電網(wǎng)模擬器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

李容爽，謝 源，金鵬飛，田黃田

（1. 上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)中市供電分公司，江蘇 212300； 3. 上海飛機(jī)制造有限公司，200135）

0 引言

隨著環(huán)境的惡化，加緊解決能源的短缺問題成為了全球的關(guān)注熱點(diǎn)，分布式發(fā)電作為清潔能源，因其投資小、發(fā)電方式靈活等優(yōu)點(diǎn)而備受各界關(guān)注[1]，它與電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行可以提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型、可靠性和靈活性，并且可以大大減輕環(huán)保的壓力，可以滿足可持續(xù)發(fā)展的需要。在對分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，測試并研究分布式系統(tǒng)在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)的工作特性是必不可少的工作，以保證在實(shí)際并網(wǎng)時(shí)可順利度過電網(wǎng)故障時(shí)期為電網(wǎng)提供必要的有功或無功支撐。因電網(wǎng)故障的偶然性和不可控性，所以研究電網(wǎng)模擬器有著重大意義。

1 電網(wǎng)模擬器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電網(wǎng)模擬器的結(jié)構(gòu)，如圖1，包括輸入單元、能量轉(zhuǎn)換單元、輸出單元以及檢測與控制單元。其中能量轉(zhuǎn)換單元是電網(wǎng)模擬器的核心部分，包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：（1）整流環(huán)節(jié)：作用是將輸入的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成直流電，為后級的逆變環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的直流電壓。（2）逆變環(huán)節(jié)：作用是將整流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓輸出，模擬電網(wǎng)電壓的正常情況以及各種故障情況。

圖1 電網(wǎng)模擬器結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Grid simulator block diagram

結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)，本文將介紹四種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是三相分離結(jié)構(gòu)、基諧分解型結(jié)構(gòu)、多電平基諧分解型結(jié)構(gòu)，多電平DC-DC 結(jié)構(gòu)，這四種結(jié)構(gòu)都是以電力電子變換為基礎(chǔ)。

1.1 三相分離結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

在電網(wǎng)模擬器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)A中，整流環(huán)節(jié)采用了三相PWM 整流器，相比于單相PWM 整流器，前者的直流側(cè)電流在理論上時(shí)恒定的直流量，可以有效減少直流側(cè)的二次紋波，且直流側(cè)電壓較平穩(wěn)，為逆變環(huán)節(jié)輸出電壓的波形提供了良好的基礎(chǔ)。并且，考慮到三相電源為三相PWM 整流器交流測供電，其負(fù)載容量較大，更適用于大功率場合。在逆變環(huán)節(jié)中選用3個(gè)單相逆變器，相比較采用三相逆變器，前者可以彌補(bǔ)后者拓?fù)涞木窒扌裕簾o法模擬出不平衡電壓的零序分量。為了避免發(fā)生直流側(cè)短路，必須使用變壓器進(jìn)行隔離。變壓器可以加在直流輸入側(cè)，也可以加在交流輸出側(cè)。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將變壓器置于直流側(cè)的輸入側(cè)，是考慮到了變壓器加在交流側(cè)時(shí)，工頻變壓器會(huì)影響輸出波形[2]。三相分離結(jié)構(gòu)拓?fù)涞闹麟娐穲D，如圖2 所示。

圖2 三相分離結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D Fig.2 Three-phase separation structure topology

1.2 基諧分解型結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

基諧分解型結(jié)電網(wǎng)模擬器的特點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)分解成兩個(gè)部分：基波部分和諧波部分。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由基波、諧波整流模塊，基波、諧波逆變模塊，濾波器，以及基波諧波連接單元?；ê椭C波整流模塊都采用了三相PWM 整流器，可以產(chǎn)生各自需要的直流電壓。基波和諧波逆變模塊都分別采用了三個(gè)單相逆變器，可以實(shí)現(xiàn)三相交流電壓的輸出，并控制三相的波形一次相差120°。濾波器用了LC 濾波電路?；ㄖC波連接單元采用了變壓器，不僅起到了基波諧波的連接作用，還可以起到隔離的作用，防止直流側(cè)發(fā)生短路現(xiàn)象[3]。基諧分解型結(jié)構(gòu)拓?fù)?，如圖3 所示。

圖3 基諧分解型結(jié)構(gòu)拓?fù)?Fig.3 Basis harmonic decomposition structure topology

1.3 多電平基諧分解型結(jié)構(gòu)

多電平基諧分解型電網(wǎng)模擬器的特點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)分解成兩個(gè)部分：基波部分和諧波部分。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由基波發(fā)生模塊和諧波發(fā)生模塊，LC濾波器，以及串聯(lián)注入式變壓器組。基波發(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)，可以實(shí)現(xiàn)大功率。諧波發(fā)生模塊采用了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[4]。串聯(lián)注入式變壓器組由三臺單向注入變壓器構(gòu)成，三相中性點(diǎn)連接在一起[5]。多電平基諧分解型結(jié)構(gòu)拓?fù)涞闹麟娐穲D，如圖4所示。

