本發(fā)明涉及電網(wǎng)模擬技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電網(wǎng)模擬裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

由于電網(wǎng)模擬裝置可以模擬實(shí)際電網(wǎng)的電壓暫降、電壓閃變、電壓畸變和電壓不平衡等異常工作狀態(tài)，因而它能夠在不影響實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行的情況下，為并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備、電力儲(chǔ)能設(shè)備、電力傳輸設(shè)備和電力傳動(dòng)設(shè)備等開展相關(guān)的研究和測(cè)試提供便利。

隨著對(duì)于電網(wǎng)模擬研究的增多，提出了一些電網(wǎng)模擬裝置?，F(xiàn)有技術(shù)一公開了一種大功率能量可回饋型電網(wǎng)模擬裝置，其包括共用直流母線的PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱PWM)整流部分和電網(wǎng)模擬部分。PWM整流部分包括輸入濾波單元、三相橋式整流單元，電網(wǎng)模擬部分包括三個(gè)單相逆變器、輸出濾波單元和隔離單元?，F(xiàn)有技術(shù)二公開了一種模擬電網(wǎng)特性的交流電源，其是由G整流裝置、三相H橋結(jié)構(gòu)變流器、三相變壓器依次連接構(gòu)成。

本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)：由于現(xiàn)有技術(shù)一公開的電網(wǎng)模擬裝置的輸出功率取決于PWM整流部分的輸入功率，而PWM整流部分的三相橋式整流單元使得PWM整流部分的輸入功率較小，因此該電網(wǎng)模擬裝置的輸出功率較小。由于該電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓等于電網(wǎng)模擬部分的輸出電壓，而電網(wǎng)模擬部分的單相逆變器使得電網(wǎng)模擬部分的輸出電壓較小，因此該電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓也較小。所以從電壓和功率兩個(gè)方面來(lái)衡量，該電網(wǎng)模擬裝置只能夠模擬低壓小功率電網(wǎng)。而現(xiàn)有技術(shù)二公開的交流電源的輸出功率取決于三相變壓器，而隨著輸出功率的增加，三相變壓器的體積和重量也大幅增加，因此，現(xiàn)有技術(shù)的電網(wǎng)模擬裝置較難方便地模擬高壓大功率電網(wǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施方式的目的在于提供一種電網(wǎng)模擬裝置及其控制方法，其不僅能夠通過調(diào)整電平變換模塊的數(shù)量控制電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓模擬高壓大功率電網(wǎng)，而且能夠有效控制其整體體積。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種電網(wǎng)模擬裝置，包括：相連接的模塊化多電平矩陣變換器以及濾波器；所述模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)用于連接市電電源，輸出側(cè)用于連接所述濾波器的輸入端；所述模塊化多電平矩陣變換器用于對(duì)相數(shù)為M的市電電源進(jìn)行變換并輸出相數(shù)為L(zhǎng)的變換電壓；所述模塊化多電平矩陣變換器包括：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同且數(shù)目為M與L的乘積個(gè)的橋臂，各所述橋臂以M乘L的矩陣形式連接于所述模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之間；各橋臂包括：串接的橋臂電感和N個(gè)模塊化電平變換單元；其中，所述電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓與所述N的大小正相關(guān)，所述N為正整數(shù)。

本發(fā)明的實(shí)施方式還提供了一種電網(wǎng)模擬裝置的控制方法，用于控制如前所述的電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓，包括：根據(jù)所述模塊化多電平矩陣變換器的輸出參考電壓，控制得到所述模塊化多電平矩陣變換器中各橋臂的橋臂參考電壓；獲取模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓；根據(jù)各橋臂的橋臂參考電壓以及模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的電容電壓，控制得到各模塊化電平變換單元的模塊電壓參考值；通過調(diào)制所述模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的參考電壓，從而控制所述模擬電網(wǎng)裝置的輸出電壓。

本發(fā)明實(shí)施方式相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，采用模塊化多電平矩陣變換器對(duì)市電電源進(jìn)行變換，由于模塊化多電平矩陣變換器中的每個(gè)橋臂包括N個(gè)模塊化電平變換單元，并且，電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓與橋臂中的模塊化電平變換單元的個(gè)數(shù)正相關(guān)，所以可以根據(jù)需要模擬的電網(wǎng)的輸出電壓設(shè)置模塊化電平變換單元的數(shù)量，從而可以靈活設(shè)計(jì)出不同輸出電壓的電網(wǎng)模擬裝置，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率電網(wǎng)模擬裝置，并且，由于模塊化電平變換單元的體積、重量較小，所以相對(duì)體積較大且笨重的三相變壓器而言，還能夠有效控制電網(wǎng)模擬裝置的整體體積。

