中压兆瓦级电网模拟器电压采样影响及改进策略*

孙 勇 苏建徽 赖纪东 王庆发 董 磊

中压兆瓦级电网模拟器电压采样影响及改进策略*

孙 勇1, 2苏建徽1赖纪东1王庆发1, 2董 磊1, 2

(1. 合肥工业大学光伏系统教育工程研究中心 合肥 230009；2. 常州中海电力科技有限公司 常州 213001)

为测试光伏电站、风电机组以及储能电站等兆瓦级、中压直挂式并网发电系统的电网适应性能力，介绍一种35 kV/3 MW电网模拟器拓扑。然而，受电压互感器(Potential transformer，PT)采样精度限制，直接采用PT输出信号作为电压调节器反馈，会严重降低系统的控制带宽，影响系统输出电压的动、稳态性能。根据PT特性进行频域建模，分析PT采样对系统控制的影响，并提出一种改进的控制策略，将PT输出电压作为有效值环反馈来保证稳态精度，同时增加高带宽低压瞬时值采样控制来跟踪电压指令，以使电网模拟器的输出特性满足要求。35 kV/3 MW电网模拟器的试验样机验证了该控制方案的可行性和正确性。

中压电网模拟器；电压互感器；低压瞬时值反馈；电压有效值反馈

1 引言

随着并网发电系统数量和容量的增加，电网要求它们能够及时、有效地应对电网的异常及扰动，比如频率波动、电压跌落以及谐波变化[1-3]等。此外国网公司为检测这些大功率直挂式发电系统并入电网的适应性能力，制定了一系列并网测试相关的标准和规范[4-6]。受检测实验室电网电压和容量限制，难以对中高压、大功率发电系统的电网适应性能力进行有效的测试，所以迫切需要研制出一台可以稳定复现中高压电网故障的电网模拟器[7]。

传统的电网模拟器多采用LC型滤波器结构，通过电流内环、电压外环双环PI控制策略[8-9]，然而受功率开关器件的工作电压和开关频率的限制，导致输出电能质量下降，无法达到高压大功率的目标。文献[10]采用串联注入式变压器组将谐波模块的高次谐波电压耦合到基波模块输出的基波电压上，实现了大功率电网模拟器系统功能。文献[11]提出了一种基于圆型变压器的谐波注入式逆变装置，不但降低了经济成本，而且改善了系统输出的电流波形质量。为了输出中高压可编程的电压波形，通常采用模块化多电平逆变器拓扑结构，包含二级管箝位型、飞跨电容型和级联型[12-14]，其中应用最广泛的是级联型多电平逆变器，该拓扑关键在于调制策略，其结构优点是控制简单、易于模块化，缺点是需要多路独立的直流电源。文献[15]介绍了基于移相变压器的12相多重叠加逆变器的工作原理，这种新型的逆变输出波形质量更高。文献[16]介绍了一种多模块串联输出的大容量电网模拟器装置，该设备满足电网测试的各项测试指标，其中对多个模块进行实时控制具有很大的挑战性。文献[17]对基于同轴电容结构的中压电容分压型电压互感器(Electronic voltage transformer, ECVT)的频率特性进行研究，该电容分压器虽具有较为理想的响应带宽，但需要精准的结构参数，且成本较高。文献[18]通过虚拟仪器软件和高精度数据采集卡对PT的测量数据进行误差计算和分析，得出了电磁式电压互感器在实际运行过程中的谐波特性。

基于以上文献研究成果，文中首先介绍了一种中压兆瓦级电网模拟器的拓扑结构。在控制系统中，PT作为高隔离电压传感器，其性能将直接影响到电网模拟器运行的可靠性。本文根据PT的特性进行建模分析和试验验证，得到实际情况中的PT不满足中压宽频带电压测量需求，导致系统不稳定。针对这一问题，本文给出了一种改进策略，将PT采样的工频信号作为有效值外环反馈保证稳态精度，同时增加一路低压侧电压采样提高系统电压瞬时值环带宽，并结合电感电流内环的三环控制方式。最后搭建35 kV/3 MW储能电站的电网适应性能力测试平台，通过仿真和试验证明该策略的可行性。

