劉德州，胡書舉，孟巖峰

（1.中國科學(xué)院電工研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100080）

基于功率硬件在環(huán)的電網(wǎng)實(shí)時模擬技術(shù)研究＊

劉德州1，2，胡書舉1，孟巖峰1，2

（1.中國科學(xué)院電工研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100080）

隨著風(fēng)電機(jī)組向大型化的發(fā)展，如何在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下研究風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的交互影響受到人們越來越多的關(guān)注。針對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的大功率電網(wǎng)模擬問題，對H橋級聯(lián)高壓多電平電網(wǎng)模擬器進(jìn)行了研究。針對真實(shí)模擬電網(wǎng)運(yùn)行特性問題，將功率硬件在環(huán)（Power－Hardware－In－Loop，PHIL）技術(shù)與電網(wǎng)模擬技術(shù)相結(jié)合，對功率硬件在環(huán)實(shí)時仿真系統(tǒng)中的接口算法進(jìn)行了研究?；诶硐胱儔浩髂Ｐ徒涌谒惴ń⒘送暾南到y(tǒng)模型，并在Matlab／Simulink仿真環(huán)境中進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提電網(wǎng)模擬技術(shù)的先進(jìn)性。

功率硬件在環(huán)；電網(wǎng)模擬；半實(shí)物仿真；交互影響

1 引言

近年來，我國風(fēng)電市場發(fā)展迅速，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量逐漸增大，電網(wǎng)對風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)提出了更嚴(yán)格的要求。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)性能測試可縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，可提高產(chǎn)品可靠性和其對電網(wǎng)的友好性。隨著電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的日益復(fù)雜，普通電網(wǎng)模擬技術(shù)由于沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)際被測機(jī)組與電網(wǎng)的實(shí)時交互，已經(jīng)不能滿足對大型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)性能測試的需求。

電網(wǎng)模擬器是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各種運(yùn)行工況模擬的關(guān)鍵設(shè)備。目前已有大量文獻(xiàn)對電網(wǎng)模擬器進(jìn)行了研究，常見的電網(wǎng)模擬器主要為阻抗式、變壓器式或電力電子變換器式等結(jié)構(gòu)。其中，電力電子變換器式的電網(wǎng)模擬器因控制方法成熟、功能設(shè)置靈活等優(yōu)勢，已成為近年來研究的熱點(diǎn)［1］。在主電路拓?fù)溲芯糠矫妫墨I(xiàn)［2］和［3］對比常見的主電路拓?fù)?，描述了三相四線制端口電網(wǎng)模擬器在模擬電網(wǎng)不對稱故障方面的優(yōu)勢，文獻(xiàn)［4］針對諧波工況模擬，提出了新的主電路拓?fù)洹Ｔ诳刂品椒ㄑ芯糠矫?，文獻(xiàn)［5］和［6］改進(jìn)了整流側(cè)的控制算法，提高了負(fù)荷劇變時直流母線電壓的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［7］研究了在逆變器輸出中直流分量的抑制方法。文獻(xiàn)［8］和［9］針對諧波工作模式提出了新的控制策略。綜上所述，目前所研究的電網(wǎng)模擬器僅為被動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只能根據(jù)預(yù)定指令輸出目標(biāo)波形，不能模擬真實(shí)電網(wǎng)運(yùn)行時風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的實(shí)時交互影響，不能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行特性的模擬。

實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)真實(shí)特性的實(shí)時模擬需要借助于實(shí)時仿真技術(shù)，PHIL屬于實(shí)時仿真技術(shù)的一種。PHIL實(shí)時仿真技術(shù)使用功率放大裝置將數(shù)字仿真環(huán)境與實(shí)際功率設(shè)備聯(lián)接起來，為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬大功率、高成本系統(tǒng)提供了可能。文獻(xiàn)［10］應(yīng)用PHIL技術(shù)研究風(fēng)電場對電網(wǎng)頻率的影響。文獻(xiàn)［11］將PHIL技術(shù)用于風(fēng)電場的測試。文獻(xiàn)［12］和［13］基于PHIL技術(shù)建立了風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，同時分析了包括風(fēng)電在內(nèi)的分布式能源微電網(wǎng)運(yùn)行特性。以上應(yīng)用均驗(yàn)證了PHIL實(shí)時仿真技術(shù)的優(yōu)越性，其已成為解決實(shí)際工程問題的有效手段。