另外，所述模塊化電平變換單元包括模塊電容和組成H橋結(jié)構(gòu)單元的4個(gè)全控型器件；所述模塊電容連接于所述H橋結(jié)構(gòu)單元。由于每個(gè)模塊化電平變換單元都是單相全橋變換器，因此該電網(wǎng)模擬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)能量回饋至電網(wǎng)。

另外，根據(jù)所述各橋臂的橋臂參考電壓以及模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的電容電壓，控制得到各模塊化電平變換單元的模塊電壓參考值，具體包括：計(jì)算得到所述模塊化多電平矩陣變換器中各橋臂的橋臂參考電壓的平均值；分別對(duì)模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的電容電壓進(jìn)行模塊電容電壓平衡控制，得到各模塊化電平變換單元的模塊電壓參考值；其中，所述模塊電容電壓平衡控制，使得模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的電容電壓，等于各模塊化電平變換單元所在橋臂的電容電壓平均值。

另外，根據(jù)所述模塊化多電平矩陣變換器的輸出參考電壓，控制得到所述模塊化多電平矩陣變換器中各橋臂的橋臂參考電壓，具體包括：對(duì)所述模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)電流進(jìn)行輸入電流控制，使得模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)電流等于輸入電流參考值；對(duì)所述模塊化多電平矩陣變換器的輸出側(cè)電流進(jìn)行輸出電流控制，使得模塊化多電平矩陣變換器的輸出側(cè)電流等于輸出電流參考值；對(duì)所述模塊化多電平矩陣變換器的環(huán)流進(jìn)行環(huán)流控制，使得模塊化多電平矩陣變換器內(nèi)部的環(huán)流等于環(huán)流參考值；通過所述輸入電流控制、輸出電流控制以及環(huán)流控制，得到各橋臂的橋臂電壓參考值。

另外，所述輸入電流參考值的獲取包括：計(jì)算得到第一差值，其中所述第一差值為模塊化多電平矩陣變換器的電容電壓參考值和模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓平均值之差；對(duì)所述第一差值進(jìn)行全局電容電壓平衡控制，得到模塊化多電平矩陣變換器的輸入電流參考值；其中，所述全局電容電壓平衡控制，使得模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓平均值等于模塊化多電平矩陣變換器的電容電壓參考值。

另外，所述輸出電流參考值的獲取包括：計(jì)算得到第二差值，其中所述第二差值為電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓參考值和輸出電壓之差；對(duì)所述第二差值進(jìn)行輸出電壓控制，得到模塊化多電平矩陣變換器的輸出電流參考值。

另外，所述環(huán)流參考值的獲取包括：對(duì)模塊化多電平矩陣變換器每個(gè)橋臂的模塊電容電壓平均值進(jìn)行橋臂電容電壓平衡控制；并且對(duì)所述模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)以及輸出側(cè)電流進(jìn)行模塊電容電壓波動(dòng)抑制控制，得到所述模塊化多電平矩陣變換器的環(huán)流參考值。

另外，所述橋臂電容電壓平衡控制，使得模塊化多電平矩陣變換器中各橋臂的模塊電容電壓平均值等于模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓平均值。

另外，所述模塊電容電壓波動(dòng)抑制控制，使得模塊化多電平矩陣變換器出現(xiàn)的模塊電容電壓波動(dòng)得到抑制。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式電網(wǎng)模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式中橋臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式中模塊化電平變換單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式電網(wǎng)模擬裝置的控制方法的流程圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的通過全局電容電壓平衡控制得到輸入電流參考值的流程圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的通過輸出電壓控制得到輸出電流參考值的流程圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的通過橋臂電容電壓平衡控制以及模塊電容電壓波動(dòng)抑制控制得到環(huán)流參考值的流程圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的通過橋臂電壓參考值以及模塊電容電壓平衡控制得到模塊電壓參考值的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實(shí)施方式中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)所要求保護(hù)的技術(shù)方案。

