電網模擬器的技術現狀與發展

李容爽，謝 源，金鵬飛，田黃田

（1. 上海電機學院電氣學院，上海 201306；2. 國網江蘇省電力有限公司揚中市供電分公司，江蘇 212300； 3. 上海飛機制造有限公司，200135）

0 引言

隨著環境的惡化，加緊解決能源的短缺問題成為了全球的關注熱點，分布式發電作為清潔能源，因其投資小、發電方式靈活等優點而備受各界關注[1]，它與電網聯合運行可以提高電力系統的經濟型、可靠性和靈活性，并且可以大大減輕環保的壓力，可以滿足可持續發展的需要。在對分布式發電系統進行研究時，測試并研究分布式系統在電網出現故障時的工作特性是必不可少的工作，以保證在實際并網時可順利度過電網故障時期為電網提供必要的有功或無功支撐。因電網故障的偶然性和不可控性，所以研究電網模擬器有著重大意義。

1 電網模擬器的拓撲結構

電網模擬器的結構，如圖1，包括輸入單元、能量轉換單元、輸出單元以及檢測與控制單元。其中能量轉換單元是電網模擬器的核心部分，包括兩個環節：（1）整流環節：作用是將輸入的電網電壓轉換成直流電，為后級的逆變環節提供穩定的直流電壓。（2）逆變環節：作用是將整流環節產生的直流電壓轉換成交流電壓輸出，模擬電網電壓的正常情況以及各種故障情況。

圖1 電網模擬器結構圖 Fig.1 Grid simulator block diagram

結合國內外文獻，本文將介紹四種主要的拓撲結構，分別是三相分離結構、基諧分解型結構、多電平基諧分解型結構，多電平DC-DC 結構，這四種結構都是以電力電子變換為基礎。

1.1 三相分離結構拓撲

在電網模擬器拓撲結構A中，整流環節采用了三相PWM 整流器，相比于單相PWM 整流器，前者的直流側電流在理論上時恒定的直流量，可以有效減少直流側的二次紋波，且直流側電壓較平穩，為逆變環節輸出電壓的波形提供了良好的基礎。并且，考慮到三相電源為三相PWM 整流器交流測供電，其負載容量較大，更適用于大功率場合。在逆變環節中選用3個單相逆變器，相比較采用三相逆變器，前者可以彌補后者拓撲的局限性：無法模擬出不平衡電壓的零序分量。為了避免發生直流側短路，必須使用變壓器進行隔離。變壓器可以加在直流輸入側，也可以加在交流輸出側。此拓撲結構將變壓器置于直流側的輸入側，是考慮到了變壓器加在交流側時，工頻變壓器會影響輸出波形[2]。三相分離結構拓撲的主電路圖，如圖2 所示。

圖2 三相分離結構拓撲圖 Fig.2 Three-phase separation structure topology

1.2 基諧分解型結構拓撲

基諧分解型結電網模擬器的特點是整個系統分解成兩個部分：基波部分和諧波部分。該拓撲結構由基波、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。基波和諧波整流模塊都采用了三相PWM 整流器，可以產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單相逆變器，可以實現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。基波諧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，防止直流側發生短路現象[3]。基諧分解型結構拓撲，如圖3 所示。

圖3 基諧分解型結構拓撲 Fig.3 Basis harmonic decomposition structure topology

1.3 多電平基諧分解型結構

多電平基諧分解型電網模擬器的特點是整個系統分解成兩個部分：基波部分和諧波部分。該拓撲結構由基波發生模塊和諧波發生模塊，LC濾波器，以及串聯注入式變壓器組。基波發生模塊采用大功率低開關頻率的三電平背靠背系統，可以實現大功率。諧波發生模塊采用了小功率高帶寬的三電平背靠背系統，來提高諧波的控制帶寬[4]。串聯注入式變壓器組由三臺單向注入變壓器構成，三相中性點連接在一起[5]。多電平基諧分解型結構拓撲的主電路圖，如圖4所示。

1.4 多電平DC-DC結構

多電平DC-DC結構電網模擬器，如圖5，包括三相功率變換器和LC 濾波器，在設施拓撲結構的過程中，考慮到了死區時間和電感電阻等其他因素，設置了r為其等效電阻。

這個拓撲結的特點，是由多個功率模塊組成了功率變換器，一共有三相。一個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，并提供一個穩定直流源，區別于其他以電容為穩壓，變壓器用做隔離的拓撲。逆變器以H 橋多電平結構，這類結構優點有：（1）不需要平均電壓，因為直流側采用獨立的電壓源提供直流電壓。（2）結構模塊化方便操作，其中低壓、小容量的變換技術已經成熟，便于控制，提高了可靠性[6]。此結構逆變器可以快速跟蹤響應系統的指令電壓。拓撲結構D 的電網模擬器可以實現模擬電網可能發生各類故障，H 橋多電平結構對其動態響應速度得到了提高，對系統自身的穩態性能得到了提升。此拓撲結構多電平高壓的輸出是通過載波移相調制技術，高壓經過LC 濾波器進行濾波后,可以輸出高精度的電壓進行設備的測試，為待測設備檢驗結果的準確性提供了保障。

圖4 多電平基諧分解型結構拓撲 Fig.4 Multilevel fundamental harmonic decomposition structure topology

圖5 多電平DC-DC型結構拓撲 Fig.5 Multilevel DC-DC type structure topology

2 電網模擬器的控制策略

隨著現代控制理論的發展，電網模擬器的控制技術也在不斷的發展。各種控制技術被應用到其中，對于電網模擬器的控制，有兩項重要的指標：控制的精度高、系統的響應速度快[7]。

