CN113791290A - 输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置及其控制方法，包括依次连接的三相多绕组变压器、功率模块阵列和输出滤波器，三相多绕组变压器的输入端连接三相电网；功率模块阵列具有三相输出端和中点输出端；输出滤波器具有三相输入端、中点输入端、三相输出端及中点输出端；输出滤波器的三相输入端与功率模块阵列的三相输出端一一对应连接；输出滤波器的中点输入端与功率模块阵列的中点输出端连接；输出滤波器的三相输出端和中点输出端连接测试母线。本申请通过采用具备中点的三相功率模块阵列和三相输出滤波器，以及DQ0解耦控制器，达到某一相输出电压跌落或升高时不会导致另外两相输出电压的变化，实现装置输出三相电压的独立控制。

Description

输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置及其控制方法
技术领域
本申请涉及新能源设备测试技术领域，尤其涉及一种输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置及其控制方法。
背景技术
随着新能源发电在电力系统中占比不断提高，为满足电力系统安全稳定运行的要求，电力行业对新能源发电设备的电网适应能力和故障电压穿越能力提出了较高要求。在此背景下，必须发展配套的电网适应性测试技术和故障电压穿越测试技术，实现电网电压三相对称、单相不对称、两相不对称等形式的电压跌落、升高或其他类型的扰动特性模拟，从而对新能源发电设备进行全面的电网适应能力和故障电压穿越测试。
专利申请号201510357695.3公开了一种由三相多绕组变压器、功率模块阵列、输出滤波器组成的三相电网扰动发生装置，该装置能够输出电压偏差、频率偏差、闪变、电压不平衡等多种电网扰动特性。
但是该装置为三相三线系统，无法实现对电网电压单相不对称或两相不对称形式的电压跌落或升高的直接模拟，不适合于测试光伏电站、储能系统的单相、两相电压故障穿越特性。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置及其控制方法，以实现包含电网电压单相或两相跌落或升高的不对称特性的模拟，从而可用于测试光伏电站、储能系统包含单相、两相接地短路故障穿越特性和单相、两相电压升高故障穿越特性，或者包含其他不对称特性的电网适应能力测试。
根据本申请的一个方面，提供一种输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置，包括依次连接的三相多绕组变压器、功率模块阵列和输出滤波器，所述三相多绕组变压器的输入端连接三相电网；
所述功率模块阵列具有三相输出端和中点输出端；所述输出滤波器具有三相输入端、中点输入端、三相输出端以及中点输出端；
所述输出滤波器的三相输入端与所述功率模块阵列的三相输出端一一对应连接；所述输出滤波器的中点输入端与所述功率模块阵列的中点输出端连接；所述输出滤波器的三相输出端和中点输出端连接测试母线。
根据本申请的另一个方面，提供一种三相电网模拟装置的控制方法，所述方法包括：
确定旋转坐标系下DQ0轴电压给定值、电压实测值以及电流实测值；
将所述电压给定值输入到DQ0解耦控制器、并将所述电压实测值和所述电流实测值作为反馈输入到所述DQ0解耦控制器，以得到所述DQ0解耦控制器输出的DQ0轴调制电压；
根据所述DQ0轴调制电压，得到所述功率模块阵列的驱动电压，以控制所述功率模块阵列中的开关管动作。
本申请实施例提供的三相电网模拟装置及其控制方法，通过采用具备中点的三相功率模块阵列并配置具备中点的三相输出滤波器，以及DQ0解耦控制器，达到某一相输出电压跌落或升高时不会导致另外两相输出电压的变化，实现装置输出三相电压的独立控制，进而实现包含电网电压单相或两相跌落或升高的不对称特性的模拟，从而可用于测试光伏电站、储能系统包含单相或两相接地短路故障穿越特性和单相或两相电压升高故障穿越特性，或者包含其他不对称特性的电网适应能力测试。
附图说明
图1为本申请实施例提供的三相电网模拟装置示意图；
