基于功率硬件在環的電網實時模擬技術研究＊

劉德州，胡書舉，孟巖峰

（1.中國科學院電工研究所，北京100190；2.中國科學院大學，北京100080）

基于功率硬件在環的電網實時模擬技術研究＊

劉德州1，2，胡書舉1，孟巖峰1，2

（1.中國科學院電工研究所，北京100190；2.中國科學院大學，北京100080）

隨著風電機組向大型化的發展，如何在實驗室環境下研究風電機組與電網的交互影響受到人們越來越多的關注。針對實驗室環境下的大功率電網模擬問題，對H橋級聯高壓多電平電網模擬器進行了研究。針對真實模擬電網運行特性問題，將功率硬件在環（Power－Hardware－In－Loop，PHIL）技術與電網模擬技術相結合，對功率硬件在環實時仿真系統中的接口算法進行了研究?；诶硐胱儔浩髂Ｐ徒涌谒惴ń⒘送暾南到y模型，并在Matlab／Simulink仿真環境中進行了仿真研究。仿真結果驗證了所提電網模擬技術的先進性。

功率硬件在環；電網模擬；半實物仿真；交互影響

1 引言

近年來，我國風電市場發展迅速，風電機組單機容量逐漸增大，電網對風電機組并網提出了更嚴格的要求。在實驗室環境下對風電機組進行并網性能測試可縮短產品研發周期，可提高產品可靠性和其對電網的友好性。隨著電網運行環境的日益復雜，普通電網模擬技術由于沒有實現實際被測機組與電網的實時交互，已經不能滿足對大型風電機組并網性能測試的需求。

電網模擬器是在實驗室環境下實現電網各種運行工況模擬的關鍵設備。目前已有大量文獻對電網模擬器進行了研究，常見的電網模擬器主要為阻抗式、變壓器式或電力電子變換器式等結構。其中，電力電子變換器式的電網模擬器因控制方法成熟、功能設置靈活等優勢，已成為近年來研究的熱點［1］。在主電路拓撲研究方面，文獻［2］和［3］對比常見的主電路拓撲，描述了三相四線制端口電網模擬器在模擬電網不對稱故障方面的優勢，文獻［4］針對諧波工況模擬，提出了新的主電路拓撲。在控制方法研究方面，文獻［5］和［6］改進了整流側的控制算法，提高了負荷劇變時直流母線電壓的穩定性。文獻［7］研究了在逆變器輸出中直流分量的抑制方法。文獻［8］和［9］針對諧波工作模式提出了新的控制策略。綜上所述，目前所研究的電網模擬器僅為被動的執行機構，只能根據預定指令輸出目標波形，不能模擬真實電網運行時風電機組和電網的實時交互影響，不能實現電網真實運行特性的模擬。

實現電網真實特性的實時模擬需要借助于實時仿真技術，PHIL屬于實時仿真技術的一種。PHIL實時仿真技術使用功率放大裝置將數字仿真環境與實際功率設備聯接起來，為在實驗室環境下模擬大功率、高成本系統提供了可能。文獻［10］應用PHIL技術研究風電場對電網頻率的影響。文獻［11］將PHIL技術用于風電場的測試。文獻［12］和［13］基于PHIL技術建立了風電機組的數學模型，同時分析了包括風電在內的分布式能源微電網運行特性。以上應用均驗證了PHIL實時仿真技術的優越性，其已成為解決實際工程問題的有效手段。

下面基于PHIL技術研究實驗室環境下的電網實時模擬問題，并研究大功率風電機組與電網的交互影響。針對大功率電網模擬問題，將基于H橋級聯型多電平變流器拓撲和載波移相正弦脈寬調制方法建立電網模擬器仿真模型。針對電網真實運行特性模擬問題，將研究適用于PHIL仿真模型的接口算法，并基于理想變壓器模型接口算法搭建Matlab／Simulink仿真模型。本文將通過仿真結果驗證所提電網模擬技術的可行性和有效性。

