一种电网模拟器拓扑结构及其控制方法
阅读说明：本技术 一种电网模拟器拓扑结构及其控制方法 (Power grid simulator topological structure and control method thereof ) 是由 周连俊 汪诚 彭子琦 顾伟峰 应展烽 殷明慧 杨炯明 彭云 卜京 陈载宇 邹云 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电网模拟器拓扑结构及其控制方法。所述拓扑结构包括结构完全相同的A、B、C三相,A、B、C三相LC滤波器,A、B、C三相变压器及负载。模拟器可以四象限运行,实现电能向电网的回馈,可提供三相电网电压输出并模拟电网的电压跌落、频率偏移、三相不平衡、谐波畸变等各种电网故障情况。在设计控制器层面,将电网模拟器的控制方式分为基波控制和谐波控制,即分别控制低频大容量模块和高频小容量模块。此外,提出一种直流侧电压随动控制策略,以解决各模块间功率不匹配的问题。(The invention discloses a topological structure of a power grid simulator and a control method thereof. The topological structure comprises A, B, C three-phase, A, B, C three-phase LC filters, A, B, C three-phase transformers and loads which are identical in structure. The simulator can operate in four quadrants, realizes the feedback of electric energy to a power grid, can provide three-phase power grid voltage output and simulate various power grid fault conditions of power grid such as voltage drop, frequency offset, three-phase imbalance, harmonic distortion and the like. On the design controller level, the control mode of the power grid simulator is divided into fundamental wave control and harmonic wave control, namely a low-frequency large-capacity module and a high-frequency small-capacity module are respectively controlled. In addition, a direct current side voltage follow-up control strategy is provided to solve the problem of power mismatch among modules.)
技术领域
本发明属于电力电子变换器及其控制领域，特别涉及一种电网模拟器拓扑结构及其控制方法。
背景技术
为了使光伏、风电等分布式发电系统并网，需要将其在并网前进行电网适应能力测试，然而由于电网是一个庞大的系统，进行电网适应能力测试时难以操作。且电网的主要作用是向用户提供标准三相正弦电压，各种形式的电网故障并不常见。因此需要专门的设备来模拟电网故障，分布式发电系统进行测试。电网模拟器的作用就是模拟输出电网各种故障，不仅可输出正常的电网电压，而且可模拟如电压跌落、三相不平衡、频率偏移及电压包含谐波等常见故障。且要能实现四象限运行，使得能量双向流动。随着分布式发电系统的规模化，对电网模拟器功率及功能的要求也在增加。对电网模拟器拓扑结构及控制策略的深入研究对分布式电力系统的适应性测试具有非常重要的意义和价值。
