一种电网模拟装置及其高频谐波电流控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电网模拟装置及其高频谐波电流控制方法。


背景技术：

2.现有的电网模拟装置，为满足高压输出，往往采用单元级联架构，如图1所示。由于电网模拟装置不仅需要输出基波电压，还要输出对应的谐波电压，因此，现有方案是将所有单元分为基波发生单元和谐波发生单元。
3.其中，基波发生单元的开关频率较低，而谐波发生单元的开关频率较高。但由于谐波发生单元与基波发生单元呈串联形式，因此谐波发生单元也需要流过负载电流。所以，在满载条件下，谐波发生单元的开关损耗较大，热设计困难。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种电网模拟装置及其高频谐波电流控制方法，以减小谐波发生单元的输出电流，进而减小损耗，优化热设计。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.本发明第一方面提供了一种电网模拟装置，包括：变压器、基波发生单元、谐波发生单元以及第一电抗器；其中：
7.所述基波发生单元取电于所述变压器的相应副边绕组；
8.所述基波发生单元的输出端通过所述第一电抗器，与所述谐波发生单元的输出端并联连接，连接点作为所述电网模拟装置的输出端。
9.可选的，所述谐波发生单元，包括：
10.一个三相输出的功率变换器；或者，
11.三个单相输出且通过输出侧一极实现星形连接的功率变换器；又或者，
12.至少两个第一变换模块；所述第一变换模块包括三个单相输出的功率变换器，各所述第一变换模块的对应相分别级联，各相级联后的一端互连，另一端作为所述谐波发生单元的输出端。
13.可选的，所述功率变换器为ac/ac变换器，且所述谐波发生单元取电于：所述变压器中另外的相应副边绕组，或者，另一变压器的相应副边绕组。
14.可选的，所述功率变换器为dc/ac变换器，且所述dc/ac变换器的直流侧正负极之间设置有母线电容。
15.可选的，所述母线电容并联连接有泄放电路。
16.可选的，所述谐波发生单元输出的基波电压低于所述基波发生单元的输出电压时：
17.所述谐波发生单元的输出端，与所述电网模拟装置的输出端之间，还设置有：双绕组变压器；
18.或者，所述谐波发生单元的输出端，所述第一电抗器远离所述基波发生单元的一侧，以及，所述电网模拟装置的输出端之间，还设置有：三绕组变压器。
19.可选的，所述谐波发生单元的输出端，与相应变压器之间，还设置有第二电抗器。
20.可选的，所述基波发生单元，包括：至少两个第二变换模块；
21.所述第二变换模块包括三个单相输出且分别取电于所述变压器中相应副边绕组的ac/ac变换器；
22.各所述第二变换模块的对应相分别级联，各相级联后的一端互连，另一端作为所述基波发生单元的输出端。
23.本发明第二方面还提供了一种电网模拟装置的高频谐波电流控制方法，所述电网模拟装置为如上述第一方面任一段落所述的电网模拟装置；所述高频谐波电流控制方法包括：
24.根据所述电网模拟装置的输出电压，以及，所述电网模拟装置中谐波发生单元的输出电流，进行基波和谐波分离以及park变换；
25.以输出电压谐波幅值给定值为目标，对park变换得到的各分量进行调节；
26.根据调节结果进行ipark变换和空间矢量调制，得到所述谐波发生单元的调制波。
27.可选的，根据所述电网模拟装置的输出电压，以及，所述电网模拟装置中谐波发生单元的输出电流，进行基波和谐波分离以及park变换，包括：
28.分别通过带通滤波器，对所述输出电压和所述输出电流进行基波和谐波分离，得到输出电压谐波幅值、基波电流和谐波电流；
29.对所述基波电流进行park变换，得到基波电流d轴分量和基波电流q轴分量；对所述谐波电流进行park变换，得到谐波电流d轴分量及谐波电流q轴分量。
30.可选的，对所述基波电流进行park变换时所需的角度，为对所述输出电压进行锁相后得到的基波相位；
31.对所述谐波电流进行park变换时所需的角度，为根据设定谐波频率进行积分后得到的。
32.可选的，以输出电压谐波幅值给定值为目标，对park变换得到的各分量进行调节，包括：
33.以分离得到的输出电压谐波幅值，作为电压外环中所述输出电压谐波幅值给定值的反馈量，对所述谐波电流d轴分量进行调节；
34.以零作为电流环给定，对其他分量进行调节；
35.分别对两个d轴调节量和两个q轴调节量进行求和，作为所述调节结果。
36.本发明提供的电网模拟装置，将谐波发生单元与基波发生单元改为并联形式，其中，基波发生单元输出基波电压，并提供负载所需的基波电流；而谐波发生单元用于注入谐波电流，在第一电抗器上产生压降，形成谐波电压，叠加到基波电压上。进而，本发明提供的该电网模拟装置，其谐波发生单元中不再需要流过负载电流，即便满载条件下，也不会带来较大的谐波发生单元开关损耗，可以优化热设计。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
