带有谐波电压发生和ZIP虚拟负荷的系统及控制方法与流程

本发明属于电能质量分析和控制领域，涉及一种带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统及控制方法，既可以模拟电力系统中的本地负载，还可以实现负荷就地消纳的功能，可应用于抽水储能、光伏自清和电动汽车等多种场合，同时系统还具备谐波发生的功能，提高了系统的完备性和新颖性。

背景技术：

电力系统中，负载变化导致的电压幅值和频率变化等特性在电力系统是常见现象，为此离网运行控制需要从这些基本的问题着手，以提出可靠有效的解决方法。

目前，关于电力系统中负荷模型的研究已经成为热点，如中国发明专利文献《一种电力系统负荷的建模方法》(公开号101789598a)和《中小水电集群的动态等值方法》(公开号106651641a)，其中：

中国发明专利申请文件(101789598a)于2010年7月28日公开的《一种电力系统负荷的建模方法》，本发明从负荷点分类、负荷模型参数聚合，解决了总体测辩法可辨识性及多解的问题，公开了一种电力系统负荷的建模方法；

中国发明专利申请文件(106651641a)于2017年5月10日公开的《中小水电集群的动态等值方法》，本发明选择等值模型为三阶发电机并联静态zip负荷模型，选择中小水电集群送电联络线相量量测数据的有功功率、无功功率、电压、频率作为输入数据为输入，采用自适应控制参数改进差分进化算法来辨识等值模型参数。

纵观现有关于负荷模型的授权专利，其存在的问题如下：

1、负荷模型的建立无法模拟电力系统中的本地负载，更没法实现负荷就地消纳的功能；

2、负荷模型系统大多建立在基波基础上不够全面，没有考虑到包含谐波电压的情况，而电力系统中谐波电压的存在是广泛的，需要列入研究范围之内。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明公开了一种带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统及控制方法，通过采集系统输出电压电流以及给定外部的有功功率和无功功率，根据zip虚拟负荷算法，实现zip虚拟负荷模型的建立，该控制方法可以模拟电力系统中的本地负载，并实现负荷就地消纳的功能。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统，包括电网、三相sts静态切换开关、谐波发生模块、三相串联耦合式变压器组和zip虚拟负荷模块；所述谐波发生模块包括直流源、三相三电平pwm逆变器、三相lc滤波器和三相sts1静态切换开关；所述zip虚拟负荷模块包括电容c、三相三电平pwm变流器和三相l型滤波器；

所述电网三相输出端与所述三相sts静态切换开关输入端一一对应连接，所述三相sts静态切换开关输出端与所述三相串联耦合式变压器组副边输入端一一对应连接；所述直流源输出端与所述三相三电平pwm逆变器输入端一一对应连接，所述三相三电平pwm逆变器输出端与所述三相lc滤波器的电感输入端一一对应连接，所述三相lc滤波器的电容输出端与所述三相sts1静态切换开关输入端一一对应连接，所述三相sts1静态切换开关输出端与所述三相串联耦合式变压器组原边输入端一一对应连接，所述三相串联耦合式变压器组原边输出端与所述三相lc滤波器的电容中性点n短接；所述三相串联耦合式变压器组副边输出端与所述三相l型滤波器输入端一一对应连接，所述三相l型滤波器输出端与所述三相三电平pwm变流器输入端一一对应连接，所述三相三电平pwm变流器输出端与电容c一一对应连接。

本发明还提供了一种带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，先采集一个开关周期内所述三相串联耦合式变压器组副边输出端三相相电压ua、ub、uc和三相电流ia、ib、ic，然后先通过坐标变换分别得到三相相电压αβ轴分量uα、uβ和三相电流αβ轴分量iα、iβ，再通过相角检测得到锁相角γ；

所述坐标变换公式分别为：

所述相角检测公式为：

步骤2，根据步骤1中得到的三相相电压αβ轴分量uα、uβ和三相电流αβ轴分量iα、iβ以及锁相角γ，通过坐标变换得到三相相电压dq轴分量ud、uq和三相电流dq轴分量id、iq；

所述坐标变换公式分别为：

ud＝uβcosγ+uαsinγ

uq＝-uβsinγ+uαcosγ

id＝iβcosγ+iαsinγ

iq＝-iβsinγ+iαcosγ

步骤3，根据步骤2中得到的三相相电压dq轴分量ud、uq，给定有功功率po，给定无功功率qo,检测得到的三相相电压频率偏差量△f，通过zip虚拟负荷算法得到三相电流dq轴指令分量idref、iqref；

所述zip虚拟负荷算法公式为：

其中，kpf,kqf分别为d轴和q轴的频率变动系数，p1,p2,p3分别为给定的zip虚拟负荷中阻抗、电流、功率分量在q轴所占的比例，q1,q2,q3分别为给定的zip虚拟负荷中阻抗、电流、功率分量在d轴所占比例，设p1,p2,p3总和、q1,q2,q3总和均为1；

