（电力电子与电力传动专业论文）大功率电网模拟器的拓扑与控制研究.pdf

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特i i i i 以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金蟹工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：多髫! i i i i 日期：矽f f 年彳月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目巴i 些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：孑噬， 导师签名： k ，一流写 签字日期：知i j 年母月乃3 日i i ! i i - 字i i i i ：2 - o 1 年4 月枷日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 大功率电网模拟器的拓扑与控制研究 摘要 由于清洁性以及经济性，分布式发电被视为未来电力行业发展的重要方向。 近年来，随着越来越多的分布式发电系统接入电网，各国电网公司都对分布式 发电系统提出了新的严格要求，即要求在电网出现故障时分布式发电系统可以 继续并网运行并发出有功或无功来支持电网。因此在分布式发电系统的研究中， 研究系统在这些故障条件下的运行特性非常重要。 然而由于电网的目标是提供标准的三相正弦电压，各种形式的电网故障并 不常见。因此在对分布式发电系统进行测试时，仅通过电网很难复现出故障情 况，需要专门的设备或仪器来模拟上述故障。 为了满足研究需要，本文提出了一种高性能的多功能电网模拟器，不仅可 以输出正常的电网电压，而且可以模拟诸如电压跌落、频率偏移、三相不平衡 以及电压包含谐波等常见故障。 根据常见的电网故障和相关的国际标准要求，本文总结了电网模拟器应实 现的功能。包括：模拟正常情况下的标准电网电压，模拟诸如电压跌落( 包括平 衡跌落和不平衡跌落) 、电压变动、频率偏移、电压三相不平衡、谐波和间谐波 畸变等电网故障。 研究了电网模拟器的主电路形式，将整个系统分为三个单相子系统，每个 子系统模拟电网的其中一相。三个子系统均为a c d c a c 的形式。在a c d c 环 节，采用三相p w m 整流器使得能量可以回馈电网，实现系统的四象限运行； d c a c 环节采用单相p w m 逆变器产生交流电压以模拟电网。 给出了系统控制的设计过程，将模拟器的工作模式分为基波模式和谐波模 式，在不同的工作模式下采用不同的控制方法。基波模式下模拟电压跌落、频 率偏移、三相不平衡等对系统动态性能要求较高的故障情况，因此采用双闭环 控制方法，谐波模式下采用电压有效值反馈的控制方式以保证高次谐波电压的 输出。由于输出l c 滤波器可以看作是一个随着频率变化增益不断变化的放大 器，因此本文分析了l c 滤波器的幅频特性，并研究了l c 滤波器对高次谐波的放 大作用。并且在谐波电压的控制过程中，采用了在谐波电压给定环节加了前馈 系数的方式来抑制主电路对高次谐波电压的放大。 最后搭建了3 0 k w 模拟器研究平台，仿真和试验结果均证明了所提出电路 拓扑以及控制方案的有效性。 关键词：电网模拟器；电压跌落；频率偏移；三相不平衡；谐波畸变 t ot h ep o w e rs y s t e m ，n e wg r i dc o d e sw e r ei s s u e dp r e s c r i b i n gh o wt h ed gs y s t e m s h a v et os u p p o r tt h en e t w o r kd u r i n gp o w e rd is t u r b a n c e si nt h en e t w o r k ，t h e r e f o r ei t i se s s e n t i a lt oa n a l y z et h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s es y s t e m sd u r i n gt h ef a u l t c o n d i t i o n s s i n c eg o o dp o w e rq