2 大功率電網模擬技術

基于PHIL的電網模擬系統包括RT－LAB實時仿真設備中運行的電網模型、大功率電網模擬器和被測風電機組，交流電網為系統提供電力支撐。系統組成結構示意圖如圖1所示。

圖1 基于PHIL的電網模擬系統組成結構示意圖

由圖1可知，大功率電網模擬器是在實驗室環境下實現大功率電網模擬的關鍵設備，以下對大功率電網模擬器的主電路拓撲和調制方法進行研究。

2.1 大功率電網模擬器主電路拓撲結構

目前大功率電網模擬器的主電路拓撲具有代表性的研究成果有多重化技術、組合變流技術和多電平變流技術。本文研究H橋級聯型多電平變流器，其主電路拓撲示意圖如圖2所示。這種拓撲結構具有開關器件開關頻率低、功率損耗小、拓撲結構簡單、易于模塊化等優點。

圖2 H橋級聯型多電平變流器主電路拓撲示意圖

H橋級聯型多電平變流器的每一相通過多個功率單元逐級串聯，可以滿足高電壓大電流的要求。同時，每相可以在單個開關管實際開關頻率較低的情況下得到較高的等效開關頻率，并且三相通過中性點組合輸出可以使各相輸出諧波中的低次分量相互抵消，而不是簡單地將諧波次數向高次推移，所以輸出波形的諧波含量較少［14、15］。

2.2 大功率電網模擬器調制方法

大功率電力電子逆變裝置常見的調制技術主要有：多電平空間矢量調制技術、載波組PWM調制技術、階梯波脈寬調制技術、錯時采樣空間矢量調制技術和載波相移正弦波脈寬調制技術（Carrier－Phase－Shifted－Sinusoidal－Pulse－Width－Modulation，CPS－SPWM）。本文主要研究CPS－SPWM調制技術，其原理如圖3所示［16］。

圖3 CPS－SPWM調制原理示意圖

CPS－SPWM調制方法結合了自然采樣和多重化技術［17］，Lx個變流器單元輸出波形疊加形成了波形的傅立葉分解表達式如下：

式（1）可以進一步整理為：

由式（2）可知，CPS－SPWM疊加輸出波形的傅立葉分解式由三部分組成，分別為與調制波頻率相關的基波分量、與載波頻率相關的載波諧波分量和與上述兩者都有關的邊帶諧波分量。與SPWM調制輸出波形對比可以發現，在CPS－SPWM調制方法輸出波形的各分量中，基波分量幅值為SPWM調制輸出的Lx倍，最低諧波次數為載波頻率的Lx倍（且僅有奇次諧波），邊帶諧波含量極少?；谝陨咸攸c，CPS－SPWM調制方法能夠在較低的開關頻率下實現較高的等效開關頻率，不但降低了對開關器件性能的要求，而且有效地減少了輸出諧波。

3 PHIL接口算法

功率硬件在環實驗系統包括三個部分：物理仿真子系統、數字仿真子系統和接口單元。各部分之間的連接關系如圖4所示。

3.1 理想變壓器模型接口算法

圖4 PHIL系統連接關系示意圖

PHIL接口算法用于確定接口信號類型和處理方法，目前常用的接口算法有時變一階近似法、傳輸線模型法、阻尼阻抗法、部分電路復制法、理想變壓器模型法等，其中理想變壓器模型法（Ideal Transformer Model，ITM）根據其接口受控源類型的不同而又分為電壓型ITM和電流型ITM。電壓型ITM接口算法易于工程實現，穩定性好［18－20］。本文選擇電壓型ITM接口算法進行研究，其結構示意圖如圖5所示。

圖5 電壓型ITM接口算法結構示意圖

電壓型ITM接口算法基于電路的替代定理，在圖5中，E和Zm分別為數字仿真子系統的等效電源和等效阻抗，Zr為物理仿真子系統的等效阻抗。數字仿真端口產生電壓u1經受控電壓源輸入到物理側，同時物理側電流i2經受控電流源實時反饋到數字側。

