本發(fā)明屬于電能質(zhì)量分析和控制領(lǐng)域，涉及一種帶有同步發(fā)電機(jī)特性和諧波發(fā)生功能的電網(wǎng)模擬器及其控制方法，既可以模擬同步發(fā)電機(jī)特性，又可以發(fā)出諧波，在分布式發(fā)電研究中，為系統(tǒng)提供了帶有同步發(fā)電機(jī)特性和諧波發(fā)生功能的電網(wǎng)測試環(huán)境，滿足更多的電氣和電力電子設(shè)備的性能測試和研究需要。

背景技術(shù)：

新能源發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行可以節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性，是21世紀(jì)電力行業(yè)發(fā)展的重要方向。為了確保系統(tǒng)安裝者的安全以及電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，分布式發(fā)電系統(tǒng)必須滿足并網(wǎng)的技術(shù)要求，隨著越來越多的分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，各國電網(wǎng)公司均對分布式發(fā)電提出了嚴(yán)格的要求，因此在分布式發(fā)電系統(tǒng)研究中，對能夠?yàn)殡姎夂碗娏﹄娮釉O(shè)備提供測試平臺的電網(wǎng)模擬器需求迫在眉睫。

能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用和推廣提供了優(yōu)越的條件和廣闊的平臺。目前，同步發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用于包含光伏、風(fēng)電、柴油發(fā)電、儲能系統(tǒng)的等分布式電源的多能互補(bǔ)微電網(wǎng)，電動汽車充電樁、能量路由器、柔性高壓直流輸電等領(lǐng)域。因此，將同步發(fā)電機(jī)特性融入到電網(wǎng)模擬器中，增強(qiáng)了電網(wǎng)模擬器的功能，也成為電網(wǎng)模擬器研究重要意義之一。

隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，大量的諧波被注入電網(wǎng)，致使整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量日益惡化。電網(wǎng)中的諧波問題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注，為了避免諧波的危害，保證較高的供電質(zhì)量，各個國家、地區(qū)和國際組織在這方面制定了諸多的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，電網(wǎng)模擬器的研究已經(jīng)成為分布式發(fā)電研究的熱點(diǎn)問題，如實(shí)用新型專利文獻(xiàn)《一種全能量回饋型電網(wǎng)模擬器》(公開號cn203911496u)和《電網(wǎng)模擬器》(公開號cn204668948u)，其中：

中國實(shí)用新型專利說明書cn203911496u于2014年10月29日公開的《一種全能量回饋型電網(wǎng)模擬器》，該實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓漸變、零電壓穿越、頻率漸變、過(欠)壓、過(欠)頻等功能的模擬，可以滿足光伏逆變器各種電氣性能測試及電網(wǎng)故障模擬；

中國實(shí)用新型專利說明書cn204668948u于2015年9月23日公開的《電網(wǎng)模擬器》，該實(shí)用新型包括輸入單元、能量轉(zhuǎn)換單元、控制單元、輸出單元，能量轉(zhuǎn)換單元包括pwm整流器和pwm逆變器；電網(wǎng)電壓通過輸入單元傳輸至能量轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換單元整流和逆變后傳輸至輸出單元，并通過輸出單元向外輸出；控制單元接收輸出單元傳送的反饋信號，控制能量轉(zhuǎn)換單元的運(yùn)行。本實(shí)用新型的電網(wǎng)模擬器穩(wěn)定性高、可靠性好；且結(jié)構(gòu)簡單、易于控制。

縱觀現(xiàn)有相關(guān)電網(wǎng)模擬器授權(quán)專利，僅僅是模擬最基礎(chǔ)的電網(wǎng)故障情況，沒有任何電網(wǎng)模擬器資料包含同步發(fā)電機(jī)特性，同時，關(guān)于諧波對于電網(wǎng)的影響研究也甚少，其存在的技術(shù)問題如下：

1、同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用在分布式發(fā)電系統(tǒng)研究中越來越廣泛，以往只能模擬電網(wǎng)故障情況的電網(wǎng)模擬器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電氣和電力電子設(shè)備提供測試要求，需要將同步發(fā)電機(jī)特性融入電網(wǎng)模擬器中，提高和完善電網(wǎng)模擬器的功能；

