可用于测试此待测设备6的各个功能及性能；

电子负载7一方面与待测设备6相连，另一方面与电网8相连，其主要用于为待测设备6提供负载支持，以满足待测设备6在各种电网工况下对负载的需求，从而使待测设备6可工作在各种负载工况下；同时，电子负载7还可以将待测设备6输出的能量回馈至电网8，从而实现能量的再生循环利用，减小能量损耗，进而提高系统的工作效率。

本发明的电网模拟控制系统根据无刷双馈发电机的功率绕组的输出模拟电网电压要求的不同，可将模拟控制方式分为单相标量控制模式和三相矢量控制模式，且这两种控制模式由不同的选择信号启动以实现互锁运行，即，系统只能同时运行一种控制模式，其中：单相标量控制模式可以实现三相电压的独立控制，从而可实现电网不平衡、单相波动、单相电压突升/突降、三相电压频率变化等工况的控制；三相矢量控制模式可以将交流控制模式转换为直流控制模式，实现输出模拟电网电压的快速动态调整，从而实现无差调节，满足对电压动态快速波动的要求，提供系统控制速度与控制精度；这两种控制模式均可实现单相谐波、直流分量调节等控制，并且对于预设的谐波和直流分量实行开环控制，从而减小对闭环基本控制的影响，并可根据输出结果，实时更改谐波和直流分量给定量满足输出要求。

在本发明中，通过核心部件——励磁控制器4实现上述控制功能，在本发明中，励磁控制器4采用的是基于DSP的数字控制系统，上述控制功能均可在DSP芯片内实现，功率绕组的输出模拟电网电压、控制绕组的电流、电动机转速等参数通过传感器器件(图中未示)检测后通过调节电路(图中未示)转换为DSP芯片可接收的信号量，然后这些信号量通过归一化运算(由于这些前期处理均为现有技术，因而在此不再赘述)后与数字控制系统形成闭环控制系统；该励磁控制器4具体包括以下功能控制单元：单相标量控制单元、三相矢量控制单元、输出电压频率给定控制单元以及输出电压幅值给定控制单元。

单相标量控制单元可实现上述的单相标量控制模式，其主要采用的是对功率绕组的输出模拟电网电压的瞬时有效值进行单闭环控制的方式，三相的输出模拟电网电压中的每一相电压均可以与单相标量控制单元构成一个控制回路。

如图2所示(图中仅以三相的输出模拟电网电压中的a相电压为例)，单相标量控制单元具体包括依次连接的：第一加法器511、第一PI控制器512、第一乘法器513、第二加法器514、第一单相/三相控制选择开关515、第一载波信号比较模块516、第一输出开关517以及第一被控对象模块(G(s))518；还包括依次连接的：第一滤波模块(F_filter)519和有效值计算模块(rms)520，且第一滤波模块519的输入端与第一被控对象模块518的输出端连接，有效值计算模块520的输出端与第一加法器511的一个输入端连接；其中：

第一加法器511用于比较控制绕组的输出给定电压中单相电压值U_oa ^*与有效值计算模块520输出的单相电压瞬时有效值U_oa的差值，其中，输出给定电压中单相电压值U_oa ^*由输出电压幅值给定控制单元提供(下文中将对此进行详述)，且输出给定电压中每一相电压值均可由输出电压幅值给定控制单元独立设定，从而实现三相电压的独立控制；

第一PI控制器512用于对第一加法器511输出的比较结果进行PI调节；

第一乘法器513用于将第一PI控制器512输出的直流量与基波正弦信号U_abase ^*sinθ相乘生成交流正弦信号，其中，基波正弦信号U_abase ^*sinθ中的θ根据控制绕组的输出给定电压的频率以及无刷双馈发电机3的转速得到，而控制绕组的输出给定电压的频率由输出电压频率给定控制单元提供(下文中将对此进行详述)；

第二加法器514用于将第一乘法器513输出的交流正弦信号与外围输入的预设的谐波和直流分量U_na ^*(0点可上下波动)相加(从而使输出模拟电网电压中含有可调直流分量和谐波分量)，并生成单相调制信号；