u a l i t yi st h em a i ng o a lo fp o w e rs u p p l y ，g r i df a u l t c o n d i t i o n sd on o te x i s ta se x p e c t e dw h e nd gs y s t e m sa r et e s t e da tl a b o r a t o r y ，a sa r e s u l t ，i ti si m p o s s i b l et os i m u l a t et h e s ef a u l tc o n d i t i o n si nt h el a b o r a t o r yw i t h o u t s p e c i a le q u i p m e n t ，an e e da r i s e st h a tw eh a v eah a r d w a r es e t - u pt og e n e r a t et h e d i f f e r e n tg r i df a u l t s i nt h i sp a p e r ，ah i g hp e r f o r m a n c eg r i ds i m u l a t o rw i t hv a r i a b l ev o l t a g ea n d f r e q u e n c yi sp r o p o s e dt op r o v i d et h r e e p h a s e s i n u s o i d a lv o l t a g ea n dg e n e r a t e t y p i c a lg r i df a u l ts i t u a t i o n sl i k ev o l t a g es a g ，f r e q u e n c yd e v i a t i o n s ，u n b a l a n c ea n d h a r m o n i cd i s t o r t i o nw h i c ha r ec o m m o ni nt h er e a lw o r l dg r i d b a s e do ni n t e r n a t i o n a ls p e c i f i c a t i o n sa n dc o m m o ng r i df a u l t s ，t h en e c e s s a r y f u n c t i o n a l i t yo ft h eg r i ds i m u l a t o ri sd e r i v e d i ti sr e q u i r e dt h a tt h eg r i ds i m u l a t o r s h o u l db ea b l et og e n e r a t er a t e dt h r e e p h a s es y m m e t r i cv o l t a g et os i m u l a t es t a n d a r d g r i d ，t oi m i t a t eg r i df a u l t ss u c ha sv o l t a g ed i p ( b a l a n c ed i pa n du n b a l a n c ed i p ) ， v o l t a g ev a r i a t i o n ，f r e q u e n c yd e v i a t i o n ，u n b a l a n c e dv o l t a g e ，h a r m o n i c a n d i n t e r h a r m o n i cd i s t o r t i o n t h et o p o l o g yo fg r i ds i m u l a t o ri sd i s c u s s e d t h es y s t e mi n c l u d e st h r e e s u b s y s t e m s ，i ne v e r ys u b s y s t e m ，a na c d c a cs t r u c t u r ei sa p p l i e d i nt h ea c d c p a r t ，ap w mc o