孫 勇 蘇建徽 賴紀東 王慶發(fā) 董 磊

中壓兆瓦級電網(wǎng)模擬器電壓采樣影響及改進策略*

孫 勇1, 2蘇建徽1賴紀東1王慶發(fā)1, 2董 磊1, 2

(1. 合肥工業(yè)大學光伏系統(tǒng)教育工程研究中心 合肥 230009；2. 常州中海電力科技有限公司 常州 213001)

為測試光伏電站、風電機組以及儲能電站等兆瓦級、中壓直掛式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)適應(yīng)性能力，介紹一種35 kV/3 MW電網(wǎng)模擬器拓撲。然而，受電壓互感器(Potential transformer，PT)采樣精度限制，直接采用PT輸出信號作為電壓調(diào)節(jié)器反饋，會嚴重降低系統(tǒng)的控制帶寬，影響系統(tǒng)輸出電壓的動、穩(wěn)態(tài)性能。根據(jù)PT特性進行頻域建模，分析PT采樣對系統(tǒng)控制的影響，并提出一種改進的控制策略，將PT輸出電壓作為有效值環(huán)反饋來保證穩(wěn)態(tài)精度，同時增加高帶寬低壓瞬時值采樣控制來跟蹤電壓指令，以使電網(wǎng)模擬器的輸出特性滿足要求。35 kV/3 MW電網(wǎng)模擬器的試驗樣機驗證了該控制方案的可行性和正確性。

中壓電網(wǎng)模擬器；電壓互感器；低壓瞬時值反饋；電壓有效值反饋

1 引言

隨著并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)量和容量的增加，電網(wǎng)要求它們能夠及時、有效地應(yīng)對電網(wǎng)的異常及擾動，比如頻率波動、電壓跌落以及諧波變化[1-3]等。此外國網(wǎng)公司為檢測這些大功率直掛式發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)的適應(yīng)性能力，制定了一系列并網(wǎng)測試相關(guān)的標準和規(guī)范[4-6]。受檢測實驗室電網(wǎng)電壓和容量限制，難以對中高壓、大功率發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)適應(yīng)性能力進行有效的測試，所以迫切需要研制出一臺可以穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)中高壓電網(wǎng)故障的電網(wǎng)模擬器[7]。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)模擬器多采用LC型濾波器結(jié)構(gòu)，通過電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙環(huán)PI控制策略[8-9]，然而受功率開關(guān)器件的工作電壓和開關(guān)頻率的限制，導(dǎo)致輸出電能質(zhì)量下降，無法達到高壓大功率的目標。文獻[10]采用串聯(lián)注入式變壓器組將諧波模塊的高次諧波電壓耦合到基波模塊輸出的基波電壓上，實現(xiàn)了大功率電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)功能。文獻[11]提出了一種基于圓型變壓器的諧波注入式逆變裝置，不但降低了經(jīng)濟成本，而且改善了系統(tǒng)輸出的電流波形質(zhì)量。為了輸出中高壓可編程的電壓波形，通常采用模塊化多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，包含二級管箝位型、飛跨電容型和級聯(lián)型[12-14]，其中應(yīng)用最廣泛的是級聯(lián)型多電平逆變器，該拓撲關(guān)鍵在于調(diào)制策略，其結(jié)構(gòu)優(yōu)點是控制簡單、易于模塊化，缺點是需要多路獨立的直流電源。文獻[15]介紹了基于移相變壓器的12相多重疊加逆變器的工作原理，這種新型的逆變輸出波形質(zhì)量更高。文獻[16]介紹了一種多模塊串聯(lián)輸出的大容量電網(wǎng)模擬器裝置，該設(shè)備滿足電網(wǎng)測試的各項測試指標，其中對多個模塊進行實時控制具有很大的挑戰(zhàn)性。文獻[17]對基于同軸電容結(jié)構(gòu)的中壓電容分壓型電壓互感器(Electronic voltage transformer, ECVT)的頻率特性進行研究，該電容分壓器雖具有較為理想的響應(yīng)帶寬，但需要精準的結(jié)構(gòu)參數(shù)，且成本較高。文獻[18]通過虛擬儀器軟件和高精度數(shù)據(jù)采集卡對PT的測量數(shù)據(jù)進行誤差計算和分析，得出了電磁式電壓互感器在實際運行過程中的諧波特性。