第一单相/三相控制选择开关515的开闭由外围输入的单相选择信号进行控制；具体来说，当需要对输出模拟电网电压进行单相独立调节时，选择输入该单相选择信号(当需要三相同时控制时则需要外围输入三相选择信号；由于同一时间外围只会输入一种选择信号，因此，本系统同时只能实现一种控制模式)。当选择单相控制时，即外围输入有效的单相选择信号时，第一单相/三相控制选择开关515闭合，从而使得第一加法器514输出的单相调制信号被输送至第一载波信号比较模块516；

第一载波信号比较模块516用于将单相调制信号与载波信号比较，并生成单相SPWM信号；

第一输出开关517的开闭由外围输入的开通/封锁信号进行控制，当第一输出开关517闭合时，第一载波信号比较模块516输出的单相SPWM信号被输送至第一被控对象模块518，从而控制无刷双馈发电机3的控制绕组，以使其功率绕组输出所需电压目标值，即为输出模拟电网电压中的单相电压u_oa，该单相电压u_oa通过传感器器件和调节电路(图中未示)采样后被输送至第一滤波模块519后再经由有效值计算模块520处理计算(该有效值计算方法为现有技术，此处不再赘述)后向第一加法器511反馈相应的单相电压瞬时有效值U_oa，从而使第一加法器511执行后续处理；由此可见，通过控制第一输出开关517的开闭即可决定是否输出相应的单相SPWM信号，因此，只需通过控制开通/封锁信号即可使功率绕组的输出模拟电网电压中的任意一相电压出现突升/突降的现象。

三相矢量控制单元可实现上述的三相矢量控制模式，其主要采用的是以功率绕组的输出模拟电网电压的瞬时有效值为外环，以控制绕组的电流为内环的双闭环控制方式，从而提高了系统动态响应速度，且外环和内环均采用直流量进行控制，从而提高了系统控制精度。

如图3所示，三相矢量控制单元具体包括依次连接的：第三加法器611、第二PI控制器612、第四加法器613、第三PI控制器614、坐标逆变换模块615、第五加法器616、第二单相/三相控制选择开关617、第二载波信号比较模块618、第二输出开关619以及第二被控对象模块(G(s))620，还包括：依次连接的第二滤波模块(F_filter)621和变换计算模块622，以及包括坐标变换模块623，且第二滤波模块621的输入端与第二被控对象模块620的输出端连接，变换计算模块622的一个输出端与第三加法器611的一个输入端连接，变换计算模块622的另一个输出端分别与坐标变换模块623的一个输入端以及坐标逆变换模块615的一个输入端连接，坐标变换模块623的输出端与第四加法器613的输入端连接；其中：

第三加法器611用于比较控制绕组的输出给定电压中三相电压值U_3o ^*与变换计算模块622输出的三相电压瞬时有效值U_3o的差值，其中，输出给定电压中三相电压值U_3o ^*由输出电压幅值给定控制单元提供(下文中将对此进行详述)；

第二PI控制器612用于对第三加法器611输出的比较结果进行PI调节，并输出给定电流i_d ^*；

第四加法器613用于比较第二PI控制器612输出的给定电流i_d ^*与坐标变换模块623输出的中间电流i_d的差值；

第三PI控制器614用于对第四加法器613输出的比较结果进行PI调节，并产生中间输出给定电压V_d ^*；

坐标逆变换模块615用于根据变换计算模块输出的矢量控制角度θ，将中间输出给定电压V_d ^*经旋转坐标系变换到三相静止坐标系并得到三相交流信号V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*，这三相相对独立的信号分别通过一个第五加法器616与预设的各相谐波和直流分量U_na ^*、U_nb ^*、U_nc ^*(0点可上下波动)相加(从而使输出模拟电网电压中含有可调直流分量和谐波分量)，并生成相应的三相调制信号；