n v e r t e ri sa p p l i e dt og u a r a n t e et h ef o u rq u a d r a n to p e r a t i o n i nt h e a c - d cp a r t ，ap w mi n v e r t e ri su s e dt og e n e r a t ea cv o l t a g et os i m u l a t et h eg r i d s i t u a t i o n t h ew h o l ec o n t r o ld e s i g n p r o c e d u r e i s g i v e no u t t o a c h i e v et h eb e s t p e r f o r m a n c eo ft h es i m u l a t o r ，w o r k i n gm o d eo ft h e s i m u l a t o ri sd i v i d e di n t o f u n d a m e n t a lm o d ea n dh a r m o n i cm o d ea n dd i f f e r e n tc o n t r o ls c h e m e sa r ea p p l i e di n t h e s et w ow o r k i n gm o d e i nt h ef u n d a m e n t a lm o d e ，m u l t i p l ef e e d b a c kl o o pc o n t r o l s c h e m ei sa p p l i e dt oa c q u i r eb e t t e rd y n a m i cc h a r a c t e r ，t h ef a u l tp h e n o m e n as u c ha s v o l t a g ed i p ，f r e q u e n c yd e v i a t i o na n du n b a l a n c ea r es i m u l a t e di n t h i sm o d e i n h a r m o n i cm o d e ，v o l t a g er m sf e e d b a c kl o o pc o n t r o li s a p p l i e ds ot h a th i g h - o r d e r h a r m o n i cv o l t a g ew o u l dn o tb ee l i m i n a t e db yt h ec l o s el o o p s i n c et h el cf i l t e rc a nb em o d e l e da sa na m p l i f i e rw i t hv a r i a b l eg a i nw h i c h e n l a r g e s w i t h i n c r e a s i n gf r e q u e n c y , h i g ho r d e r h a r m o n i c v o l t a g e w o u l db e a m p l i f i e db yt h eo u t p u tf i l t e r i no r d e rt oa v o i dt h i sa m p l i f i c a t i o ne f f e c t ，t h e a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c o fl cf i l t e ri s g i v e na n d af e e d f o r w a r d c o e f f i c i e n ti sa p p l i e di nc a l c u l a t i o no ft h er e f e r e n c es i g n a lf o rh a r m o n i cv o l t a g e i nt h ee n d ，a3 0 k wg r i ds i m u l a t o rw a sb u i l t ，a l lt h ea b o v e m e n t i o n e dc o