適用于戶用分布式光伏電站的電網(wǎng)模擬器研究*

李文宇，　王志新，　張　超，　鄒建龍

(1. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上?！?00240；2. 上海納杰電氣成套有限公司，上海　201111；3. 嘉興清源電氣科技有限公司，浙江 嘉興　314031)

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適用于戶用分布式光伏電站的電網(wǎng)模擬器研究*

李文宇1，王志新1，張超2，鄒建龍3

(1. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海200240；2. 上海納杰電氣成套有限公司，上海201111；3. 嘉興清源電氣科技有限公司，浙江 嘉興314031)

摘要：針對適合戶用分布式光伏電站接入的電網(wǎng)模擬器的技術(shù)要求，對電網(wǎng)模擬器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選擇、參數(shù)設(shè)計和控制策略研究。側(cè)重討論了基于電壓滯環(huán)控制的逆變器設(shè)計，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件進(jìn)行了15kW電網(wǎng)模擬器的仿真測試。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計正確，帶微分環(huán)節(jié)的電壓滯環(huán)控制能跟蹤快速變化的給定信號，輸出電壓半環(huán)寬大小可控，電網(wǎng)模擬器具有一定的帶非線性負(fù)載能力，驗證了該方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)模擬器； 分布式光伏； 電壓滯環(huán)； 開關(guān)頻率； 參數(shù)設(shè)計

0引言

戶用分布式光伏電站作為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向，由于其連接電網(wǎng)位置的分布性、出力的隨機(jī)性和間歇性、需要經(jīng)過電力電子變流器并網(wǎng)等問題，會給電網(wǎng)帶來許多不良影響；電網(wǎng)發(fā)生故障時也會影響到戶用分布式光伏電站的正常運行。為了使戶用式光伏電站等分布式電源符合電網(wǎng)接入與運行的要求，促進(jìn)分布式光伏電源的規(guī)模化應(yīng)用，有必要進(jìn)行適用于戶用分布式光伏電站的電網(wǎng)模擬裝置研究[1-5]。目前國外對電網(wǎng)模擬技術(shù)的研究較為完善并已進(jìn)入產(chǎn)品化階段,但是現(xiàn)有的模擬電源功能繁雜，價格昂貴，不適合在普通測試中使用；而國內(nèi)對電網(wǎng)模擬器的研究尚缺乏系統(tǒng)性。

論文從適合戶用分布式光伏電站接入的電網(wǎng)模擬器的技術(shù)要求出發(fā)，確定了電網(wǎng)模擬器的結(jié)構(gòu)、各環(huán)節(jié)控制策略，并進(jìn)行了相應(yīng)的主電路參數(shù)設(shè)計，利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件建立了15kW電網(wǎng)模擬器仿真模型。仿真結(jié)果表示該模型跟蹤快速變化給定信號能力強，具有一定的帶電力電子變流器負(fù)載的能力，驗證了論文中參數(shù)設(shè)計和控制策略的正確性。

1電網(wǎng)模擬器結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)模擬器是為分布式電源提供模擬電網(wǎng)電壓的裝置?，F(xiàn)有的電網(wǎng)模擬裝置基本可分為基于阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式[7-8]。

戶用分布式光伏電站通過PWM逆變器并網(wǎng)，一般容量較小，作為負(fù)載具有非線性的特點，基于電力電子變換形式的電網(wǎng)模擬裝置靈活性強，可模擬不同類型的電網(wǎng)電壓，并可采用不同的控制策略增強其帶負(fù)載能力，適用于戶用分布式光伏電站的接入?；陔娏﹄娮幼儞Q形式的電網(wǎng)模擬器一般由整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)兩部分組成(AC-DC-AC)。

整流環(huán)節(jié)的作用是將電網(wǎng)提供的交流電壓轉(zhuǎn)換為恒定的直流電壓，且實現(xiàn)能量的雙向流動、電網(wǎng)模擬器的四象限運行。這里采用的電壓型三相半橋PWM整流器，如圖1所示。

圖1　電壓型三相半橋PWM整流器拓?fù)?/p>

逆變環(huán)節(jié)是電網(wǎng)模擬器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)能將整流環(huán)節(jié)提供的直流電壓逆變成所需的各種電壓?？紤]到需要輸出含零序分量的電網(wǎng)電壓，而含中性線的三相逆變器控制復(fù)雜[9-10]。這里采用三個單相逆變器輸出需要的三相電壓，單相全橋逆變器拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2　單相全橋逆變器拓?fù)?/p>