基于以上文獻研究成果，文中首先介紹了一種中壓兆瓦級電網(wǎng)模擬器的拓撲結(jié)構(gòu)。在控制系統(tǒng)中，PT作為高隔離電壓傳感器，其性能將直接影響到電網(wǎng)模擬器運行的可靠性。本文根據(jù)PT的特性進行建模分析和試驗驗證，得到實際情況中的PT不滿足中壓寬頻帶電壓測量需求，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。針對這一問題，本文給出了一種改進策略，將PT采樣的工頻信號作為有效值外環(huán)反饋保證穩(wěn)態(tài)精度，同時增加一路低壓側(cè)電壓采樣提高系統(tǒng)電壓瞬時值環(huán)帶寬，并結(jié)合電感電流內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制方式。最后搭建35 kV/3 MW儲能電站的電網(wǎng)適應(yīng)性能力測試平臺，通過仿真和試驗證明該策略的可行性。

2 拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為本文所述電網(wǎng)模擬器的電路結(jié)構(gòu)，其主要由背靠背PWM系統(tǒng)組成，其中前級網(wǎng)側(cè)變流器是一臺大功率三相PWM整流器，提供穩(wěn)定的直流電壓，后級輸出側(cè)變流器由三個獨立可調(diào)的、共中性點的單相逆變系統(tǒng)組成。其中，每個單相逆變系統(tǒng)由四個帶變壓器的單元H橋逆變器構(gòu)成輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)[19](Input parallel output series, IPOS)結(jié)構(gòu)，變壓器起升壓、隔離的作用。該拓撲的特點如下：①相比H橋級聯(lián)系統(tǒng)，輸出側(cè)變流器僅需一個公共的直流母線；②四個逆變單元進行載波移相多重化調(diào)制方式，輸出實現(xiàn)四倍頻的等效開關(guān)頻率，降低輸出電壓諧波畸變率，且模塊化易于維護；③變壓器高壓側(cè)串聯(lián)，可實現(xiàn)四個單元的自然均流。文中主要以單相逆變系統(tǒng)控制策略進行比較分析。

圖1 中壓兆瓦級電網(wǎng)模擬器拓撲

3 控制策略分析

3.1 PT性能分析

在35 kV電壓等級的電網(wǎng)模擬器控制系統(tǒng)中，電壓采樣常用電磁式互感器。根據(jù)PT的特性可以得到PT諧波等效模型如圖2所示。

圖2 PT等效模型

圖2中，p、s、p、s分別為PT一次側(cè)及二次側(cè)的漏阻和漏感，m、m分別為勵磁繞組的等效電阻和電感，隨著電壓頻率上升，電壓互感器一次側(cè)產(chǎn)生對地電容p，二次側(cè)產(chǎn)生對地電容s，以及繞組間的電容ps。由文獻[20]得到PT的化簡后的傳遞函數(shù)

在工頻段，不存在等效電容Cp、Cs、Cps，所以Hpt(s)為近似并且小于1的常數(shù)，采樣誤差較小。隨著諧波頻率的增加，電容Cs和繞組間的電容Cps容抗減小，在傳遞函數(shù)中的影響不可忽略，并且隨著頻率的增加，會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致測量誤差陡變。為測試PT性能，對PT的采樣帶寬進行了試驗驗證，選用JDZX9-35精確度為0.2準確等級的電壓互感器進行測試，試驗波形如圖3所示。測試結(jié)果顯示，當PT輸入側(cè)接入50 Hz/500 V正弦交流電壓時，采樣誤差較??；當施加500 Hz/500 V方波電壓時，輸出信號出現(xiàn)了明顯的滯后和失真現(xiàn)象。

因此，在中高壓系統(tǒng)中，將PT的輸出信號作為采樣計量工具，從電能計量角度出發(fā)是滿足工頻信號的測量要求的，但由于受PT的帶寬限制，通過PT采樣作為電壓瞬時值反饋時，將直接影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 電網(wǎng)模擬器系統(tǒng)控制策略

根據(jù)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲建立系統(tǒng)等效電路模型。由于系統(tǒng)中存在級聯(lián)變壓器升壓拓撲，并且四個逆變單元進行載波移相多重化調(diào)制方式，共用相同的控制策略，所以對單元逆變H橋帶T型變壓器進行分析，將二次側(cè)等效到一次側(cè)，等效電路如圖4所示。

圖4中，1為第單元變壓器一次側(cè)漏感，2為第單元變壓器二次側(cè)漏感，為第單元變壓器勵磁電感，1、1分別為濾波電感和電容。其中＞＞1≈2/2，=4，變壓器變比1∶2=1∶。

