電網模擬器控制策略的仿真研究

張雙陽 張永明 胡維飛

摘 要：為了對分布式發電系統做電網適應性檢測，提出一種能夠模擬各種電網故障的電網模擬器拓撲結構。模擬器可以四象限運行，實現能量的雙向流動，而且能夠模擬三相電壓跌落、電網電壓頻率變化、三相電壓不平和電壓波形畸變故障。為了獲得與電網故障環境更接近的故障電壓，電網模擬器逆變側采用輸出電壓外環、電感電流內環的雙閉環控制策略。在控制中引入負載電流前饋調節，抑制負載擾動對系統穩定性的影響。通過仿真驗證了理論的可行性，得到了符合電網模擬器輸出性能要求的幾種電網故障波形。

關鍵詞：電網模擬器;適應性檢測;拓撲結構;四象限運行;電網故障;控制策略

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

隨著分布式發電系統在能源領域的快速發展，分布式發電系統對電網適應性的要求不斷提高，研究出一臺能夠模擬電網各種故障工況的電網模擬器，為分布式發電系統做電網適應性檢測變得十分重要[1-6]。

文獻[7]最早提出了電網模擬器的概念，但更多的是對控制方法的研究而不是電網模擬器功能的實現。國家可再生能源實驗室設計了一臺200 kW電網模擬裝置，能夠模擬電網電壓的跌落、頻率變化以及高次諧波電壓，并且設計了由電阻性、電感性以及電容性元件組成的負載模擬器。研究人員可以利用這臺裝置對電網出現故障時分布式發電系統的工作情況做檢測，但是報告中對電網模擬器的電路組成及控制方法未做介紹，所以不能提供更多的技術指導。文獻[8]提出一種中壓分布式發電系統的測試設備，文中總結了常見的電網故障情況，采用比例諧振調節器實現系統的無靜差控制，最后設計出一臺15 kVA的模擬器，能夠模擬出三相電壓跌落、三相電壓不平衡、零序分量以及波形畸變等故障。文獻[9]將電網模擬裝置等效成一個電壓源和輸出電阻串聯的系統，研制一臺50 kVA的電網模擬器。文獻[10]采用背靠背拓撲結構的電網模擬裝置，但這種拓撲結構不利于對三相電壓的單獨控制。文獻[11]提出的電網模擬器采用基波單元與諧波單元組合的方式，對基波單元和諧波單元分別采用不同的控制方法，控制器的設計相對復雜。

本文提出一種能夠模擬多種電網故障的電網模擬器拓撲結構，給出對應的控制策略及各種仿真參數的設計方法，使電網模擬器能夠模擬電壓跌落、頻率變化、電壓波形畸變、三相不平衡等故障類型。從電網模擬器拓撲結構的選擇、控制策略的選取、濾波器參數設計和電網模擬器實驗驗證4個方面進行介紹。

1 電網模擬器拓撲結構

本文給出一種多功能電網模擬器的拓撲結構，如圖1所示。其特點是整流側采用三相PWM整流技術，模擬器可以四象限運行，能量可以向電網回饋。

系統中整流環節采用三相PWM整流技術產生穩定的直流電壓，從而為后級的逆變環節提供穩定的直流電源。逆變環節用3個單相H橋逆變器分別輸出三相電壓，3個逆變器共用一個直流電源。輸出環節采用LC型濾波器將逆變器輸出的電壓進行濾波，得到三相交流電壓。綜上，得到一個由3個單相逆變系統組成的電網模擬器，3個單相H橋逆變器分別模擬電網的A，B，C三相。3個單相系統分別控制，輸出的三相交流電相位互差120°，對電網的各種故障狀態進行模擬。

與主電路相對應，電網模擬器的控制包括對整流環節的控制和對逆變環節的控制。逆變環節的控制是電網模擬裝置控制部分的重點，主電路中電壓和電流信號經傳感器和采樣環節送到DSP中，通過軟件編程完成控制算法的實現和PWM信號的產生。

2 控制策略的分析

一臺性能優越的電網模擬器應符合以下要求：能夠模擬出標準的三相正弦電壓;在模擬電網故障時有較高的動態響應速度，能夠精確模擬各種故障;具有較強的抗負載擾動能力，可靠性高。因此，電網模擬器拓撲結構的設計只是一個方面，逆變器控制策略的選擇也非常重要。

