基于功率硬件在环的电网实时模拟技术研究＊

刘德州，胡书举，孟岩峰

（1.中国科学院电工研究所，北京100190；2.中国科学院大学，北京100080）

基于功率硬件在环的电网实时模拟技术研究＊

刘德州1，2，胡书举1，孟岩峰1，2

（1.中国科学院电工研究所，北京100190；2.中国科学院大学，北京100080）

随着风电机组向大型化的发展，如何在实验室环境下研究风电机组与电网的交互影响受到人们越来越多的关注。针对实验室环境下的大功率电网模拟问题，对H桥级联高压多电平电网模拟器进行了研究。针对真实模拟电网运行特性问题，将功率硬件在环（Power－Hardware－In－Loop，PHIL）技术与电网模拟技术相结合，对功率硬件在环实时仿真系统中的接口算法进行了研究。基于理想变压器模型接口算法建立了完整的系统模型，并在Matlab／Simulink仿真环境中进行了仿真研究。仿真结果验证了所提电网模拟技术的先进性。

功率硬件在环；电网模拟；半实物仿真；交互影响

1 引言

近年来，我国风电市场发展迅速，风电机组单机容量逐渐增大，电网对风电机组并网提出了更严格的要求。在实验室环境下对风电机组进行并网性能测试可缩短产品研发周期，可提高产品可靠性和其对电网的友好性。随着电网运行环境的日益复杂，普通电网模拟技术由于没有实现实际被测机组与电网的实时交互，已经不能满足对大型风电机组并网性能测试的需求。

电网模拟器是在实验室环境下实现电网各种运行工况模拟的关键设备。目前已有大量文献对电网模拟器进行了研究，常见的电网模拟器主要为阻抗式、变压器式或电力电子变换器式等结构。其中，电力电子变换器式的电网模拟器因控制方法成熟、功能设置灵活等优势，已成为近年来研究的热点［1］。在主电路拓扑研究方面，文献［2］和［3］对比常见的主电路拓扑，描述了三相四线制端口电网模拟器在模拟电网不对称故障方面的优势，文献［4］针对谐波工况模拟，提出了新的主电路拓扑。在控制方法研究方面，文献［5］和［6］改进了整流侧的控制算法，提高了负荷剧变时直流母线电压的稳定性。文献［7］研究了在逆变器输出中直流分量的抑制方法。文献［8］和［9］针对谐波工作模式提出了新的控制策略。综上所述，目前所研究的电网模拟器仅为被动的执行机构，只能根据预定指令输出目标波形，不能模拟真实电网运行时风电机组和电网的实时交互影响，不能实现电网真实运行特性的模拟。

实现电网真实特性的实时模拟需要借助于实时仿真技术，PHIL属于实时仿真技术的一种。PHIL实时仿真技术使用功率放大装置将数字仿真环境与实际功率设备联接起来，为在实验室环境下模拟大功率、高成本系统提供了可能。文献［10］应用PHIL技术研究风电场对电网频率的影响。文献［11］将PHIL技术用于风电场的测试。文献［12］和［13］基于PHIL技术建立了风电机组的数学模型，同时分析了包括风电在内的分布式能源微电网运行特性。以上应用均验证了PHIL实时仿真技术的优越性，其已成为解决实际工程问题的有效手段。

下面基于PHIL技术研究实验室环境下的电网实时模拟问题，并研究大功率风电机组与电网的交互影响。针对大功率电网模拟问题，将基于H桥级联型多电平变流器拓扑和载波移相正弦脉宽调制方法建立电网模拟器仿真模型。针对电网真实运行特性模拟问题，将研究适用于PHIL仿真模型的接口算法，并基于理想变压器模型接口算法搭建Matlab／Simulink仿真模型。本文将通过仿真结果验证所提电网模拟技术的可行性和有效性。

2 大功率电网模拟技术

基于PHIL的电网模拟系统包括RT－LAB实时仿真设备中运行的电网模型、大功率电网模拟器和被测风电机组，交流电网为系统提供电力支撑。系统组成结构示意图如图1所示。

图1 基于PHIL的电网模拟系统组成结构示意图

由图1可知，大功率电网模拟器是在实验室环境下实现大功率电网模拟的关键设备，以下对大功率电网模拟器的主电路拓扑和调制方法进行研究。

2.1 大功率电网模拟器主电路拓扑结构

目前大功率电网模拟器的主电路拓扑具有代表性的研究成果有多重化技术、组合变流技术和多电平变流技术。本文研究H桥级联型多电平变流器，其主电路拓扑示意图如图2所示。这种拓扑结构具有开关器件开关频率低、功率损耗小、拓扑结构简单、易于模块化等优点。

图2 H桥级联型多电平变流器主电路拓扑示意图

H桥级联型多电平变流器的每一相通过多个功率单元逐级串联，可以满足高电压大电流的要求。同时，每相可以在单个开关管实际开关频率较低的情况下得到较高的等效开关频率，并且三相通过中性点组合输出可以使各相输出谐波中的低次分量相互抵消，而不是简单地将谐波次数向高次推移，所以输出波形的谐波含量较少［14、15］。