3.2 電壓型ITM接口算法穩定性分析

PHIL仿真系統包含有強耦合的兩個子系統，因此，即使各子系統本身是穩定的，綜合仿真系統的穩定性依然不能保證。下面研究電壓型ITM接口算法的穩定性。

對應圖5，當電壓放大端口存在誤差時，假設tn時刻引入誤差δ，則在物理側有：

由式（3）得Vi2（tn）＝δ／Zr，該誤差電流實時反饋到數字側，會進一步在數字側引起誤差。數字側電壓電流關系式如式（4）所示。

由式（4）得Vu1（tn＋1）＝－（Zm／Zr）δ，系統穩定性條件為。

當電壓放大端口是理想端口時，考慮端口延時Vt，數字子系統和物理子系統的阻抗為純電阻（分別記作Rm和Rr），則有：

整理式（5）并對結果進行Z變換，可求得函數u1（z）的極點為－Rm／Rr。所以，當數字側等效阻抗小于物理側等效阻抗時，系統穩定。

由以上分析可知，PHIL仿真系統的穩定性取決于兩個子系統的等效阻抗關系。本文研究的數字仿真子系統為電網模型，物理仿真子系統為電網模擬器模型和實際風電機組模型，數字側等效阻抗小于物理側等效阻抗，滿足系統穩定的條件。

4 建模與仿真

本文基于以上理論搭建電網模型、電網模擬器模型和風電機組模型。

4.1 電網建模

本文搭建的電網模型中包含120kV電源系統、變壓器、電力傳輸線以及阻感負載。電力傳輸線采用π型等效模型，其阻抗參數見表1。

表1 傳輸線模型參數

其電壓等級包括120kV、25kV、10kV和690V，具體結構如圖6所示。調整線路阻抗參數Z1－Z4，可以模擬不同電網阻抗條件下風電機組與電網的交互影響；調整系統內故障點位置可以模擬不同故障點距離條件下風電機組與電網的交互影響；調整故障類型可以模擬不同故障類型條件下風電機組與電網的交互影響。

圖6 電網模型結構示意圖

4.2 電網模擬器建模

基于2.1和2.2的理論分析，建立H橋級聯形式的電網模擬器模型，其額定輸出電壓690V，最大輸出功率2MVA。對應圖2所示的拓撲圖，電網模擬器每相由5個功率單元組成，每個功率單元輸入電壓380V，直流母線電壓400V。對應圖3所示的調制原理，載波頻率采用10kHz。針對電網模擬器輸出電壓控制，電網模擬器采用電流內環電壓外環形式的雙閉環PI控制器，控制器參數為：電壓外環kp＝50，ki＝10；電流內環kp＝30，ki＝10。輸出濾波器電感L＝1.2mH，電容C＝20μF，使用圖7所示的系統測試拓撲圖測試電網模擬器的動態性能和穩態性能。

圖7電網模擬器測試系統拓撲圖

圖7中，阻感負載電阻值為1Ω，電感值為0.1mH。三相可編程電壓信號源控制電網模擬器依次輸出標幺值為1、0.2、1的電壓波形，并分別持續0.04秒，在示波器中將給定波形和跟蹤波形進行比較，仿真測試結果如圖8所示。

圖8 電網模擬器仿真測試輸出電壓波形

由圖8分析可知，電網模擬器可以準確地跟蹤給定波形，并且動態響應速度快，輸出無震蕩。對輸出電壓進行傅立葉分析，總諧波失真為0.58%，所以電網模擬器輸出的諧波含量也較少，可以滿足測試系統的要求。

4.3 聯合仿真

圖9 聯合仿真模型結構示意圖

基于電網模擬器模型、電網模型以及實時仿真接口算法建立的PHIL聯合仿真模型結構示意圖如圖9所示。數字仿真子系統中風電機組并網端口的電壓信號實時控制電網模擬器輸出功率的電壓波形。同時，實際風電機組功率端口的電流信號實時反饋到數字仿真子系統中。以上兩個過程實現了風電機組與電網的交互影響。