2 拓扑结构

如图1所示，为本文所述电网模拟器的电路结构，其主要由背靠背PWM系统组成，其中前级网侧变流器是一台大功率三相PWM整流器，提供稳定的直流电压，后级输出侧变流器由三个独立可调的、共中性点的单相逆变系统组成。其中，每个单相逆变系统由四个带变压器的单元H桥逆变器构成输入并联输出串联[19](Input parallel output series, IPOS)结构，变压器起升压、隔离的作用。该拓扑的特点如下：①相比H桥级联系统，输出侧变流器仅需一个公共的直流母线；②四个逆变单元进行载波移相多重化调制方式，输出实现四倍频的等效开关频率，降低输出电压谐波畸变率，且模块化易于维护；③变压器高压侧串联，可实现四个单元的自然均流。文中主要以单相逆变系统控制策略进行比较分析。

图1 中压兆瓦级电网模拟器拓扑

3 控制策略分析

3.1 PT性能分析

在35 kV电压等级的电网模拟器控制系统中，电压采样常用电磁式互感器。根据PT的特性可以得到PT谐波等效模型如图2所示。

图2 PT等效模型

图2中，p、s、p、s分别为PT一次侧及二次侧的漏阻和漏感，m、m分别为励磁绕组的等效电阻和电感，随着电压频率上升，电压互感器一次侧产生对地电容p，二次侧产生对地电容s，以及绕组间的电容ps。由文献[20]得到PT的化简后的传递函数

在工频段，不存在等效电容Cp、Cs、Cps，所以Hpt(s)为近似并且小于1的常数，采样误差较小。随着谐波频率的增加，电容Cs和绕组间的电容Cps容抗减小，在传递函数中的影响不可忽略，并且随着频率的增加，会出现共振现象，导致测量误差陡变。为测试PT性能，对PT的采样带宽进行了试验验证，选用JDZX9-35精确度为0.2准确等级的电压互感器进行测试，试验波形如图3所示。测试结果显示，当PT输入侧接入50 Hz/500 V正弦交流电压时，采样误差较小；当施加500 Hz/500 V方波电压时，输出信号出现了明显的滞后和失真现象。

因此，在中高压系统中，将PT的输出信号作为采样计量工具，从电能计量角度出发是满足工频信号的测量要求的，但由于受PT的带宽限制，通过PT采样作为电压瞬时值反馈时，将直接影响控制系统的稳定性。

3.2 电网模拟器系统控制策略

根据图1系统结构拓扑建立系统等效电路模型。由于系统中存在级联变压器升压拓扑，并且四个逆变单元进行载波移相多重化调制方式，共用相同的控制策略，所以对单元逆变H桥带T型变压器进行分析，将二次侧等效到一次侧，等效电路如图4所示。

图4中，1为第单元变压器一次侧漏感，2为第单元变压器二次侧漏感，为第单元变压器励磁电感，1、1分别为滤波电感和电容。其中＞＞1≈2/2，=4，变压器变比1∶2=1∶。

图4 单元H桥等效电路模型

由电路原理得

根据电气特性

得到输出电压与低压侧电容电压的传递函数

控制系统采样输出电压外环、电流内环的双闭环控制方式。为简化系统的分析，采用原理简单且易于实现的PI调节器。电压外环使输出电压跟踪输入的正弦信号，电流环控制电感上的电流快速跟踪电流指令，同时电流环具有自然限流功能，可以使逆变器在输出短路时限制最大输出电流，增加了系统的可靠性，控制框图如图5所示。

根据系统控制框图，将结构图等效化简得外环等效控制对象

其中

可以得到PT非理想情况下系统闭环传递函数为

考虑到实际情况中PT传输带宽的因素，将PT等效模型引入系统后，对比不同情况下系统闭环传递函数伯德图。从图6得到，非理想情况下PT的输出信号作为电压反馈信号，系统转折频率左移，严重影响了电压瞬时值外环的控制带宽，降低了控制系统的动态响应速度。

图6 系统闭环传递函数伯德图

3.3 改进策略

由于高压侧PT存在采样带宽问题，若直接将PT输出信号作为电压瞬时值反馈，会严重影响系统动、稳态性能。为解决PT采样反馈对控制系统的影响，增加高带宽低压瞬时值采样反馈控制，同时将PT作为工频电压有效值反馈补偿因变压器漏感、漏抗引起的输出幅值偏移，提高系统稳态精度。采用电感电流内环，低压瞬时值外环以及输出电压有效值环三环控制方式，输出电压有效值环每周期对输出电压有效值调节，同时解决双闭环PI控制器无法完全消除静差的问题，控制框图如图7所示。