本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種電網(wǎng)模擬裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電網(wǎng)模擬裝置包括：相連接的模塊化多電平矩陣變換器以及濾波器。模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)用于連接市電電源(a、b、c)，輸出側(cè)用于連接濾波器的輸入端，濾波器的輸出端用于連接被測(cè)設(shè)備(圖未示)。其中，模塊化多電平矩陣變換器用于對(duì)相數(shù)為M的市電電源進(jìn)行變換并輸出相數(shù)為L(zhǎng)的變換電壓。本實(shí)施方式中市電電源以三相市電電網(wǎng)、且輸出電壓亦以三相為例進(jìn)行說明(即M和L均等于3)。作為舉例而非限制，本實(shí)施方式的濾波器采用LC濾波器，該濾波器由三個(gè)濾波電感和三個(gè)濾波電容組成，LC濾波器對(duì)模塊化多電平矩陣變換器輸出側(cè)的三相電壓分別進(jìn)行濾波后輸出電網(wǎng)模擬裝置的三相輸出電壓(u、v、w)。

模塊化多電平矩陣變換器包括：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同且數(shù)目為M與L的乘積個(gè)的橋臂，且各橋臂以MXL的矩陣形式連接于模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之間。其中，對(duì)于輸入三相、輸出三相的電網(wǎng)模擬裝置而言，三相電的每相對(duì)應(yīng)3個(gè)橋臂，即采用3個(gè)橋臂將市電電源的每相變換為三相電，變換后的三相電在模塊化多電平矩陣變換器的輸出側(cè)匯合，從而使得變換后的電源與市電電源的相數(shù)相同。

如圖2所示，本實(shí)施方式中的各橋臂包括：串接的橋臂電感和N個(gè)模塊化電平變換單元(圖2中的模塊為模塊化電平變化單元的簡(jiǎn)稱)。各橋臂中的N個(gè)模塊化電平變換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，使得電網(wǎng)模擬裝置的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。由于每個(gè)橋臂理論上可以加入任意多個(gè)模塊化電平變換單元，所以模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)都可以承受高壓，因此該電網(wǎng)模擬裝置可以實(shí)現(xiàn)大功率的電力變換。

如圖3所示，各模塊化電平變換單元包括模塊電容和組成H橋結(jié)構(gòu)單元的4個(gè)全控型器件，模塊電容連接于H橋結(jié)構(gòu)單元。因此，每個(gè)模塊化電平變換單元都是一個(gè)單相全橋變換器，從而使得模塊化多電平矩陣變換器能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋。

本實(shí)施方式中，N為正整數(shù)，電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓與N的大小正相關(guān)。即，橋臂中的模塊化電平變換單元的數(shù)量越多，電網(wǎng)模擬裝置能夠提供的輸出電壓越高。并且，本實(shí)施方式采用模塊化結(jié)構(gòu)，降低了電網(wǎng)模擬裝置設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。此外，本實(shí)施方式在提高輸出電壓的同時(shí)使得電網(wǎng)模擬裝置的整體體積與提供相同輸出功率的三相變壓器相比能夠明顯減小。

本實(shí)施方式相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，通過M乘L個(gè)拓?fù)渫耆嗤臉虮劢M成模塊化多電平矩陣變換器對(duì)市電電源進(jìn)行變換，使得電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓可以隨各橋臂中的模塊化電平變換單元的數(shù)量的增加而提高。因此，本實(shí)施方式為高壓大功率電網(wǎng)的模擬提供了一種較佳的實(shí)現(xiàn)方案。

本發(fā)明的第二實(shí)施方式涉及一種電網(wǎng)模擬裝置的控制方法，用于控制如第一實(shí)施方式所述的電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓，其流程如圖4所示。

如圖4所示，本實(shí)施方式的電網(wǎng)模擬裝置的控制方法包括：

步驟401：根據(jù)模塊化多電平矩陣變換器的輸出參考電壓，控制得到模塊化多電平矩陣變換器中各橋臂的橋臂參考電壓。

其中，步驟401包括以下子步驟：

子步驟4011：對(duì)模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)電流進(jìn)行輸入電流控制，使得模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)電流等于輸入電流參考值。

