大功率电网模拟器系统研究

朱 虹，张 兴，李 飞，刘 芳，金结红

（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009；2.合肥阳光电源股份有限公司，合肥230088）

大功率电网模拟器系统研究

朱 虹1，张 兴1，李 飞1，刘 芳1，金结红2

（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009；2.合肥阳光电源股份有限公司，合肥230088）

提出了一种适用于大功率电网模拟器的拓扑结构，并给出了相应的控制策略以及硬件参数设计方法等，保证电网模拟器具备电压频率可调、模拟电网不平衡以及各次谐波发生等功能。分析、设计并搭建了2 MW电网模拟器系统，完成了基本功能的测试实验，验证了理论的正确性和可行性。

大功率电网模拟器；系统拓扑结构；控制策略；频率可调；电网不平衡；各次谐波发生

随着分布式发电系统功率的增加，为系统提供电网环境的电网模拟器功率也随着增加。然而在设计大功率电网模拟器的过程中，由于受到开关频率的限制，会影响其控制带宽，导致模拟器性能下降。因此为了适应分布式发电系统的发展，迫切需要提供一种高性能的大功率电网模拟器装置。

文献［1］首先提出了采用模拟装置来模拟各种电网故障，从而可以研究负载在电网故障情况下的工作特性。研究采用无差拍控制以实现对输出电压的无静差控制，并设计了一台10 kVA的三相模拟装置用以模拟电压跌落、谐波、不平衡等电网故障；文献［2］最早提出了电网模拟器的概念，为了实现对输出电压的无静差控制，虚拟了一个与实际电路正交的电路，从而可以得到一对在静止坐标系下正交的交流量，并采用DQ-dq变换将其转化为旋转坐标系下的直流量，从而可以采用PI调节器实现无静差控制；同时，建立了单相的模拟器系统并模拟了电压变化的电网故障。但文中更多关注控制方法的研究而非电网模拟器本身。国家可再生能源实验室的分布式能源测试机构设计了200 kW的电网模拟器，用于模拟电网电压的跌落、暂升以及高次谐波电压，并设计了由阻性、感性以及容性元件组成的负载模拟器，使得研究人员可以模拟电网出现严重故障时分布式系统的工作情况，但报告中并未提及模拟器的电路组成以及控制方法，因而少有技术参数可循。文献［3］提出了一种中压分布式系统的测试设备，根据EN以及IEC标准总结常见的电网故障情况，采用静止坐标系下的比例谐振调节器实现无静差控制，最后设计了1台15 kVA的设备并模拟了电压跌落、三相不平衡、零序分量以及谐波电压故障；文献［4］将电网模拟器等效为一个电压源与输出阻抗串联的形式，建立了50 kVA的模拟器系统并重点研究采用控制方法虚拟电网的阻抗。

本文提出了一种适用于大功率电网模拟器的拓扑结构，给出了相应的控制策略以及硬件参数设计方法等，保证电网模拟器具备电压频率可调、模拟电网不平衡以及各次谐波发生等功能；并从以下4个方面来介绍大功率电网模拟器系统：①大功率电网模拟器拓扑结构选择；②大功率电网模拟器控制策略的选取；③滤波器参数设计及变压器变比的选取；④大功率电网模拟器实验验证。

1 大功率电网模拟器拓扑结构选择

大功率电网模拟器系统与小功率电网模拟器系统不同之处在于其功率等级高、开关频率低，因此控制带宽较低，降低了电网模拟器的性能。

本文给出了一种适用于大功率电网模拟器的拓扑结构，如图1所示，其特点是将大功率的电网模拟器系统分解成基波和谐波两部分实现，包括基波发生模块、基波LC滤波器、谐波发生模块、谐波LC滤波器以及串联注入式变压器组。基波发生模块采用大功率低开关频率的三电平背靠背系统，谐波发生模块采用小功率高带宽的三电平背靠背系统，串联注入式变压器组由3台单相注入变压器构成，每台变压器均为单相双绕组结构，三相中性点连接在一起，谐波滤波器的滤波电容输出电压通过串联注入式变压器组与基波滤波器的滤波电容输出电压耦合，共同为负载供电。

该拓扑结构中基波发生模块采用大功率的三电平背靠背系统来实现大功率的目标，通过采用小功率高带宽的三电平背靠背系统来提高谐波的控制带宽，进一步提高谐波发生次数。

图1 MW级电网模拟器拓扑电路Fig.1 Topology circuit for MW level power grid simulator

2 大功率电网模拟器控制策略的选取

大功率电网模拟器系统中基波发生模块和谐波发生模块采用单独控制。

2.1 基波发生模块控制策略

基波发生模块控制目标是输出特定幅值、频率的标准正弦波，为了满足高性能的控制指标，可采用的控制方法包括很多种。较典型的控制策略有双闭环PID控制、无差拍控制、重复控制、滑模变结构控制、状态反馈控制等。其中双闭环PID控制以其控制技术简单成熟、控制性能优越、实用性强的特点在研究和生产中得到了广泛的应用。

本文基波发生模块采用的是输出电压外环、电感电流内环的双环控制，为了抑制负载的扰动，在控制中加入了负载电流的前馈，可以使得负载扰动得到一定程度的抑制，从而增强系统的外特性，提高抗扰动能力。电感电流反馈与负载电流前馈的组合作用相当于电容电流反馈，可以获得和电容电流反馈相同的结果。基波发生模块的控制框图如图2所示，其中外环的给定为期望输出的电压信号，系统实际输出电压的瞬时值经过检测后作为外环的反馈，外环的给定与反馈进行比较后的误差信号经过PI调节器调节，输出作为内环的给定信号。内环用电感电流作为反馈变量，给定与电感电流反馈比较，误差经比例调节器进行调节后，输出信号作为逆变器的控制信号。