下面基于PHIL技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的電網(wǎng)實(shí)時模擬問題，并研究大功率風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的交互影響。針對大功率電網(wǎng)模擬問題，將基于H橋級聯(lián)型多電平變流器拓?fù)浜洼d波移相正弦脈寬調(diào)制方法建立電網(wǎng)模擬器仿真模型。針對電網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行特性模擬問題，將研究適用于PHIL仿真模型的接口算法，并基于理想變壓器模型接口算法搭建Matlab／Simulink仿真模型。本文將通過仿真結(jié)果驗(yàn)證所提電網(wǎng)模擬技術(shù)的可行性和有效性。

2 大功率電網(wǎng)模擬技術(shù)

基于PHIL的電網(wǎng)模擬系統(tǒng)包括RT－LAB實(shí)時仿真設(shè)備中運(yùn)行的電網(wǎng)模型、大功率電網(wǎng)模擬器和被測風(fēng)電機(jī)組，交流電網(wǎng)為系統(tǒng)提供電力支撐。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 基于PHIL的電網(wǎng)模擬系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，大功率電網(wǎng)模擬器是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)大功率電網(wǎng)模擬的關(guān)鍵設(shè)備，以下對大功率電網(wǎng)模擬器的主電路拓?fù)浜驼{(diào)制方法進(jìn)行研究。

2.1 大功率電網(wǎng)模擬器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前大功率電網(wǎng)模擬器的主電路拓?fù)渚哂写硇缘难芯砍晒卸嘀鼗夹g(shù)、組合變流技術(shù)和多電平變流技術(shù)。本文研究H橋級聯(lián)型多電平變流器，其主電路拓?fù)涫疽鈭D如圖2所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有開關(guān)器件開關(guān)頻率低、功率損耗小、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、易于模塊化等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 H橋級聯(lián)型多電平變流器主電路拓?fù)涫疽鈭D

H橋級聯(lián)型多電平變流器的每一相通過多個功率單元逐級串聯(lián)，可以滿足高電壓大電流的要求。同時，每相可以在單個開關(guān)管實(shí)際開關(guān)頻率較低的情況下得到較高的等效開關(guān)頻率，并且三相通過中性點(diǎn)組合輸出可以使各相輸出諧波中的低次分量相互抵消，而不是簡單地將諧波次數(shù)向高次推移，所以輸出波形的諧波含量較少［14、15］。

2.2 大功率電網(wǎng)模擬器調(diào)制方法

大功率電力電子逆變裝置常見的調(diào)制技術(shù)主要有：多電平空間矢量調(diào)制技術(shù)、載波組PWM調(diào)制技術(shù)、階梯波脈寬調(diào)制技術(shù)、錯時采樣空間矢量調(diào)制技術(shù)和載波相移正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（Carrier－Phase－Shifted－Sinusoidal－Pulse－Width－Modulation，CPS－SPWM）。本文主要研究CPS－SPWM調(diào)制技術(shù)，其原理如圖3所示［16］。

圖3 CPS－SPWM調(diào)制原理示意圖

CPS－SPWM調(diào)制方法結(jié)合了自然采樣和多重化技術(shù)［17］，Lx個變流器單元輸出波形疊加形成了波形的傅立葉分解表達(dá)式如下：

式（1）可以進(jìn)一步整理為：

由式（2）可知，CPS－SPWM疊加輸出波形的傅立葉分解式由三部分組成，分別為與調(diào)制波頻率相關(guān)的基波分量、與載波頻率相關(guān)的載波諧波分量和與上述兩者都有關(guān)的邊帶諧波分量。與SPWM調(diào)制輸出波形對比可以發(fā)現(xiàn)，在CPS－SPWM調(diào)制方法輸出波形的各分量中，基波分量幅值為SPWM調(diào)制輸出的Lx倍，最低諧波次數(shù)為載波頻率的Lx倍（且僅有奇次諧波），邊帶諧波含量極少?；谝陨咸攸c(diǎn)，CPS－SPWM調(diào)制方法能夠在較低的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，不但降低了對開關(guān)器件性能的要求，而且有效地減少了輸出諧波。