如圖5所示，輸入電流參考值的獲取包括：計(jì)算得到第一差值，其中第一差值為模塊化多電平矩陣變換器的電容電壓參考值和模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓平均值之差。對(duì)第一差值進(jìn)行全局電容電壓平衡控制得到模塊化多電平矩陣變換器的輸入電流參考值。其中，全局電容電壓平衡控制，使得模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓平均值等于模塊化多電平矩陣變換器的電容電壓參考值。

子步驟4012：對(duì)模塊化多電平矩陣變換器的輸出側(cè)電流進(jìn)行輸出電流控制，使得模塊化多電平矩陣變換器的輸出側(cè)電流等于輸出電流參考值。

如圖6所示，輸出電流參考值的獲取包括：計(jì)算得到第二差值，第二差值為電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓參考值和輸出電壓之差。對(duì)第二差值進(jìn)行輸出電壓控制之后得到模塊化多電平矩陣變換器的輸出電流參考值。

子步驟4013：對(duì)模塊化多電平矩陣變換器的環(huán)流進(jìn)行環(huán)流控制，使得模塊化多電平矩陣變換器內(nèi)部的環(huán)流等于環(huán)流參考值。

如圖7所示，環(huán)流參考值的獲取包括：對(duì)模塊化多電平矩陣變換器每個(gè)橋臂的模塊電容電壓平均值進(jìn)行橋臂電容電壓平衡控制，并且對(duì)模塊化多電平矩陣變換器的輸入側(cè)以及輸出側(cè)電流進(jìn)行模塊電容電壓波動(dòng)抑制控制，得到模塊化多電平矩陣變換器的環(huán)流參考值。其中，橋臂電容電壓平衡控制，使得模塊化多電平矩陣變換器中各橋臂的模塊電容電壓平均值等于模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓平均值。模塊電容電壓波動(dòng)抑制控制，使得模塊化多電平矩陣變換器出現(xiàn)的模塊電容電壓波動(dòng)得到抑制。

子步驟4014：通過輸入電流控制、輸出電流控制以及環(huán)流控制得到各橋臂的橋臂電壓參考值。

步驟402：獲取模塊化多電平矩陣變換器中所有模塊化電平變換單元的電容電壓。

其中，各模塊化電平變換單元的電容電壓可以通過電壓傳感器采集得到。

步驟403：根據(jù)各橋臂的橋臂參考電壓以及模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的電容電壓，控制得到各模塊化電平變換單元的模塊電壓參考值。

其中，步驟403包括：

子步驟4031：計(jì)算得到模塊化多電平矩陣變換器中各橋臂的橋臂參考電壓的平均值。

子步驟4032：分別對(duì)模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的電容電壓進(jìn)行模塊電容電壓平衡控制，得到各模塊化電平變換單元的模塊電壓參考值。

其中，模塊電容電壓平衡控制，使得模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的電容電壓等于各模塊化電平變換單元所在橋臂的電容電壓平均值。

步驟404：通過調(diào)制模塊化多電平矩陣變換器中各模塊化電平變換單元的參考電壓從而控制模擬電網(wǎng)裝置的輸出電壓。

本實(shí)施方式通過控制電網(wǎng)模擬裝置中每個(gè)模塊化電平變換單元的輸出電壓從而控制電網(wǎng)模擬裝置的輸出電壓，因此可以模擬高壓大功率電網(wǎng)的電壓暫降、電壓閃變、電壓畸變和電壓不平衡等各種電網(wǎng)異常工作狀態(tài)，為并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備、電力儲(chǔ)能設(shè)備、電力傳輸設(shè)備和電力傳動(dòng)設(shè)備等的研究和測(cè)試提供了便利。

上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實(shí)現(xiàn)時(shí)可以合并為一個(gè)步驟或者對(duì)某些步驟進(jìn)行拆分，分解為多個(gè)步驟，只要包含相同的邏輯關(guān)系，都在本專利的保護(hù)范圍內(nèi)；對(duì)算法中或者流程中添加無(wú)關(guān)緊要的修改或者引入無(wú)關(guān)緊要的設(shè)計(jì)，但不改變其算法和流程的核心設(shè)計(jì)都在該專利的保護(hù)范圍內(nèi)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，該程序存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一個(gè)設(shè)備(可以是單片機(jī)，芯片等)或處理器(processor)執(zhí)行本申請(qǐng)各個(gè)實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：U盤、移動(dòng)硬盤、只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read-Only Memory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述各實(shí)施方式是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。