图2为本申请实施例提供的三相电网模拟装置的具体电路示意图；
图3为本申请实施例提供的三相电网模拟装置的另一具体电路示意图；
图4为本申请实施例提供的功率模块示意图；
图5为本申请实施例提供的另一功率模块示意图；
图6为本申请实施例提供的输出电压控制框图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本申请实施例提供一种输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置，包括依次连接的三相多绕组变压器10、功率模块阵列20和输出滤波器30，所述三相多绕组变压器10的输入端连接三相电网；
所述功率模块阵列20具有ABC三相输出端和中点输出端N；所述输出滤波器30具有ABC三相输入端、中点输入端、ABC三相输出端以及中点输出端N；
所述输出滤波器30的ABC三相输入端与所述功率模块阵列20的ABC三相输出端一一对应连接，即所述输出滤波器30的A相输入端与所述功率模块阵列20的A相输出端连接、所述输出滤波器30的B相输入端与所述功率模块阵列20的B相输出端连接、所述输出滤波器30的C相输入端与所述功率模块阵列20的C相输出端连接；
所述输出滤波器30的中点输入端与所述功率模块阵列20的中点输出端N连接；所述输出滤波器30的ABC三相输出端和中点输出端N连接测试母线。
请结合图2或者图3进行理解，在本示例中，所述三相多绕组变压器10包括原边三相绕组(图中的原边绕组所示)和3n个副边三相绕组(图中的副边绕组A1～An、副边绕组B1～Bn、副边绕组C1～Cn)，所述原边三相绕组的输入端连接三相电网。所述三相多绕组变压器10的原边三相绕组为星形连接或三角形连接，所述三相多绕组变压器10的副边三相绕组为星形连接或三角形连接。例如，图2中所述三相多绕组变压器10的原边三相绕组为星形连接、所述三相多绕组变压器10的副边三相绕组为三角形连接；图3中所述三相多绕组变压器10的原边三相绕组为三角形连接、所述三相多绕组变压器10的副边三相绕组为星形连接。
请结合图2或者图3进行理解，在本示例中，所述功率模块阵列20包括A组功率模块21、B组功率模块22以及C组功率模块23；A组功率模块21、B组功率模块22以及C组功率模块23均包括n个功率模块。
每个功率模块包括依次连接的三相整流器、直流母线环节和单相逆变器；所述三相整流器的输入端与所述多个副边三相绕组中对应的副边三相绕组的输出端连接；多个所述单相逆变器之间的输出端串联连接，以形成串联连接后的第一输出端和第二输出端。具体地，A组功率模块21包括n个功率模块，n个三相整流器的输入端与n个副边绕组A1～An一一对应连接，n个单相逆变器之间的输出端串联连接，以形成串联连接后的第一输出端X和第二输出端A。B组功率模块22以及C组功率模块23，与此类似。
A组功率模块21的第一输出端X、B组功率模块22的第一输出端Y以及C组功率模块23的第一输出端Z之间星形连接并形成所述功率模块阵列20的中点输出端N；A组功率模块21的第二输出端A形成所述功率模块阵列20的A相输出端，B组功率模块22的第二输出端B形成所述功率模块阵列20的B相输出端，C组功率模块23的第二输出端C形成所述功率模块阵列20的C相输出端。
请参考图4所示，在一示例中，每个功率模块包括依次连接的三相整流器20a1、直流母线环节20a2和单相逆变器20a3；三相整流器20a1和单相逆变器20a3均包括二电平电路。具体地，三相整流器20a1包括三个桥臂，单相逆变器20a3包括两个桥臂，这些桥臂采用两个串联的开关管构成；开关管包括但不限于IGBT、IGCT。直流母线环节20a2包括连接在其正负母线之间的一个或者多个电容或者电容组。
请参考图5所示，在另一示例中，每个功率模块包括依次连接的三相整流器20b1、直流母线环节20b2和单相逆变器20b3；三相整流器20b1和单相逆变器20b3均包括三电平电路。具体地，三相整流器20b1包括三个桥臂，单相逆变器20b3包括两个桥臂，这些桥臂采用四个串联的开关管构成；开关管包括但不限于IGBT、IGCT。直流母线环节20b2包括连接在其正负母线之间的一个或者多个电容或者电容组。