2.1 雙閉環PID 控制

PID 控制最早應用，也最成熟，具有算法簡單、魯棒性強等優點，應用工業過程控制、電力電子領域，如圖6所示。

圖6 雙閉環PID 控制結構框圖 Fig.6 Block diagram of dual closed loop PID control

傳統雙閉環PID 控制采用電流內環，電壓外環的控制策略[8]。雖具有簡單、快速、方法成熟、可靠性高的優點[9]，但是PID 控制對正弦信號無法實現無靜差跟蹤，當輸出端接非線性負載時，輸出的電壓波形會產生較高的畸變率，動態響應會變差，因此，通常將PID 控制和其他控制方法相結合。文獻[10]中逆變環節采用基于電壓、電流瞬時值的雙閉環控制即可滿足高性能指標的要求，并且在電流內環中引入負載電流前饋[11]使得逆變器動態響應加快。文獻[3]提出了電感電流瞬時反饋控制和負載擾動前饋補償相結合的控制方式，給出了SPWM 下的濾波器的設計方法，得到了符合電網模擬器的基波輸出性能要求的輸出波形。文獻[12]提出了在諧波模式下用PID算法來控制電網模擬器的諧波輸出，分析了電網模擬裝置諧波控制器的優化設計算法，利用極點配置得到控制器的相關參數。文獻[13，14]都是采用基本的比例積分控制器，只能對電網幅值進行誤差跟蹤。

2.2 比例諧振控制

比例諧振控制包括兩個部分：比例環節和諧振環節。其與PI 控制相比較，可以進行無靜差跟蹤，使基波頻率處增益無限大，可以使得系統的穩態誤差很大的消除，增強其抗干擾能力。但是因為該控制器的設計需要保證數學模型的精確度，增加了比例諧振控制實現難度。

文獻[15]中逆變控制方式采用了雙閉環控制，針對傳統的PR 控制負載變化下輸出精度的問題，由電壓外環的設計入手，改進了比例諧振控制器。文獻[16]提出了比例諧振和雙閉環結合的控制策略，使用了多個比例諧振控制器來降低非線性負載帶來的影響，與傳統的PI 控制器進行比較，驗證了比例諧振控制的有效性。

2.3 重復控制

重復控制是一種基于內膜原理的新型控制策略，內膜則是在一個穩定的閉環控制系統內部包含外部被控信號數學模型 ，系統運用該種控制策略可以實現無靜差跟蹤周期參考值，也可有效抑制外部周期性的擾動，如圖7 所示。

圖7 雙閉環PID 控制結構框圖 Fig.7 Block diagram of a dual closed loop PID control

文獻[17]采用了重復控制結合自適應控制的方法，可以實時在線調整重復控制器的參數，極大的提高了系統的動態性能。文獻[18]逆變器采用無差拍重復控制策略進行控制，動態響應效果得到優化，非線性負載適應性提高，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，直接依據人類思維模糊化誤差和控制量，不用建立精確度很高的數學模型。依據人類專家經驗建立規則庫，其中模糊規則庫包含了眾多控制規則，按照相應規則得到模糊控制量。最終，根據隸屬度函數解模糊，完成對非線性目標的控制，其控制框圖如圖8所示。

圖8 模糊控制結構框圖 Fig.8 Block diagram of the fuzzy control structure

模糊控制有結構簡單、魯棒性強、數學模型不用精確度很高的優點，但也有缺點：（1）模糊規則的制定完全依靠人的經驗；（2）精度低；（3）不可以實時控制。文獻[5]提出了一種狀態反饋的改進型6k+1 次重復控制策略，考慮到了重復控制策略，來減少輸出頻率對重復控制產生的誤差，和提高重復控制動態響應。文獻[20]采用了重復控制結合模糊PID 的方法，其中PID 參數通過模糊控制進行整定，提高了系統的魯棒性，引入重復控制增強了系統的抗干擾能力。文獻[21]提出了變論域自適應模糊控制方法，控制的精度得到了很大程度的提高，計算的復雜程度得到了降低。

2.5 滑膜控制

滑模控制屬于不連續非線性的控制，魯棒性強，滑動模態和外部擾動與參數的變化沒有關系，控制器也不會對控制器造成影響。但因滑膜結構自身的開關特性，系統運動到滑膜面附近，存在一定速度，導致其狀態穿過滑膜面，引起抖振現象。

文獻[22]逆變器的雙閉環控制系統中應用了逆變器的滑膜變結構。非線性負載時，滑膜控制的魯棒性使得輸出波形畸變率得到了下降。文獻[23]提出了一種改進的滑模變結構控制策略，為了同時保證系統極好魯棒性以及跟蹤性能的改善，選取了適當的滑膜面系數。

3 未來的發展方向

隨著分布式發電的發展，電網模擬器仍舊是國內外研究的熱點，仍然會從拓撲結構以及控制策略兩方面進行創新改進。從上文可以看出，拓撲結構在已經多應用級聯型多電平結構，未來的電網模擬器在穩態精度，動態性能，幅值突破，頻率波動以及波形畸變等方面有更大突破，實現對真實電網故障的重現。

4 結語

電網模擬器的研究與發展，對分布式發電的研究有著不可替代的推進作用。本文對現有的較為成熟的電網模擬器的拓撲結構以及控制策略進行了綜述，通過梳理拓撲結構以及控制策略，介紹了這些結構和策略的特點，最后分析了下一步電網模擬的發展趨勢。