3 PHIL接口算法

功率硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括三個部分：物理仿真子系統(tǒng)、數(shù)字仿真子系統(tǒng)和接口單元。各部分之間的連接關(guān)系如圖4所示。

3.1 理想變壓器模型接口算法

圖4 PHIL系統(tǒng)連接關(guān)系示意圖

PHIL接口算法用于確定接口信號類型和處理方法，目前常用的接口算法有時變一階近似法、傳輸線模型法、阻尼阻抗法、部分電路復(fù)制法、理想變壓器模型法等，其中理想變壓器模型法（Ideal Transformer Model，ITM）根據(jù)其接口受控源類型的不同而又分為電壓型ITM和電流型ITM。電壓型ITM接口算法易于工程實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好［18－20］。本文選擇電壓型ITM接口算法進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 電壓型ITM接口算法結(jié)構(gòu)示意圖

電壓型ITM接口算法基于電路的替代定理，在圖5中，E和Zm分別為數(shù)字仿真子系統(tǒng)的等效電源和等效阻抗，Zr為物理仿真子系統(tǒng)的等效阻抗。數(shù)字仿真端口產(chǎn)生電壓u1經(jīng)受控電壓源輸入到物理側(cè)，同時物理側(cè)電流i2經(jīng)受控電流源實(shí)時反饋到數(shù)字側(cè)。

3.2 電壓型ITM接口算法穩(wěn)定性分析

PHIL仿真系統(tǒng)包含有強(qiáng)耦合的兩個子系統(tǒng)，因此，即使各子系統(tǒng)本身是穩(wěn)定的，綜合仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性依然不能保證。下面研究電壓型ITM接口算法的穩(wěn)定性。

對應(yīng)圖5，當(dāng)電壓放大端口存在誤差時，假設(shè)tn時刻引入誤差δ，則在物理側(cè)有：

由式（3）得Vi2（tn）＝δ／Zr，該誤差電流實(shí)時反饋到數(shù)字側(cè)，會進(jìn)一步在數(shù)字側(cè)引起誤差。數(shù)字側(cè)電壓電流關(guān)系式如式（4）所示。

由式（4）得Vu1（tn＋1）＝－（Zm／Zr）δ，系統(tǒng)穩(wěn)定性條件為。

當(dāng)電壓放大端口是理想端口時，考慮端口延時Vt，數(shù)字子系統(tǒng)和物理子系統(tǒng)的阻抗為純電阻（分別記作Rm和Rr），則有：

整理式（5）并對結(jié)果進(jìn)行Z變換，可求得函數(shù)u1（z）的極點(diǎn)為－Rm／Rr。所以，當(dāng)數(shù)字側(cè)等效阻抗小于物理側(cè)等效阻抗時，系統(tǒng)穩(wěn)定。

由以上分析可知，PHIL仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于兩個子系統(tǒng)的等效阻抗關(guān)系。本文研究的數(shù)字仿真子系統(tǒng)為電網(wǎng)模型，物理仿真子系統(tǒng)為電網(wǎng)模擬器模型和實(shí)際風(fēng)電機(jī)組模型，數(shù)字側(cè)等效阻抗小于物理側(cè)等效阻抗，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。

4 建模與仿真

本文基于以上理論搭建電網(wǎng)模型、電網(wǎng)模擬器模型和風(fēng)電機(jī)組模型。

4.1 電網(wǎng)建模

本文搭建的電網(wǎng)模型中包含120kV電源系統(tǒng)、變壓器、電力傳輸線以及阻感負(fù)載。電力傳輸線采用π型等效模型，其阻抗參數(shù)見表1。

表1 傳輸線模型參數(shù)

其電壓等級包括120kV、25kV、10kV和690V，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。調(diào)整線路阻抗參數(shù)Z1－Z4，可以模擬不同電網(wǎng)阻抗條件下風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的交互影響；調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)故障點(diǎn)位置可以模擬不同故障點(diǎn)距離條件下風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的交互影響；調(diào)整故障類型可以模擬不同故障類型條件下風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的交互影響。

