適用于戶用分布式光伏電站的電網模擬器研究*

李文宇，　王志新，　張　超，　鄒建龍

(1. 上海交通大學 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)

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適用于戶用分布式光伏電站的電網模擬器研究*

李文宇1，王志新1，張超2，鄒建龍3

(1. 上海交通大學 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模擬器的技術要求，對電網模擬器進行了結構選擇、參數設計和控制策略研究。側重討論了基于電壓滯環控制的逆變器設計，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件進行了15kW電網模擬器的仿真測試。仿真結果表明系統參數設計正確，帶微分環節的電壓滯環控制能跟蹤快速變化的給定信號，輸出電壓半環寬大小可控，電網模擬器具有一定的帶非線性負載能力，驗證了該方法的正確性和可行性。

關鍵詞：電網模擬器； 分布式光伏； 電壓滯環； 開關頻率； 參數設計

0引言

戶用分布式光伏電站作為光伏產業發展的一個重要方向，由于其連接電網位置的分布性、出力的隨機性和間歇性、需要經過電力電子變流器并網等問題，會給電網帶來許多不良影響；電網發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接入與運行的要求，促進分布式光伏電源的規模化應用，有必要進行適用于戶用分布式光伏電站的電網模擬裝置研究[1-5]。目前國外對電網模擬技術的研究較為完善并已進入產品化階段,但是現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；而國內對電網模擬器的研究尚缺乏系統性。

論文從適合戶用分布式光伏電站接入的電網模擬器的技術要求出發，確定了電網模擬器的結構、各環節控制策略，并進行了相應的主電路參數設計，利用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件建立了15kW電網模擬器仿真模型。仿真結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載的能力，驗證了論文中參數設計和控制策略的正確性。

1電網模擬器結構

電網模擬器是為分布式電源提供模擬電網電壓的裝置。現有的電網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，一般容量較小，作為負載具有非線性的特點，基于電力電子變換形式的電網模擬裝置靈活性強，可模擬不同類型的電網電壓，并可采用不同的控制策略增強其帶負載能力，適用于戶用分布式光伏電站的接入。基于電力電子變換形式的電網模擬器一般由整流環節和逆變環節兩部分組成(AC-DC-AC)。

整流環節的作用是將電網提供的交流電壓轉換為恒定的直流電壓，且實現能量的雙向流動、電網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整流器拓撲

逆變環節是電網模擬器的關鍵環節，應能將整流環節提供的直流電壓逆變成所需的各種電壓。考慮到需要輸出含零序分量的電網電壓，而含中性線的三相逆變器控制復雜[9-10]。這里采用三個單相逆變器輸出需要的三相電壓，單相全橋逆變器拓撲如圖2所示。

圖2　單相全橋逆變器拓撲

整流環節采用基于dq解耦的雙閉環控制，逆變環節采用電壓滯環控制，電網模擬器的整體結構如圖3所示。

圖3　電網模擬器結構

2電網模擬器的控制策略

2.1整流控制策略

在電網模擬器中整流環節的作用是將電網的交流電壓轉化為穩定的直流電壓，以供逆變環節使用，并實現功率因數控制。典型的雙閉環控制便可以實現上述功能。多種實現方法中，基于d、q解耦的控制方法能夠將變化的交流量轉化為直流量，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系下的雙閉環控制方法具有設計方便、運算簡單、輸出效果好的優點[13]，基于d、q解耦的整流環節控制方案如圖4所示。

2.2逆變控制策略

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

圖4　基于d、q解耦的整流環節控制方案

應速度，本文中采用電壓滯環控制策略。

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

(1)

值得注意的是，當開關管狀態改變時，由于電感的續流效應，輸出電壓Ea不能立刻改變，因此，預先設定的給定值hg并不是輸出電壓的半環寬，但修改hg可以調整半環寬的大小。

帶非線性負載時，輸出電壓可能會出現大的波動，這是因為電壓滯環控制是在輸出電壓穿越給定電壓后才進行調節，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定下來。