2.2 大功率电网模拟器调制方法

大功率电力电子逆变装置常见的调制技术主要有：多电平空间矢量调制技术、载波组PWM调制技术、阶梯波脉宽调制技术、错时采样空间矢量调制技术和载波相移正弦波脉宽调制技术（Carrier－Phase－Shifted－Sinusoidal－Pulse－Width－Modulation，CPS－SPWM）。本文主要研究CPS－SPWM调制技术，其原理如图3所示［16］。

图3 CPS－SPWM调制原理示意图

CPS－SPWM调制方法结合了自然采样和多重化技术［17］，Lx个变流器单元输出波形叠加形成了波形的傅立叶分解表达式如下：

式（1）可以进一步整理为：

由式（2）可知，CPS－SPWM叠加输出波形的傅立叶分解式由三部分组成，分别为与调制波频率相关的基波分量、与载波频率相关的载波谐波分量和与上述两者都有关的边带谐波分量。与SPWM调制输出波形对比可以发现，在CPS－SPWM调制方法输出波形的各分量中，基波分量幅值为SPWM调制输出的Lx倍，最低谐波次数为载波频率的Lx倍（且仅有奇次谐波），边带谐波含量极少。基于以上特点，CPS－SPWM调制方法能够在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率，不但降低了对开关器件性能的要求，而且有效地减少了输出谐波。

3 PHIL接口算法

功率硬件在环实验系统包括三个部分：物理仿真子系统、数字仿真子系统和接口单元。各部分之间的连接关系如图4所示。

3.1 理想变压器模型接口算法

图4 PHIL系统连接关系示意图

PHIL接口算法用于确定接口信号类型和处理方法，目前常用的接口算法有时变一阶近似法、传输线模型法、阻尼阻抗法、部分电路复制法、理想变压器模型法等，其中理想变压器模型法（Ideal Transformer Model，ITM）根据其接口受控源类型的不同而又分为电压型ITM和电流型ITM。电压型ITM接口算法易于工程实现，稳定性好［18－20］。本文选择电压型ITM接口算法进行研究，其结构示意图如图5所示。

图5 电压型ITM接口算法结构示意图

电压型ITM接口算法基于电路的替代定理，在图5中，E和Zm分别为数字仿真子系统的等效电源和等效阻抗，Zr为物理仿真子系统的等效阻抗。数字仿真端口产生电压u1经受控电压源输入到物理侧，同时物理侧电流i2经受控电流源实时反馈到数字侧。

3.2 电压型ITM接口算法稳定性分析

PHIL仿真系统包含有强耦合的两个子系统，因此，即使各子系统本身是稳定的，综合仿真系统的稳定性依然不能保证。下面研究电压型ITM接口算法的稳定性。

对应图5，当电压放大端口存在误差时，假设tn时刻引入误差δ，则在物理侧有：

由式（3）得Vi2（tn）＝δ／Zr，该误差电流实时反馈到数字侧，会进一步在数字侧引起误差。数字侧电压电流关系式如式（4）所示。

由式（4）得Vu1（tn＋1）＝－（Zm／Zr）δ，系统稳定性条件为。

当电压放大端口是理想端口时，考虑端口延时Vt，数字子系统和物理子系统的阻抗为纯电阻（分别记作Rm和Rr），则有：

整理式（5）并对结果进行Z变换，可求得函数u1（z）的极点为－Rm／Rr。所以，当数字侧等效阻抗小于物理侧等效阻抗时，系统稳定。

由以上分析可知，PHIL仿真系统的稳定性取决于两个子系统的等效阻抗关系。本文研究的数字仿真子系统为电网模型，物理仿真子系统为电网模拟器模型和实际风电机组模型，数字侧等效阻抗小于物理侧等效阻抗，满足系统稳定的条件。

4 建模与仿真

本文基于以上理论搭建电网模型、电网模拟器模型和风电机组模型。

4.1 电网建模

本文搭建的电网模型中包含120kV电源系统、变压器、电力传输线以及阻感负载。电力传输线采用π型等效模型，其阻抗参数见表1。

表1 传输线模型参数

其电压等级包括120kV、25kV、10kV和690V，具体结构如图6所示。调整线路阻抗参数Z1－Z4，可以模拟不同电网阻抗条件下风电机组与电网的交互影响；调整系统内故障点位置可以模拟不同故障点距离条件下风电机组与电网的交互影响；调整故障类型可以模拟不同故障类型条件下风电机组与电网的交互影响。

图6 电网模型结构示意图

4.2 电网模拟器建模

基于2.1和2.2的理论分析，建立H桥级联形式的电网模拟器模型，其额定输出电压690V，最大输出功率2MVA。对应图2所示的拓扑图，电网模拟器每相由5个功率单元组成，每个功率单元输入电压380V，直流母线电压400V。对应图3所示的调制原理，载波频率采用10kHz。针对电网模拟器输出电压控制，电网模拟器采用电流内环电压外环形式的双闭环PI控制器，控制器参数为：电压外环kp＝50，ki＝10；电流内环kp＝30，ki＝10。输出滤波器电感L＝1.2mH，电容C＝20μF，使用图7所示的系统测试拓扑图测试电网模拟器的动态性能和稳态性能。

