中壓兆瓦級電網模擬器電壓采樣影響及改進策略*

孫 勇 蘇建徽 賴紀東 王慶發 董 磊

中壓兆瓦級電網模擬器電壓采樣影響及改進策略*

孫 勇1, 2蘇建徽1賴紀東1王慶發1, 2董 磊1, 2

(1. 合肥工業大學光伏系統教育工程研究中心 合肥 230009；2. 常州中海電力科技有限公司 常州 213001)

為測試光伏電站、風電機組以及儲能電站等兆瓦級、中壓直掛式并網發電系統的電網適應性能力，介紹一種35 kV/3 MW電網模擬器拓撲。然而，受電壓互感器(Potential transformer，PT)采樣精度限制，直接采用PT輸出信號作為電壓調節器反饋，會嚴重降低系統的控制帶寬，影響系統輸出電壓的動、穩態性能。根據PT特性進行頻域建模，分析PT采樣對系統控制的影響，并提出一種改進的控制策略，將PT輸出電壓作為有效值環反饋來保證穩態精度，同時增加高帶寬低壓瞬時值采樣控制來跟蹤電壓指令，以使電網模擬器的輸出特性滿足要求。35 kV/3 MW電網模擬器的試驗樣機驗證了該控制方案的可行性和正確性。

中壓電網模擬器；電壓互感器；低壓瞬時值反饋；電壓有效值反饋

1 引言

隨著并網發電系統數量和容量的增加，電網要求它們能夠及時、有效地應對電網的異常及擾動，比如頻率波動、電壓跌落以及諧波變化[1-3]等。此外國網公司為檢測這些大功率直掛式發電系統并入電網的適應性能力，制定了一系列并網測試相關的標準和規范[4-6]。受檢測實驗室電網電壓和容量限制，難以對中高壓、大功率發電系統的電網適應性能力進行有效的測試，所以迫切需要研制出一臺可以穩定復現中高壓電網故障的電網模擬器[7]。

傳統的電網模擬器多采用LC型濾波器結構，通過電流內環、電壓外環雙環PI控制策略[8-9]，然而受功率開關器件的工作電壓和開關頻率的限制，導致輸出電能質量下降，無法達到高壓大功率的目標。文獻[10]采用串聯注入式變壓器組將諧波模塊的高次諧波電壓耦合到基波模塊輸出的基波電壓上，實現了大功率電網模擬器系統功能。文獻[11]提出了一種基于圓型變壓器的諧波注入式逆變裝置，不但降低了經濟成本，而且改善了系統輸出的電流波形質量。為了輸出中高壓可編程的電壓波形，通常采用模塊化多電平逆變器拓撲結構，包含二級管箝位型、飛跨電容型和級聯型[12-14]，其中應用最廣泛的是級聯型多電平逆變器，該拓撲關鍵在于調制策略，其結構優點是控制簡單、易于模塊化，缺點是需要多路獨立的直流電源。文獻[15]介紹了基于移相變壓器的12相多重疊加逆變器的工作原理，這種新型的逆變輸出波形質量更高。文獻[16]介紹了一種多模塊串聯輸出的大容量電網模擬器裝置，該設備滿足電網測試的各項測試指標，其中對多個模塊進行實時控制具有很大的挑戰性。文獻[17]對基于同軸電容結構的中壓電容分壓型電壓互感器(Electronic voltage transformer, ECVT)的頻率特性進行研究，該電容分壓器雖具有較為理想的響應帶寬，但需要精準的結構參數，且成本較高。文獻[18]通過虛擬儀器軟件和高精度數據采集卡對PT的測量數據進行誤差計算和分析，得出了電磁式電壓互感器在實際運行過程中的諧波特性。

基于以上文獻研究成果，文中首先介紹了一種中壓兆瓦級電網模擬器的拓撲結構。在控制系統中，PT作為高隔離電壓傳感器，其性能將直接影響到電網模擬器運行的可靠性。本文根據PT的特性進行建模分析和試驗驗證，得到實際情況中的PT不滿足中壓寬頻帶電壓測量需求，導致系統不穩定。針對這一問題，本文給出了一種改進策略，將PT采樣的工頻信號作為有效值外環反饋保證穩態精度，同時增加一路低壓側電壓采樣提高系統電壓瞬時值環帶寬，并結合電感電流內環的三環控制方式。最后搭建35 kV/3 MW儲能電站的電網適應性能力測試平臺，通過仿真和試驗證明該策略的可行性。