圖6 電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 電網(wǎng)模擬器建模

基于2.1和2.2的理論分析，建立H橋級聯(lián)形式的電網(wǎng)模擬器模型，其額定輸出電壓690V，最大輸出功率2MVA。對應(yīng)圖2所示的拓?fù)鋱D，電網(wǎng)模擬器每相由5個功率單元組成，每個功率單元輸入電壓380V，直流母線電壓400V。對應(yīng)圖3所示的調(diào)制原理，載波頻率采用10kHz。針對電網(wǎng)模擬器輸出電壓控制，電網(wǎng)模擬器采用電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)形式的雙閉環(huán)PI控制器，控制器參數(shù)為：電壓外環(huán)kp＝50，ki＝10；電流內(nèi)環(huán)kp＝30，ki＝10。輸出濾波器電感L＝1.2mH，電容C＝20μF，使用圖7所示的系統(tǒng)測試拓?fù)鋱D測試電網(wǎng)模擬器的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

圖7電網(wǎng)模擬器測試系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖7中，阻感負(fù)載電阻值為1Ω，電感值為0.1mH。三相可編程電壓信號源控制電網(wǎng)模擬器依次輸出標(biāo)幺值為1、0.2、1的電壓波形，并分別持續(xù)0.04秒，在示波器中將給定波形和跟蹤波形進(jìn)行比較，仿真測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 電網(wǎng)模擬器仿真測試輸出電壓波形

由圖8分析可知，電網(wǎng)模擬器可以準(zhǔn)確地跟蹤給定波形，并且動態(tài)響應(yīng)速度快，輸出無震蕩。對輸出電壓進(jìn)行傅立葉分析，總諧波失真為0.58%，所以電網(wǎng)模擬器輸出的諧波含量也較少，可以滿足測試系統(tǒng)的要求。

4.3 聯(lián)合仿真

圖9 聯(lián)合仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

基于電網(wǎng)模擬器模型、電網(wǎng)模型以及實(shí)時仿真接口算法建立的PHIL聯(lián)合仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。數(shù)字仿真子系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口的電壓信號實(shí)時控制電網(wǎng)模擬器輸出功率的電壓波形。同時，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組功率端口的電流信號實(shí)時反饋到數(shù)字仿真子系統(tǒng)中。以上兩個過程實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的交互影響。

4.4 仿真結(jié)果分析

本文基于圖9所示的聯(lián)合仿真模型進(jìn)行仿真研究。對應(yīng)圖6中的元件，設(shè)置線路Z1－Z4的長度分別為200km、25km、25km和1km。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組模型額定功率為1.5MW，輸出額定電壓為690V，網(wǎng)側(cè)電感為1.2mH，直流母線電壓為2000V，卸荷電阻為1Ω。在圖6中，故障點(diǎn)1處發(fā)生三相對稱短路故障，短路電阻為10Ω。15kV母線電壓故障波形如圖10（a）所示。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口A相電壓電流波形如圖10（b）所示。受電網(wǎng)故障影響，風(fēng)電機(jī)組變流器直流母線電壓和輸出的有功和無功分別如圖10（c）、10（d）所示。

圖10 電網(wǎng)故障電壓波形以及風(fēng)電機(jī)組對其響應(yīng)波形

在電網(wǎng)模型和風(fēng)電機(jī)組建立實(shí)時通訊、相互影響的情況下，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口電壓波形如圖11所示。

圖11 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口電壓波形（電網(wǎng)故障基于電網(wǎng)實(shí)時模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)）

為研究基于PHIL的電網(wǎng)實(shí)時模擬技術(shù)與普通電網(wǎng)模擬技術(shù)的區(qū)別，將圖9所示的聯(lián)合仿真模型中的電網(wǎng)模型刪除，給電網(wǎng)模擬器輸入預(yù)定指令，使電網(wǎng)模擬器輸出與圖11（c）所示的相同時長、相同跌落深度的電壓波形。此時風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口A相電壓電流波形如圖12（a）所示，風(fēng)電機(jī)組變流器直流母線電壓和輸出有功無功分別如圖12（b）、12（c）所示。

