适用于户用分布式光伏电站的电网模拟器研究*

李文宇，　王志新，　张　超，　邹建龙

(1. 上海交通大学 电气工程系，上海　200240；2. 上海纳杰电气成套有限公司，上海　201111；3. 嘉兴清源电气科技有限公司，浙江 嘉兴　314031)



适用于户用分布式光伏电站的电网模拟器研究*

李文宇1，王志新1，张超2，邹建龙3

(1. 上海交通大学 电气工程系，上海200240；2. 上海纳杰电气成套有限公司，上海201111；3. 嘉兴清源电气科技有限公司，浙江 嘉兴314031)

摘要：针对适合户用分布式光伏电站接入的电网模拟器的技术要求，对电网模拟器进行了结构选择、参数设计和控制策略研究。侧重讨论了基于电压滞环控制的逆变器设计，利用PSCAD/EMTDC仿真软件进行了15kW电网模拟器的仿真测试。仿真结果表明系统参数设计正确，带微分环节的电压滞环控制能跟踪快速变化的给定信号，输出电压半环宽大小可控，电网模拟器具有一定的带非线性负载能力，验证了该方法的正确性和可行性。

关键词：电网模拟器； 分布式光伏； 电压滞环； 开关频率； 参数设计

0引言

户用分布式光伏电站作为光伏产业发展的一个重要方向，由于其连接电网位置的分布性、出力的随机性和间歇性、需要经过电力电子变流器并网等问题，会给电网带来许多不良影响；电网发生故障时也会影响到户用分布式光伏电站的正常运行。为了使户用式光伏电站等分布式电源符合电网接入与运行的要求，促进分布式光伏电源的规模化应用，有必要进行适用于户用分布式光伏电站的电网模拟装置研究[1-5]。目前国外对电网模拟技术的研究较为完善并已进入产品化阶段,但是现有的模拟电源功能繁杂，价格昂贵，不适合在普通测试中使用；而国内对电网模拟器的研究尚缺乏系统性。

论文从适合户用分布式光伏电站接入的电网模拟器的技术要求出发，确定了电网模拟器的结构、各环节控制策略，并进行了相应的主电路参数设计，利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件建立了15kW电网模拟器仿真模型。仿真结果表示该模型跟踪快速变化给定信号能力强，具有一定的带电力电子变流器负载的能力，验证了论文中参数设计和控制策略的正确性。

1电网模拟器结构

电网模拟器是为分布式电源提供模拟电网电压的装置。现有的电网模拟装置基本可分为基于阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式[7-8]。

户用分布式光伏电站通过PWM逆变器并网，一般容量较小，作为负载具有非线性的特点，基于电力电子变换形式的电网模拟装置灵活性强，可模拟不同类型的电网电压，并可采用不同的控制策略增强其带负载能力，适用于户用分布式光伏电站的接入。基于电力电子变换形式的电网模拟器一般由整流环节和逆变环节两部分组成(AC-DC-AC)。

整流环节的作用是将电网提供的交流电压转换为恒定的直流电压，且实现能量的双向流动、电网模拟器的四象限运行。这里采用的电压型三相半桥PWM整流器，如图1所示。

图1　电压型三相半桥PWM整流器拓扑

逆变环节是电网模拟器的关键环节，应能将整流环节提供的直流电压逆变成所需的各种电压。考虑到需要输出含零序分量的电网电压，而含中性线的三相逆变器控制复杂[9-10]。这里采用三个单相逆变器输出需要的三相电压，单相全桥逆变器拓扑如图2所示。

图2　单相全桥逆变器拓扑

整流环节采用基于dq解耦的双闭环控制，逆变环节采用电压滞环控制，电网模拟器的整体结构如图3所示。

图3　电网模拟器结构

2电网模拟器的控制策略

2.1整流控制策略

在电网模拟器中整流环节的作用是将电网的交流电压转化为稳定的直流电压，以供逆变环节使用，并实现功率因数控制。典型的双闭环控制便可以实现上述功能。多种实现方法中，基于d、q解耦的控制方法能够将变化的交流量转化为直流量，分别代表有功和无功分量[11-12]，这种方法相对于三相静止坐标系下的双闭环控制方法具有设计方便、运算简单、输出效果好的优点[13]，基于d、q解耦的整流环节控制方案如图4所示。