圖4 單元H橋等效電路模型

由電路原理得

根據(jù)電氣特性

得到輸出電壓與低壓側(cè)電容電壓的傳遞函數(shù)

控制系統(tǒng)采樣輸出電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。為簡化系統(tǒng)的分析，采用原理簡單且易于實現(xiàn)的PI調(diào)節(jié)器。電壓外環(huán)使輸出電壓跟蹤輸入的正弦信號，電流環(huán)控制電感上的電流快速跟蹤電流指令，同時電流環(huán)具有自然限流功能，可以使逆變器在輸出短路時限制最大輸出電流，增加了系統(tǒng)的可靠性，控制框圖如圖5所示。

根據(jù)系統(tǒng)控制框圖，將結(jié)構(gòu)圖等效化簡得外環(huán)等效控制對象

其中

可以得到PT非理想情況下系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

考慮到實際情況中PT傳輸帶寬的因素，將PT等效模型引入系統(tǒng)后，對比不同情況下系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖。從圖6得到，非理想情況下PT的輸出信號作為電壓反饋信號，系統(tǒng)轉(zhuǎn)折頻率左移，嚴重影響了電壓瞬時值外環(huán)的控制帶寬，降低了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

圖6 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖

3.3 改進策略

由于高壓側(cè)PT存在采樣帶寬問題，若直接將PT輸出信號作為電壓瞬時值反饋，會嚴重影響系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)性能。為解決PT采樣反饋對控制系統(tǒng)的影響，增加高帶寬低壓瞬時值采樣反饋控制，同時將PT作為工頻電壓有效值反饋補償因變壓器漏感、漏抗引起的輸出幅值偏移，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。采用電感電流內(nèi)環(huán)，低壓瞬時值外環(huán)以及輸出電壓有效值環(huán)三環(huán)控制方式，輸出電壓有效值環(huán)每周期對輸出電壓有效值調(diào)節(jié)，同時解決雙閉環(huán)PI控制器無法完全消除靜差的問題，控制框圖如圖7所示。

圖7 改進策略后系統(tǒng)控制框圖

改進策略后直接取變壓器低壓側(cè)電壓作為瞬時值控制，將變壓器等效成變比為的理想變壓器，則系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

則改進后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖8所示。增加一路低壓瞬時值反饋避免了PT采樣帶寬對系統(tǒng)控制的影響，提高了動態(tài)響應(yīng)度，同時增加了PT工頻有效值反饋，提高了輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度。

4 仿真與試驗

4.1 仿真驗證

為驗證理論的正確性和可行性，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，其中仿真參數(shù)見表1。

表1 中壓電網(wǎng)模擬器仿真參數(shù)

圖9為電壓指令跌落至額定電壓的30%時，PT理想情況下采樣反饋、PT非理想情況下采樣反饋和控制策略改進后的三種方式仿真的輸出電壓電流波形。仿真結(jié)果顯示PT非理想情況下控高壓側(cè)電壓在電壓指令階躍時，電壓瞬時值反饋信號跟蹤不上指令信號，輸出電壓和電流出現(xiàn)振蕩不可控現(xiàn)象；PT理想情況下控高壓側(cè)電壓和改進策略控低壓側(cè)電壓都可實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并且可以穩(wěn)定模擬電壓跌落的電網(wǎng)特性。

4.2 試驗驗證

搭建了試驗平臺，本次試驗測試借用德微創(chuàng)DEWE-5000錄波器對輸出電壓進行錄波記錄，探頭型號為PNA-CLAMP-5。電網(wǎng)模擬器輸出側(cè)接入35 kV電化學儲能電站，模擬電網(wǎng)故障測試儲能電站的電網(wǎng)適應(yīng)性能力，測試平臺如圖10所示。

圖10 電網(wǎng)模擬器試驗平臺

電網(wǎng)模擬器輸出側(cè)高壓采樣的電壓互感器的型號為JDZX9-35，精確度為0.5準確等級，改進策略中增加的低壓采樣，選用萊姆公司LV25-P型號的霍爾電壓傳感器。測試帶載運行情況下，對比采用PT作為瞬時值反饋信號和改進策略兩種控制方式下的電壓跌落試驗，試驗波形如圖11所示。測試內(nèi)容主要是對不同工況下電壓、電流波形測量以及直掛式35 kV儲能電站的運行狀態(tài)檢測。