2、在理想狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓應(yīng)該是正弦波，但是由于電力系統(tǒng)中存在大量非線性特性的用電設(shè)備，導(dǎo)致實(shí)際的波形偏離正弦波，為了還原真實(shí)的電網(wǎng)環(huán)境，需要在電網(wǎng)模擬器中設(shè)置相應(yīng)的諧波發(fā)生模塊20，來模擬電壓正弦的畸變現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置及控制方法，通過模擬同步發(fā)電機(jī)特性，輸出具有下垂特性的50hz工頻電壓并充當(dāng)電網(wǎng)基波電壓，同時又可發(fā)出諧波，提高和完善了已有電網(wǎng)模擬器的功能，滿足更多的電氣和電子產(chǎn)品在電網(wǎng)電壓異常情況下的性能測試和研究。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明提供了一種模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置，包括同步發(fā)電機(jī)特性實(shí)現(xiàn)模塊10，諧波發(fā)生模塊20，三相串聯(lián)耦合式變壓器組30和三相負(fù)載40；

所述同步發(fā)電機(jī)特性實(shí)現(xiàn)模塊10包括直流源1，三相三電平pwm逆變器1，三相l(xiāng)c濾波器1，三相△/y型隔離變壓器和三相sts靜態(tài)切換開關(guān)1；所述直流源1與所述三相三電平pwm逆變器1的直流側(cè)輸入端相連，所述三相三電平pwm逆變器1輸出端與所述三相l(xiāng)c濾波器1電感輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相l(xiāng)c濾波器1電感輸出端與所述三相△/y型隔離變壓器原邊輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相△/y型隔離變壓器副邊輸出端與所述三相l(xiāng)c濾波器1電容輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相l(xiāng)c濾波器1電容輸出端與所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)1輸入側(cè)一一對應(yīng)相連，所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)1輸出側(cè)與所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30副邊輸入側(cè)一一對應(yīng)連接；

所述諧波發(fā)生模塊20包括直流源2，三相三電平pwm逆變器2，三相l(xiāng)c濾波器2和三相sts靜態(tài)切換開關(guān)2；所述直流源2與所述三相三電平pwm逆變器2的直流側(cè)輸入端相連，所述三相三電平pwm逆變器2輸出端與所述三相l(xiāng)c濾波器2電感輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相l(xiāng)c濾波器2電容輸出端與所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)2輸入側(cè)一一對應(yīng)相連，所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)2輸出側(cè)與所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30原邊輸入側(cè)一一對應(yīng)連接，所述三相l(xiāng)c濾波器2的電容中性點(diǎn)n與所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30原邊輸出側(cè)短接；

所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30副邊輸出端與所述三相負(fù)載40輸入端一一對應(yīng)連接，所述三相負(fù)載40輸出端短接。

本發(fā)明還提供了一種模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置的控制方法，所述控制方法包括同步發(fā)電機(jī)特性控制部分和諧波控制部分；

所述同步發(fā)電機(jī)特性控制部分包括以下步驟：

步驟1，先采集一個開關(guān)周期內(nèi)所述三相l(xiāng)c濾波器1電感電流ial1、ibl1、icl1,電容電流ia1、ib1、ic1，電容相電壓ua1、ub1和uc1，然后通過坐標(biāo)變換得到電感電流dq軸分量idl1、iql1，電容電流dq軸分量id1、iq1和電容相電壓dq軸分量ud1、uq1，最后通過功率計(jì)算得到電磁功率pout，平均無功功率qout；

電感電流坐標(biāo)變換方程為：

電容電流坐標(biāo)變換方程為：

電容相電壓坐標(biāo)變換方程為：

以上六個坐標(biāo)變換方程中，θ為q軸和d軸的夾差；

電磁功率pout計(jì)算方程為：

平均無功功率qout計(jì)算方程為：

步驟2，根據(jù)步驟1中的電磁功率pout，平均無功功率qout，給定有功功率p0，給定無功功率q0，同步角頻率ω0，空載電勢e0，通過虛擬同步電機(jī)算法，得到暫態(tài)電壓edre，機(jī)械角頻率ω；

虛擬同步電機(jī)算法的計(jì)算方程為：

其中，j為虛擬轉(zhuǎn)動慣量，d為虛擬阻尼系數(shù)，n為無功下垂系數(shù)，s為拉普拉斯算子；

步驟3，根據(jù)步驟1中的三相l(xiāng)c濾波器1電感電流dq軸分量idl1、iql1，電容電流dq軸分量id1、iq1和電容相電壓dq軸分量ud1、uq1,步驟2中的暫態(tài)電壓edre，機(jī)械角頻率ω，通過電壓電流雙閉環(huán)控制得到三相三電平pwm逆變器1的控制電壓dq軸分量upwmq1，upwmd1；

電壓電流雙閉環(huán)控制方程為：

其中，kup1為電壓閉環(huán)控制的比例系數(shù)，kui1為電壓閉環(huán)控制的積分系數(shù)，kip1為電流閉環(huán)控制參數(shù)，s為拉普拉斯算子；