图7 改进策略后系统控制框图

改进策略后直接取变压器低压侧电压作为瞬时值控制，将变压器等效成变比为的理想变压器，则系统闭环传递函数为

则改进后系统闭环传递函数的伯德图如图8所示。增加一路低压瞬时值反馈避免了PT采样带宽对系统控制的影响，提高了动态响应度，同时增加了PT工频有效值反馈，提高了输出电压的稳态精度。

4 仿真与试验

4.1 仿真验证

为验证理论的正确性和可行性，在Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型，其中仿真参数见表1。

表1 中压电网模拟器仿真参数

图9为电压指令跌落至额定电压的30%时，PT理想情况下采样反馈、PT非理想情况下采样反馈和控制策略改进后的三种方式仿真的输出电压电流波形。仿真结果显示PT非理想情况下控高压侧电压在电压指令阶跃时，电压瞬时值反馈信号跟踪不上指令信号，输出电压和电流出现振荡不可控现象；PT理想情况下控高压侧电压和改进策略控低压侧电压都可实现系统稳定运行，并且可以稳定模拟电压跌落的电网特性。

4.2 试验验证

搭建了试验平台，本次试验测试借用德微创DEWE-5000录波器对输出电压进行录波记录，探头型号为PNA-CLAMP-5。电网模拟器输出侧接入35 kV电化学储能电站，模拟电网故障测试储能电站的电网适应性能力，测试平台如图10所示。

图10 电网模拟器试验平台

电网模拟器输出侧高压采样的电压互感器的型号为JDZX9-35，精确度为0.5准确等级，改进策略中增加的低压采样，选用莱姆公司LV25-P型号的霍尔电压传感器。测试带载运行情况下，对比采用PT作为瞬时值反馈信号和改进策略两种控制方式下的电压跌落试验，试验波形如图11所示。测试内容主要是对不同工况下电压、电流波形测量以及直挂式35 kV储能电站的运行状态检测。

图11 模拟电压跌落的试验波形

图11a是将PT输出信号直接作为电压反馈的电压跌落试验波形，图11b、图11c分别是改进策略后的三相电压跌落、渐变和两相电压跌落、渐变的试验波形。试验结果显示，在模拟电压跌落试验时，PT输出信号作为电压瞬时值反馈跟踪不上指令值，电压跌落时出现了振荡及过流停机现象，与仿真结果相同，因此论证了实际情况下的PT存在采样带宽问题，影响了系统的稳定性。而改进策略后的系统可以稳定地模拟电网电压跌落故障，跌落响应时间在5 ms左右，35 kV储能电站连续运行，顺利完成测试内容。同时改进策略后的中压电网模拟器按照标准[3-5]可以满足以下性能指标要求，如表2所示。

表2 中压电网模拟器主要的性能指标

5 结论

文中针对PT采样特性对系统控制策略的影响进行分析，并通过仿真和试验进行对比验证，高隔离电压传感器PT的输出信号作为电压瞬时值反馈是不满足采样带宽需求的，影响了系统的动、稳态性能。本文给出了增加一路高频带低电压瞬时值反馈的改进策略，将PT输出信号作为工频电压有效值环反馈，通过低压瞬时值环反馈控制电压瞬时值跟踪速度，不但避免了PT采样带宽对控制系统的影响，而且该系统能够准确地复现中压电网故障波形。经仿真分析和试验验证该电网模拟器拓扑结构的可行性和理论控制的正确性。这也给关于中高压大功率逆变器系统方向的研究者提供了一种思路。

[1] 韦钢，吴伟力，胡丹云，等. 分布式电源及其并网时对电网的影响[J]. 高电压技术，2007，33(1)：36-40.

WEI Gang，WU Weili，HU Danyun，et al. Distributed generation and effects of its parallel operation on power system[J]. High Voltage Engineering，2007，33(1)：36-40.

[2] 许梦琪. 一种分布式电源接入电网的适应性评价方法[J]. 电力与能源，2019，40(1)：73-77.

