CN105116794B - 适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，包括以下步骤：步骤一，将380V市电通过变压器接入电网模拟器整流环节，使整流环节直流侧电压稳定在400V；步骤二，根据测试要求生成逆变环节给定信号；步骤三，将给定信号用于逆变环节，通过电压滞环的控制策略生成跟随给定信号的电压；步骤四，调节电压滞环的环宽，控制最高开关频率在设定范围内。本发明易于实现，可模拟多种电网故障，逆变环节最高开关频率可调，适合中小容量分布式电源接入测试。

Description

适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法

技术领域

本发明涉及电气工程领域，具体地，涉及一种适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法。

背景技术

风能、光伏等分布式发电作为清洁能源，具有投资小、发电方式灵活等优点，并网后可以增强电力系统的经济性、灵活性，适合于可持续发展。然而风力发电、光伏发电等通常需要经过采用电力电子器件的变流器并入电网，变流器会对电网产生许多不良影响，同时电网故障也会影响变流器的正常运行。因此需要一种能按照测试要求模拟电网特性的装置，即电网模拟器。

国外对该项研究较完善并已经进入产品化阶段，可是性能优良的电网模拟装置价格非常昂贵，难以满足普通测试使用的要求。而国内对电网模拟器的研究并不系统，已有的电网模拟器功能繁杂，控制较为复杂，没有专门开展针对光伏发电等中小容量分布式电源接入的电网模拟器研究工作。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其控制易于实现，可模拟多种电网故障，逆变环节最高开关频率可调，适合中小容量分布式电源接入测试。

根据本发明提供的一种适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，包括如下步骤：

步骤1：将380V市电通过变压器接入电网模拟器整流环节，使整流环节直流侧电压稳定在400V；整流环节容量大于电网模拟器额定容量；

步骤2：根据测试要求生成逆变环节给定信号；

步骤3：将给定信号用于逆变环节，整流环节直流侧作为逆变环节直流电压源，通过电压滞环控制生成跟随给定信号的输出电压；

步骤4：调节电压滞环的环宽，控制最高开关频率在设定范围内。

优选地，所述最高开关频率的设定范围设定为10kHz～15kHz。以保证在易于实现的同时具有较小的环宽。

优选地，在所述步骤1中，整流环节控制策略采用电压电流双闭环控制，调制方式采用SPWM调制，使整流环节直流侧电压大于整流环节交流侧电压峰值，并实现四象限运行。

优选地，变压器二次侧选择为相电压有效值为110V，直流侧电压选择为400V，整流环节额定容量为10kVA，拓扑选择为电压型三相桥式电路，整流环节交流侧电感为6mH，直流侧电容为800μF，双闭环控制阻尼比ζ为0.707，调节PI参数使额定负载下直流侧电压误差在0.1s内稳定在2％以内。

优选地，所述给定信号包括：

-正常电压，正常电压的额定相电压为220V，频率为50Hz；

-电压跌落，电压跌落的跌落深度范围为0％～100％；

-电压变动，电压变动深度为0％～100％；

-频率突变，频率突变的偏移频率范围为30Hz～70Hz；

-频率渐变，频率渐变的偏移频率范围为30Hz～70Hz；

-波形畸变，波形畸变的谐波次数为1～15次；

-三相不平衡电压，其中，将正序、负序分量dq轴电压进行dq-abc变换后与零序分量相加得到三相不平衡电压。

优选地，所述电压滞环控制，具体为：

输出电压经过采样后与给定信号进行相减，当差值大于正给定值时使输出电压下降；当差值小于负给定值时使输出电压上升。

优选地，在所述步骤4中，将给定信号与输出电压用比较器进行比较得到方波，一正一负两个方波的时长即为一个开关周期，开关周期的倒数即为开关频率；测量电压过零点时间以改变正给定值、负给定值的初始值，从而改变环宽和开关频率。