步驟4，根據(jù)步驟3中得到的三相三電平pwm逆變器1控制電壓dq軸分量upwmq1，upwmd1，通過坐標(biāo)反變換得到三相調(diào)制波電壓upwma1，upwmb1和upwmc1，再通過pwm調(diào)制生成控制信號s1驅(qū)動三相三電平pwm逆變器1；

坐標(biāo)反變換公式為：

upwma1＝upwmq1cosθ+upwmd1sinθ

所述諧波發(fā)生控制部分包括以下步驟：

首先給定三相三電平pwm逆變器2的三相指令電壓urefa2，urefb2和urefc2，取絕對值得到三相指令電壓幅值|urefa2|，|urefb2|和|urefc2|；其次采集一個開關(guān)周期內(nèi)所述三相l(xiāng)c濾波器2電容相電壓ua2，ub2和uc2，取絕對值得到電容相電壓幅值|ua2|，|ub2|和|uc2|；然后通過幅值閉環(huán)控制得到三相三電平pwm逆變器2的三相調(diào)制波電壓upwma2，upwmb2和upwmc2，再通過pwm調(diào)制生成控制信號s2驅(qū)動三相三電平pwm逆變器2；

幅值閉環(huán)控制方程為：

其中，kp2為幅值閉環(huán)控制比例參數(shù)，ki2為幅值閉環(huán)控制積分系數(shù)，ω為三相指令電壓urefa2，urefb2和urefc2的角頻率，t為時間。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

1、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置可以模擬同步發(fā)電機(jī)特性，輸出帶有下垂特性的電壓作為電網(wǎng)模擬器的基波；

2、本發(fā)明所述模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置還可以發(fā)出諧波，提高和完善了現(xiàn)有電網(wǎng)模擬器的功能，為更多的電氣和電子產(chǎn)品在電網(wǎng)電壓異常情況下的性能測試和研究提供平臺。

附圖說明

圖1為本發(fā)明帶有同步發(fā)電機(jī)特性和諧波發(fā)生功能的電網(wǎng)模擬器拓?fù)鋱D；

圖2為本發(fā)明一種模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置的同步發(fā)電機(jī)特性控制圖；

圖3為本發(fā)明模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置的諧波發(fā)生特性控制圖。

具體實(shí)施方式

利用matlab/simulink仿真平臺搭建系統(tǒng)模型。

參見圖1，本發(fā)明所述模擬同步發(fā)電機(jī)特性和諧波電壓發(fā)生的裝置包括同步發(fā)電機(jī)特性實(shí)現(xiàn)模塊10，諧波發(fā)生模塊20，三相串聯(lián)耦合式變壓器組30和三相負(fù)載40。

所述同步發(fā)電機(jī)特性實(shí)現(xiàn)模塊10包括直流源1，三相三電平pwm逆變器1，三相l(xiāng)c濾波器1，三相△/y型隔離變壓器和三相sts靜態(tài)切換開關(guān)1。本實(shí)施例中取直流源1電壓為600v,取三相三電平pwm逆變器1功率100kw，額定電壓400v，開關(guān)頻率6khz。本實(shí)施例的三相l(xiāng)c濾波器1，取電感0.5mh，電容90uf。本實(shí)施例的三相△/y型隔離變壓器為變比270/400的dy11型隔離變壓器。

所述直流源1與所述三相三電平pwm逆變器1的直流側(cè)輸入端相連，所述三相三電平pwm逆變器1輸出端與所述三相l(xiāng)c濾波器1電感輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相l(xiāng)c濾波器1電感輸出端與所述三相△/y型隔離變壓器原邊輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相△/y型隔離變壓器副邊輸出端與所述三相l(xiāng)c濾波器1電容輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相l(xiāng)c濾波器1電容輸出端與所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)1輸入側(cè)一一對應(yīng)相連，所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)1輸出側(cè)與所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30副邊輸入側(cè)一一對應(yīng)連接；

所述諧波發(fā)生模塊20包括直流源2，三相三電平pwm逆變器2，三相l(xiāng)c濾波器2和三相sts靜態(tài)切換開關(guān)2。本實(shí)施例中取直流源電壓為800v，取三相三電平pwm逆變器2功率20kw，額定電壓380v，開關(guān)頻率16khz。本實(shí)施例的三相l(xiāng)c濾波器2，取電感0.12mh，電容30uf。

所述直流源2與所述三相三電平pwm逆變器2的直流側(cè)輸入端相連，所述三相三電平pwm逆變器2輸出端與所述三相l(xiāng)c濾波器2電感輸入端一一對應(yīng)相連，所述三相l(xiāng)c濾波器2電容輸出端與所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)2輸入側(cè)一一對應(yīng)相連，所述三相sts靜態(tài)切換開關(guān)2輸出側(cè)與所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30原邊輸入側(cè)一一對應(yīng)連接，所述三相l(xiāng)c濾波器2電容中性點(diǎn)n與所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30原邊輸出側(cè)短接。