现有的电网模拟器拓扑结构多采用前级不可控整流，后级三相PWM逆变结构，但其无法实现四象限运行，且仅针对中低压小容量系统，对大容量系统并不适用。目前，电网模拟器控制策略主要有比例积分控制、重复控制、滑模变控制等等，但比例积分控制器，只能对电网幅值进行无差跟踪，对给定电压的跟踪存在静差值、延时和振荡等问题；重复控制具有良好的稳态输出特性和鲁棒性但存在输出延迟一个基波周期、动态性能欠佳的问题；滑模变结构为非线性控制，开和关的控制特性，导致其存在抖振的现象等。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种电网模拟器拓扑结构及其控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电网模拟器拓扑结构，该拓扑结构包括：A、B、C三相，A、B、C三相LC滤波器，A、B、C三相变压器，以及负载；A、B、C三相分别均输出基波、低次谐波以及高次谐波，之后分别依次通过A、B、C三相LC滤波器和A、B、C三相变压器连接负载。
进一步地，所述A、B、C三相的结构相同，每一相均包括基波与低频大容量变换器模块、高频小容量变换器模块；
所述基波与低频大容量变换器模块，用于输出基波与低次谐波；
所述高频小容量变换器模块，用于输出高次谐波。
进一步地，所述基波与低频大容量变换器模块包括n个第一增益随动型回馈模块，n个第一分段式宽增益逆变模块；
所述高频小容量变换器模块包括n个第二增益随动型回馈模块，n个第二分段式宽增益逆变模块，其中n≥1；
所述第一增益随动型回馈模块的输出端与第一分段式宽增益逆变模块一一对应连接，第二增益随动型回馈模块的输出端与第二分段式宽增益逆变模块一一对应连接；n个第一分段式宽增益逆变模块按序依次级联，n个第二分段式宽增益逆变模块按序依次级联；与此同时，按序排列的第一个第二分段式宽增益逆变模块与第n个第一分段式宽增益逆变模块级联，按序排列的第一个第一分段式宽增益逆变模块的输出端与A相或B相或C相LC滤波器连接，该LC滤波器之后与A相或B相或C相变压器连接；A、B、C三相中按序排列的第n个第二分段式宽增益逆变模块相级联；其中，1≤i≤n。
进一步地，所述增益随动型回馈模块，其硬件拓扑结构为三相pwm整流器；所述分段式宽增益逆变模块，其硬件拓扑结构为H桥逆变器。
进一步地，所述基波与低频大容量变换器模块、高频小容量变换器模块的容量选取为：
定义基波容量为基准值1，可得谐波容量标幺值为Sh＝1.15-S(Tos)，其中，S(t)为基波输出功率随时间的变换函数，Tos为总功率输出的超调时间。
进一步地，该方法包括分段式宽增益逆变模块电压外环控制、电流内环控制、调制波分配，以及增益随动型回馈模块直流侧电压随动控制；其中，
所述分段式宽增益逆变模块电压外环控制具体为：对A、B、C三相的电压进行采样后得到相电压UA、UB、UC，将相电压UA、UB、UC经过abc_dq坐标变换后得到Uα、Uβ，将A、B、C三相UA、UB、UC的电压指令值UAref、UBref、UCref经过abc_dq坐标变换后得到dq轴的电压指令Uαref和Uβref，将Uαref与Uα作差后经过PR控制器得到内环d轴电流参考信号Iαref，将Uβref与Uβ作差后经过PR控制器得内环q轴电流参考信号Iβref；
所述分段式宽增益逆变模块电流内环控制具体为：对A、B、C三相的电流进行采样后得相电流IA、IB、IC，将相电流IA、IB、IC经过abc_dq坐标变换后得Iα、Iβ，将Iαref与Iα作差后经过PR控制器得到d轴调制波信号Uαr，将Iβref与Iβ作差后经过PR控制器得到q轴调制波信号Uβr，将d轴调制波信号Uαr与q轴调制波信号Uβr经过反Clack变换后得到A、B、C三相的调制波信号Ua、Ub、Uc；
所述分段式宽增益逆变模块调制波分配具体为：将A、B、C三相的调制波信号Ua、Ub、Uc经过傅里叶变换后得到Ua、Ub、Uc的基波分量Uaf、Ubf、Ucf，将基波分量Uaf、Ubf、Ucf作为A、B、C三相基波与低频大容量变换器模块的调制波，将Ua-Uaf、Ub-Ubf、Uc-Ucf作为A、B、C三相高频小容量变换器模块的调制波；
所述增益随动型回馈模块直流侧电压随动控制具体为：直流侧电压vdc1a...vdcna与系统所有模块直流侧电压的平均值∑vdcj/3n进行比较，得到的误差经过PI控制器之后，所输出的直流侧电压的调节量与当前的直流侧电压作差，产生新的模块直流侧电压参考值v* dc1a...v* dcna，将调制波vr1a...vrna与该值相除，得到控制调制比m1a...mna，实现更高功率的模块的输出电压比例增大，实现各模块功率间匹配。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明针对当前大兆瓦级电网模拟器面临的大容量、高电压动态响应速率、高响应精度、高可靠性等目标性能难以兼顾的问题，提出可采用组合拓扑结构，合理地将全局性能指标向子系统进行优化分解，避免对单一拓扑结构性能的过度挖掘而遭遇瓶颈难题。基于此思路，提出了基波与低频大容量变换器模块与高频小容量变换器模块串联的电网模拟器拓扑结构，以及与之对应的分段式宽增益逆变模块调制波分配控制策略、增益随动型回馈模块直流侧电压随动控制策略，并给出了低频大容量变换器模块与高频小容量变换器模块的容量配比原则。在降低成本、实施复杂程度与可靠性风险的同时，获得大兆瓦电网模拟器电压动态响应性能的进一步突破。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中电网模拟器拓扑结构示意图。