整流環(huán)節(jié)采用基于dq解耦的雙閉環(huán)控制，逆變環(huán)節(jié)采用電壓滯環(huán)控制，電網(wǎng)模擬器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　電網(wǎng)模擬器結(jié)構(gòu)

2電網(wǎng)模擬器的控制策略

2.1整流控制策略

在電網(wǎng)模擬器中整流環(huán)節(jié)的作用是將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓，以供逆變環(huán)節(jié)使用，并實現(xiàn)功率因數(shù)控制。典型的雙閉環(huán)控制便可以實現(xiàn)上述功能。多種實現(xiàn)方法中，基于d、q解耦的控制方法能夠?qū)⒆兓慕涣髁哭D(zhuǎn)化為直流量，分別代表有功和無功分量[11-12]，這種方法相對于三相靜止坐標(biāo)系下的雙閉環(huán)控制方法具有設(shè)計方便、運算簡單、輸出效果好的優(yōu)點[13]，基于d、q解耦的整流環(huán)節(jié)控制方案如圖4所示。

2.2逆變控制策略

電網(wǎng)模擬器應(yīng)能夠模擬電網(wǎng)的各種狀態(tài)，包括一些電壓劇烈變化的電網(wǎng)故障如電壓驟降。電壓滯環(huán)的控制策略邏輯簡單，因而具有很快的響

圖4　基于d、q解耦的整流環(huán)節(jié)控制方案

應(yīng)速度，本文中采用電壓滯環(huán)控制策略。

電壓滯環(huán)控制邏輯如式(1)所示，其中Ua為給定信號，Ea為輸出電壓，hg是電壓滯環(huán)設(shè)定值，gt1～gt4分別為開關(guān)管V1～V4的給定信號。

(1)

值得注意的是，當(dāng)開關(guān)管狀態(tài)改變時，由于電感的續(xù)流效應(yīng)，輸出電壓Ea不能立刻改變，因此，預(yù)先設(shè)定的給定值hg并不是輸出電壓的半環(huán)寬，但修改hg可以調(diào)整半環(huán)寬的大小。

帶非線性負(fù)載時，輸出電壓可能會出現(xiàn)大的波動，這是因為電壓滯環(huán)控制是在輸出電壓穿越給定電壓后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以引入微分控制。微分控制在輸出電壓變化幅度較小時不會有大的影響，而在給定信號突變時能使輸出電壓迅速穩(wěn)定下來。

3電網(wǎng)模擬器參數(shù)設(shè)計

3.1整流環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計

3.1.1直流側(cè)電壓Udc設(shè)計

為滿足后級逆變環(huán)節(jié)的要求，Udc須大于輸出電壓峰值311V。另一方面，為滿足整流側(cè)的要求，Udc須超過交流側(cè)電壓的峰值，380V市電經(jīng)過隔離變壓器380/110的Δ/Y輸入，則有：

(2)

得到，Udc應(yīng)大于269.4V，這里選擇400V。

3.1.2交流側(cè)電感L設(shè)計

電感上的壓降應(yīng)盡量不大于電源額定電壓的30%[14],設(shè)每相功率為P，輸入電壓有效值為Us，電網(wǎng)角頻率為ω，輸入電流有效值為Is，得到L的上限：

(3)

考慮到電網(wǎng)模擬器輸出電壓存在三相不平衡情況，如模擬單相短路故障，應(yīng)使整流環(huán)節(jié)容量略大于系統(tǒng)的額定容量，避免某相直流電壓跌落過大，影響逆變環(huán)節(jié)控制策略的實現(xiàn)。取每相P=15kW，得到L小于2.31mH，為了能夠更好地抑止電流諧波，這里選取一個接近上限的值2mH。

3.1.3直流側(cè)電容C設(shè)計

電壓波動Δudc.max應(yīng)不超過Udc的5%[15]，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行分析，有功電流與電感的關(guān)系、直流電壓與電容的關(guān)系如式(4)、式(5)所示：

(4)

(5)

式中iq、im由以下關(guān)系確定：

(6)

電容電壓變化率為0時，直流電壓最小，將該值與Udc相減得到最大電壓波動值為[15]

Δudc.max=udc-

(7)

令電壓最大波動值小于直流側(cè)電壓Udc的5%，得到電容下限的確定方法：

(8)

其中：Udc=400V，L=2mH，Um=155.6V，于是有C>1200μF。為了使電容器體積較小，本文選擇一個接近下限的值，取C為1500μF。

3.2逆變環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計

采用電壓滯環(huán)控制的逆變環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計主要是濾波器的設(shè)計。本文采用LC濾波器，設(shè)計時主要考慮兩點，不影響電壓滯環(huán)控制策略的實現(xiàn)和限制截止頻率。在過零點附近開關(guān)頻率較大，為滿足跟隨性能的要求，濾波器的時間常數(shù)應(yīng)該較小，即使在最大開關(guān)頻率時也能實現(xiàn)電壓滯環(huán)的控制策略[16]。