三相串聯(lián)耦合式變壓器組30變比為1，三相負(fù)載40為40kw功率運(yùn)行時4歐姆電阻。所述三相串聯(lián)耦合式變壓器組30副邊輸出端與所述三相負(fù)載40輸入端一一對應(yīng)連接，所述三相負(fù)載40輸出端短接。

所述同步發(fā)電機(jī)特性控制部分參見圖2，包括以下步驟：

步驟1：先采集一個開關(guān)周期內(nèi)所述三相l(xiāng)c濾波器1電感電流ial1、ibl1、icl1,電容電流ia1、ib1、ic1，電容相電壓ua1、ub1和uc1，然后通過坐標(biāo)變換得到電感電流dq軸分量idl1、iql1，電容電流dq軸分量id1、iq1和電容相電壓dq軸分量ud1、uq1，最后通過功率計(jì)算得到電磁功率pout，平均無功功率qout；

電感電流坐標(biāo)變換方程為：

電容電流坐標(biāo)變換方程為：

電容相電壓坐標(biāo)變換方程為：

以上坐標(biāo)變換方程中，θ為q軸和d軸的夾差，單位為弧度/秒。

電磁功率pout計(jì)算方程為：

平均無功功率qout計(jì)算方程為：

步驟2，根據(jù)步驟1中的電磁功率pout，平均無功功率qout，給定有功功率p0，給定無功功率q0，同步角頻率ω0，空載電勢e0，通過虛擬同步電機(jī)算法，得到暫態(tài)電壓edre，機(jī)械角頻率ω。

本實(shí)施例中取p0＝40kw，q0＝0，ω0＝314rad/s，e0＝220v。

虛擬同步電機(jī)算法的計(jì)算方程為：

其中，j為虛擬轉(zhuǎn)動慣量，d為虛擬阻尼系數(shù)，n為無功下垂系數(shù)，s為拉普拉斯算子。本實(shí)施例中取d＝2pu，n＝1.1e-4。

步驟3：根據(jù)步驟1中的三相l(xiāng)c濾波器1電感電流dq軸分量idl1、iql1，電容電流dq軸分量id1、iq1和電容相電壓dq軸分量ud1、uq1,步驟2中的暫態(tài)電壓edre，機(jī)械角頻率ω，通過電壓電流雙閉環(huán)控制得到三相三相三電平pwm逆變器1的控制電壓dq軸分量upwmq1，upwmd1；

電壓電流雙閉環(huán)控制方程為：

其中，kup1為電壓閉環(huán)控制的比例系數(shù)，kui1為電壓閉環(huán)控制的積分系數(shù)，kip1為電流閉環(huán)控制參數(shù)，s為拉普拉斯算子。本實(shí)施例中取kup1＝0.1，kui1＝500，kip1＝0.06。

步驟4：根據(jù)步驟3中得到的三相三電平pwm逆變器1控制電壓dq軸分量upwmq1，upwmd1通過坐標(biāo)反變換得到三相調(diào)制波電壓upwma1，upwmb1和upwmc1，再通過pwm調(diào)制生成控制信號s1驅(qū)動三相三電平pwm逆變器1。

坐標(biāo)反變換公式為：

upwma1＝upwmq1cosθ+upwmd1sinθ

所述諧波發(fā)生控制部分參見圖3，包括以下步驟：

首先給定三相三電平pwm逆變器2的三相指令電壓urefa2，urefb2和urefc2，取絕對值得到三相指令電壓幅值|urefa2|，|urefb2|和|urefc2|；其次采集一個開關(guān)周期內(nèi)所述三相l(xiāng)c濾波器2電容相電壓ua2，ub2和uc2，取絕對值得到電容相電壓幅值|ua2|，|ub2|和|uc2|；然后通過幅值閉環(huán)控制得到三相三電平pwm逆變器2的三相調(diào)制波電壓upwma2，upwmb2和upwmc2，再通過pwm調(diào)制生成控制信號s2驅(qū)動三相三電平pwm逆變器2。

幅值閉環(huán)控制方程為：

其中，kp2為幅值閉環(huán)控制比例參數(shù)，ki2為幅值閉環(huán)控制積分系數(shù)，ω為三相指令電壓urefa2，urefb2和urefc2的角頻率，單位為弧度/秒，t為時間，單位為秒。本實(shí)施例取kp2＝0.1，ki2＝15，ω＝1570弧度/秒。