图2为一个实施例中电网模拟器拓扑结构的电压外环控制、电流内环控制、调制波分配控制框图。
图3为一个实施例中电网模拟器拓扑结构的直流侧电压随动控制框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处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。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种电网模拟器拓扑结构，该拓扑结构包括：A、B、C三相，A、B、C三相LC滤波器，A、B、C三相变压器，以及负载；A、B、C三相分别均输出基波、低次谐波以及高次谐波，之后分别依次通过A、B、C三相LC滤波器和A、B、C三相变压器连接负载。
整个系统分解成两个部分：基波部分和谐波部分，该拓扑结构由基波、谐波整流模块，基波、谐波逆变模块，滤波器，以及基波谐波连接单元构成，其中基波和谐波整流模块都采用了增益随动型回馈模块，可以产生各自需要的直流电压；滤波器采用了LC滤波电路；基波谐波连接单元采用了变压器，不仅起到了基波谐波的连接作用，还可以起到隔离的作用，防止直流侧发生短路现象。
进一步地，在其中一个实施例中，所述A、B、C三相的结构相同，每一相均包括基波与低频大容量变换器模块、高频小容量变换器模块；
所述基波与低频大容量变换器模块，用于输出基波与低次谐波；
所述高频小容量变换器模块，用于输出高次谐波。
进一步地，在其中一个实施例中，所述A相的基波与低频大容量变换器模块包括n个第一增益随动型回馈模块Aa1～Aan，n个第一分段式宽增益逆变模块Haa1～Haan
所述高频小容量变换器模块包括n个第二增益随动型回馈模块Ab1～Abn，n个第二分段式宽增益逆变模块Hab1～Habn，其中n≥1；
所述第一增益随动型回馈模块Aai的输出端与第一分段式宽增益逆变模块Haai一一对应连接，第二增益随动型回馈模块Abi的输出端与第二分段式宽增益逆变模块Habi一一对应连接；n个第一分段式宽增益逆变模块Haai按序依次级联，n个第二分段式宽增益逆变模块Habi按序依次级联；与此同时，按序排列的第一个第二分段式宽增益逆变模块Hab1与第n个第一分段式宽增益逆变模块Haan级联，按序排列的第一个第一分段式宽增益逆变模块Haa1的输出端与A相或B相或C相LC滤波器连接，该LC滤波器之后与A相或B相或C相变压器a1连接；A、B、C三相中按序排列的第n个第二分段式宽增益逆变模块Habn相级联；其中，1≤i≤n。
进一步地，在其中一个实施例中，所述B相的基波与低频大容量变换器模块包括n个第一增益随动型回馈模块Ba1～Ban，n个第一分段式宽增益逆变模块Hba1～Hban；
所述高频小容量变换器模块包括n个第二增益随动型回馈模块Bb1～Bbn，n个第二分段式宽增益逆变模块Hbb1～Hbbn，其中n≥1；
所述第一增益随动型回馈模块Bai的输出端与第一分段式宽增益逆变模块Hbai一一对应连接，第二增益随动型回馈模块Bbi的输出端与第二分段式宽增益逆变模块Hbbi一一对应连接；n个第一分段式宽增益逆变模块Hbai按序依次级联，n个第二分段式宽增益逆变模块Hbbi按序依次级联；与此同时，按序排列的第一个第二分段式宽增益逆变模块Hbb1与第n个第一分段式宽增益逆变模块Hban级联，按序排列的第一个第一分段式宽增益逆变模块Hba1的输出端与A相或B相或C相LC滤波器连接，该LC滤波器之后与A相或B相或C相变压器b1连接；A、B、C三相中按序排列的第n个第二分段式宽增益逆变模块Hbbn相级联；其中，1≤i≤n。
进一步地，在其中一个实施例中，所述C相的基波与低频大容量变换器模块包括n个第一增益随动型回馈模块Ca1～Can，n个第一分段式宽增益逆变模块Hca1～Hcan；
所述高频小容量变换器模块包括n个第二增益随动型回馈模块Cb1～Cbn，n个第二分段式宽增益逆变模块Hcb1～Hcbn，其中n≥1；