n t r o i s t r a t e g i e sh a v eb e e nv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r d s ：g r i ds i m u l a t o r ；v o l t a g ed i p ；f r e q u e n c yd e v i a t i o n ；u n b a l a n c e dv o l t a g e ； h a r m o n i cv o l t a g e 致谢 光阴荏苒，两年多的硕士生活即将结束，回望两年多的研究学习生活，感 慨万千，值此论文脱稿之际，谨向培养、关心和帮助我的人致以最诚挚的谢意。 首先我要向我的导师张兴教授致以最诚挚的感谢。本文是在张兴教授的悉 心指导下完成的，从课题选择、研究方向和研究方案的确立，无不倾注着张老 师的悉心指导与亲切教诲。两年半的时间，张老师为我们提供了优越的科研环 境和学习条件，培养了每一位学生独立从事科研的能力。他深厚的学术造诣、 细致求实的治学作风、兢兢业业的工作态度和开拓创新的科学精神，是我学习 的楷模，令我受益终身。而张老师积极向上、诚实守信的为人风格更令我深感 敬佩。在此，谨向导师张兴教授致以深深的敬意，并由衷地表示感谢。 由衷感谢刘芳师姐在课题研究和电路调试过程中的鼎力相助，刘芳师姐高 度的责任心、精益求精的工作作风都给我留下了深刻的印象，在刘芳师姐的帮 助下，我的知识水平和思考问题的能力都有了大幅的提高，这些都将对我今后 的工作以及学习产生积极的影响，再次向刘芳师姐表示感谢。 在课题的准备和研究过程中，还得到了杨淑英老师、谢震老师和王付胜老 师的热心指点，为论文的撰写打下了坚实的基础，在此，对于几位老师在百忙 之中的指导表示感谢。 此外，论文的完成过程中得到了陈武、丁杰、邵章平、郭海滨、刘震、张 虎、查乐等同学的大力合作与支持，再次向他们的鼓励和帮助表示由衷的感谢。 衷心感谢实验室所有的师兄师姐师弟师妹对我的关心和帮助，能够在这样一个 积极迸取、团结向上的团队中学习，我深感幸运，在此向鲁力、余畅舟等表示 感谢。 感谢合肥工业大学这一培养人才的沃土，赋予我知识，铸造我人格。深深 感谢电气学院的各位恩师的教诲和关心! 衷心感谢父母和家人多年来对我的关心和培育，感谢你们对我一如既往的 支持，正是因为有了你们的爱护，才让我有信心不断地学习和前进。 最后，祝愿所有关心和帮助过我的师长、同学、朋友和亲人身体健康，工 作顺利! 王莹 2 0 11 年3 月2 8 日 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 目录 绪论1 分布式发电的发展现状1 分布式发电并网的挑战一2 电网电压模拟装置的研究现状5 1 3 1 电压跌落装置的研究现状5 1 3 2 电网模拟器的研究现状6 本文主要内容8 电网模拟器的功能要求一1o 电网故障及其危害一10 2 1 1 电网动态故障1 0 2 1 1 1 电压幅值突变1 0 2 1 1 2 电压频率突变1 3 2 1 2 电网静态故障1 3 2 1 2 1 电压三相不平衡1 4 2 1 2 2 波形畸变。15 2 2 电网模拟器功能及性能要求1 6 第三章电网模拟器的拓扑结构与工作原理1 9 3 1 电网模拟器的主电路形式1 9 3 2 电网模拟器主电路拓扑结构1 9 3 2 1 整流环节的拓扑结构选择1 9 3 2 2 逆变环节的拓扑结构选择2 0 3 3 电网模拟器的工作原理分析2 3 第四章电网模拟器的控制策略研究。2 5 4 1 单相p w m 逆变器的建模2 5 4 2 逆变侧控制方式的选择2 7 4 2 1 基波模式下的系统控制2 7 4 2 2 谐波模式下的系统控制。2 9 4 3 逆变侧滤波参数设计3 l 4 3 1 逆变侧电感选择3 1 4 3 2 逆变侧电容设计3 2 4 3 3 滤波器截止频率要求一3 2 4 4 控制器设计3 3 4 4 1 基波模式下控制系统设计3 3 4 4 1 1 电感电流内环调节器设计3 3 3 8 4 3 4 4 4 4 5 1 1 主电路参数选择4 5 5 1 2 系统控制软件设计4 5 5 1 2 1 主程序设计4 5 5 1 2 2 中断服务程序设计4 6 5 1 2 3 给定信号计算程序设计4 8 5 1 3 三相之间的通讯设计5 0 5 2 仿真分析5 2 5 3 实验结果分析5 5 5 3 1 空载及阻性负载实验一5 6 5 3 2 整流器负载实验5 9 5 3 3 并网逆变器负载实验6 3 第六章总结。