由于逆變器的A，B，C三相是分別控制的，因此本文只對其中一相進行控制策略的分析。

逆變器的控制方法包括輸出電壓有效值反饋控制、基于雙閉環的PI控制、重復控制、無差拍控制、滑模變結構控制、狀態反饋控制等。其中雙閉環PI控制因控制技術簡單成熟、控制性能優越、實用性強等優點而在研究和生產中得到廣泛運用。

本文采用的是輸出電壓外環、電感電流內環的雙環控制，并且在控制中加入負載電流前饋環節，能夠抑制負載擾動對系統穩定性的影響，增強系統的外特性，提高抗擾動能力。此外由于電感電流反饋與負載電流前饋的合作用又相當于電容電流反饋，因此這種方法又能繼承電容電流反饋的優點。系統控制框圖如圖2所示。其中外環的電壓給定信號為電網模擬器期望輸出的電壓信號，系統的實際輸出電壓的瞬時值經檢測后作為電壓外環的反饋信號，電壓外環的給定信號與反饋值進行比較后輸出的誤差信號經PI調節器調節，輸出作為電流內環的給定。內環用電感電流作為系統的反饋變量，給定信號與電感電流反饋值、負載電流比較后，誤差信號經過PI調節器進行調節，輸出作為逆變器的控制信號。

3 逆變器濾波參數設計

電網模擬器系統濾波器采用LC型濾波器，濾波器的參數設計主要從以下3個方面考慮。

（1）濾波電感參數的設計依據

電感電流的紋波決定濾波電感的最小值，電感電流過大時會加劇開關器件的損耗，同時還會影響控制策略的實現。工程上要求紋波電流最大值為額定電流峰值Im的10%～30%，因此濾波電感的最小值為：

（2）濾波電容參數的設計依據

電容的選擇和電感應該綜合考慮，通常電容越大時，所占的無功功率就越大，通過電感L的電流和開關管的電流也就越大，從而增加了開關損耗，降低效率;電容越小，需要的電感則越大，電感過大會導致在電感上產生巨大的壓降。在工程設計中，一般要求電容產生的無功功率不能超過系統額定功率的5%，即：

（3）截止頻率的設計要求

為了實現濾波器較好的濾波效果，濾波器的截止頻率一般選為開關頻率的1/10～1/5，并且要高于輸出頻率的10倍以上，即：

4 電網模擬器仿真結果分析

本文利用Matlab Simulink simpower 工具模塊建立系統的仿真模型，仿真電路如圖3所示。其中電路和控制器參數如下：逆變器額定輸出電壓為220 V，額定頻率為50 Hz，濾波電感參數為0.5 mH，濾波電容參數為1 μF，兩個控制器參數分別為KP1=0.5，KI1=500，KP2=1，KI2=100。

3個單相H橋逆變單元、PWM發生器、給定信號發生器和控制單元組成。

通過給定不同的故障信號，分別模擬電網三相電壓不平衡、電壓頻率變化和波形畸變故障。

圖4為模擬三相電壓跌落的仿真波形，電網給定電壓信號與實際輸出電壓的對比，控制三相電壓跌落的深度為50%，電壓開始跌落時間為0.05 s，電壓恢復的時間為0.1 s。由仿真結果可知，電網模擬器輸出電壓與給定電壓波形非常接近，而且電壓跌落與恢復時的響應速度很快，符合電網模擬器控制輸出要求。

5次諧波的仿真結果，由給定電壓信號與實際輸出電壓的對比可知，電網模擬器控制精度較高;此外還可以加入其他次諧波，符合電網模擬器對電壓波形畸變故障的輸出要求。

5 結 語

本文提出一種具有能量回饋功能的電網模擬器的拓撲結構，既能從電網吸收能量，又能向電網釋放能量。逆變器控制部分采用雙閉環控制策略，分析了濾波器參數的設計方法。通過仿真分別模擬三相電壓跌落、電壓頻率變化、三相電壓不平衡和電壓波形畸變故障。仿真結果表明，設計的電網模擬器能夠模擬各種電網故障，響應速度和控制精度符合電網模擬器輸出要求。

注：本文通訊作者為張永明。

參 考 文 獻

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