第二单相/三相控制选择开关617的开闭由外围输入的三相选择信号进行控制；具体来说，当需要对输出模拟电网电压中的三相电压同时控制时，选择输入该三相选择信号。当选择三相控制时，即外围输入有效的三相选择信号时，第二单相/三相控制选择开关617闭合，从而使得三相调制信号被输送至第二载波信号比较模块618；

第二载波信号比较模块618用于将三相调制信号与载波信号比较，并生成三相SPWM信号；

第二输出开关619的开闭由外围输入的开通/封锁信号进行控制，当第二输出开关619闭合时，第二载波信号比较模块618输出的三相SPWM信号被输送至第二被控对象模块620，从而控制无刷双馈发电机3的控制绕组，以使其功率绕组输出所需电压目标值，即为输出模拟电网电压中的三相电压u_3o，该三相电压u_3o通过传感器器件和调节电路(图中未示)采样后被输送至第二滤波模块621后再经由变换计算模块622进行三相交流量坐标变换后计算出三相电压瞬时有效值U_3o(该坐标变换及有效值计算方法为现有技术，此处不再赘述)，并将该三相电压瞬时有效值U_3o反馈至第三加法器611，使其进行后续处理；同时，变换计算模块622还根据控制绕组的输出给定电压的频率(控制绕组的输出给定电压的频率由输出电压频率给定控制单元提供)以及根据通过传感器器件和调节电路(图中未示)采样到的无刷双馈发电机3的转速n，计算得到矢量控制角度θ(该计算功能通过变换计算模块622中的矢量控制角度计算子模块实现，下文将对此进行详述；由于该矢量控制角度θ与上文中基波正弦信号U_abase ^*sinθ中的θ为同一概念，因此，上述基波正弦信号U_abase ^*sinθ中的θ也可根据下述变换计算模块622采用的计算方法来获得)，并将该矢量控制角度θ分别输送至坐标变换模块623以及坐标逆变换模块615，从而使坐标变换模块623根据通过传感器器件和调节电路(图中未示)采样到的控制绕组的电流i_a、i_b、i_c以及矢量控制角度θ计算出中间电流i_d，并且使坐标逆变换模块615同样根据矢量控制角度θ计算出三相交流信号V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*(这些坐标变换技术均为现有技术，此处不再赘述)。由此可见，通过控制第二输出开关619的开闭即可决定是否输出相应的三相SPWM信号，因此，只需通过瞬时控制开通/封锁信号即可使功率绕组的输出模拟电网电压中出现突升/突降的现象，从而实现控制三相电压的目的，进而模拟例如三相幅值波动、幅值突跌/突升、频率波动等工况。

下面对变换计算模块622中的矢量控制角度计算子模块进行介绍。

首先，根据本领域公知的公式n＝60*(f_o-f_c)/(p_o+p_c)(式中，n为电机转速，f_o为功率绕组频率，f_c为控制绕组频率，p_o为功率绕组极对数，p_c为控制绕组极对数)可知，当电机结构确定和电机转速稳定后，当确定功率绕组的电压频率后，根据上述公式即可计算得到控制绕组的电压频率。

根据上述原理，如图4所示，变换计算模块622中的矢量控制角度计算子模块具体包括依次连接的：第二乘法器711、第六加法器712、第七加法器713、第四PI调节器714以及积分器715，还包括依次连接的：第三乘法器716和第四乘法器717，且第四乘法器717的输出端与第六加法器712的一个输入端连接；其中：

第二乘法器711将输出给定电压的频率f_o ^*转换为给定角频率w_o ^*，且该第二乘法器711的系数为2π，即w_o ^*＝f_o ^**2π，其中，输出给定电压的频率f_o ^*由输出电压频率给定控制单元提供(下文中将对此进行详述)；

第三乘法器716将通过传感器器件和调节电路(图中未示)采样到的无刷双馈发电机3的转速n转换为发电机转速频率f_n，且该第三乘法器716的系数为(p_o+p_c)/60，即，f_n＝n*(p_o+p_c)/60，其中，p_o为无刷双馈发电机3的功率绕组的极对数，p_c为无刷双馈发电机3的控制绕组的极对数；

