朱 虹，張 興，李 飛，劉 芳，金結(jié)紅

（1.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.合肥陽光電源股份有限公司，合肥230088）

大功率電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)研究

朱 虹1，張 興1，李 飛1，劉 芳1，金結(jié)紅2

（1.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.合肥陽光電源股份有限公司，合肥230088）

提出了一種適用于大功率電網(wǎng)模擬器的拓撲結(jié)構(gòu)，并給出了相應(yīng)的控制策略以及硬件參數(shù)設(shè)計方法等，保證電網(wǎng)模擬器具備電壓頻率可調(diào)、模擬電網(wǎng)不平衡以及各次諧波發(fā)生等功能。分析、設(shè)計并搭建了2 MW電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)，完成了基本功能的測試實驗，驗證了理論的正確性和可行性。

大功率電網(wǎng)模擬器；系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)；控制策略；頻率可調(diào)；電網(wǎng)不平衡；各次諧波發(fā)生

隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)功率的增加，為系統(tǒng)提供電網(wǎng)環(huán)境的電網(wǎng)模擬器功率也隨著增加。然而在設(shè)計大功率電網(wǎng)模擬器的過程中，由于受到開關(guān)頻率的限制，會影響其控制帶寬，導致模擬器性能下降。因此為了適應(yīng)分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要提供一種高性能的大功率電網(wǎng)模擬器裝置。

文獻［1］首先提出了采用模擬裝置來模擬各種電網(wǎng)故障，從而可以研究負載在電網(wǎng)故障情況下的工作特性。研究采用無差拍控制以實現(xiàn)對輸出電壓的無靜差控制，并設(shè)計了一臺10 kVA的三相模擬裝置用以模擬電壓跌落、諧波、不平衡等電網(wǎng)故障；文獻［2］最早提出了電網(wǎng)模擬器的概念，為了實現(xiàn)對輸出電壓的無靜差控制，虛擬了一個與實際電路正交的電路，從而可以得到一對在靜止坐標系下正交的交流量，并采用DQ-dq變換將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流量，從而可以采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無靜差控制；同時，建立了單相的模擬器系統(tǒng)并模擬了電壓變化的電網(wǎng)故障。但文中更多關(guān)注控制方法的研究而非電網(wǎng)模擬器本身。國家可再生能源實驗室的分布式能源測試機構(gòu)設(shè)計了200 kW的電網(wǎng)模擬器，用于模擬電網(wǎng)電壓的跌落、暫升以及高次諧波電壓，并設(shè)計了由阻性、感性以及容性元件組成的負載模擬器，使得研究人員可以模擬電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重故障時分布式系統(tǒng)的工作情況，但報告中并未提及模擬器的電路組成以及控制方法，因而少有技術(shù)參數(shù)可循。文獻［3］提出了一種中壓分布式系統(tǒng)的測試設(shè)備，根據(jù)EN以及IEC標準總結(jié)常見的電網(wǎng)故障情況，采用靜止坐標系下的比例諧振調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無靜差控制，最后設(shè)計了1臺15 kVA的設(shè)備并模擬了電壓跌落、三相不平衡、零序分量以及諧波電壓故障；文獻［4］將電網(wǎng)模擬器等效為一個電壓源與輸出阻抗串聯(lián)的形式，建立了50 kVA的模擬器系統(tǒng)并重點研究采用控制方法虛擬電網(wǎng)的阻抗。

本文提出了一種適用于大功率電網(wǎng)模擬器的拓撲結(jié)構(gòu)，給出了相應(yīng)的控制策略以及硬件參數(shù)設(shè)計方法等，保證電網(wǎng)模擬器具備電壓頻率可調(diào)、模擬電網(wǎng)不平衡以及各次諧波發(fā)生等功能；并從以下4個方面來介紹大功率電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)：①大功率電網(wǎng)模擬器拓撲結(jié)構(gòu)選擇；②大功率電網(wǎng)模擬器控制策略的選?。虎蹫V波器參數(shù)設(shè)計及變壓器變比的選??；④大功率電網(wǎng)模擬器實驗驗證。