以帶額定阻性負(fù)載、輸出電壓過零點附近進(jìn)行分析，電感電流與輸出電壓的關(guān)系如圖5所示。

圖5　電壓過零點附近電感電流與輸出電壓的關(guān)系

在輸出電壓過零點附近，輸出電壓Ea近似為零，因而負(fù)載電流Ia也近似為零，于是有式(9)，同時電感電流IL與電感電壓UL的關(guān)系式(10)也可以簡化為式(11)

(9)

(10)

(11)

由式(14)可知： 電感電流上升和下降的斜率絕對值相等，而電感電流在電壓過零點附近平均值為0，故圖5中Δt1、Δt2、Δt3、Δt4的值相等，且和為一個開關(guān)周期T。但是輸出電壓Ea與給定信號Ua的最大差值并不出現(xiàn)在Ea變化率為零處，而出現(xiàn)在Ea變化斜率與給定信號變化斜率相等處。這給分析帶來了不便，為進(jìn)一步簡化，假設(shè)在電壓過零點附近輸出電壓平均值為0，由此得到的電感電流與輸出電壓關(guān)系如圖6所示。

以Δt2時間內(nèi)的電感電流、輸出電壓關(guān)系進(jìn)行分析，由式(9)和式(11)導(dǎo)出，半環(huán)寬h與直流電壓Udc、濾波電容C、濾波電感L、開關(guān)頻率fk的關(guān)系如式(12)所示。

圖6　電壓過零點附近簡化的電感電流與輸出電壓的關(guān)系

(12)

可以看到LC的取值越大，相同最高開關(guān)頻率下的半環(huán)寬越小，即誤差越小，效果越好；反過來，對于一定的半環(huán)寬，LC的取值越大，要求的最高開關(guān)頻率越小，越容易實現(xiàn)。

接下來考慮濾波器的截止頻率，LC濾波器的截止頻率如式(13)所示：

(13)

由式(13)可知，LC越大，LC濾波器的截止頻率越小，允許通過的諧波次數(shù)越少。于是與跟隨性能的要求形成了矛盾，需要進(jìn)行折中選擇，令電網(wǎng)模擬器可通過15次以下的諧波，選擇L=1mH，C=30μF，這樣得到的濾波器截止頻率為919Hz；另一方面，在最大開關(guān)頻率為13kHz時，過零點處半環(huán)寬小于2.5V，具有較小的誤差。

在LC值確定后，半環(huán)寬和最大開關(guān)頻率關(guān)系也隨之確定，由電壓滯環(huán)控制策略的分析可知，調(diào)整電壓滯環(huán)給定值hg可以使半環(huán)寬和最大開關(guān)頻率穩(wěn)定在上述較合適范圍內(nèi)。

4仿真驗證與分析

根據(jù)上述的分析和計算，建立了基于PSCAD仿真軟件的仿真平臺，搭建了15kW電網(wǎng)模擬器的仿真模型。仿真參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)仿真參數(shù)

續(xù)表

戶用式光伏電站通過PWM逆變器接入電網(wǎng)。為了更好地模擬電網(wǎng)模擬器的真實運行狀態(tài)，仿真中采用有源逆變器作為電網(wǎng)模擬器的負(fù)載，模擬光伏電源的并網(wǎng)逆變器。

圖7給出了仿真系統(tǒng)模擬正常電壓的輸出電壓波形。圖8給出了輸出電壓在過零點附近的局部放大波形。此時最大開關(guān)頻率為13kHz附近，從圖8中可以觀察到，由于引入微分控制上下環(huán)寬不相等，輸出波形的上環(huán)寬和下環(huán)寬的和約為5V，半環(huán)寬值約為2.5V，驗證了濾波器設(shè)計部分的分析。

圖7　正常電壓輸出波形

圖8　正常電壓局部放大波形

模擬電壓跌落的波形如圖9所示。圖10是電壓跌落波形的局部放大波形。由圖10可知： 電壓跌落在1ms的時間內(nèi)穩(wěn)定下來，驗證了帶有微分環(huán)節(jié)的電壓滯環(huán)控制具有很好的跟隨性和快速性。