图2 基波发生模块控制框图Fig.2 Control block diagram of fundamental module

2.2 谐波发生模块控制策略

双闭环控制系统相当于一个低通滤波器，有一定的带宽限制，对带宽频率之外的信号具有抑制作用。谐波发生模块中，由于闭环系统带宽有限，若仍采用双闭环控制，谐波信号会受到抑制，导致无法正常输出谐波电压，所以对谐波发生模块控制采用电压有效值反馈，控制框图如图3所示，图中为谐波发生模块输出电压有效值给定，Uo为谐波发生模块输出电压，通过有效值计算可得输出电压的有效值进行比较，误差经PI调节器进行调节，输出信号用于控制输出电压的有效值，正弦值前馈给定1·sinωt正弦信号，用于控制输出电压的波形。谐波给定与调节器输出的调制信号叠加作为逆变器的控制信号。

桥臂输出电压经过LC谐波滤波器后输出，而LC滤波器会对输出电压中的高次谐波产生一定的影响，假设LC滤波器是理想的，即忽略电感等效电阻等参数，假设Ui为桥臂输出电压，Uo为滤波后的输出电压，则滤波器的传递函数为

其幅频特性为

式中：L、C分别为滤波电感和电容；ω为频率；s=jω。由式（2）可知，随着频率ω增加，ALC（jω）增大，经滤波器后电压后会有ALC（jω）倍的放大，即滤波器会对高次谐波有放大作用。为抑制这种放大作用，在高次环节要增加频率变化的前馈系数。前馈系数为

图3 电压有效值反馈控制框图Fig.3 Block diagram of voltage RMS feedback control

图4 谐波发生模块控制框图Fig.4 Control block diagram of harmonic module

3 系统硬件参数设计

3.1 逆变器滤波参数设计

大功率电网模拟器系统中，滤波器参数设计包括基波和谐波滤波器参数设计，基波和谐波滤波器均采用LC型滤波器，分别由滤波电容的输出电压通过串联注入式变压器组进行耦合，共同为负载提供电能。对于LC滤波器的参数设计，从以下3个方面进行考虑。

（1）滤波电感参数设计依据：输出滤波电感的最小值是由电感电流的纹波决定的，电感电流的谐波过大不仅会影响到器件损耗，而且还会影响到控制策略的实施。工程上纹波电流要求最大值为额定电流峰值Im的10%～30%，则滤波电感的最小值可计算为

（2）滤波电容参数设计依据：电容的选择应和电感折中考虑，电容越大，电容所占的无功功率越大，通过电感L的电流和开关管的电流也越大，从而增大损耗，降低效率。电容越小，则需要电感越大，会导致在电感上产生巨大压降，设计中，一般限制电容产生的无功不超过系统额定功率的5%，即

可以得到

（3）截止频率的要求：为了达到较好的滤波效果，滤波器的截止频率一般选为开关频率的1/10～1/5，并且高于基波频率的10倍以上，即有

式中，f、fn和fk分别为基波频率、滤波器的截止频率和开关频率。

3.2 串联注入式变压器组的设计

串联注入式变压器组的作用是将谐波发生模块输出的谐波电压耦合到基波发生模块输出电压上，设计时主要考虑的参数有变比、温度等。变压器变比的选择依据为：①变压器的变比选择要保证PWM调制信号不能过调制；②基波滤波器的输出电流不能超过额定值。

4 系统实验分析

根据前面的分析与设计，设计了2 MW电网模拟器实验平台，如图5所示，其中系统各部分硬件参数如表1所示。

图6为电网模拟器带250 kW光伏逆变器负载运行时模拟基波与谐波组合发生情况的波形。其中基波发生模块输出315 V电压，谐波发生模块注入5次谐波25 V。图7为电网模拟器带250 kW光伏逆变器负载，模拟三相不平衡的情况，其中正序电压315 V，负序电压60 V。

图5 2MW电网模拟器实验平台Fig.5 Experiment platform of 2 MW grid simulator system

表1 系统各部分硬件参数Tab.1 Key parameters of grid simulator system

图6 基波与谐波组合波形Fig.6 Combination waveforms of fundamental wave and harmonic

图7 三相不平衡电压波形Fig.7 Waveforms of three phases unbalance voltage

5 结语

本文提出了一种大功率电网模拟器，通过分析给出了适用于大功率电网模拟器的拓扑结构，以及相应的控制策略、硬件参数设计方法等，可确保所提电网模拟器具备电压频率可调、模拟电网不平衡以及各次谐波发生等功能。同时，分析设计并搭建了2 MW电网模拟器系统实验平台，完成了基本功能的测试实验，验证了理论的正确性和可行性。

［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］张崇巍,张兴.PWM逆变器及其控制策略［M］.北京：机械工业出版社,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：大功率电网模拟器关键技术研究。E-mail：zhhfut@163.com。

张兴（1963-），男，通信作者，博士，教授，博士生导师，研究方向：特种电源、大功率风力发电用变流器及大型光伏并网发电，E-mail：honglf@ustc.edu.cn。

李飞（1984-），男，博士，研究员，研究方向：新能源利用与分布式发电技术，E-mail：415990803@qq.com。

刘芳（1981-），女，博士，研究员，研究方向：新能源利用与分布式发电技术，E-mail：fragcelau@gmail.com。

金结红（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：jary0226@163.com。

2015-12-06

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2015 AA050607）

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