请参考图2所示，在一示例中，所述输出滤波器30包括输出变压器31和三相电容器32；
所述输出变压器31的原边三相绕组的ABC三相输入端与所述功率模块阵列20的ABC三相输出端一一对应连接，所述输出变压器的原边三相绕组的中点与所述功率模块阵列的中点输出端N连接；
所述输出变压器31的副边三相绕组的ABC三相输出端与所述三相电容器32的ABC三个相线一一对应连接、且形成所述输出滤波器30的ABC三相输出端，所述输出变压器31的副边三相绕组的中点与所述三相电容器的中点连接、且形成所述输出滤波器30的中点输出端N。
在该示例中，所述三相电容器32、所述输出变压器31的原边三相绕组以及所述输出变压器31的副边三相绕组均为星形连接。所述输出变压器31包括四芯柱结构的输出变压器、五芯柱结构的输出变压器、由三个单相变压器组成的输出变压器中的一种。
请参考图3所示，在另一示例中，所述输出滤波器30包括三相电抗器330、三相电容器320和输出变压器310；
所述三相电抗器330的ABC三相输入端与所述功率模块阵列20的ABC三相输出端一一对应连接，所述三相电抗器330的ABC三相输出端与所述输出变压器310的原边三相绕组的三相输入端、以及所述三相电容器320的ABC三个相线一一对应连接；
所述输出变压器310的原边三相绕组的中点与所述三相电容器320的中点以及所述功率模块阵列20的中点输出端N连接；所述输出变压器310的副边三相绕组的ABC三相输出端形成所述输出滤波器20的ABC三相输出端、其中点形成所述输出滤波器20的中点输出端N。
在该示例中，所述三相电容器320、所述输出变压器310的原边三相绕组以及所述输出变压器310的副边三相绕组均为星形连接。所述输出变压器310包括四芯柱结构的输出变压器、五芯柱结构的输出变压器、由三个单相变压器组成的输出变压器中的一种。
请再参考图1所示，还包括与所述功率模块通信连接的控制器。控制器与各功率模块通过光纤通信连接，对功率模块进行统一、协调控制，可提升系统的抗干扰性和运行可靠性。
本申请另一实施例提供一种三相电网模拟装置的控制方法，三相电网模拟装置可参考前述内容，在此不作赘述。
所述方法包括：
步骤S11、确定旋转坐标系下DQ0轴电压给定值、电压实测值以及电流实测值；
步骤S12、将所述电压给定值输入到DQ0解耦控制器、并将所述电压实测值和所述电流实测值作为反馈输入到所述DQ0解耦控制器，以得到所述DQ0解耦控制器输出的DQ0轴调制电压；
步骤S13、根据所述DQ0轴调制电压，得到所述功率模块阵列的驱动电压，以控制所述功率模块阵列中的开关管动作。
以下结合图6的输出电压控制框图进行说明：
首先，根据给定的三相电压幅值、相位、频率，计算得到三相电压给定瞬时值。
Figure BDA0003216583540000071
其中，UAset、UBset、UCset为ABC三相电压幅值，θAset、θBset、θCset为ABC三相电压相位，fset为设定频率，uAref、uBref、uCref为三相电压给定瞬时值。
根据三相电压给定瞬时值计算αβ轴给定值。
Figure BDA0003216583540000072
其中，uαref、uβref为αβ轴给定值。
根据三相电压给定瞬时值以及αβ轴给定值，计算旋转坐标系下DQ0轴电压给定值。
Figure BDA0003216583540000073
其中，ω＝2πfset，udref、uqref、u0ref分别为D/Q/0轴给定值。
然后，根据采集到的三相电网模拟装置的功率模块阵列20输出的三相相电压与三相电流，经过上述相同坐标变换方法，得到旋转坐标系下DQ0轴电压实测值、电流实测值。
再将上述得到的DQ0轴电压给定值输入到DQ0解耦控制器，将DQ0轴电压实测值、电流实测值作为反馈输入到DQ0解耦控制器。如图6所示，DQ0解耦控制器包括DQ0轴的电压控制器、电流控制器、解耦计算以及PWM调制模块等等。
所述DQ0解耦控制器控制输出DQ0轴调制电压，再经过上述DQ0坐标变换的逆变换得到三相电网模拟装置的功率模块阵列20的驱动电压；
