电网模拟器控制策略的仿真研究

张双阳 张永明 胡维飞

摘 要：为了对分布式发电系统做电网适应性检测，提出一种能够模拟各种电网故障的电网模拟器拓扑结构。模拟器可以四象限運行，实现能量的双向流动，而且能够模拟三相电压跌落、电网电压频率变化、三相电压不平和电压波形畸变故障。为了获得与电网故障环境更接近的故障电压，电网模拟器逆变侧采用输出电压外环、电感电流内环的双闭环控制策略。在控制中引入负载电流前馈调节，抑制负载扰动对系统稳定性的影响。通过仿真验证了理论的可行性，得到了符合电网模拟器输出性能要求的几种电网故障波形。

关键词：电网模拟器;适应性检测;拓扑结构;四象限运行;电网故障;控制策略

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

随着分布式发电系统在能源领域的快速发展，分布式发电系统对电网适应性的要求不断提高，研究出一台能够模拟电网各种故障工况的电网模拟器，为分布式发电系统做电网适应性检测变得十分重要[1-6]。

文献[7]最早提出了电网模拟器的概念，但更多的是对控制方法的研究而不是电网模拟器功能的实现。国家可再生能源实验室设计了一台200 kW电网模拟装置，能够模拟电网电压的跌落、频率变化以及高次谐波电压，并且设计了由电阻性、电感性以及电容性元件组成的负载模拟器。研究人员可以利用这台装置对电网出现故障时分布式发电系统的工作情况做检测，但是报告中对电网模拟器的电路组成及控制方法未做介绍，所以不能提供更多的技术指导。文献[8]提出一种中压分布式发电系统的测试设备，文中总结了常见的电网故障情况，采用比例谐振调节器实现系统的无静差控制，最后设计出一台15 kVA的模拟器，能够模拟出三相电压跌落、三相电压不平衡、零序分量以及波形畸变等故障。文献[9]将电网模拟装置等效成一个电压源和输出电阻串联的系统，研制一台50 kVA的电网模拟器。文献[10]采用背靠背拓扑结构的电网模拟装置，但这种拓扑结构不利于对三相电压的单独控制。文献[11]提出的电网模拟器采用基波单元与谐波单元组合的方式，对基波单元和谐波单元分别采用不同的控制方法，控制器的设计相对复杂。

本文提出一种能够模拟多种电网故障的电网模拟器拓扑结构，给出对应的控制策略及各种仿真参数的设计方法，使电网模拟器能够模拟电压跌落、频率变化、电压波形畸变、三相不平衡等故障类型。从电网模拟器拓扑结构的选择、控制策略的选取、滤波器参数设计和电网模拟器实验验证4个方面进行介绍。

1 电网模拟器拓扑结构

本文给出一种多功能电网模拟器的拓扑结构，如图1所示。其特点是整流侧采用三相PWM整流技术，模拟器可以四象限运行，能量可以向电网回馈。

系统中整流环节采用三相PWM整流技术产生稳定的直流电压，从而为后级的逆变环节提供稳定的直流电源。逆变环节用3个单相H桥逆变器分别输出三相电压，3个逆变器共用一个直流电源。输出环节采用LC型滤波器将逆变器输出的电压进行滤波，得到三相交流电压。综上，得到一个由3个单相逆变系统组成的电网模拟器，3个单相H桥逆变器分别模拟电网的A，B，C三相。3个单相系统分别控制，输出的三相交流电相位互差120°，对电网的各种故障状态进行模拟。

与主电路相对应，电网模拟器的控制包括对整流环节的控制和对逆变环节的控制。逆变环节的控制是电网模拟装置控制部分的重点，主电路中电压和电流信号经传感器和采样环节送到DSP中，通过软件编程完成控制算法的实现和PWM信号的产生。

2 控制策略的分析

一台性能优越的电网模拟器应符合以下要求：能够模拟出标准的三相正弦电压;在模拟电网故障时有较高的动态响应速度，能够精确模拟各种故障;具有较强的抗负载扰动能力，可靠性高。因此，电网模拟器拓扑结构的设计只是一个方面，逆变器控制策略的选择也非常重要。