步骤4，根据步骤2中得到的三相电流dq轴分量id、iq和步骤3中得到的三相电流dq轴指令分量idref、iqref，通过控制器方程计算得到三相三电平pwm变流器的驱动信号dq轴分量dd、dq，再通过坐标变换得到三相三电平pwm变流器的三相驱动信号da、db和dc；

控制器方程为：

其中，kp为控制器的比例系数，ki为控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

坐标变换公式为：

相对于现有的技术，本发明的有益效果为：

1、本发明公开的一种带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统及控制方法，既可以模拟电力系统中的本地负载，还可以实现负荷就地消纳的功能，可应用于抽水储能、光伏自清和电动汽车等多种场合；

2、系统具备谐波发生的功能，提高了系统的完备性和可靠性。

附图说明

图1为带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统拓扑结构图；

图2为带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统控制图。

图中各部分标号与部件对应关系如下：

20-谐波电压发生模块

21-直流源

22-三相三电平pwm逆变器

30-三相串联耦合式变压器组

40-zip虚拟负荷模块

41-三相三电平pwm变流器

具体实施方式

利用matlab/simulink仿真平台搭建系统模型。

参照图1，本发明所述带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统包括电网，三相sts静态切换开关，谐波发生模块20，三相串联耦合式变压器组30和zip虚拟负荷模块40；所述谐波发生模块20包括直流源21，三相三电平pwm逆变器22，三相lc滤波器，三相sts1静态切换开关；所述zip虚拟负荷模块40包括电容c，三相三电平pwm变流器41，三相l型滤波器。

所述电网三相输出端与所述三相sts静态切换开关输入端一一对应连接，所述三相sts静态切换开关输出端与所述三相串联耦合式变压器组30副边输入端一一对应连接；所述直流源输出端与所述三相三电平pwm逆变器22输入端一一对应连接，所述三相三电平pwm逆变器22输出端与所述三相lc滤波器的电感输入端一一对应连接，所述三相lc滤波器的电容输出端与所述三相sts1静态切换开关输入端一一对应连接，所述三相sts1静态切换开关输出端与所述三相串联耦合式变压器组30原边输入端一一对应连接，所述三相串联耦合式变压器组30原边输出端与所述三相lc滤波器的电容中性点n短接；所述三相串联耦合式变压器组30副边输出端与所述三相l型滤波器输入端一一对应连接，所述三相l型滤波器输出端与所述三相三电平pwm变流器41输入端一一对应连接，所述三相三电平pwm变流器41输出端与电容c一一对应连接。

本实施例中，电网为线电压为380v三相交流电；直流源21电压为800v；三相三电平pwm逆变器22功率等级20kw，额定电压380v，开关频率16khz；三相lc滤波器电感l1＝0.12mh，电容c1＝30uf；三相串联耦合式变压器组30变比为1；三相三电平pwm变流器41功率等级20kw，额定电压380v，开关频率16khz，三相l型滤波器电感l2＝0.12mh。

所述的带有谐波电压发生和zip虚拟负荷的系统控制方法参见图2，包括以下步骤：

步骤1，先采集一个开关周期内所述三相串联耦合式变压器组副边输出端三相相电压ua、ub、uc和三相电流ia、ib、ic，然后先通过abc/αβ坐标变换分别得到三相相电压αβ轴分量uα、uβ和三相电流αβ轴分量iα、iβ，再通过相角检测得到锁相角γ。

abc/αβ坐标变换公式分别为：

相角检测公式为：

步骤2，根据步骤1中得到的三相相电压αβ轴分量uα、uβ和三相电流αβ轴分量iα、iβ以及锁相角γ，通过αβ/dq坐标变换得到三相相电压dq轴分量ud、uq和三相电流dq轴分量id、iq。

αβ/dq坐标变换公式分别为：

ud＝uβcosγ+uαsinγ

uq＝-uβsinγ+uαcosγ

id＝iβcosγ+iαsinγ

iq＝-iβsinγ+iαcosγ

步骤3，根据步骤2中得到的三相相电压dq轴分量ud、uq，给定有功功率po，给定无功功率qo,检测得到的三相相电压频率偏差量△f，通过zip虚拟负荷算法计算得到三相电流dq轴指令分量idref、iqref。

所述zip虚拟负荷算法公式为：

其中，kpf,kqf分别为d轴和q轴的频率变动系数，p1,p2,p3分别为给定的zip虚拟负荷中阻抗、电流、功率分量在q轴所占的比例，q1,q2,q3分别为给定的zip虚拟负荷中阻抗、电流、功率分量在d轴所占比例，设p1,p2,p3总和、q1,q2,q3总和均为1。

步骤4，根据步骤2中得到的三相电流dq轴分量id、iq和步骤3中得到的三相电流dq轴指令分量idref、iqref，通过控制器方程计算得到三相三电平pwm变流器的驱动信号dq轴分量dd、dq，再通过dq/abc坐标变换得到三相三电平pwm变流器的三相驱动信号da、db和dc。

控制器方程为：

其中，kp为控制器的比例系数，ki为控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中取kp＝1,ki＝10。

dq/abc坐标变换公式为：