XU Mengqi. A method for adaptability evaluating of grid-connected distributed generation[J]. Power & Energy，2019，40(1)：73-77.

[3] 张项安，张新昌，唐云龙，等. 微电网孤岛运行的自适应主从控制技术研究[J]. 电力系统保护与控制，2014，42(2)：81-86.

ZHANG Xiangan，ZHANG Xinchang，TANG Yunlong，et al. Research on adaptive master-alave control of the islande micro-grid[J]. Power System Protection and Control，2014，42(2)：81-86.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 19964—2012光伏发电站接入电力系统技术规定[S]. 北京：中国标准出版社，2012.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China，Standardization Administration of the People’s Republic of China. GB/T 19964—2012，Technical requirements for connecting photovoltaic power station to power system[S]. Beijing：Standards Press of China，2012.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 36548—2018电化学储能系统接入电网测试规范[S]. 北京：中国标准出版社，2018.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China，Standardization Administration of the People’s Republic of China. GB/T 36548—2018 Test specification for electrochemical energy storage system connected to power grid[S]. Beijing：Standards Press of China，2018.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定[S]. 北京：中国标准出版社，2012.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China，Standardization Administration of the People’s Republic of China. GB/T 19963—2011 Technical rule for connecting wind farm to power network[S]. Beijing：Standards Press of China，2012.

[7] 张长春，徐钒，胡治龙，等. 大功率可编程电网模拟器装置的研究[J]. 高压电器，2018，54(1)：189-193.

ZHANG Changchun，XU Fan，HU Zhilong，et al. Research on high-power programmable power-grid simulator[J]. High Voltage Apparatus，2018，54(1)：189-193.

[8] 王晓薇，程永华. 基于DSP双环控制的逆变电源设计[J]. 电力电子技术，2004，38(6)：4-6.

WANG Xiaowei，CHENG Yonghua. Design of double-loops control for inverter based on DSP[J]. Power Electronics，2004，38(6)：4-6.

[9] 王博超. 基于LC滤波器的单相SPWM逆变器双环控制[J].电工电气，2017，4：21-25.

WANG Bochao. Design of double loop control in single-phase sinusoidal pulse width modulation inverter based on filter[J]. Electrician Electric，2017，4：21-25.

[10] 朱虹，张兴，李飞，等. 大功率电网模拟器系统研究[J]. 电源学报，2017，15(3)：163-167.

ZHU Hong，ZHANG Xing，LI Fei，et al. Research of high-power grid simulator system[J]. Journal of Power Supply，2017，15(3)：163-167.

[11] 冯进，王铁军，熊欣，等. 基于圆形变压器的24阶梯波逆变装置[J]. 电工技术学报，2018，33(1)：157-164.

FENG Jin，WANG Tiejun，XIONG Xin，et al. A 24-step inverter device on round-shaped transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2018，33(1)：157-164.

[12] 赵伟，郭靖梅，刘正富，等. 基于模块化多电平换流器并联方案的大容量海上风电机组并网一体化测试装置参数设计及验证[J]. 南方电网技术，2021，15(1)：10-18.

ZHAO Wei，GUO Jingmei，LIU Zhengfu，et al. Parameter design and verification of integrated test equipment for large-capacity offshore wind turbines based on modular multilevel converters in parallel[J]. Southern Power System Technology，2021，15(1)：10-18.

[13] 叶满园，康力璇，陈乐，等. 级联多电平逆变器优化调制策略[J]，高电压技术，2019，45(11)：3612-3619.

YE Manyuan，KANG Lixuan，CHEN Le，et al. Optimization of modulation strategy for cascaded multi-level inverter[J]. High Voltage Engineering，2019，45(11)：3612-3619.

[14] 胡文华，刘剑锋. 双低压单元混合级联逆变器的改进载波层叠调制策略[J]. 电测与仪表，2019，56(14)：130-136.

HU Wenhua，LIU Jianfeng. An improved carrier-stack modulation strategy for hybrid cascaded inverter with dual low-voltage cells[J]. Electrical Measurement & Instrumentation，2019，56(14)：130-136.

[15] 赵镜红，马远征，孙盼. 基于直线式移相变压器的多重叠加逆变系统[J]. 电力自动化设备，2019，39(12)：183-188.