2.2逆变控制策略

电网模拟器应能够模拟电网的各种状态，包括一些电压剧烈变化的电网故障如电压骤降。电压滞环的控制策略逻辑简单，因而具有很快的响

图4　基于d、q解耦的整流环节控制方案

应速度，本文中采用电压滞环控制策略。

电压滞环控制逻辑如式(1)所示，其中Ua为给定信号，Ea为输出电压，hg是电压滞环设定值，gt1～gt4分别为开关管V1～V4的给定信号。

(1)

值得注意的是，当开关管状态改变时，由于电感的续流效应，输出电压Ea不能立刻改变，因此，预先设定的给定值hg并不是输出电压的半环宽，但修改hg可以调整半环宽的大小。

带非线性负载时，输出电压可能会出现大的波动，这是因为电压滞环控制是在输出电压穿越给定电压后才进行调节，因此可以引入微分控制。微分控制在输出电压变化幅度较小时不会有大的影响，而在给定信号突变时能使输出电压迅速稳定下来。

3电网模拟器参数设计

3.1整流环节参数设计

3.1.1直流侧电压Udc设计

为满足后级逆变环节的要求，Udc须大于输出电压峰值311V。另一方面，为满足整流侧的要求，Udc须超过交流侧电压的峰值，380V市电经过隔离变压器380/110的Δ/Y输入，则有：

(2)

得到，Udc应大于269.4V，这里选择400V。

3.1.2交流侧电感L设计

电感上的压降应尽量不大于电源额定电压的30%[14],设每相功率为P，输入电压有效值为Us，电网角频率为ω，输入电流有效值为Is，得到L的上限：

(3)

考虑到电网模拟器输出电压存在三相不平衡情况，如模拟单相短路故障，应使整流环节容量略大于系统的额定容量，避免某相直流电压跌落过大，影响逆变环节控制策略的实现。取每相P=15kW，得到L小于2.31mH，为了能够更好地抑止电流谐波，这里选取一个接近上限的值2mH。

3.1.3直流侧电容C设计

电压波动Δudc.max应不超过Udc的5%[15]，在两相旋转坐标系下进行分析，有功电流与电感的关系、直流电压与电容的关系如式(4)、式(5)所示：

(4)

(5)

式中iq、im由以下关系确定：

(6)

电容电压变化率为0时，直流电压最小，将该值与Udc相减得到最大电压波动值为[15]

Δudc.max=udc-

(7)

令电压最大波动值小于直流侧电压Udc的5%，得到电容下限的确定方法：

(8)

其中：Udc=400V，L=2mH，Um=155.6V，于是有C>1200μF。为了使电容器体积较小，本文选择一个接近下限的值，取C为1500μF。

3.2逆变环节参数设计

采用电压滞环控制的逆变环节的参数设计主要是滤波器的设计。本文采用LC滤波器，设计时主要考虑两点，不影响电压滞环控制策略的实现和限制截止频率。在过零点附近开关频率较大，为满足跟随性能的要求，滤波器的时间常数应该较小，即使在最大开关频率时也能实现电压滞环的控制策略[16]。

以带额定阻性负载、输出电压过零点附近进行分析，电感电流与输出电压的关系如图5所示。

图5　电压过零点附近电感电流与输出电压的关系

在输出电压过零点附近，输出电压Ea近似为零，因而负载电流Ia也近似为零，于是有式(9)，同时电感电流IL与电感电压UL的关系式(10)也可以简化为式(11)

(9)

(10)

(11)

由式(14)可知： 电感电流上升和下降的斜率绝对值相等，而电感电流在电压过零点附近平均值为0，故图5中Δt1、Δt2、Δt3、Δt4的值相等，且和为一个开关周期T。但是输出电压Ea与给定信号Ua的最大差值并不出现在Ea变化率为零处，而出现在Ea变化斜率与给定信号变化斜率相等处。这给分析带来了不便，为进一步简化，假设在电压过零点附近输出电压平均值为0，由此得到的电感电流与输出电压关系如图6所示。

以Δt2时间内的电感电流、输出电压关系进行分析，由式(9)和式(11)导出，半环宽h与直流电压Udc、滤波电容C、滤波电感L、开关频率fk的关系如式(12)所示。

图6　电压过零点附近简化的电感电流与输出电压的关系

(12)

可以看到LC的取值越大，相同最高开关频率下的半环宽越小，即误差越小，效果越好；反过来，对于一定的半环宽，LC的取值越大，要求的最高开关频率越小，越容易实现。

接下来考虑滤波器的截止频率，LC滤波器的截止频率如式(13)所示：

(13)