1 大功率電網(wǎng)模擬器拓撲結(jié)構(gòu)選擇

大功率電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)與小功率電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)不同之處在于其功率等級高、開關(guān)頻率低，因此控制帶寬較低，降低了電網(wǎng)模擬器的性能。

本文給出了一種適用于大功率電網(wǎng)模擬器的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其特點是將大功率的電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)分解成基波和諧波兩部分實現(xiàn)，包括基波發(fā)生模塊、基波LC濾波器、諧波發(fā)生模塊、諧波LC濾波器以及串聯(lián)注入式變壓器組?；òl(fā)生模塊采用大功率低開關(guān)頻率的三電平背靠背系統(tǒng)，諧波發(fā)生模塊采用小功率高帶寬的三電平背靠背系統(tǒng)，串聯(lián)注入式變壓器組由3臺單相注入變壓器構(gòu)成，每臺變壓器均為單相雙繞組結(jié)構(gòu)，三相中性點連接在一起，諧波濾波器的濾波電容輸出電壓通過串聯(lián)注入式變壓器組與基波濾波器的濾波電容輸出電壓耦合，共同為負載供電。

該拓撲結(jié)構(gòu)中基波發(fā)生模塊采用大功率的三電平背靠背系統(tǒng)來實現(xiàn)大功率的目標，通過采用小功率高帶寬的三電平背靠背系統(tǒng)來提高諧波的控制帶寬，進一步提高諧波發(fā)生次數(shù)。

圖1 MW級電網(wǎng)模擬器拓撲電路Fig.1 Topology circuit for MW level power grid simulator

2 大功率電網(wǎng)模擬器控制策略的選取

大功率電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)中基波發(fā)生模塊和諧波發(fā)生模塊采用單獨控制。

2.1 基波發(fā)生模塊控制策略

基波發(fā)生模塊控制目標是輸出特定幅值、頻率的標準正弦波，為了滿足高性能的控制指標，可采用的控制方法包括很多種。較典型的控制策略有雙閉環(huán)PID控制、無差拍控制、重復控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、狀態(tài)反饋控制等。其中雙閉環(huán)PID控制以其控制技術(shù)簡單成熟、控制性能優(yōu)越、實用性強的特點在研究和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文基波發(fā)生模塊采用的是輸出電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，為了抑制負載的擾動，在控制中加入了負載電流的前饋，可以使得負載擾動得到一定程度的抑制，從而增強系統(tǒng)的外特性，提高抗擾動能力。電感電流反饋與負載電流前饋的組合作用相當于電容電流反饋，可以獲得和電容電流反饋相同的結(jié)果?；òl(fā)生模塊的控制框圖如圖2所示，其中外環(huán)的給定為期望輸出的電壓信號，系統(tǒng)實際輸出電壓的瞬時值經(jīng)過檢測后作為外環(huán)的反饋，外環(huán)的給定與反饋進行比較后的誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出作為內(nèi)環(huán)的給定信號。內(nèi)環(huán)用電感電流作為反饋變量，給定與電感電流反饋比較，誤差經(jīng)比例調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)后，輸出信號作為逆變器的控制信號。

圖2 基波發(fā)生模塊控制框圖Fig.2 Control block diagram of fundamental module

2.2 諧波發(fā)生模塊控制策略

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)相當于一個低通濾波器，有一定的帶寬限制，對帶寬頻率之外的信號具有抑制作用。諧波發(fā)生模塊中，由于閉環(huán)系統(tǒng)帶寬有限，若仍采用雙閉環(huán)控制，諧波信號會受到抑制，導致無法正常輸出諧波電壓，所以對諧波發(fā)生模塊控制采用電壓有效值反饋，控制框圖如圖3所示，圖中為諧波發(fā)生模塊輸出電壓有效值給定，Uo為諧波發(fā)生模塊輸出電壓，通過有效值計算可得輸出電壓的有效值進行比較，誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，輸出信號用于控制輸出電壓的有效值，正弦值前饋給定1·sinωt正弦信號，用于控制輸出電壓的波形。諧波給定與調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)制信號疊加作為逆變器的控制信號。