38.图1为现有技术提供的电网模拟装置的结构示意图；
39.图2为本发明实施例提供的电网模拟装置的结构示意图；
40.图3a、图3b、图4a、图4b、图5a、图5b、图6a、图6b、图7a、图7b、图8a和图8b分别为本发明实施例提供的电网模拟装置的十二种结构示意图；
41.图9为本发明实施例提供的电网模拟装置的三绕组变压器的等效结构示意图；
42.图10为本发明实施例提供的电网模拟装置的高频谐波电流控制方法的流程图；
43.图11为本发明实施例提供的电网模拟装置的高频谐波电流控制方法的控制框图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本技术中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
46.本发明提供一种电网模拟装置，以减小谐波发生单元的输出电流，进而减小损耗，优化热设计。
47.如图2所示，该电网模拟装置，包括：变压器10、基波发生单元20、谐波发生单元30以及第一电抗器40；其中：
48.该变压器具体可以为分裂变压器；基波发生单元20取电于变压器10的相应副边绕组；变压器10的原边绕组接收交流电，比如取电于电网。
49.如图3a和图3b中所示，该基波发生单元20，包括：至少两个第二变换模块201；其中，第二变换模块201包括三个单相输出且分别取电于变压器10中相应副边绕组的ac/ac变换器；各第二变换模块201的对应相分别级联，各相级联后的一端互连，另一端作为基波发生单元20的输出端。
50.此处对该基波发生单元20内第二变换模块201的级联数量不做具体限定，实际应用中，可以根据其具体的应用环境而定。
51.而且，该ac/ac变换器的输出电压等级也不做具体限定，视其具体应用环境而定即可；图4a所示为其一种可选的拓扑形式，但并不仅限于此；视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
52.基波发生单元20的输出端通过第一电抗器40，与谐波发生单元30的输出端并联连接，连接点作为电网模拟装置的输出端。具体的，基波发生单元20的输出端连接第一电抗器40的第一侧，谐波发生单元30的输出端连接第一电抗器40的第二侧。
53.也即，基波发生单元20通过第一电抗器40，与谐波发生单元30并联输出；不同于现有技术中图1所示的串联形式，本实施例将谐波发生单元30与基波发生单元20改为并联形式，其具体的工作原理为：
54.基波发生单元20输出基波电压，并提供负载所需的基波电流；而谐波发生单元30用于注入谐波电流，在第一电抗器40上产生压降，形成谐波电压，叠加到基波电压上。
55.因此，本实施例提供的该电网模拟装置，其谐波发生单元30中不再需要流过负载电流，即便满载条件下，也不会带来较大的谐波发生单元30开关损耗，可以优化热设计。
56.在上一实施例的基础之上，该电网模拟装置的谐波发生单元30有多种具体的实现形式，具体的：
57.(1)如图3a和图3b所示，该谐波发生单元30，包括：至少两个第一变换模块301；该第一变换模块301包括三个单相输出的功率变换器，各第一变换模块301的对应相分别级联，各相级联后的一端互连，另一端作为谐波发生单元30的输出端。
58.图3a中，该功率变换器为ac/ac变换器，且谐波发生单元30取电于：变压器10中另外的相应副边绕组(如图3a中20与30之间的部分，因图片分区展示，未将其划入10的虚线框内，但其同样属于10内部)。
59.值得说明的是，实际应用中，该电网模拟装置也可以包括另外一个变压器10(未进行图示)，其原边绕组接收交流电，比如连接电网，其各个副边绕组分别为相应的ac/ac变换器供电。只不过该情况下的结构成本高于图3a所示的情况。
60.图3b中，该功率变换器为dc/ac变换器，图4b为其一种可选的拓扑形式，但并不仅限于此；视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
61.而且，该dc/ac变换器直流侧正负极之间设置有母线电容，优选的，为了预防某些特殊情况下dc/ac变换电路的母线电压泵升，还可以为其母线电容并联连接有泄放电路，该泄放电路可以由放电电阻与开关串联构成，其连接顺序不限，放电电阻也可以由多个电阻串并联构成，图4b中所示为一种可选形式。
62.(2)如图5a和图5b所示，该谐波发生单元30，包括：三个单相输出且通过输出侧一极实现星形连接的功率变换器。
63.图5a展示了该功率变换器为ac/ac变换器时的情况，其原理与图3a所示情况类似，此处不再一一赘述。