6 6 6 1 本文工作总结一6 6 6 2 展望6 6 参考文献6 8 图1 2 阻抗形式的电压跌落装置5 图1 - 3 变压器形式的电压跌落装置6 图l _ 4 基于电力电子变换的电压跌落装置一6 图1 5 实际逆变电路与虚拟的正交电路示意图一7 图1 6 电网模拟器的等效电路形式7 图2 1 电压跌落与电压短时中断示意图1 1 图2 2 电压变化故障示意图1 1 图2 3 电压变动测试示意图1 3 图2 4 测试条件下电压频率变化示意图1 3 图2 5 三相不平衡电压分解示意图1 4 图2 6 模拟电网电压跌落示意图l7 图2 7 模拟频率变化示意图17 图2 8 模拟电压三相不平衡示意图18 图2 - 9 模拟电压畸变故障示意图l8 图3 1 电网模拟器结构形式1 9 图3 2 三相整流桥电路2 0 图3 3 整流器主电路形式2 0 图3 4 逆变侧采用三相p w m 逆变器2 1 图3 5 逆变侧用三个单相逆变器分别模拟电网的三相2 1 图3 - 6 直流侧直通现象分析2 1 图3 7 变压器隔离方式分析2 2 图3 8 电网模拟器主电路拓扑结构2 3 图4 1l c 滤波的单相p w m 逆变器拓扑一2 5 图4 2 双极性p w m 调制原理2 6 图4 3 基波模式下系统控制框图2 8 图4 4 任一闭环控制系统波特图2 9 图4 5 谐波模式下的控制方法讨论3 0 图4 - 6 电压有效值反馈示意图3 0 图4 7 谐波模式下系统控制框图3 1 图4 8 输出c 滤波器形式3 3 图4 9 电流内环控制框图3 4 图4 1 0 内环未调节时的根轨迹与阶跃响应3 5 图4 1 l 设定阻尼比为0 7 0 7 时内环根轨迹与阶跃响应3 5 图4 1 2 电流环随k 变化的根轨迹以及阶跃响应趋势图3 6 图4 1 3 调节后电流内环的根轨迹以及阶跃响应一3 6 图4 1 4 电流内环开环波特图3 7 图4 1 5 电流内环闭环波特图一3 7 图4 1 6 电压外环控制框图3 8 图4 17 电流内环与近似内环波特比较图3 8 图4 1 8p i 调节器参数变化时系统阶跃响应趋势图3 9 图4 1 9 调节后电压外环的根轨迹。4 0 图4 2 0 调节后外环开环波特图4 0 图4 2 1 调节后外环闭环波特图4 1 图4 2 2 调节后外环阶跃响应示意图4 l 图4 2 3 外环在扰动作用下的控制框图一4 l 图4 2 4 系统在扰动作用下的闭环波特图4 2 图4 2 5 系统在扰动作用下的阶跃响应4 2 图4 2 6 加入电流前馈后的系统控制框图一4 2 图4 2 7 加电流前馈后的闭环波特图一4 3 图5 1 电网模拟器系统结构图4 4 图5 2 主程序流程框图4 6 图5 3 中断服务程序流程图4 7 图5 - 4 嵌套中断程序流程框图4 7 图5 5 砌- a b c 变换原理图4 8 图5 - 6 基波模式下给定信号计算示意图4 9 图5 7 谐波模式下给定信号计算示意图4 9 图5 8s c i 与c p u 的接口图5 0 图5 - 9 三相之间同步的实现方式。5 l 图5 1 0 模拟器由不同步到同步示意图5 1 图5 1 1 电网模拟器仿真模型5 2 图5 1 2 逆变环节仿真模型5 3 图5 1 3 逆变环节控制仿真模型5 3 图5 一1 4 电压跌落仿真波形5 4 图5 1 5 频率偏移仿真波形5 4 图5 1 6 三相不平衡仿真波形一5 5 图5 1 7 输出电压谐波畸变仿真波形一5 5 图5 18s c i 通信实现三相同步的电压波形5 6 图5 19 模拟器带电阻负载接线图一5 6 5 7 5 7 5 8 5 8 图5 2 4 模拟电压三相不平衡波形图一5 9 图5 2 5 模拟电压谐波畸变波形图一5 9 图5 - 2 6 模拟器带整流器负载接线图6 0 图5 2 7 启动瞬间变压器绕组中的冲击电流示意图一6 0 图5 2 8 模拟器带整流器负载电压波形图一6 1 图5 2 9 电网模拟器带整流桥负载示意图一6 1 图5 3 0 模拟器带p w m 整流器负载时电压跌落波形图6 2 图5 3 1 输出电压a 相电压跌落以及恢复波形图6 2 图5 3 2 模拟器带整流器负载频率偏移波形图一6 3 图5 3 3 模拟器带整流器负载谐波畸变波形图一6 3 图5 3 4 模拟器带并网逆变器负载接线图6 4 图5 3 5 模拟器带并网逆变器负载波形图。