3電網模擬器參數設計

3.1整流環節參數設計

3.1.1直流側電壓Udc設計

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

(2)

得到，Udc應大于269.4V，這里選擇400V。

3.1.2交流側電感L設計

電感上的壓降應盡量不大于電源額定電壓的30%[14],設每相功率為P，輸入電壓有效值為Us，電網角頻率為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，應使整流環節容量略大于系統的額定容量，避免某相直流電壓跌落過大，影響逆變環節控制策略的實現。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直流側電容C設計

電壓波動Δudc.max應不超過Udc的5%[15]，在兩相旋轉坐標系下進行分析，有功電流與電感的關系、直流電壓與電容的關系如式(4)、式(5)所示：

(4)

(5)

式中iq、im由以下關系確定：

(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逆變環節參數設計

采用電壓滯環控制的逆變環節的參數設計主要是濾波器的設計。本文采用LC濾波器，設計時主要考慮兩點，不影響電壓滯環控制策略的實現和限制截止頻率。在過零點附近開關頻率較大，為滿足跟隨性能的要求，濾波器的時間常數應該較小，即使在最大開關頻率時也能實現電壓滯環的控制策略[16]。

以帶額定阻性負載、輸出電壓過零點附近進行分析，電感電流與輸出電壓的關系如圖5所示。

圖5　電壓過零點附近電感電流與輸出電壓的關系

在輸出電壓過零點附近，輸出電壓Ea近似為零，因而負載電流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在Ea變化率為零處，而出現在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，為進一步簡化，假設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系如圖6所示。

以Δt2時間內的電感電流、輸出電壓關系進行分析，由式(9)和式(11)導出，半環寬h與直流電壓Udc、濾波電容C、濾波電感L、開關頻率fk的關系如式(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系

(12)

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

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越少。于是與跟隨性能的要求形成了矛盾，需要進行折中選擇，令電網模擬器可通過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，在最大開關頻率為13kHz時，過零點處半環寬小于2.5V，具有較小的誤差。

在LC值確定后，半環寬和最大開關頻率關系也隨之確定，由電壓滯環控制策略的分析可知，調整電壓滯環給定值hg可以使半環寬和最大開關頻率穩定在上述較合適范圍內。

4仿真驗證與分析

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

表1　系統仿真參數

續表

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

圖7給出了仿真系統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寬不相等，輸出波形的上環寬和下環寬的和約為5V，半環寬值約為2.5V，驗證了濾波器設計部分的分析。

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的時間內穩定下來，驗證了帶有微分環節的電壓滯環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

諧波波形畸變如圖11所示，設定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定值吻合得很好，驗證了濾波器截止頻率設計的正確性。

圖12　諧波的FFT分析

5結語

論文從電網模擬器的技術要求出發，以適合戶用式光伏電站接入為目標，選擇電網模擬器為AC-DC-AC結構，確定并分別實現了整流環節的雙閉環控制策略和逆變環節的電壓滯環控制策略，設計了相應的主電路參數和控制參數。在PSCAD仿真軟件中進行了15kW電網模擬器模型搭建，進行了有源逆變器負載下各種電壓波形的輸出試驗。仿真結果表明： 所設計電網模擬器能夠模擬電網的各種狀態，具有帶非線性負載的能力，能夠在有源逆變器負載下正常工作，輸出諧波和半環寬仿真結果證明了逆變環節參數設計的合理性。因此論文提出的適用于戶用分布式光伏電站的電網模擬器設計方法正確、有效，為電網模擬器的進一步研究提供了有利基礎。

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*基金項目：國家863計劃(2014AA052005);上海市聯盟計劃(2015LM11);上海市閔行區重大產業技術攻關計劃(2015MH103);上海市閔行區產學研合作計劃(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電技術。 王志新(1964—)，男，博士生導師，教授，研究方向為分布式光伏發電、海上風力發電、光伏發電控制、電機控制及系統節能。

中圖分類號：TM 615

文獻標志碼：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