2 拓撲結構

如圖1所示，為本文所述電網模擬器的電路結構，其主要由背靠背PWM系統組成，其中前級網側變流器是一臺大功率三相PWM整流器，提供穩定的直流電壓，后級輸出側變流器由三個獨立可調的、共中性點的單相逆變系統組成。其中，每個單相逆變系統由四個帶變壓器的單元H橋逆變器構成輸入并聯輸出串聯[19](Input parallel output series, IPOS)結構，變壓器起升壓、隔離的作用。該拓撲的特點如下：①相比H橋級聯系統，輸出側變流器僅需一個公共的直流母線；②四個逆變單元進行載波移相多重化調制方式，輸出實現四倍頻的等效開關頻率，降低輸出電壓諧波畸變率，且模塊化易于維護；③變壓器高壓側串聯，可實現四個單元的自然均流。文中主要以單相逆變系統控制策略進行比較分析。

圖1 中壓兆瓦級電網模擬器拓撲

3 控制策略分析

3.1 PT性能分析

在35 kV電壓等級的電網模擬器控制系統中，電壓采樣常用電磁式互感器。根據PT的特性可以得到PT諧波等效模型如圖2所示。

圖2 PT等效模型

圖2中，p、s、p、s分別為PT一次側及二次側的漏阻和漏感，m、m分別為勵磁繞組的等效電阻和電感，隨著電壓頻率上升，電壓互感器一次側產生對地電容p，二次側產生對地電容s，以及繞組間的電容ps。由文獻[20]得到PT的化簡后的傳遞函數

在工頻段，不存在等效電容Cp、Cs、Cps，所以Hpt(s)為近似并且小于1的常數，采樣誤差較小。隨著諧波頻率的增加，電容Cs和繞組間的電容Cps容抗減小，在傳遞函數中的影響不可忽略，并且隨著頻率的增加，會出現共振現象，導致測量誤差陡變。為測試PT性能，對PT的采樣帶寬進行了試驗驗證，選用JDZX9-35精確度為0.2準確等級的電壓互感器進行測試，試驗波形如圖3所示。測試結果顯示，當PT輸入側接入50 Hz/500 V正弦交流電壓時，采樣誤差較小；當施加500 Hz/500 V方波電壓時，輸出信號出現了明顯的滯后和失真現象。

因此，在中高壓系統中，將PT的輸出信號作為采樣計量工具，從電能計量角度出發是滿足工頻信號的測量要求的，但由于受PT的帶寬限制，通過PT采樣作為電壓瞬時值反饋時，將直接影響控制系統的穩定性。

3.2 電網模擬器系統控制策略

根據圖1系統結構拓撲建立系統等效電路模型。由于系統中存在級聯變壓器升壓拓撲，并且四個逆變單元進行載波移相多重化調制方式，共用相同的控制策略，所以對單元逆變H橋帶T型變壓器進行分析，將二次側等效到一次側，等效電路如圖4所示。

圖4中，1為第單元變壓器一次側漏感，2為第單元變壓器二次側漏感，為第單元變壓器勵磁電感，1、1分別為濾波電感和電容。其中＞＞1≈2/2，=4，變壓器變比1∶2=1∶。

圖4 單元H橋等效電路模型

由電路原理得

根據電氣特性

得到輸出電壓與低壓側電容電壓的傳遞函數

控制系統采樣輸出電壓外環、電流內環的雙閉環控制方式。為簡化系統的分析，采用原理簡單且易于實現的PI調節器。電壓外環使輸出電壓跟蹤輸入的正弦信號，電流環控制電感上的電流快速跟蹤電流指令，同時電流環具有自然限流功能，可以使逆變器在輸出短路時限制最大輸出電流，增加了系統的可靠性，控制框圖如圖5所示。

根據系統控制框圖，將結構圖等效化簡得外環等效控制對象

其中

可以得到PT非理想情況下系統閉環傳遞函數為

考慮到實際情況中PT傳輸帶寬的因素，將PT等效模型引入系統后，對比不同情況下系統閉環傳遞函數伯德圖。從圖6得到，非理想情況下PT的輸出信號作為電壓反饋信號，系統轉折頻率左移，嚴重影響了電壓瞬時值外環的控制帶寬，降低了控制系統的動態響應速度。

圖6 系統閉環傳遞函數伯德圖

3.3 改進策略

由于高壓側PT存在采樣帶寬問題，若直接將PT輸出信號作為電壓瞬時值反饋，會嚴重影響系統動、穩態性能。為解決PT采樣反饋對控制系統的影響，增加高帶寬低壓瞬時值采樣反饋控制，同時將PT作為工頻電壓有效值反饋補償因變壓器漏感、漏抗引起的輸出幅值偏移，提高系統穩態精度。采用電感電流內環，低壓瞬時值外環以及輸出電壓有效值環三環控制方式，輸出電壓有效值環每周期對輸出電壓有效值調節，同時解決雙閉環PI控制器無法完全消除靜差的問題，控制框圖如圖7所示。