橋臂輸出電壓經(jīng)過LC諧波濾波器后輸出，而LC濾波器會對輸出電壓中的高次諧波產(chǎn)生一定的影響，假設(shè)LC濾波器是理想的，即忽略電感等效電阻等參數(shù)，假設(shè)Ui為橋臂輸出電壓，Uo為濾波后的輸出電壓，則濾波器的傳遞函數(shù)為

其幅頻特性為

式中：L、C分別為濾波電感和電容；ω為頻率；s=jω。由式（2）可知，隨著頻率ω增加，ALC（jω）增大，經(jīng)濾波器后電壓后會有ALC（jω）倍的放大，即濾波器會對高次諧波有放大作用。為抑制這種放大作用，在高次環(huán)節(jié)要增加頻率變化的前饋系數(shù)。前饋系數(shù)為

圖3 電壓有效值反饋控制框圖Fig.3 Block diagram of voltage RMS feedback control

圖4 諧波發(fā)生模塊控制框圖Fig.4 Control block diagram of harmonic module

3 系統(tǒng)硬件參數(shù)設(shè)計

3.1 逆變器濾波參數(shù)設(shè)計

大功率電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)中，濾波器參數(shù)設(shè)計包括基波和諧波濾波器參數(shù)設(shè)計，基波和諧波濾波器均采用LC型濾波器，分別由濾波電容的輸出電壓通過串聯(lián)注入式變壓器組進行耦合，共同為負載提供電能。對于LC濾波器的參數(shù)設(shè)計，從以下3個方面進行考慮。

（1）濾波電感參數(shù)設(shè)計依據(jù)：輸出濾波電感的最小值是由電感電流的紋波決定的，電感電流的諧波過大不僅會影響到器件損耗，而且還會影響到控制策略的實施。工程上紋波電流要求最大值為額定電流峰值Im的10%～30%，則濾波電感的最小值可計算為

（2）濾波電容參數(shù)設(shè)計依據(jù)：電容的選擇應(yīng)和電感折中考慮，電容越大，電容所占的無功功率越大，通過電感L的電流和開關(guān)管的電流也越大，從而增大損耗，降低效率。電容越小，則需要電感越大，會導致在電感上產(chǎn)生巨大壓降，設(shè)計中，一般限制電容產(chǎn)生的無功不超過系統(tǒng)額定功率的5%，即

可以得到

（3）截止頻率的要求：為了達到較好的濾波效果，濾波器的截止頻率一般選為開關(guān)頻率的1/10～1/5，并且高于基波頻率的10倍以上，即有

式中，f、fn和fk分別為基波頻率、濾波器的截止頻率和開關(guān)頻率。

3.2 串聯(lián)注入式變壓器組的設(shè)計

串聯(lián)注入式變壓器組的作用是將諧波發(fā)生模塊輸出的諧波電壓耦合到基波發(fā)生模塊輸出電壓上，設(shè)計時主要考慮的參數(shù)有變比、溫度等。變壓器變比的選擇依據(jù)為：①變壓器的變比選擇要保證PWM調(diào)制信號不能過調(diào)制；②基波濾波器的輸出電流不能超過額定值。

4 系統(tǒng)實驗分析

根據(jù)前面的分析與設(shè)計，設(shè)計了2 MW電網(wǎng)模擬器實驗平臺，如圖5所示，其中系統(tǒng)各部分硬件參數(shù)如表1所示。