圖12 風(fēng)電機(jī)組對基于普通電網(wǎng)模擬技術(shù)的電網(wǎng)故障的響應(yīng)波形

在電網(wǎng)模擬器被動地執(zhí)行預(yù)定指令輸出功率電壓波形，被測風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)模擬器建立功率連接的情況下，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口電壓波形如圖13所示。

圖13 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口電壓波形（電網(wǎng)故障基于普通電網(wǎng)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)）

由圖10（a）可知，由于實(shí)際電力系統(tǒng)中存在的大量有功、無功設(shè)備以及輸電線路阻抗，電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是一個漸進(jìn)穩(wěn)定的過程。對比圖11（a）和圖13（a）可知，基于PHIL的電網(wǎng)實(shí)時模擬技術(shù)可以真實(shí)再現(xiàn)電網(wǎng)故障的暫態(tài)過程。結(jié)合圖11（c）和圖10（c）、圖10（d）可知，電網(wǎng)模型中發(fā)生的三相對稱短路故障在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)端口產(chǎn)生了大量諧波，諧波進(jìn)一步影響了風(fēng)電機(jī)組變流器內(nèi)部直流母線電壓和變流器輸出有功無功的穩(wěn)定性。由于缺少和電網(wǎng)的實(shí)時交互，在圖12和圖13所示的仿真結(jié)果中，并沒有體現(xiàn)上述現(xiàn)象。

基于以上對比分析，基于PHIL的電網(wǎng)實(shí)時模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了被測風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的實(shí)時交互，證明了本文所提電網(wǎng)實(shí)時模擬技術(shù)的有效性。

5 結(jié)束語

電網(wǎng)模擬是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下再現(xiàn)電網(wǎng)各種運(yùn)行工況的重要途徑。本文提出將功率硬件在環(huán)實(shí)時仿真技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行特性的實(shí)時模擬。基于H橋級聯(lián)拓?fù)涞碾娋W(wǎng)模擬器，實(shí)現(xiàn)了大功率電網(wǎng)模擬，改善了輸出電壓波形質(zhì)量。基于理想變壓器模型接口算法，實(shí)現(xiàn)了被測風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的交互，其聯(lián)合仿真結(jié)果證明了所提電網(wǎng)實(shí)時模擬技術(shù)的有效性。下一步將基于建立的100kW實(shí)證模擬系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)波形的分析將在后續(xù)文章中介紹。進(jìn)一步的研究將針對不同電網(wǎng)阻抗條件、不同電網(wǎng)故障類型、不同風(fēng)電機(jī)組控制方式等條件下電網(wǎng)與風(fēng)電機(jī)組的交互影響展開，同時還將繼續(xù)研究適用于大功率有源系統(tǒng)的PHIL接口算法。

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Research on real－time grid simulation based on power hardware in loop

LIU De－zhou1，2，HU Shu－ju1，MENG Yan－feng1，2
（1.Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100080，China）

With the large scale development tendency of wind turbine，the study of the interaction between wind turbine and power grid in the laboratory has paid more and more attention by the people in recent years.Aiming at the simulation of the big power grid in the laboratory，a type of grid simulator based on H－bridge high voltage multilevel inverter is studied.For the simulation of the grid’s real characteristics，the power hardware in loop（PHIL）technology is adopted by combining with the grid simulation，and the interface algorithm of the PHIL real－time simulation system is also studied.The complete system model based on ideal transformer model interface algorithm is built，and it is simulated successfully by the circumstance with Matlab／Simulink.The simulative results show the advanced natures of the proposed grid simulation technology.

power hardware in loop；grid simulation；semi－physical simulation；interactive influence

TE922

：A

1005—7277（2017）01—0001—07

劉德州（1991－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇笮惋L(fēng)電機(jī)組測試技術(shù)。

2016－09－03

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAA07B02）

胡書舉（1978－），男，博士，研究員，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。

孟巖峰（1980－），男，博士研究生，助理研究員，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。