由于逆变器的A，B，C三相是分别控制的，因此本文只对其中一相进行控制策略的分析。

逆变器的控制方法包括输出电压有效值反馈控制、基于双闭环的PI控制、重复控制、无差拍控制、滑模变结构控制、状态反馈控制等。其中双闭环PI控制因控制技术简单成熟、控制性能优越、实用性强等优点而在研究和生产中得到广泛运用。

本文采用的是输出电压外环、电感电流内环的双环控制，并且在控制中加入负载电流前馈环节，能够抑制负载扰动对系统稳定性的影响，增强系统的外特性，提高抗扰动能力。此外由于电感电流反馈与负载电流前馈的合作用又相当于电容电流反馈，因此这种方法又能继承电容电流反馈的优点。系统控制框图如图2所示。其中外环的电压给定信号为电网模拟器期望输出的电压信号，系统的实际输出电压的瞬时值经检测后作为电压外环的反馈信号，电压外环的给定信号与反馈值进行比较后输出的误差信号经PI调节器调节，输出作为电流内环的给定。内环用电感电流作为系统的反馈变量，给定信号与电感电流反馈值、负载电流比较后，误差信号经过PI调节器进行调节，输出作为逆变器的控制信号。

3 逆变器滤波参数设计

电网模拟器系统滤波器采用LC型滤波器，滤波器的参数设计主要从以下3个方面考虑。

（1）滤波电感参数的设计依据

电感电流的纹波决定滤波电感的最小值，电感电流过大时会加剧开关器件的损耗，同时还会影响控制策略的实现。工程上要求纹波电流最大值为额定电流峰值Im的10%～30%，因此滤波电感的最小值为：

（2）滤波电容参数的设计依据

电容的选择和电感应该综合考虑，通常电容越大时，所占的无功功率就越大，通过电感L的电流和开关管的电流也就越大，从而增加了开关损耗，降低效率;电容越小，需要的电感则越大，电感过大会导致在电感上产生巨大的压降。在工程设计中，一般要求电容产生的无功功率不能超过系统额定功率的5%，即：

（3）截止频率的设计要求

为了实现滤波器较好的滤波效果，滤波器的截止频率一般选为开关频率的1/10～1/5，并且要高于输出频率的10倍以上，即：

4 电网模拟器仿真结果分析

本文利用Matlab Simulink simpower 工具模块建立系统的仿真模型，仿真电路如图3所示。其中电路和控制器参数如下：逆变器额定输出电压为220 V，额定频率为50 Hz，滤波电感参数为0.5 mH，滤波电容参数为1 μF，两个控制器参数分别为KP1=0.5，KI1=500，KP2=1，KI2=100。

3个单相H桥逆变单元、PWM发生器、给定信号发生器和控制单元组成。

通过给定不同的故障信号，分别模拟电网三相电压不平衡、电压频率变化和波形畸变故障。

图4为模拟三相电压跌落的仿真波形，电网给定电压信号与实际输出电压的对比，控制三相电压跌落的深度为50%，电压开始跌落时间为0.05 s，电压恢复的时间为0.1 s。由仿真结果可知，电网模拟器输出电压与给定电压波形非常接近，而且电压跌落与恢复时的响应速度很快，符合电网模拟器控制输出要求。

5次谐波的仿真结果，由给定电压信号与实际输出电压的对比可知，电网模拟器控制精度较高;此外还可以加入其他次谐波，符合电网模拟器对电压波形畸变故障的输出要求。

5 结 语

本文提出一种具有能量回馈功能的电网模拟器的拓扑结构，既能从电网吸收能量，又能向电网释放能量。逆变器控制部分采用双闭环控制策略，分析了滤波器参数的设计方法。通过仿真分别模拟三相电压跌落、电压频率变化、三相电压不平衡和电压波形畸变故障。仿真结果表明，设计的电网模拟器能够模拟各种电网故障，响应速度和控制精度符合电网模拟器输出要求。

注：本文通讯作者为张永明。

参 考 文 献

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