6 4 图5 3 6 并网逆变器突加无功时电压以及电流波形图一6 4 图5 3 7 并网逆变器输入电压和电流的相位关系。6 5 表1 2 电网电压异常时分布式系统的响应时间4 表1 3 电网频率异常时分布式系统的响应时间4 表2 1 电压幅值跌落测试要求1 2 表2 2 电压短时中断测试要求1 2 表2 3 谐波和间谐波测试要求1 5 表2 4 模拟器输出正常电网电压时参数要求1 6 表3 1 各种方案优缺点对比2 2 表4 1 电网模拟器的工作模式及其控制方式2 7 表4 2 电网模拟器输出滤波器参数选择3 3 表4 3 基波模式下系统仿真参数3 5 表4 4 谐波模式下系统仿真参数4 3 表5 1 输出滤波器参数4 5 表5 2 空载时模拟器输出电压t h d 分析一5 7 1 1 分布式发电的发展现状 目前，全世界9 0 的电能生产、输送和分配主要采用集中发电、远距离输 电以及大电网互联的方式。随着当今社会对电能的质量、安全与可靠性要求越 来越高，以“大机组、大电网、高电压 为主要特征的大电网的缺陷变得愈发 显著，主要表现在以下几个方面【l ，z j 4 j ： 1 大电网上任何一点的故障都可能对电网造成较大影响，引起大面积停电 甚至整个电网的崩溃，并且电力系统规模越庞大，故障发生的概率就越高，因 此大电网的安全稳定性不足，对电网的管理水平要求极高。 2 大电网的集中式发电不能灵活跟踪用电负荷的变化。如在夏季和冬季， 空调负荷的激增会导致电力供应短时不足，而为了这种短时的峰荷建造新的发 电厂不仅花费巨大，而且由于新建电厂的利用率较低，其经济效益也非常低。 3 以火力发电为主的传统大电网不能满足当前社会对环保的要求。火力发 电在发电过程中会产生大量的温室气体和粉尘等大气污染物，对环境造成极大 的危害。此外，随着城市的发展和公众对电磁污染的逐渐认识带来的忧虑，也 使得开辟新的高压输电走廊变得更为困难。 近年来，分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 作为清洁能源，因其投资 小、发电方式灵活等优点而备受关注【5 】，它与电网联合运行可以提高电力系统 的经济性、可靠性和灵活性，并且可以大大减轻环保的压力，满足可持续发展 的要求。 分布式发电的概念最早由美国于1 9 7 8 年在公共事业管理政策法中明确提 出，其定义如下：分布式发电通常是指分散在用户附近的分散式、小型模块化 发电单元。分布式发电包括小型水力发电，风能、太阳能、生物质能等可再生 能源发电，以及燃料电池、小型燃气轮机等不可再生能源发电和储能能源发电。 小型的分布式发电系统通常在数百千瓦之内，大型的分布式发电系统功率可达 到兆瓦级【o j 。 分布式发电与大电网配合供电有很多优点i _ 7 8 】： 1 分布式发电系统具有分散、独立的特点，可以由用户自行控制。当大电 网崩溃或出现意外灾害( 冰雪、地震等) 时，分布式发电系统可以独立运行，从而 保证用户供电不间断。因此大电网与分布式系统相互配合，可以避免大规模的 停电事故，有效地改善电能质量，提高供电可靠性。 2 在一些偏远地区和负荷激增地区，可采用分布式发电系统直接供电，从 而可以节省输配电设备的扩容费用和远距离架设输电线路带来的巨额费用。 3 传统的火力发电在将燃料转化为电能的过程中会产生大量的热量，分布 式发电通过热电联产可以有效利用这些在常规发电过程中被废弃的热能，有效 提高燃料的利用率并减少对环境的污染。 4 分布式发电系统容量小、体积小，并且不需要建设配电站，无需架设长 距离输电线路，因而安装方便，投资时间短，建设成本较低。 5 应用风能、太阳能等可再生能源的分布式发电技术，满足了环保、节能 以及可持续发展的要求。 因此，分布式发电在各国得以大力推行：在欧美，随着可持续发展战略的 实施和对能源市场管制的放松，分布式发电得到了迅速的发展1 9 1 ；在我国，发 电侧竞争机制的建立以及“西气东送 工程的实施，都为分布式发电系统的发 展提供了机遇，分布式发电在全世界得到了蓬勃发展。以图1 1 所示的我国近 年来风电厂装机容量为例，2 0 0 0 2 0 0 5 年，全国风电装机容量平均每年以2 0 的速度递增。在2 0 0 5 年国家颁布可再生能源法之后，全国风电新装机容量增长 速度大大加快。