所述驱动电压分别独立控制功率模块阵列20中单相H桥逆变器的开关管动作。
以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种输出各相电压独立可控的三相电网模拟装置，包括依次连接的三相多绕组变压器、功率模块阵列和输出滤波器，所述三相多绕组变压器的输入端连接三相电网；其特征在于，
所述功率模块阵列具有三相输出端和中点输出端；所述输出滤波器具有三相输入端、中点输入端、三相输出端以及中点输出端；
所述输出滤波器的三相输入端与所述功率模块阵列的三相输出端一一对应连接；所述输出滤波器的中点输入端与所述功率模块阵列的中点输出端连接；所述输出滤波器的三相输出端和中点输出端连接测试母线。
2.根据权利要求1所述的三相电网模拟装置，其特征在于，
所述三相多绕组变压器包括原边三相绕组和多个副边三相绕组，所述原边三相绕组的输入端连接三相电网；
所述功率模块阵列包括三组功率模块；
每组功率模块均包括多个功率模块，每个功率模块包括依次连接的三相整流器、直流母线环节和单相逆变器；所述三相整流器的输入端与所述多个副边三相绕组中对应的副边三相绕组的输出端连接；多个所述单相逆变器之间的输出端串联连接，以形成串联连接后的第一输出端和第二输出端；
所述三组功率模块中的三个第一输出端之间星形连接并形成所述功率模块阵列的中点输出端，所述三组功率模块中的三个第二输出端形成所述功率模块阵列的三相输出端。
3.根据权利要求2所述的三相电网模拟装置，其特征在于，所述原边三相绕组为星形连接或三角形连接；所述副边三相绕组为星形连接或三角形连接。
4.根据权利要求2所述的三相电网模拟装置，其特征在于，所述三相整流器和所述单相逆变器均包括二电平电路或者三电平电路。
5.根据权利要求2所述的三相电网模拟装置，其特征在于，还包括与所述功率模块通信连接的控制器。
6.根据权利要求1所述的三相电网模拟装置，其特征在于，所述输出滤波器包括输出变压器和三相电容器；
所述输出变压器的原边三相绕组的三相输入端与所述功率模块阵列的三相输出端一一对应连接，所述输出变压器的原边三相绕组的中点与所述功率模块阵列的中点输出端连接；
所述输出变压器的副边三相绕组的三相输出端与所述三相电容器的三个相线一一对应连接、且形成所述输出滤波器的三相输出端，所述输出变压器的副边三相绕组的中点与所述三相电容器的中点连接、且形成所述输出滤波器的中点输出端。
7.根据权利要求1所述的三相电网模拟装置，其特征在于，所述输出滤波器包括三相电抗器、三相电容器和输出变压器；
所述三相电抗器的三相输入端与所述功率模块阵列的三相输出端一一对应连接，所述三相电抗器的三相输出端与所述输出变压器的原边三相绕组的三相输入端、以及所述三相电容器的三个相线一一对应连接；
所述输出变压器的原边三相绕组的中点与所述三相电容器的中点以及所述功率模块阵列的中点输出端连接；所述输出变压器的副边三相绕组的三相输出端形成所述输出滤波器的三相输出端、其中点形成所述输出滤波器的中点输出端。
8.根据权利要求6或7所述的三相电网模拟装置，其特征在于，所述三相电容器、所述输出变压器的原边三相绕组以及所述输出变压器的副边三相绕组均为星形连接。
9.根据权利要求6或7所述的三相电网模拟装置，其特征在于，所述输出变压器包括四芯柱结构的输出变压器、五芯柱结构的输出变压器、由三个单相变压器组成的输出变压器中的一种。
10.一种如权利要求1-9任一所述的三相电网模拟装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定旋转坐标系下DQ0轴电压给定值、电压实测值以及电流实测值；
将所述电压给定值输入到DQ0解耦控制器、并将所述电压实测值和所述电流实测值作为反馈输入到所述DQ0解耦控制器，以得到所述DQ0解耦控制器输出的DQ0轴调制电压；
根据所述DQ0轴调制电压，得到所述功率模块阵列的驱动电压，以控制所述功率模块阵列中的开关管动作。
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