1.4 多電平DC-DC結(jié)構(gòu)

多電平DC-DC結(jié)構(gòu)電網(wǎng)模擬器，如圖5，包括三相功率變換器和LC 濾波器，在設(shè)施拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的過程中，考慮到了死區(qū)時(shí)間和電感電阻等其他因素，設(shè)置了r為其等效電阻。

這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)的特點(diǎn)，是由多個(gè)功率模塊組成了功率變換器，一共有三相。一個(gè)功率模塊包括了工頻二極管，DC-DC 變換器以及單相H 橋逆變器。其中，二極管的作用是整流，DC-DC 變換器的作用是隔離，并提供一個(gè)穩(wěn)定直流源，區(qū)別于其他以電容為穩(wěn)壓，變壓器用做隔離的拓?fù)?。逆變器以H 橋多電平結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：（1）不需要平均電壓，因?yàn)橹绷鱾?cè)采用獨(dú)立的電壓源提供直流電壓。（2）結(jié)構(gòu)模塊化方便操作，其中低壓、小容量的變換技術(shù)已經(jīng)成熟，便于控制，提高了可靠性[6]。此結(jié)構(gòu)逆變器可以快速跟蹤響應(yīng)系統(tǒng)的指令電壓。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)D 的電網(wǎng)模擬器可以實(shí)現(xiàn)模擬電網(wǎng)可能發(fā)生各類故障，H 橋多電平結(jié)構(gòu)對其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度得到了提高，對系統(tǒng)自身的穩(wěn)態(tài)性能得到了提升。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多電平高壓的輸出是通過載波移相調(diào)制技術(shù)，高壓經(jīng)過LC 濾波器進(jìn)行濾波后,可以輸出高精度的電壓進(jìn)行設(shè)備的測試，為待測設(shè)備檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保障。

圖4 多電平基諧分解型結(jié)構(gòu)拓?fù)?Fig.4 Multilevel fundamental harmonic decomposition structure topology

圖5 多電平DC-DC型結(jié)構(gòu)拓?fù)?Fig.5 Multilevel DC-DC type structure topology

2 電網(wǎng)模擬器的控制策略

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，電網(wǎng)模擬器的控制技術(shù)也在不斷的發(fā)展。各種控制技術(shù)被應(yīng)用到其中，對于電網(wǎng)模擬器的控制，有兩項(xiàng)重要的指標(biāo)：控制的精度高、系統(tǒng)的響應(yīng)速度快[7]。

2.1 雙閉環(huán)PID 控制

PID 控制最早應(yīng)用，也最成熟，具有算法簡單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用工業(yè)過程控制、電力電子領(lǐng)域，如圖6所示。

圖6 雙閉環(huán)PID 控制結(jié)構(gòu)框圖 Fig.6 Block diagram of dual closed loop PID control

傳統(tǒng)雙閉環(huán)PID 控制采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的控制策略[8]。雖具有簡單、快速、方法成熟、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[9]，但是PID 控制對正弦信號無法實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，當(dāng)輸出端接非線性負(fù)載時(shí)，輸出的電壓波形會(huì)產(chǎn)生較高的畸變率，動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)變差，因此，通常將PID 控制和其他控制方法相結(jié)合。文獻(xiàn)[10]中逆變環(huán)節(jié)采用基于電壓、電流瞬時(shí)值的雙閉環(huán)控制即可滿足高性能指標(biāo)的要求，并且在電流內(nèi)環(huán)中引入負(fù)載電流前饋[11]使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快。文獻(xiàn)[3]提出了電感電流瞬時(shí)反饋控制和負(fù)載擾動(dòng)前饋補(bǔ)償相結(jié)合的控制方式，給出了SPWM 下的濾波器的設(shè)計(jì)方法，得到了符合電網(wǎng)模擬器的基波輸出性能要求的輸出波形。文獻(xiàn)[12]提出了在諧波模式下用PID算法來控制電網(wǎng)模擬器的諧波輸出，分析了電網(wǎng)模擬裝置諧波控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，利用極點(diǎn)配置得到控制器的相關(guān)參數(shù)。文獻(xiàn)[13，14]都是采用基本的比例積分控制器，只能對電網(wǎng)幅值進(jìn)行誤差跟蹤。

2.2 比例諧振控制

比例諧振控制包括兩個(gè)部分：比例環(huán)節(jié)和諧振環(huán)節(jié)。其與PI 控制相比較，可以進(jìn)行無靜差跟蹤，使基波頻率處增益無限大，可以使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差很大的消除，增強(qiáng)其抗干擾能力。但是因?yàn)樵摽刂破鞯脑O(shè)計(jì)需要保證數(shù)學(xué)模型的精確度，增加了比例諧振控制實(shí)現(xiàn)難度。