ZHAO Jinghong，MA Yuanzheng，SUN Pan. Multi-module inverter system based on linear phase-shifting transformer[J]. Electric Power Automation Equipment，2019，39(12)：183-188.

[16] 李佳曼，万文军，苏伟，等. 大容量储能移动式并网测试装置设计及实验[J]，广东电力，2020，33(10)：9-15.

LI Jiaman，WAN Wenjun，SU Wei，et al. Design and test of large-capacity energy storage mobile grid-connect test device[J]. Guangdong Electric Power，2020，33(10)：9-15.

[17] 张宇. 中压电容分压型电子式电压互感器的频率特性研究[D]. 武汉：华中科技大学，2017.

ZHANG Yu. Researches on the frequency characteristic of MV electronic voltage transformer based on the principle of capacitive voltage divider[D]. Wuhan：Huazhong University of Science & Technology，2017.

[18] 姜春阳，刘俭，王雪，等. 电磁式电压互感器谐波误差测量方法研究[J]. 中国测试，2021，47(3)：163-168.

JIANG Chunyang，LIU Jian，WANG Xue，et al. Research on the measure method of harmonic voltage measurement characteristic of inductive voltage transformer[J]. China Measurement & Test，2021，47(3)：163-168.

[19] 李建林，王立乔. 载波相移调制技术及其在大功率变流器的应用[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

LI Jianlin，WANG Liqiao. Carrier phase shift modulation technology and its application in high-power converters[M]. Beijing：China Machine Press，2009.

[20] 李玉超，刘开培，乐健，等. 电磁式电压互感器频域测量误差分析[J]. 电测与仪表，2016，53(8)：50-56.

LIU Yuchao，LIU Kaipei，LE Jian，et al. Analysis on measurement error of electromagnetic voltage transformer in frequency domain[J]. Electrical Measurement & Instrumentation，2016，53(8)：50-56.

Voltage Sampling Influence and Improvement Strategy of Medium Voltage Megawatt Power Grid Simulator

SUN Yong1, 2SU Jianhui1LAI Jidong1WANG Qingfa1, 2DONG Lei1, 2

(1. The Ministry of Education Photovoltaic System Engineering Research Center, Hefei University of Technology, Hefei 230009;2. Changzhou Sino Sea Electric Power Technology Co., Ltd., Changzhou 213001)

In order to test the grid adaptability of MW-level and medium voltage direct-connected grid connected power generation systems such as photovoltaic power station, wind turbine and pumped storage plant, a 35 kV/3 MW grid simulator topology is introduced. However, limited by the sampling accuracy of potential transformer (PT), the direct use of PT output signal as the feedback of voltage regulator will seriously reduce the control bandwidth of the system and affect the dynamic and steady-state performance of the system output voltage. The frequency domain modeling is carried out according to the characteristics of PT, the influence of PT sampling on the system control is analyzed, and an improved control strategy is proposed. The output voltage of PT is used as the feedback of the effective value loop to ensure the steady-state accuracy. At the same time, the high-bandwidth and low-voltage instantaneous value sampling control is added to track the voltage command, so that the output characteristics of the power grid simulator can meet the requirements. The experimental prototype of 35 kV/3 MW power grid simulator verifies the feasibility and correctness of the control scheme.

Medium voltage power grid simulator；potential transformer；low voltage instantaneous value feedback；voltage RMS feedback

10.11985/2021.04.026

TM464

* 中央科研基本业务支持资助项目(PA2020GDGP0053)。

20210418收到初稿，20211017收到修改稿

孙勇(通信作者)，男，1995年生，硕士研究生。主要研究方向为电力电子技术及电网模拟器。E-mail：975464026@qq.com

苏建徽，男，1963年生，博士，教授。主要研究方向为光伏发电、微网、储能及电力传动技术。E-mail：su_chen@126.com

赖纪东，男，1981年生，博士，副教授。主要研究方向为分布式发电与微电网技术、电力变换节能技术。E-mail：laijidong@126.com

王庆发，男，1994年生，硕士研究生。主要研究方向为电力电子技术及微电网控制技术。E-mail：116407035@qq.com

董磊，男，1994年生，硕士研究生。主要研究方向为兆瓦级逆变器及其控制策略。E-mail：406863799@qq.com