至2 0 0 9 年底，中国风电装机并网容量已达到2 4 0 0 万千瓦，连 续4 年增长超过1 0 0 。 图1 1中国风电装机容量发展趋势示意图 1 2 分布式发电并网的挑战 随着分布式发电的快速发展，越来越多的分布式系统接入电网，分布式发 电系统对电网的不良影响逐渐凸现出来l l ，具体表现在以下几个方面： 1 分布式发电的并网逆变器会对电网的电能质量有一定的不良影响。表 1 1 列举了几种常见的分布式发电系统与大电网的接口形式1 1 ，可以看出，很 多类型的分布式发电系统产生的电能不能直接输送到电网上，而是要通过并网 逆变器将电能进行一定的转化才能与电网相连。而并网逆变器易产生谐波、三 相电流不平衡等现象，从而造成电网电压的波动、闪变等，因此需要电网配置 相应的电能质量治理装置。 2 乏v“哪垫嚣目磊雹医哑匕b 表1 1常见的分布式发电类型与电网的接口形式 分布式发电类型 利用能源 输出电能形式与电网的接口 小型燃气轮机化石能源 a c 直接相联 水力发电可再生能源 a c 直接相联 风力发电可再生能源 d c 逆变器 光伏发电可再生能源 d c 逆变器 化石燃料或 燃料电池 d c 逆变器 可再生能源 可再生能源 生物质能发电 a c 直接相联 或废弃物 2 分布式系统自身的特性决定了一部分分布式发电系统的出力将随着外部 条件的变化而变化，具有很强的随机波动性 1 2 1 ，如风机会随着风速的变化而导 致输出功率的变化，光伏电池会因光照强度的不同而工作在不同的光伏曲线。 由于这些分布式电源输出功率随机且变化幅度大，因此需要增加电网的旋转备 用容量进行调节，供电可靠性指标分析、电压无功控制各种运行控制措施也存 在技术问题。 3 分布式系统的并网运行改变了系统中的潮流分布，可能会影响电力系统 运行的可靠性和安全性。大量的分布式电源接入配电网后，原来辐射状配电网 络变为多电源结构，这给电压的保护、协调与能量优化带来了很多新的问题i l 引。 4 此外，电网电压的故障如电压跌落、隆起等会影响分布式发电系统中电 力电子变换器的正常运行。 因此，国际上相关部门专门为分布式发电系统的并网制定了一系列的技术 规范，各个国家的电网公司也提出了对分布式发电系统并网的要求，用以减小 分布式发电系统在并网时带来的不良影响，如u l l7 4 1 1 4 】、i e e es t d 15 4 7 1 ”j 等。 2 0 0 3 年6 月发布的i e e es t d l 5 4 7 2 0 0 3 是第一部对分布式发电系统并网提出规 范的标准，主要包括通用的技术指标、并网波形质量、电网异常时分布式系统 的响应情况、并网维护、以及分布式系统的测试标准等。 i e e es t d 5 4 7 2 0 0 3 中规定了并网时逆变器输出电压以及电流谐波的范围， 并且要求在分布式发电系统的输出电压可以跟踪电网电压时才允许并网。 在涉及到电网故障问题时，i e e es t d 5 4 7 2 0 0 3 中规定，当电网电压的幅值 或频率超出正常范围内，分布式发电系统应可以检测到电网故障并在规定的时 间内脱离电网，具体要求如表1 2 和表1 3 所示。 3 表1 2电网电压异常时分布式系统的响应时间 电压范围( 额定电压的百分比)响应时间( s ) 狄5 0 o 1 6 5 0 u 8 8 2 0 0 1 i o u 6 0 50 1 6 3 0 k w 6 0 50 1 6 3 0 k w 5 7 0o 1 6 近年来，随着分布式发电系统接入电网的数量增加，分布式发电系统容量 也越来越大，各国电网公司对于分布式发电并网的要求也在逐渐发生变化【1 6 j ， 过去为了保护设备，要求分布式系统在电网出现故障时在规定的时间内与电网 脱离，但随着光伏发电、风力发电等分布式系统的容量越来越大，若这些分布 式系统大规模地从电网脱离，就失去了对电网电压的支撑能力，可能造成严重 的连锁反应，影响电网的稳定运行i l 。因此，许多电网公司对分布式发电系统 提出了更高的要求，不再是简单地要求分布式发电系统在电网出现故障时脱离 电网，而是要求分布式发电系统维持一定的时间保持并网工作，甚至要求分布 式发电系统对电网提供一定的能量支持。以德国对风电机组低电压穿越的要求 为例：在2 0 0 1 年之前，德国电网上的风电机组在电网出现故障时都会从电网切 除。