所述第一增益随动型回馈模块Cai的输出端与第一分段式宽增益逆变模块Hcai一一对应连接，第二增益随动型回馈模块Cbi的输出端与第二分段式宽增益逆变模块Hcbi一一对应连接；n个第一分段式宽增益逆变模块Hcai按序依次级联，n个第二分段式宽增益逆变模块Hcbi按序依次级联；与此同时，按序排列的第一个第二分段式宽增益逆变模块Hcb1与第n个第一分段式宽增益逆变模块Hcan级联，按序排列的第一个第一分段式宽增益逆变模块Hca1的输出端与A相或B相或C相LC滤波器连接，该LC滤波器之后与A相或B相或C相变压器c1连接；A、B、C三相中按序排列的第n个第二分段式宽增益逆变模块Hcbn相级联；其中，1≤i≤n。
进一步地，在其中一个实施例中，所述增益随动型回馈模块，其硬件拓扑结构为三相pwm整流器；所述分段式宽增益逆变模块，其硬件拓扑结构为H桥逆变器。
进一步地，在其中一个实施例中，所述基波与低频大容量变换器模块、高频小容量变换器模块的容量选取为：
不同容量的选取，一般以总体超调不超过稳态值的15％，且遵循有效值最小的原则，即基波按照最优无超调系统进行控制参数设计，而谐波部分的超调选为15％；
定义基波容量为基准值1，可得谐波容量标幺值为Sh＝1.15-S(Tos)，其中，S(t)为基波输出功率随时间的变换函数，Tos为总功率输出的超调时间。
在一个实施例中，提供了一种针对上述电网模拟器拓扑结构的控制方法，该方法包括分段式宽增益逆变模块电压外环控制、电流内环控制、调制波分配，以及增益随动型回馈模块直流侧电压随动控制；其中，电压外环控制、电流内环控制、调制波分配为分段式宽增益逆变模块控制策略，如图2所示；直流侧电压随动控制为增益随动型回馈模块控制策略，如图3所示。
所述分段式宽增益逆变模块电压外环控制具体为：对A、B、C三相的线电压采样后的线电压UAB、UBC和UCA，根据下式：
计算得到相电压UA、UB、UC，将相电压UA、UB、UC经过abc_dq坐标变换后得到Uα、Uβ，将A、B、C三相UA、UB、UC的电压指令值UAref、UBref、UCref经过abc_dq坐标变换后得到dq轴的电压指令Uαref和Uβref，将Uαref与Uα作差后经过PR控制器得到内环d轴电流参考信号Iαref，将Uβref与Uβ作差后经过PR控制器得内环q轴电流参考信号Iβref；
所述分段式宽增益逆变模块电流内环控制具体为：对A、B、C三相的电流进行采样后得相电流IA、IB、IC，将相电流IA、IB、IC经过abc_dq坐标变换后得Iα、Iβ，将Iαref与Iα作差后经过PR控制器得到d轴调制波信号Uαr，将Iβref与Iβ作差后经过PR控制器得到q轴调制波信号Uβr，将d轴调制波信号Uαr与q轴调制波信号Uβr经过反Clack变换后得到A、B、C三相的调制波信号Ua、Ub、Uc；
所述分段式宽增益逆变模块调制波分配具体为：将A、B、C三相的调制波信号Ua、Ub、Uc经过傅里叶变换后得到Ua、Ub、Uc的基波分量Uaf、Ubf、Ucf，将基波分量Uaf、Ubf、Ucf作为A、B、C三相基波与低频大容量变换器模块的调制波，将Ua-Uaf、Ub-Ubf、Uc-Ucf作为A、B、C三相高频小容量变换器模块的调制波；
所述增益随动型回馈模块直流侧电压随动控制具体为：直流侧电压vdc1a...vdcna与系统所有模块直流侧电压的平均值∑vdcj/3n进行比较，得到的误差经过PI控制器之后，所输出的直流侧电压的调节量与当前的直流侧电压作差，产生新的模块直流侧电压参考值v* dc1a...v* dcna，将调制波vr1a...vrna与该值相除，得到控制调制比m1a...mna，实现更高功率的模块的输出电压比例增大，实现各模块功率间匹配。
综上，本发明模拟器可以四象限运行，实现电能向电网的回馈，可提供三相电网电压输出并模拟电网的电压跌落、频率偏移、三相不平衡、谐波畸变等各种电网故障情况。在设计控制器层面，将电网模拟器的控制方式分为基波控制和谐波控制，即分别控制低频大容量模块和高频小容量模块。此外，提出一种直流侧电压随动控制策略，以解决各模块间功率不匹配的问题。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明专利。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明专利不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明专利的揭示，不脱离本发明专利范畴所做出的改进和修改都应该在本发明专利的保护范围之内。
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