64.图5b展示了该功率变换器为dc/ac变换器时的情况，其原理与图3b所示情况类似，此处不再一一赘述。
65.(3)如图6a和图6b所示，该谐波发生单元30，包括：一个三相输出的功率变换器。
66.在图3a和图3b的基础上，若谐波发生单元30中的级联数量减少至一级，即可得到图5a和图5b所示的情况；此时，还可将三个单相输出的功率变换器复合成一个三相输出的功率变换器，如图6a和图6b所示；其中，图6a展示了该功率变换器为ac/ac变换器时的情况，图6b展示了该功率变换器为dc/ac变换器时的情况。
67.本实施例中，两种功率变换器均可实现其相应的功能，但实际应用中可以优选采用图3b、图5b和图6b所示情况下的dc/ac变换器，相比于ac/ac变换器，能够简化整体电路，利于应用。需要说明的是，上述几种情况下，ac/ac变换器和dc/ac变换器的拓扑形式均可以视其具体应用环境而定，图4a和图4b均为其中一种可选形式，并不仅限于此。
68.值得说明的是，由于谐波发生单元30与基波发生单元20呈并联形式，故谐波发生单元30也需提供较高的基波电压，所需的级联数量较大，即图3a和图3b中第一变换模块301的个数较多。为减少谐波发生单元30中第一变换模块301的级联个数，即设置谐波发生单元30中的级联数量低于基波发生单元20，此时一种方式是提高第一变换模块301的输出电压等级，另一种方式是在保持原输出电压等级的情况下，即谐波发生单元30输出的基波电压会低于基波发生单元20的输出电压的情况下，将谐波发生单元30通过变压器与基波发生单元20并联，如图5a、图5b、图6a和图6b中所示。选择合适的变压器匝比，谐波发生单元30中第一变换模块301的级数可减少至一级(如各图所示)或两级(未进行图示)。同理，为减少基波发生单元20中第二变换模块201的级联数量，基波发生单元20的输出侧也可引入变压器，如图7a、图7b、图8a和图8b中所示。
69.具体的，参见图5a、图5b、图6a和图6b，谐波发生单元30的输出端，与电网模拟装置的输出端之间，还设置有：双绕组变压器50；参见图7a、图7b、图8a和图8b，谐波发生单元30的输出端，第一电抗器40的第二侧，以及，电网模拟装置的输出端之间，还设置有：三绕组变压器60。
70.不论采用哪种变压器，通过引入位于输出侧的变压器，均能够减小级联数量，降低成本，利于推广。
71.更为优选的，如图5a至图8b所示，根据实际应用环境的需求而定，还可以在谐波发生单元30的输出端，与相应变压器之间，还设置有相应的滤波电抗，即第二电抗器70。
72.对于图7a至图8b所示的结构，其三绕组变压器60均包括：原边，其绕组用于实现电网模拟装置的输出；副边1，其绕组用于连接基波发生单元20，具体可以是通过该第一电抗器40来实现连接；副边2，其绕组用于连接谐波发生单元30，具体可以是通过该第二电抗器70来实现连接。假设三绕组变压器60的励磁电感无穷大，将其副边等效至原边，得到如图9所示的等效结构；其中，l
p
为原边绕组的漏感，l
s1
为副边1绕组等效至原边后的漏感，l
s2
为副边2绕组等效至原边后的漏感。
73.假设该电网模拟装置的输出电压由基波和某次高频谐波组成，输出单位功率因数电流，且不含谐波，则该电网模拟装置的输出电压u
p
(t)和电流i
p
(t)为：
[0074][0075]ip
(t)＝i1sinωt
ꢀꢀꢀ
(2)
[0076]
其中，u1为基波电压的幅值，i1为基波电流的幅值，ω为基波电压的角频率，un为n次高频谐波电压的幅值，为n次高频谐波电压的角度。
[0077]
基波发生单元20的输出电压u
s1
(t)为：
[0078][0079]
其中，i
s1
(t)为基波发生单元20的输出电流。
[0080]
如果基波发生单元20只输出基波电压，则：
[0081]us1
(t)＝u
s1
sin(ωt+θ)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0082]
其中，u
s1
为u
s1
(t)的幅值，θ为基波电压的角度。
[0083]
如果基波电流全部由基波发生单元20提供，根据式(3)和(4)可以得到基波发生单元20输出电压的幅值u
s1
和角度θ，及输出电流i
s1
(t)为：
[0084][0085][0086][0087]
谐波发生单元30的输出电压u
s2
(t)和电流i
s2
(t)为：
[0088][0089][0090]
注意，以上的电压和电流以及漏感全部折算到了三绕组变压器60的原边。
[0091]
如果该电网模拟装置的额定容量为6mw，额定输出电压为35kv，输出基波电压等于额定电压，输出谐波的幅值为其额定输出电压的6％，输出电流为额定电流。假设基波发生单元20和谐波发生单元30的输出滤波电感(也即第一电抗器40和第二电抗器70)均为其对应额定阻抗的10％，三绕组变压器60的变比按照原边绕组、副边1绕组及副边2绕组排列为35000：6600：660，短路阻抗为额定阻抗的12％，原边绕组和副边1绕组及副边2绕组的漏感依次为其额定阻抗的6％、6％和7％，三绕组变压器60的参数如表1所示。