第四乘法器717将发电机转速频率f_n转换为发电机转速角频率w_n，且该第四乘法器717的系数为2π，即w_n＝f_n*2π；

第六加法器712将给定角频率w_o ^*与发电机转速角频率w_n相减，并输出控制绕组励磁给定角频率w_r ^*；

第七加法器713将控制绕组励磁给定角频率w_r ^*与通过传感器器件和调节电路(图中未示)采样到的控制绕组励磁角频率w_r相减，并输出相应的误差信号；

第四PI调节器714对第七加法器713输出的误差信号进行PI调节，并输出控制绕组控制角频率w_c ^*；

积分器715对控制绕组控制角频率w_c ^*进行累积计算，从而得到矢量控制角度θ。

由此可见，矢量控制角度计算子模块采用的是励磁频率闭环控制的策略，从而可以实现对输出模拟电网电压频率的精确控制。

如图5所示，本发明中的输出电压频率给定控制单元可以选择两种工作方式提供上述输出给定电压的频率f_o ^*：目标值设定方式或频率波动设定方式，其中：

目标值设定方式是将目标值f_set ^*作为最终输出频率，并根据设定的直线加减速速率f_v(Hz/s)(速率的设定决定了频率变化的快慢)是频率缓升至最终目标值，即输出给定电压的频率f_o ^*；

频率波动设定方式是根据实际要求频率波动范围设定频率幅值(f_max为频率最大值、f_min为频率最小值)，并且根据频率变化速率f_v(Hz/s)，设定频率的变化周期T_f，以及根据频率变化时间t，设定循环次数N_f(f_v＝2*(f_max-f_min)/T_f；N_f＝t/T_f)，从而最终生成速率变化的输出给定电压的频率f_o ^*；

如上所述，根据输出给定电压的频率f_o ^*即可计算出控制绕组控制角频率w_c ^*，从而控制功率绕组最终输出的输出模拟电网电压的频率的波动。

如图6所示，本发明中的输出电压幅值给定控制单元与输出电压频率给定控制单元类似，也可以选择两种工作方式提供上述输出给定电压值U_o ^*(包括上文中所述的输出给定电压中的单相电压和三相电压)：目标值设定方式或幅值波动设定方式，其中：

目标值设定方式是将目标值U_set ^*作为最终输出电压，并根据设定的直线加减速速率V_v(V/s)(速率的设定决定了电压变化波动幅度)使电压缓升至最终目标值，即输出给定电压值U_o ^*；

幅值波动设定方式是根据实际要求幅值波动范围设定频率幅值(U_max为幅值最大值、U_min为幅值最小值)，并且根据电压变化速率V_v(V/s)，设定幅值的变化周期T_v，以及根据幅值变化时间t，设定循环次数N_v(V_v＝2*(U_max-U_min)/T_v；N_v＝t/T_v)，从而最终生成速率变化的输出给定电压值U_o ^*；

如上所述，该输出给定电压值U_o ^*作为电网模拟控制系统最终的输出电压的给定值，从而控制功率绕组最终输出的输出模拟电网电压的幅值的波动。

本发明中对输出电压给定幅值和频率的控制可实现同时和任意匹配组合设定，从而可真实模拟电网工况。

综上所述，本发明与现有技术中的电网模拟器相比，具有以下优点：

1、采用无刷双馈发电机通过控制控制绕组实现对功率绕组输出电压的控制，实现控制和输出的电气隔离，提高整个系统安全性能，并减小电力电子器件非线性对输出电压的影响，提高模拟系统输出电压的真实性。

2、各控制模式切换方便，提高系统工作方式的灵活性，实现电网模拟系统功能的多样化，最大限度满足并网设备测试需求。

3、通过电子负载实现能量的循环流动，减小能量损耗，提高模拟系统的工作效率。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (4)