由式(13)可知，LC越大，LC滤波器的截止频率越小，允许通过的谐波次数越少。于是与跟随性能的要求形成了矛盾，需要进行折中选择，令电网模拟器可通过15次以下的谐波，选择L=1mH，C=30μF，这样得到的滤波器截止频率为919Hz；另一方面，在最大开关频率为13kHz时，过零点处半环宽小于2.5V，具有较小的误差。

在LC值确定后，半环宽和最大开关频率关系也随之确定，由电压滞环控制策略的分析可知，调整电压滞环给定值hg可以使半环宽和最大开关频率稳定在上述较合适范围内。

4仿真验证与分析

根据上述的分析和计算，建立了基于PSCAD仿真软件的仿真平台，搭建了15kW电网模拟器的仿真模型。仿真参数如表1所示。

表1　系统仿真参数

续表

户用式光伏电站通过PWM逆变器接入电网。为了更好地模拟电网模拟器的真实运行状态，仿真中采用有源逆变器作为电网模拟器的负载，模拟光伏电源的并网逆变器。

图7给出了仿真系统模拟正常电压的输出电压波形。图8给出了输出电压在过零点附近的局部放大波形。此时最大开关频率为13kHz附近，从图8中可以观察到，由于引入微分控制上下环宽不相等，输出波形的上环宽和下环宽的和约为5V，半环宽值约为2.5V，验证了滤波器设计部分的分析。

图7　正常电压输出波形

图8　正常电压局部放大波形

模拟电压跌落的波形如图9所示。图10是电压跌落波形的局部放大波形。由图10可知： 电压跌落在1ms的时间内稳定下来，验证了带有微分环节的电压滞环控制具有很好的跟随性和快速性。

图9　电压跌落输出波形

图10　电压跌落局部放大波形

谐波波形畸变如图11所示，设定A相电压所含谐波分别为10%的3次谐波，5%的5次谐波和8%的7次谐波。

图11　谐波输出波形

图12给出了电压谐波的FFT分析。从图12中可以看出输出电压的各次谐波与设定值吻合得很好，验证了滤波器截止频率设计的正确性。

图12　谐波的FFT分析

5结语

论文从电网模拟器的技术要求出发，以适合户用式光伏电站接入为目标，选择电网模拟器为AC-DC-AC结构，确定并分别实现了整流环节的双闭环控制策略和逆变环节的电压滞环控制策略，设计了相应的主电路参数和控制参数。在PSCAD仿真软件中进行了15kW电网模拟器模型搭建，进行了有源逆变器负载下各种电压波形的输出试验。仿真结果表明： 所设计电网模拟器能够模拟电网的各种状态，具有带非线性负载的能力，能够在有源逆变器负载下正常工作，输出谐波和半环宽仿真结果证明了逆变环节参数设计的合理性。因此论文提出的适用于户用分布式光伏电站的电网模拟器设计方法正确、有效，为电网模拟器的进一步研究提供了有利基础。

【参 考 文 献】

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*基金项目：国家863计划(2014AA052005);上海市联盟计划(2015LM11);上海市闵行区重大产业技术攻关计划(2015MH103);上海市闵行区产学研合作计划(2014MH103);嘉兴市科技计划(2014BZ15002)

作者简介：李文宇(1993—)，男，硕士研究生，研究方向为户用分布式光伏发电技术。 王志新(1964—)，男，博士生导师，教授，研究方向为分布式光伏发电、海上风力发电、光伏发电控制、电机控制及系统节能。

中图分类号：TM 615

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)06- 0058- 06

收稿日期：2015-10-21

Research on Grid Simulator for Residential Distributed Photovoltaic Plant Access*

LIWenyu1,WANGZhixin1,ZHANGChao2,ZOUJianlong3

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Najie Electrical Complete Company Limited, Shanghai 201111, China;3. Jiaxing Clean Energy Electric Technology Company Limited, Jiaxing 314031, China)

Abstract：Selection of the structure,design of the parameters and control strategy of the grid simulator was. conducted from its technical requirements for residential distributed photovoltaic plant access,and extra emphasis was placed on the the inverter side design based on hysteresis voltage control.Using PSCAD/EMTDC simulation software,a simulation model of a 15kW grid simulator was established, simulation results show that system parameters were set correctly,the inverter with a differential voltage hysteresis control was able to track rapid changing given signals,the half-ring width of the output voltage was controllable,and the grid simulator has a certain ability to carry a non-linear load,which verified the correctness and feasibility of the method.

Key words：grid simulator;distributed photovoltaic;voltage hysteresis;switching frequency;parameter design