优选地，在所述步骤4中：

当开关周期小于0.077ms时，增加步骤3中所述正给定值、负给定值的绝对值，返回步骤3继续执行；

当该开关周期大于0.083ms时，减小步骤3中所述正给定值、负给定值的绝对值，返回步骤3继续执行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、电网模拟器的控制策略易于实现。整流环节采用SPWM调制、双闭环控制，这两项技术已经成熟，且效果良好、易于实现；逆变环节采用电压滞环，将输出电压与给定信号直接比较即用于控制，逻辑简单、没有PI调节等环节。

2、输出电压跟随性和快速性好。电压滞环控制没有时延，环节很少，可使输出电压跟随剧烈变化的给定信号。在PSCAD仿真中得到，在控制最高开关频率小于15kHz的情况下，给定信号从峰值瞬间到0、突加额定负载的恶劣情况下，输出电压均可在3ms内误差稳定在5V以内。由于整流环节容量大于逆变环节容量，在模拟电网故障时不会影响电压滞环控制策略的实现，因而输出波形不会产生凹陷失真。

3、逆变环节最高开关频率和电压滞环环宽可控。输出电压过零点附近开关频率最高，测量过零点附近开关周期，将其反馈用于控制环宽，可调节逆变环节最高开关频率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法的流程图。

图2为是电压滞环控制的运行流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法包括以下步骤：

步骤一，将380V市电通过变压器接入电网模拟器整流环节，整流环节控制策略采用电压电流双闭环控制，调制方式采用SPWM调制，使整流环节直流侧电压大于整流环节交流侧电压峰值，并能实现四象限运行。

具体地说，变压器二次侧可选择为相电压有效值为110V，直流侧电压选择为400V，整流环节额定容量为10kVA，拓扑选择为电压型三相桥式电路。依据以上选择可设计整流环节交流侧电感为6mH，直流侧电容为800μF，双闭环控制阻尼比ζ为0.707以设计PI参数，调节PI参数使额定负载下直流侧电压误差在0.1s内稳定在2％以内。

步骤二，根据测试要求生成逆变环节给定信号。这里的给定信号分为以下7类，以用于测试所需，除三相不平衡电压外各相给定信号均可以独立设置，以下不再一一说明。

1.正常电压，额定相电压为220V，频率为50Hz；

2.电压跌落，可控制跌落深度和跌落发生时间，其中跌落深度范围为0％～100％，这里也包括了电网短路故障；

3.电压变动，可控制变动电压深度、电压下降时间、变动电压保持时间和电压上升时间，其中电压变动深度为0％～100％；

4.频率突变，可控制偏移频率和发生频率偏移的时间，其中偏移频率范围为30Hz～70Hz；

5.频率渐变，可控制偏移频率、频率下降(上升)时间、偏移频率保持时间、频率上升(下降)时间，其中偏移频率范围为30Hz～70Hz；

6.波形畸变，可设置谐波次数、谐波幅值、谐波与基波初始相角差，其中谐波次数为1～15次，可为非整数，可叠加多个谐波；

7.三相不平衡电压，可控制正序、负序分量dq轴电压大小，q轴电压与a相初始相角，零序分量幅值，零序分量与a相初始相角，将正序、负序分量dq轴电压进行dq-abc变换后与零序分量相加得到给定信号。

步骤三，将给定信号用于逆变环节，使输出电压跟随给定信号以生成测试所需各种电能质量信号，输出相电压额定有效值为220V。

具体地说，逆变环节采用三个单相全桥电路，分别代表三相，每相额定容量为5kW，400V直流电压分别由三个独立的整流器提供，整流环节交流侧的隔离变压器防止了直流侧短路；逆变环节控制策略使用电压滞环控制，输出电压经过采样后与给定信号进行相减，当差值大于正给定值时使输出电压下降；当差值小于负给定值时使输出电压上升。然而正负给定值差值并不是环宽，由于电感的储能作用使输出电压在开关状态变化时没有立刻下降或上升，而是沿原趋势继续变化，直到电流方向发生改变；当滤波电容C、电感L大小确定后，环宽与开关频率值也基本确定，为保证较小的开关频率能有较小的环宽，L、C取值不能过小，从而限制了高次谐波的通过，这里进行权衡取值，L取1mH，C取30μF，使开关频率在小于15kHz时半环宽小于2.5V，同时允许滤波器通过15次谐波。