1.一种电网模拟控制系统，其特征在于，所述系统包括：转速控制器、电动机、无刷双馈发电机、励磁控制器、滤波器、待测设备以及电子负载，其中：

所述转速控制器与外围的电网相连；

所述电动机一方面与用于控制其转速的所述转速控制器连接，另一方面与所述无刷双馈发电机连接；

所述无刷双馈发电机通过其功率绕组与所述滤波器连接，以向该滤波器输出一输出模拟电网电压；

所述励磁控制器一方面与所述电网连接，另一方面与所述无刷双馈发电机的控制绕组连接，以根据所述控制绕组的输出给定电压的幅值和/或频率的变化，通过该控制绕组控制所述功率绕组输出的所述输出模拟电网电压的幅值和/或频率的变化；

所述滤波器连接在所述无刷双馈发电机的功率绕组以及所述待测设备之间；

所述电子负载一方面与所述电网连接，另一方面与所述待测设备连接；

其中，所述励磁控制器包括：

单相标量控制单元，其根据外围输入的单相选择信号，并根据一输出电压幅值给定控制单元提供的所述输出给定电压中单相电压值、一输出电压频率给定控制单元提供的所述输出给定电压的频率以及所述无刷双馈发电机的转速，对所述输出模拟电网电压中的单相电压进行单闭环独立控制，以根据所述输出给定电压中单相电压值和/或所述输出给定电压的频率的变化控制所述输出模拟电网电压中的单相电压的幅值和/或频率的变化；以及

三相矢量控制单元，其根据外围输入的三相选择信号，并根据所述输出电压幅值给定控制单元提供的所述输出给定电压中三相电压值，对所述输出模拟电网电压进行外环闭环控制并生成一给定电流，同时根据所述给定电流、所述输出电压频率给定控制单元提供的所述输出给定电压的频率以及所述无刷双馈发电机的转速，对所述控制绕组的电流进行内环闭环控制，以根据所述输出给定电压中三相电压值和/或所述输出给定电压的频率的变化控制所述输出模拟电网电压中的三相电压的幅值和/或频率的变化。

2.根据权利要求1所述的电网模拟控制系统，其特征在于，所述单相标量控制单元包括依次连接的：第一加法器、第一PI控制器、第一乘法器、第二加法器、第一单相/三相控制选择开关、第一载波信号比较模块、第一输出开关以及第一被控对象模块；还包括依次连接的：第一滤波模块和有效值计算模块，且所述第一滤波模块的输入端与所述第一被控对象模块的输出端连接，所述有效值计算模块的输出端与所述第一加法器的一个输入端连接；其中：

所述第一加法器用于比较所述输出给定电压中单相电压值与所述有效值计算模块输出的单相电压瞬时有效值的差值；

所述第一PI控制器用于对所述第一加法器输出的差值进行PI调节；

所述第一乘法器用于将所述第一PI控制器输出的直流量与一根据所述输出给定电压的频率以及所述无刷双馈发电机的转速所得的基波正弦信号相乘，并生成交流正弦信号；

所述第二加法器用于将所述交流正弦信号与外围输入的预设的单相谐波和直流分量相加，并生成一单相调制信号；

所述第一单相/三相控制选择开关的开闭由所述单相选择信号进行控制；

所述第一载波信号比较模块用于将所述单相调制信号与一载波信号比较，并生成单相SPWM信号；

所述第一输出开关的开闭由外围输入的开通/封锁信号进行控制，当所述第一输出开关闭合时，所述第一载波信号比较模块输出的所述单相SPWM信号被输送至所述第一被控对象模块，从而通过所述控制绕组控制所述功率绕组输出所述输出模拟电网电压中的单相电压；