图7电网模拟器测试系统拓扑图

图7中，阻感负载电阻值为1Ω，电感值为0.1mH。三相可编程电压信号源控制电网模拟器依次输出标幺值为1、0.2、1的电压波形，并分别持续0.04秒，在示波器中将给定波形和跟踪波形进行比较，仿真测试结果如图8所示。

图8 电网模拟器仿真测试输出电压波形

由图8分析可知，电网模拟器可以准确地跟踪给定波形，并且动态响应速度快，输出无震荡。对输出电压进行傅立叶分析，总谐波失真为0.58%，所以电网模拟器输出的谐波含量也较少，可以满足测试系统的要求。

4.3 联合仿真

图9 联合仿真模型结构示意图

基于电网模拟器模型、电网模型以及实时仿真接口算法建立的PHIL联合仿真模型结构示意图如图9所示。数字仿真子系统中风电机组并网端口的电压信号实时控制电网模拟器输出功率的电压波形。同时，实际风电机组功率端口的电流信号实时反馈到数字仿真子系统中。以上两个过程实现了风电机组与电网的交互影响。

4.4 仿真结果分析

本文基于图9所示的联合仿真模型进行仿真研究。对应图6中的元件，设置线路Z1－Z4的长度分别为200km、25km、25km和1km。直驱风电机组模型额定功率为1.5MW，输出额定电压为690V，网侧电感为1.2mH，直流母线电压为2000V，卸荷电阻为1Ω。在图6中，故障点1处发生三相对称短路故障，短路电阻为10Ω。15kV母线电压故障波形如图10（a）所示。风电机组并网端口A相电压电流波形如图10（b）所示。受电网故障影响，风电机组变流器直流母线电压和输出的有功和无功分别如图10（c）、10（d）所示。

图10 电网故障电压波形以及风电机组对其响应波形

在电网模型和风电机组建立实时通讯、相互影响的情况下，风电机组并网端口电压波形如图11所示。

图11 风电机组并网端口电压波形（电网故障基于电网实时模拟技术实现）

为研究基于PHIL的电网实时模拟技术与普通电网模拟技术的区别，将图9所示的联合仿真模型中的电网模型删除，给电网模拟器输入预定指令，使电网模拟器输出与图11（c）所示的相同时长、相同跌落深度的电压波形。此时风电机组并网端口A相电压电流波形如图12（a）所示，风电机组变流器直流母线电压和输出有功无功分别如图12（b）、12（c）所示。

图12 风电机组对基于普通电网模拟技术的电网故障的响应波形

在电网模拟器被动地执行预定指令输出功率电压波形，被测风电机组与电网模拟器建立功率连接的情况下，风电机组并网端口电压波形如图13所示。

图13 风电机组并网端口电压波形（电网故障基于普通电网模拟技术实现）

由图10（a）可知，由于实际电力系统中存在的大量有功、无功设备以及输电线路阻抗，电力系统的暂态稳定是一个渐进稳定的过程。对比图11（a）和图13（a）可知，基于PHIL的电网实时模拟技术可以真实再现电网故障的暂态过程。结合图11（c）和图10（c）、图10（d）可知，电网模型中发生的三相对称短路故障在风电机组并网端口产生了大量谐波，谐波进一步影响了风电机组变流器内部直流母线电压和变流器输出有功无功的稳定性。由于缺少和电网的实时交互，在图12和图13所示的仿真结果中，并没有体现上述现象。

基于以上对比分析，基于PHIL的电网实时模拟技术实现了被测风电机组与电网的实时交互，证明了本文所提电网实时模拟技术的有效性。

5 结束语

电网模拟是在实验室环境下再现电网各种运行工况的重要途径。本文提出将功率硬件在环实时仿真技术应用于电网模拟技术，实现了电网真实运行特性的实时模拟。基于H桥级联拓扑的电网模拟器，实现了大功率电网模拟，改善了输出电压波形质量。基于理想变压器模型接口算法，实现了被测风电机组与电网的交互，其联合仿真结果证明了所提电网实时模拟技术的有效性。下一步将基于建立的100kW实证模拟系统进行实验研究，对实验波形的分析将在后续文章中介绍。进一步的研究将针对不同电网阻抗条件、不同电网故障类型、不同风电机组控制方式等条件下电网与风电机组的交互影响展开，同时还将继续研究适用于大功率有源系统的PHIL接口算法。

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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

刘德州（1991－），男，硕士研究生，研究方向为大型风电机组测试技术。

2016－09－03

国家科技支撑计划项目（2015BAA07B02）

胡书举（1978－），男，博士，研究员，研究方向为风力发电控制技术。

孟岩峰（1980－），男，博士研究生，助理研究员，研究方向为风力发电控制技术。