[0092]
表1三绕组变压器60的参数
[0093][0094]
则基波发生单元20和谐波发生单元30的输出电压分别如表2所示。
[0095]
表2基波发生单元20和谐波发生单元30的输出电压
[0096] 基波电压谐波电压基波发生单元6649v0v谐波发生单元661v376v
[0097]
当输出谐波电压次数分别为5、7、11、13、17、19、23和25时，基波发生单元20和谐波发生单元30的输出电流分别如表3所示。
[0098]
表3基波发生单元20和谐波发生单元30的输出电流
[0099][0100]
以上数据均为示例性展示，并不仅限于此，视其具体应用环境而定即可。
[0101]
本发明另一实施例还提供了一种电网模拟装置的高频谐波电流控制方法，其电网
模拟装置为如上述任一实施例所述的电网模拟装置，此处不再赘述。
[0102]
参见图10，该高频谐波电流控制方法包括：
[0103]
s101、根据电网模拟装置的输出电压，以及，电网模拟装置中谐波发生单元的输出电流，进行基波和谐波分离以及park变换。
[0104]
实际应用中，通过调节谐波发生单元输出的高频谐波电流，在第一电抗器上形成压降，叠加到基波电压上，即可在输出侧获得高频谐波电压。为此需要采样输出电压和谐波发生单元的输出电流，分别通过带通滤波器将基波和谐波分离，以得到输出电压谐波幅值、基波电流和谐波电流。
[0105]
然后再对基波电流进行park变换，得到基波电流d轴分量和基波电流q轴分量；对谐波电流进行park变换，得到谐波电流d轴分量及谐波电流q轴分量。
[0106]
而且，对基波电流进行park变换时所需的角度，为对输出电压进行锁相后得到的基波相位；对谐波电流进行park变换时所需的角度，为根据设定谐波频率进行积分后得到的。
[0107]
s102、以输出电压谐波幅值给定值为目标，对park变换得到的各分量进行调节。
[0108]
实际应用中，该步骤具体可以包括：
[0109]
(1)以分离得到的输出电压谐波幅值，作为电压外环中输出电压谐波幅值给定值的反馈量，对谐波电流d轴分量进行调节。
[0110]
也即，对于谐波电流d轴分量的调节，可以是电压外环、电流内环的双环调节。具体的，以输出电压谐波幅值作为输出电压谐波幅值给定值的负反馈量，对两者的差值进行pi调节，得到谐波电流d轴分量幅值给定值。然后，以谐波电流d轴分量作为谐波电流d轴分量幅值给定值的负反馈量，并分别对相应的差值进行pi调节，得到谐波电流d轴调节量。
[0111]
(2)以零作为电流环给定，对其他分量进行调节。
[0112]
对于基波电流d轴分量、基波电流q轴分量及谐波电流q轴分量的调节，均为单独的电流环调节；且三者的电流环给定值均为零，然后以三者分别
[0113]
作为相应电流环的负反馈量，并分别对其差值进行pi调节，进而分别得到基波电流d轴调节量、基波电流q轴调节量及谐波电流q轴调节量。
[0114]
(3)分别对两个d轴调节量和两个q轴调节量进行求和，作为调节结果。
[0115]
对两个d轴调节量进行求和，作为d轴调节结果；对两个q轴调节量进行求和，作为q轴调节结果。
[0116]
s103、以调节结果进行ipark变换和空间矢量调制，得到谐波发生单元的调制波。
[0117]
以d轴调节结果和q轴调节结果共同进行ipark变换，再对变换后的结果进行空间矢量调制，进而得到谐波发生单元的调制波。
[0118]
具体的控制框图如图11所示，其中，uhar*为输出电压谐波幅值给定值，uhar为输出电压谐波幅值，idfun、iqfun分别为基波电流d、q轴分量，idhar、iqhar分别为谐波电流d、q轴分量。首先通过输出电压谐波幅值给定值和输出电压谐波幅值比较，经pi控制器产生谐波电流d轴分量幅值给定值，谐波电流q轴分量幅值给定值、基波电流d轴分量幅值给定值和基波电流q轴分量幅值给定值均为零。采样输出电压进行锁相后，所得基波相位用作基波电流park变换所需角度；谐波电流park变换所需角度由设定谐波频率积分而得。采样电流的基波和谐波分别经park变换后，与各自给定值进行比较，经pi调节器后相加，反park变换后
进行空间矢量调制，控制开关管开通关断。
[0119]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0120]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0121]
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。