所述第一滤波模块采样并对所述输出模拟电网电压中的单相电压进行滤波；

所述有效值计算模块接收并对所述第一滤波模块输出的滤波后的单相电压进行有效值计算，并向所述第一加法器反馈所述单相电压瞬时有效值。

3.根据权利要求1所述的电网模拟控制系统，其特征在于，所述三相矢量控制单元包括依次连接的：第三加法器、第二PI控制器、第四加法器、第三PI控制器、坐标逆变换模块、第五加法器、第二单相/三相控制选择开关、第二载波信号比较模块、第二输出开关以及第二被控对象模块，还包括依次连接的：第二滤波模块和变换计算模块，以及包括坐标变换模块，且所述第二滤波模块的输入端与所述第二被控对象模块的输出端连接，所述变换计算模块的一个输出端与所述第三加法器的一个输入端连接，所述变换计算模块的另一个输出端分别与所述坐标变换模块的一个输入端以及所述坐标逆变换模块的一个输入端连接，所述坐标变换模块的输出端与所述第四加法器的输入端连接；其中：

所述第三加法器用于比较所述输出给定电压中三相电压值与所述变换计算模块输出的三相电压瞬时有效值的差值；

所述第二PI控制器用于对所述第三加法器输出的差值进行PI调节，并输出所述给定电流；

所述第四加法器用于比较所述给定电流与所述坐标变换模块输出的中间电流的差值；

所述第三PI控制器用于对所述第四加法器输出的差值进行PI调节，并产生中间输出给定电压；

所述坐标逆变换模块用于根据所述变换计算模块输出的矢量控制角度，将所述中间输出给定电压经旋转坐标系变换到三相静止坐标系并得到三相交流信号，且该三相交流信号中的各相信号分别通过一个所述第五加法器对应地与外围输入的预设的各相谐波和直流分量相加，并生成相应的三相调制信号；

第二单相/三相控制选择开关的开闭由所述三相选择信号进行控制；

所述第二载波信号比较模块用于将所述三相调制信号与一载波信号比较，并生成三相SPWM信号；

所述第二输出开关的开闭由外围输入的开通/封锁信号进行控制，当所述第二输出开关闭合时，所述第二载波信号比较模块输出的所述三相SPWM信号被输送至所述第二被控对象模块，从而通过所述控制绕组控制所述功率绕组输出所述输出模拟电网电压中的三相电压；

所述第二滤波模块采样并对所述输出模拟电网电压中的三相电压进行滤波；

所述变换计算模块一方面接收并将所述第二滤波模块输出的滤波后的三相电压进行三相交流量坐标变换后再进行有效值计算，并向所述第三加法器反馈所述三相电压瞬时有效值，另一方面根据所述输出给定电压的频率以及采样到的所述无刷双馈发电机的转速计算得到所述矢量控制角度；

所述坐标变换模块采样并根据所述控制绕组的电流以及所述矢量控制角度计算得到所述中间电流。

4.根据权利要求3所述的电网模拟控制系统，其特征在于，所述变换计算模块包括用于计算所述矢量控制角度的矢量控制角度计算子模块，其包括依次连接的：第二乘法器、第六加法器、第七加法器、第四PI调节器以及积分器，还包括依次连接的：第三乘法器和第四乘法器，且所述第四乘法器的输出端与所述第六加法器的一个输入端连接；其中：

所述第二乘法器用于将所述输出给定电压的频率转换为给定角频率，且该第二乘法器的系数为2π；

所述第三乘法器用于将采样到的所述无刷双馈发电机的转速转换为发电机转速频率，且该第三乘法器的系数为(p_o+p_c)/60，其中，p_o为所述无刷双馈发电机的功率绕组的极对数，p_c为所述无刷双馈发电机的控制绕组的极对数；

所述第四乘法器用于将所述发电机转速频率转换为发电机转速角频率，且该第四乘法器的系数为2π；

所述第六加法器用于将所述给定角频率与所述发电机转速角频率相减，并输出控制绕组励磁给定角频率；

所述第七加法器用于将所述控制绕组励磁给定角频率与采样到的控制绕组励磁角频率相减，并输出相应的误差信号；

所述第四PI调节器用于对所述第七加法器输出的误差信号进行PI调节，并输出控制绕组控制角频率；

所述积分器用于对所述控制绕组控制角频率进行累积计算，从而得到所述矢量控制角度。