圖11 模擬電壓跌落的試驗波形

圖11a是將PT輸出信號直接作為電壓反饋的電壓跌落試驗波形，圖11b、圖11c分別是改進策略后的三相電壓跌落、漸變和兩相電壓跌落、漸變的試驗波形。試驗結(jié)果顯示，在模擬電壓跌落試驗時，PT輸出信號作為電壓瞬時值反饋跟蹤不上指令值，電壓跌落時出現(xiàn)了振蕩及過流停機現(xiàn)象，與仿真結(jié)果相同，因此論證了實際情況下的PT存在采樣帶寬問題，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而改進策略后的系統(tǒng)可以穩(wěn)定地模擬電網(wǎng)電壓跌落故障，跌落響應(yīng)時間在5 ms左右，35 kV儲能電站連續(xù)運行，順利完成測試內(nèi)容。同時改進策略后的中壓電網(wǎng)模擬器按照標準[3-5]可以滿足以下性能指標要求，如表2所示。

表2 中壓電網(wǎng)模擬器主要的性能指標

5 結(jié)論

文中針對PT采樣特性對系統(tǒng)控制策略的影響進行分析，并通過仿真和試驗進行對比驗證，高隔離電壓傳感器PT的輸出信號作為電壓瞬時值反饋是不滿足采樣帶寬需求的，影響了系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能。本文給出了增加一路高頻帶低電壓瞬時值反饋的改進策略，將PT輸出信號作為工頻電壓有效值環(huán)反饋，通過低壓瞬時值環(huán)反饋控制電壓瞬時值跟蹤速度，不但避免了PT采樣帶寬對控制系統(tǒng)的影響，而且該系統(tǒng)能夠準確地復(fù)現(xiàn)中壓電網(wǎng)故障波形。經(jīng)仿真分析和試驗驗證該電網(wǎng)模擬器拓撲結(jié)構(gòu)的可行性和理論控制的正確性。這也給關(guān)于中高壓大功率逆變器系統(tǒng)方向的研究者提供了一種思路。

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Voltage Sampling Influence and Improvement Strategy of Medium Voltage Megawatt Power Grid Simulator

SUN Yong1, 2SU Jianhui1LAI Jidong1WANG Qingfa1, 2DONG Lei1, 2

(1. The Ministry of Education Photovoltaic System Engineering Research Center, Hefei University of Technology, Hefei 230009;2. Changzhou Sino Sea Electric Power Technology Co., Ltd., Changzhou 213001)

In order to test the grid adaptability of MW-level and medium voltage direct-connected grid connected power generation systems such as photovoltaic power station, wind turbine and pumped storage plant, a 35 kV/3 MW grid simulator topology is introduced. However, limited by the sampling accuracy of potential transformer (PT), the direct use of PT output signal as the feedback of voltage regulator will seriously reduce the control bandwidth of the system and affect the dynamic and steady-state performance of the system output voltage. The frequency domain modeling is carried out according to the characteristics of PT, the influence of PT sampling on the system control is analyzed, and an improved control strategy is proposed. The output voltage of PT is used as the feedback of the effective value loop to ensure the steady-state accuracy. At the same time, the high-bandwidth and low-voltage instantaneous value sampling control is added to track the voltage command, so that the output characteristics of the power grid simulator can meet the requirements. The experimental prototype of 35 kV/3 MW power grid simulator verifies the feasibility and correctness of the control scheme.

Medium voltage power grid simulator；potential transformer；low voltage instantaneous value feedback；voltage RMS feedback

10.11985/2021.04.026

TM464

* 中央科研基本業(yè)務(wù)支持資助項目(PA2020GDGP0053)。

20210418收到初稿，20211017收到修改稿

孫勇(通信作者)，男，1995年生，碩士研究生。主要研究方向為電力電子技術(shù)及電網(wǎng)模擬器。E-mail：975464026@qq.com

蘇建徽，男，1963年生，博士，教授。主要研究方向為光伏發(fā)電、微網(wǎng)、儲能及電力傳動技術(shù)。E-mail：su_chen@126.com

賴紀東，男，1981年生，博士，副教授。主要研究方向為分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)、電力變換節(jié)能技術(shù)。E-mail：laijidong@126.com

王慶發(fā)，男，1994年生，碩士研究生。主要研究方向為電力電子技術(shù)及微電網(wǎng)控制技術(shù)。E-mail：116407035@qq.com

董磊，男，1994年生，碩士研究生。主要研究方向為兆瓦級逆變器及其控制策略。E-mail：406863799@qq.com