圖7 改進策略后系統控制框圖

改進策略后直接取變壓器低壓側電壓作為瞬時值控制，將變壓器等效成變比為的理想變壓器，則系統閉環傳遞函數為

則改進后系統閉環傳遞函數的伯德圖如圖8所示。增加一路低壓瞬時值反饋避免了PT采樣帶寬對系統控制的影響，提高了動態響應度，同時增加了PT工頻有效值反饋，提高了輸出電壓的穩態精度。

4 仿真與試驗

4.1 仿真驗證

為驗證理論的正確性和可行性，在Matlab/Simulink環境下搭建了仿真模型，其中仿真參數見表1。

表1 中壓電網模擬器仿真參數

圖9為電壓指令跌落至額定電壓的30%時，PT理想情況下采樣反饋、PT非理想情況下采樣反饋和控制策略改進后的三種方式仿真的輸出電壓電流波形。仿真結果顯示PT非理想情況下控高壓側電壓在電壓指令階躍時，電壓瞬時值反饋信號跟蹤不上指令信號，輸出電壓和電流出現振蕩不可控現象；PT理想情況下控高壓側電壓和改進策略控低壓側電壓都可實現系統穩定運行，并且可以穩定模擬電壓跌落的電網特性。

4.2 試驗驗證

搭建了試驗平臺，本次試驗測試借用德微創DEWE-5000錄波器對輸出電壓進行錄波記錄，探頭型號為PNA-CLAMP-5。電網模擬器輸出側接入35 kV電化學儲能電站，模擬電網故障測試儲能電站的電網適應性能力，測試平臺如圖10所示。

圖10 電網模擬器試驗平臺

電網模擬器輸出側高壓采樣的電壓互感器的型號為JDZX9-35，精確度為0.5準確等級，改進策略中增加的低壓采樣，選用萊姆公司LV25-P型號的霍爾電壓傳感器。測試帶載運行情況下，對比采用PT作為瞬時值反饋信號和改進策略兩種控制方式下的電壓跌落試驗，試驗波形如圖11所示。測試內容主要是對不同工況下電壓、電流波形測量以及直掛式35 kV儲能電站的運行狀態檢測。

圖11 模擬電壓跌落的試驗波形

圖11a是將PT輸出信號直接作為電壓反饋的電壓跌落試驗波形，圖11b、圖11c分別是改進策略后的三相電壓跌落、漸變和兩相電壓跌落、漸變的試驗波形。試驗結果顯示，在模擬電壓跌落試驗時，PT輸出信號作為電壓瞬時值反饋跟蹤不上指令值，電壓跌落時出現了振蕩及過流停機現象，與仿真結果相同，因此論證了實際情況下的PT存在采樣帶寬問題，影響了系統的穩定性。而改進策略后的系統可以穩定地模擬電網電壓跌落故障，跌落響應時間在5 ms左右，35 kV儲能電站連續運行，順利完成測試內容。同時改進策略后的中壓電網模擬器按照標準[3-5]可以滿足以下性能指標要求，如表2所示。

表2 中壓電網模擬器主要的性能指標

5 結論

文中針對PT采樣特性對系統控制策略的影響進行分析，并通過仿真和試驗進行對比驗證，高隔離電壓傳感器PT的輸出信號作為電壓瞬時值反饋是不滿足采樣帶寬需求的，影響了系統的動、穩態性能。本文給出了增加一路高頻帶低電壓瞬時值反饋的改進策略，將PT輸出信號作為工頻電壓有效值環反饋，通過低壓瞬時值環反饋控制電壓瞬時值跟蹤速度，不但避免了PT采樣帶寬對控制系統的影響，而且該系統能夠準確地復現中壓電網故障波形。經仿真分析和試驗驗證該電網模擬器拓撲結構的可行性和理論控制的正確性。這也給關于中高壓大功率逆變器系統方向的研究者提供了一種思路。

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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

* 中央科研基本業務支持資助項目(PA2020GDGP0053)。

20210418收到初稿，20211017收到修改稿

孫勇(通信作者)，男，1995年生，碩士研究生。主要研究方向為電力電子技術及電網模擬器。E-mail：975464026@qq.com

蘇建徽，男，1963年生，博士，教授。主要研究方向為光伏發電、微網、儲能及電力傳動技術。E-mail：su_chen@126.com

賴紀東，男，1981年生，博士，副教授。主要研究方向為分布式發電與微電網技術、電力變換節能技術。E-mail：laijidong@126.com

王慶發，男，1994年生，碩士研究生。主要研究方向為電力電子技術及微電網控制技術。E-mail：116407035@qq.com

董磊，男，1994年生，碩士研究生。主要研究方向為兆瓦級逆變器及其控制策略。E-mail：406863799@qq.com