圖6為電網(wǎng)模擬器帶250 kW光伏逆變器負載運行時模擬基波與諧波組合發(fā)生情況的波形。其中基波發(fā)生模塊輸出315 V電壓，諧波發(fā)生模塊注入5次諧波25 V。圖7為電網(wǎng)模擬器帶250 kW光伏逆變器負載，模擬三相不平衡的情況，其中正序電壓315 V，負序電壓60 V。

圖5 2MW電網(wǎng)模擬器實驗平臺Fig.5 Experiment platform of 2 MW grid simulator system

表1 系統(tǒng)各部分硬件參數(shù)Tab.1 Key parameters of grid simulator system

圖6 基波與諧波組合波形Fig.6 Combination waveforms of fundamental wave and harmonic

圖7 三相不平衡電壓波形Fig.7 Waveforms of three phases unbalance voltage

5 結(jié)語

本文提出了一種大功率電網(wǎng)模擬器，通過分析給出了適用于大功率電網(wǎng)模擬器的拓撲結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的控制策略、硬件參數(shù)設(shè)計方法等，可確保所提電網(wǎng)模擬器具備電壓頻率可調(diào)、模擬電網(wǎng)不平衡以及各次諧波發(fā)生等功能。同時，分析設(shè)計并搭建了2 MW電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)實驗平臺，完成了基本功能的測試實驗，驗證了理論的正確性和可行性。

［1］Pouliquen H,Massabo D.Disturbed network simulator using a dead beat control method for the supply of nonlinear loads［C］.Power Electronics and Variable-Speed Drives,Fourth International Conference,London,UK：IET,1990：556-561.

［2］ Zhang R,Cardinal M，Szczesny P,et al．A grid simulator with control of single-phase power converters in D-Q rotating frame［C］.33rd Annual in Power Electronics Specialists Conference,IEEE,2002：143l-1436．

［3］Richter S A,Von Bloh J,Dick C P,et al．Control of a medium-voltage test generator［C］.Power Electronics Specialists Conference,IEEE,2008：3787-3793．

［4］Karuppaswamy A,John V．A hardware grid simulator to test grid-connectedinvertersystems［C］．NationalPowerElectronicsConference2010,IIT-Roorkee,2010.

［5］張崇巍,張興.PWM逆變器及其控制策略［M］.北京：機械工業(yè)出版社,2003.

Research of High-power Grid Simulator System

ZHU Hong1,ZHANG Xing1,LI Fei1,LIU Fang1,JIN Jiehong2
（1.School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.Sungrow Power Supply Co.Ltd.,Hefei 230088,China）

This paper presents a topology for high power grid simulator together with the corresponding control strategy and hardware parameters design methods.The grid simulator can provide three-phase sinusoidal voltage and generate typical grid fault situations like frequency deviations,unbalance and harmonic distortion which are common in the real world grid.In addition,a 2 MW grid simulator was built to complete the basic function test.The experiment results verify the effectiveness of the proposed topology and the control strategy.

high power grid simulator;system topology;control strategy;adjustable frequency;power grid unbalance;each subharmonic generation

朱虹

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．3.163

：TM 464；TM 732

：A

朱虹（1989-），女，博士研究生，研究方向：大功率電網(wǎng)模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究。E-mail：zhhfut@163.com。

張興（1963-），男，通信作者，博士，教授，博士生導師，研究方向：特種電源、大功率風力發(fā)電用變流器及大型光伏并網(wǎng)發(fā)電，E-mail：honglf@ustc.edu.cn。

李飛（1984-），男，博士，研究員，研究方向：新能源利用與分布式發(fā)電技術(shù)，E-mail：415990803@qq.com。

劉芳（1981-），女，博士，研究員，研究方向：新能源利用與分布式發(fā)電技術(shù)，E-mail：fragcelau@gmail.com。

金結(jié)紅（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：jary0226@163.com。

2015-12-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2015 AA050607）

Project Supported by National High-teach R&D Program（863 Program）of China（2015AA050607）