4.4 仿真結果分析

本文基于圖9所示的聯合仿真模型進行仿真研究。對應圖6中的元件，設置線路Z1－Z4的長度分別為200km、25km、25km和1km。直驅風電機組模型額定功率為1.5MW，輸出額定電壓為690V，網側電感為1.2mH，直流母線電壓為2000V，卸荷電阻為1Ω。在圖6中，故障點1處發生三相對稱短路故障，短路電阻為10Ω。15kV母線電壓故障波形如圖10（a）所示。風電機組并網端口A相電壓電流波形如圖10（b）所示。受電網故障影響，風電機組變流器直流母線電壓和輸出的有功和無功分別如圖10（c）、10（d）所示。

圖10 電網故障電壓波形以及風電機組對其響應波形

在電網模型和風電機組建立實時通訊、相互影響的情況下，風電機組并網端口電壓波形如圖11所示。

圖11 風電機組并網端口電壓波形（電網故障基于電網實時模擬技術實現）

為研究基于PHIL的電網實時模擬技術與普通電網模擬技術的區別，將圖9所示的聯合仿真模型中的電網模型刪除，給電網模擬器輸入預定指令，使電網模擬器輸出與圖11（c）所示的相同時長、相同跌落深度的電壓波形。此時風電機組并網端口A相電壓電流波形如圖12（a）所示，風電機組變流器直流母線電壓和輸出有功無功分別如圖12（b）、12（c）所示。

圖12 風電機組對基于普通電網模擬技術的電網故障的響應波形

在電網模擬器被動地執行預定指令輸出功率電壓波形，被測風電機組與電網模擬器建立功率連接的情況下，風電機組并網端口電壓波形如圖13所示。

圖13 風電機組并網端口電壓波形（電網故障基于普通電網模擬技術實現）

由圖10（a）可知，由于實際電力系統中存在的大量有功、無功設備以及輸電線路阻抗，電力系統的暫態穩定是一個漸進穩定的過程。對比圖11（a）和圖13（a）可知，基于PHIL的電網實時模擬技術可以真實再現電網故障的暫態過程。結合圖11（c）和圖10（c）、圖10（d）可知，電網模型中發生的三相對稱短路故障在風電機組并網端口產生了大量諧波，諧波進一步影響了風電機組變流器內部直流母線電壓和變流器輸出有功無功的穩定性。由于缺少和電網的實時交互，在圖12和圖13所示的仿真結果中，并沒有體現上述現象。

基于以上對比分析，基于PHIL的電網實時模擬技術實現了被測風電機組與電網的實時交互，證明了本文所提電網實時模擬技術的有效性。

5 結束語

電網模擬是在實驗室環境下再現電網各種運行工況的重要途徑。本文提出將功率硬件在環實時仿真技術應用于電網模擬技術，實現了電網真實運行特性的實時模擬?；贖橋級聯拓撲的電網模擬器，實現了大功率電網模擬，改善了輸出電壓波形質量?；诶硐胱儔浩髂Ｐ徒涌谒惴ǎ瑢崿F了被測風電機組與電網的交互，其聯合仿真結果證明了所提電網實時模擬技術的有效性。下一步將基于建立的100kW實證模擬系統進行實驗研究，對實驗波形的分析將在后續文章中介紹。進一步的研究將針對不同電網阻抗條件、不同電網故障類型、不同風電機組控制方式等條件下電網與風電機組的交互影響展開，同時還將繼續研究適用于大功率有源系統的PHIL接口算法。

［1］馬 亮，盧遠宏，孫琳琳，等.兆瓦級可編程電網模擬電源［J］.電氣工程學報，2015，7（10）：57－62.

［2］吳 帥.大功率電網模擬裝置的研制［D］.北京：北京交通大學，2012.

［3］周金博，周細文，吳曉春，等.大功率交流電網模擬器的研制［J］.電力電子技術，2014，（2）：83－84.

［4］付永新，Dip.－Ing Ziqian Zhang.Bsc，張永明，等.電網模擬器控制策略研究［J］.通信電源技術，2015，32（1）：17－20.