2 0 0 1 年后则要求可以实现基本的低电压穿越，并且在电网故障后可以向电 网提供有功支持。在我国，国家电网公司组织的光伏电站接入电网技术规定( 试 行) i l8 】中明确指出，大中型光伏电站应具备一定的电源特性，可以在一定程度 上参与电网电压和频率的调节，并对大中型电站在电网异常时的响应做了规定。 由此可见，随着电网公司对分布式发电系统并网的要求越来越苛刻，一方 面，分布式发电系统在设计和建造时要符合电网公司制定的并网标准；另一方 面，分布式发电系统的运行要考虑其对电网安全稳定性的影响。因此，要推进 分布式发电系统的发展，很有必要充分考虑分布式发电系统对输配电网安全、 稳定的影响，并对分布式系统对电网的支撑作用进行深入的研究。 由上述讨论可知，在对分布式发电系统进行研究时，不可少的一项工作是 测试并研究分布式系统在电网出现如电压跌落、频率变化等故障时的工作特性， 4 以保证在实际并网时可顺利度过电网故障时期并为电网提供必要的有功或无功 支撑。但由于电网故障存在偶然性和不可控性，因此在对分布式发电系统进行 测试时必须有专门的设备来产生电网发生故障时的各种电压波形，本文中将这 种设备定义为电网模拟器( g r i ds i m u l a t o r ) 。 电网模拟器可以输出多种故障情况下的电网电压，能够对真实的电网进行 逼真的模拟和仿真，这样研究人员在研究中短时间内即可对分布式发电系统进 行各种电网故障情况下的测试，大大节约了研究时间。 1 3 电网电压模拟装置的研究现状 虽然电网模拟器在分布式发电系统的研究中具有很重要的作用，但国内外 对电网模拟器的研究并不系统，也没有相应的规范来对电网模拟器的功能以及 性能提出要求。 1 3 1 电压跌落装置的研究现状 由于电压跌落是最为常见且影响最大的一类电网故障，风场以及光伏发电 系统必须具备低电压穿越能力，即在电网电压跌落时能够保证不脱网运行。大 功率的风场和光伏系统在并网之前必须要接受低电压穿越测试，因此国内对于 模拟电压跌落的测试设备一一跌落发生器( v o l t a g es a gg e n e r a t o r ，v s g ) 研究相 对较多。电压跌落装置按照电路结构和实现方式可以分为三类：阻抗形式、变 压器形式以及电力电子变换形式的电压跌落发生器【1 9 , 2 0 , 2 1 】。 如图1 2 所示为基于阻抗形式实现的电压跌落装置，基于阻抗形式的电压 跌落装置通过在主电路中并联或串联电阻电抗来实现电压跌落。这种方式实现 的电压跌落，若阻抗本身是不能改变的，则无法调节输出电压的跌落深度，并 且由于阻抗在正常运行或电压跌落时流过电流，因此能量损耗较大。 图1 3 为变压器形式的电压跌落装置，通过在电路中并联或串联变压器来 改变输出电压，若变压器变比是可调的，这种电压跌落装置还可以调节电压跌 落的深度，其最大的不足是由于变压器的体积和重量很大，不便于携带。 电 嚣 k ( a ) 并联阻抗方式( b ) 串联阻抗方式 图1 2阻抗形式的电压跌落装置 电 网疑 ( a ) 并联变压器形式 ( b ) 串联变压器形式 图卜3变压器形式的电压跌落装置 基于电力电子变换的电压跌落装置实现方式比较灵活，功能也很强大。可 以采用如图1 - 4 ( a ) 所示的交流电力控制电路或图1 - 4 ( b ) 所示的交- 直交变换器 等。如图( b ) 所示的基于交一直- 交变换的电压跌落装置，可以采用数字d s p 作为 处理器，除实现电压跌落外，还可以根据需要产生各种电网故障波形，因此是 电压模拟装置研究的重点和方向。 电 朗 1 一 ( a ) 基于交流电力控制电路的电压跌落装置形式 整流器逆变器 ii 【网 - 1i 2 i _ 1kz王 i 流 出 ( b ) 基于交直- 交变换的电压跌落装置形式 图1 4基于电力电子变换的电压跌落装置 1 3 2 电网模拟器的研究现状 相对予电压跌落模拟装置的研究，对于专门的电网模拟器的研究较少。文 献 2 2 首先提出了采用模拟装置来模拟各种电网故障，从而可以研究负载在电 网故障情况下的工作特性。研究采用无差拍控制以实现对输出电压的无静差控 制，并设计了一台1 0 k v a 的三相模拟装置用以模拟电压跌落、谐波、不平衡等 6 电网故障。文献 2 3 最早提到了电网模拟器的概念，为了实现对输出电压的无 静差控制，虚拟了一个与实际电路正交的电路，如图1 5 所示，从而可以得到 一对在静止坐标系下正交的交流量，并采用d q d q