圖9　電壓跌落輸出波形

圖10　電壓跌落局部放大波形

諧波波形畸變?nèi)鐖D11所示，設(shè)定A相電壓所含諧波分別為10%的3次諧波，5%的5次諧波和8%的7次諧波。

圖11　諧波輸出波形

圖12給出了電壓諧波的FFT分析。從圖12中可以看出輸出電壓的各次諧波與設(shè)定值吻合得很好，驗證了濾波器截止頻率設(shè)計的正確性。

圖12　諧波的FFT分析

5結(jié)語

論文從電網(wǎng)模擬器的技術(shù)要求出發(fā)，以適合戶用式光伏電站接入為目標(biāo)，選擇電網(wǎng)模擬器為AC-DC-AC結(jié)構(gòu)，確定并分別實現(xiàn)了整流環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)控制策略和逆變環(huán)節(jié)的電壓滯環(huán)控制策略，設(shè)計了相應(yīng)的主電路參數(shù)和控制參數(shù)。在PSCAD仿真軟件中進(jìn)行了15kW電網(wǎng)模擬器模型搭建，進(jìn)行了有源逆變器負(fù)載下各種電壓波形的輸出試驗。仿真結(jié)果表明： 所設(shè)計電網(wǎng)模擬器能夠模擬電網(wǎng)的各種狀態(tài)，具有帶非線性負(fù)載的能力，能夠在有源逆變器負(fù)載下正常工作，輸出諧波和半環(huán)寬仿真結(jié)果證明了逆變環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計的合理性。因此論文提出的適用于戶用分布式光伏電站的電網(wǎng)模擬器設(shè)計方法正確、有效，為電網(wǎng)模擬器的進(jìn)一步研究提供了有利基礎(chǔ)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]許曉艷,黃越輝,劉純,等.分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)電壓的影響及電壓越限的解決方案.電網(wǎng)技術(shù),2010,34(10)： 140-146.

[2]陳亞愛,劉勁東,周京華,等.新能源并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越技術(shù).電機(jī)與控制應(yīng)用,2014,41(8)： 51-57.

[3]陳赟.風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)問題研究.上海： 上海交通大學(xué),2009.

[4]國家發(fā)展和改革委員會.可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃.可再生能源,2007,25(6)： 1-5.

[5]趙波.大量分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)的影響研究.浙江電力,2010,29(6)： 5-8.

[6]吳帥.大功率電網(wǎng)模擬裝置的研制.北京： 北京交通大學(xué),2012.

[7]ELOY-GARCIA J,VASQUEZ J C,GUERRERO J M.Grid simulator for power quality assessment of micro-grids.IET Power Electronics,2013,6(4)： 700-709.

[8]胡書舉,李建林,梁亮,等.風(fēng)力發(fā)電用電壓跌落發(fā)生器研究綜述.電力自動化設(shè)備,2008,28(2)： 101-103.

[9]LI F, WANG X, CHEN Z, et al.A laboratory grid simulator based on three-phase four-leg inverter： Design and implementation//Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2011 International Conference on, IEEE, 2011： 1-5.

[10]KIM N, KIM S Y, LEE H G, et al. Design of a grid-simulator for a transient analysis of grid-connected renewable energy system// Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2010 International Conference on, IEEE,2010： 633-637.

[11]支寶威,張曉東.三相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)系統(tǒng)校正方法.電機(jī)與控制應(yīng)用,2009,36(10)： 42-45.

[12]李建英,張美英.三相電壓型脈寬調(diào)制整流器矢量控制研究.電機(jī)與控制應(yīng)用,2007,34(11)： 31-34.

[13]汪萬偉,尹華杰,管霖.雙閉環(huán)矢量控制的電壓型PWM整流器參數(shù)整定.電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(2)： 67-72.

[14]VAN D B H W, SKUDELNY H C, STANKE G V.Analysis and realization of a pulsewidth modulator based on voltage space vectors. Industry Applications,IEEE Transactions on,1988,24(1)： 142-150.

[15]王萬寶.三相電壓型SVPWM整流器仿真研究.重慶： 重慶大學(xué),2009.

[16]王潯.大功率電能質(zhì)量信號發(fā)生裝置研究.南京： 東南大學(xué),2005.

*基金項目：國家863計劃(2014AA052005);上海市聯(lián)盟計劃(2015LM11);上海市閔行區(qū)重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)攻關(guān)計劃(2015MH103);上海市閔行區(qū)產(chǎn)學(xué)研合作計劃(2014MH103);嘉興市科技計劃(2014BZ15002)

作者簡介：李文宇(1993—)，男，碩士研究生，研究方向為戶用分布式光伏發(fā)電技術(shù)。 王志新(1964—)，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向為分布式光伏發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電控制、電機(jī)控制及系統(tǒng)節(jié)能。

中圖分類號：TM 615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：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