［5］孫功偉，曾澤湖，張春旺，等.大功率光伏逆變系統測試用電網模擬器研究［J］.華電技術，2015，37（4）：72－79.

［6］杜 新.電壓跌落發生器的控制策略研究與實現［D］.北京：華北電力大學，2014.

［7］徐海亮，章 瑋，胡家兵，等.可編程電網故障模擬電源的設計［J］.電工技術學報，2012，27（10）：91－97.

［8］王 瑩，李潔斯，劉 芳，等.多功能電網模擬器研究［J］.電力電子技術，2011，45（3）：29－34.

［9］付永新，張永明，張仁杰.電網模擬裝置諧波控制器仿真研究［J］.計算機仿真，2014，31（7）：140－143.

［10］ANDRIAMALALA R N，WANG Y，COLAS F，et al.Power hardware in the loop simulation of wind farm contribution to grid frequency contro［lA］.Proceedings of the 15th European Conference on Power Electronics and Applications［C］.2013.

［11］ALSMADI Y M，XU L，WANG A.Development of a computer twins－based wind farm testbed［A］.Proceedings of Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）—2015 IEEE［C］.2015.

［12］HUERTA F，PRODANOVIC M，MATATAGUI P.Realtime power－hardware－in－the－loop discrete modeling of PMSM wind turbines［A］.Proceedings of the Industrial Electronics Society—The 40th Annual Conference of the IEEE［C］.2014.

［13］蔚 芳，劉其輝，謝孟麗，等.基于D／PHS的DFIG機組LVRT的綜合控制研究［J］.電力系統保護與控制，2013，41（6）：64－70.

［14］高志剛，冬 雷，李永東，等.基于高頻變壓器的背靠背級聯H橋型變換器［J］.電工技術學報，2013，28（6）：133－138.

［15］陳 仲，王志輝，陳 淼.一種高動態性能的級聯型有源電力濾波器［J］.電工技術學報，2015，30（3）：147－154.

［16］楊 波，曾 光，鐘彥儒，等.大容量鏈式多電平變換器的優化CPS－PWM方法［J］.電工技術學報，2013，28（10）：167－178.

［17］李建林，許鴻雁，高志剛，等.級聯H橋五電平變流器工況分析與驗證［J］.電工技術學報，2007，22（4）：85－91.

［18］莫 染.電力系統數字物理綜合仿真接口方法［D］.武漢：華中科技大學，2013.

［19］胡昱宙，張沛超，方 陳，包海龍.功率連接型數字物理混合仿真系統（一）接口算法特性［J］.電力系統自動化，2013，37（7）：36－41.

［20］陳 磊，閔 勇，葉 駿，等.數字物理混合仿真系統的建模及理論分析（一）系統結構與模型［J］.電力系統自動化，2009，33（23）：9－13.

Research on real－time grid simulation based on power hardware in loop

LIU De－zhou1，2，HU Shu－ju1，MENG Yan－feng1，2
（1.Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100080，China）

With the large scale development tendency of wind turbine，the study of the interaction between wind turbine and power grid in the laboratory has paid more and more attention by the people in recent years.Aiming at the simulation of the big power grid in the laboratory，a type of grid simulator based on H－bridge high voltage multilevel inverter is studied.For the simulation of the grid’s real characteristics，the power hardware in loop（PHIL）technology is adopted by combining with the grid simulation，and the interface algorithm of the PHIL real－time simulation system is also studied.The complete system model based on ideal transformer model interface algorithm is built，and it is simulated successfully by the circumstance with Matlab／Simulink.The simulative results show the advanced natures of the proposed grid simulation technology.

power hardware in loop；grid simulation；semi－physical simulation；interactive influence

TE922

：A

1005—7277（2017）01—0001—07

劉德州（1991－），男，碩士研究生，研究方向為大型風電機組測試技術。

2016－09－03

國家科技支撐計劃項目（2015BAA07B02）

胡書舉（1978－），男，博士，研究員，研究方向為風力發電控制技術。

孟巖峰（1980－），男，博士研究生，助理研究員，研究方向為風力發電控制技術。