步骤四，调节电压滞环的环宽，控制最高开关频率在10kHz～15kHz范围内。步骤三所述正负给定值虽不是环宽，但可以控制环宽。

如图2所示，将给定信号与输出电压用比较器进行比较得到方波，一正一负两个方波的时长即为一个开关周期，其倒数即为开关频率；在电压过零点附近开关周期最短，即对应着最大开关频率，可测量该时间以改变正负给定值的初始值，从而改变环宽和开关频率。具体地说，可将给定信号与输出电压用比较器得到的方波输出到上升沿检测器中，当输出电压接近0时，使该检测器的输出用于采样保持的命令信号，连续采集两个时钟信号，其差值即为一个开关周期，当该开关周期小于0.077ms(对应于13kHz)时，增加步骤三所述正负给定值的绝对值，当该开关周期大于0.083ms(对应于12kHz)时，减小步骤三所述正负给定值的绝对值，然而改变该该定值不能将开关频率限制在12～13kHz的范围内，而是更大的一个范围内，如上述设定时，可使额定状态下最大开关频率稳定在10～15kHz以内。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将380V市电通过变压器接入电网模拟器整流环节，使整流环节直流侧电压稳定在400V；整流环节容量大于电网模拟器额定容量；

步骤2：根据测试要求生成逆变环节给定信号；

步骤3：将给定信号用于逆变环节，整流环节直流侧作为逆变环节直流电压源，通过电压滞环控制生成跟随给定信号的输出电压；

步骤4：调节电压滞环的环宽，控制最高开关频率在设定范围内；

在所述步骤4中，将给定信号与输出电压用比较器进行比较得到方波，一正一负两个方波的时长即为一个开关周期，开关周期的倒数即为开关频率；测量电压过零点时间以改变正给定值、负给定值的初始值，从而改变环宽和开关频率。

2.根据权利要求1所述的适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其特征在于，所述最高开关频率的设定范围设定为10kHz～15kHz。

3.根据权利要求1所述的适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，整流环节控制策略采用电压电流双闭环控制，调制方式采用SPWM调制，使整流环节直流侧电压大于整流环节交流侧电压峰值，并实现四象限运行。

4.根据权利要求3所述的适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其特征在于，变压器二次侧选择为相电压有效值为110V，直流侧电压选择为400V，整流环节额定容量为10kVA，拓扑选择为电压型三相桥式电路，整流环节交流侧电感为6mH，直流侧电容为800μF，双闭环控制阻尼比ζ为0.707，调节PI参数使额定负载下直流侧电压误差在0.1s内稳定在2％以内。

5.根据权利要求1所述的适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其特征在于，所述给定信号包括：

-正常电压，正常电压的额定相电压为220V，频率为50Hz；

-电压跌落，电压跌落的跌落深度范围为0％～100％；

-电压变动，电压变动深度为0％～100％；

-频率突变，频率突变的偏移频率范围为30Hz～70Hz；

-频率渐变，频率渐变的偏移频率范围为30Hz～70Hz；

-波形畸变，波形畸变的谐波次数为1～15次；

-三相不平衡电压，其中，将正序、负序分量dq轴电压进行dq-abc变换后与零序分量相加得到三相不平衡电压。

6.根据权利要求1所述的适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其特征在于，所述电压滞环控制，具体为：

输出电压经过采样后与给定信号进行相减，当差值大于正给定值时使输出电压下降；当差值小于负给定值时使输出电压上升。

7.根据权利要求1所述的适合中小容量分布式电源接入的电网模拟器控制方法，其特征在于，在所述步骤4中：

当开关周期小于0.077ms时，增加步骤3中所述正给定值、负给定值的绝对值，返回步骤3继续执行；

当该开关周期大于0.083ms时，减小步骤3中所述正给定值、负给定值的绝对值，返回步骤3继续执行。