文獻(xiàn)[15]中逆變控制方式采用了雙閉環(huán)控制，針對傳統(tǒng)的PR 控制負(fù)載變化下輸出精度的問題，由電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)入手，改進(jìn)了比例諧振控制器。文獻(xiàn)[16]提出了比例諧振和雙閉環(huán)結(jié)合的控制策略，使用了多個(gè)比例諧振控制器來降低非線性負(fù)載帶來的影響，與傳統(tǒng)的PI 控制器進(jìn)行比較，驗(yàn)證了比例諧振控制的有效性。

2.3 重復(fù)控制

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)膜原理的新型控制策略，內(nèi)膜則是在一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部包含外部被控信號數(shù)學(xué)模型 ，系統(tǒng)運(yùn)用該種控制策略可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤周期參考值，也可有效抑制外部周期性的擾動(dòng)，如圖7 所示。

圖7 雙閉環(huán)PID 控制結(jié)構(gòu)框圖 Fig.7 Block diagram of a dual closed loop PID control

文獻(xiàn)[17]采用了重復(fù)控制結(jié)合自適應(yīng)控制的方法，可以實(shí)時(shí)在線調(diào)整重復(fù)控制器的參數(shù)，極大的提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[18]逆變器采用無差拍重復(fù)控制策略進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果得到優(yōu)化，非線性負(fù)載適應(yīng)性提高，輸出波形得到改善。

2.4 模糊控制

模糊控制的控制方式是利用人類思維，直接依據(jù)人類思維模糊化誤差和控制量，不用建立精確度很高的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)人類專家經(jīng)驗(yàn)建立規(guī)則庫，其中模糊規(guī)則庫包含了眾多控制規(guī)則，按照相應(yīng)規(guī)則得到模糊控制量。最終，根據(jù)隸屬度函數(shù)解模糊，完成對非線性目標(biāo)的控制，其控制框圖如圖8所示。

圖8 模糊控制結(jié)構(gòu)框圖 Fig.8 Block diagram of the fuzzy control structure

模糊控制有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、數(shù)學(xué)模型不用精確度很高的優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)：（1）模糊規(guī)則的制定完全依靠人的經(jīng)驗(yàn)；（2）精度低；（3）不可以實(shí)時(shí)控制。文獻(xiàn)[5]提出了一種狀態(tài)反饋的改進(jìn)型6k+1 次重復(fù)控制策略，考慮到了重復(fù)控制策略，來減少輸出頻率對重復(fù)控制產(chǎn)生的誤差，和提高重復(fù)控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[20]采用了重復(fù)控制結(jié)合模糊PID 的方法，其中PID 參數(shù)通過模糊控制進(jìn)行整定，提高了系統(tǒng)的魯棒性，引入重復(fù)控制增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。文獻(xiàn)[21]提出了變論域自適應(yīng)模糊控制方法，控制的精度得到了很大程度的提高，計(jì)算的復(fù)雜程度得到了降低。

2.5 滑膜控制

滑模控制屬于不連續(xù)非線性的控制，魯棒性強(qiáng)，滑動(dòng)模態(tài)和外部擾動(dòng)與參數(shù)的變化沒有關(guān)系，控制器也不會(huì)對控制器造成影響。但因滑膜結(jié)構(gòu)自身的開關(guān)特性，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到滑膜面附近，存在一定速度，導(dǎo)致其狀態(tài)穿過滑膜面，引起抖振現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[22]逆變器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了逆變器的滑膜變結(jié)構(gòu)。非線性負(fù)載時(shí)，滑膜控制的魯棒性使得輸出波形畸變率得到了下降。文獻(xiàn)[23]提出了一種改進(jìn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，為了同時(shí)保證系統(tǒng)極好魯棒性以及跟蹤性能的改善，選取了適當(dāng)?shù)幕っ嫦禂?shù)。

3 未來的發(fā)展方向

隨著分布式發(fā)電的發(fā)展，電網(wǎng)模擬器仍舊是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，仍然會(huì)從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略兩方面進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。從上文可以看出，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在已經(jīng)多應(yīng)用級聯(lián)型多電平結(jié)構(gòu)，未來的電網(wǎng)模擬器在穩(wěn)態(tài)精度，動(dòng)態(tài)性能，幅值突破，頻率波動(dòng)以及波形畸變等方面有更大突破，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)電網(wǎng)故障的重現(xiàn)。

4 結(jié)語

電網(wǎng)模擬器的研究與發(fā)展，對分布式發(fā)電的研究有著不可替代的推進(jìn)作用。本文對現(xiàn)有的較為成熟的電網(wǎng)模擬器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略進(jìn)行了綜述，通過梳理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略，介紹了這些結(jié)構(gòu)和策略的特點(diǎn)，最后分析了下一步電網(wǎng)模擬的發(fā)展趨勢。