优化电力电子式电网模拟器设计

8.1.2.1 电力电子式电网模拟器结构

电力电子式电网模拟器结构如图8-7所示，包括输入单元、能量转换单元、输出单元以及检测与控制单元^[1]。输入、输出单元主要由各种电磁开关和电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波器组成，用于控制模拟器的通断和防止电磁干扰；能量转换单元将输入的电网电压转换为幅值可变、频率可调以及包含谐波的交流电压，以模拟各种电网工况，是实现电网模拟功能的核心部分；检测与控制单元主要用于测量电路中的电气参数和产生控制所需的电压波形。

图8-7 电网模拟器结构形式

逆变环节可采用三相全桥逆变器，该拓扑技术成熟、控制简单可靠；然而，由于无中线输出，其无法模拟不平衡电压的零序分量，存在一定的局限性。为解决输出电压零序分量的模拟问题，可采用三个单相逆变器分别模拟电网的三相电压，引出中线以模拟零序通路。为防止直流侧短路，该结构必须在交直流侧之间加入隔离变压器，根据变压器接入位置的不同，有图8-8与图8-9所示两种结构，隔离变压器可加在逆变器侧或整流器侧。与图8-9相比，图8-8所示逆变器侧变压器会影响模拟器的谐波电压输出性能。

图8-8 隔离变压器加在逆变器侧的独立单相结构电网模拟器

图8-9 隔离变压器加在整流器侧的独立单相结构电网模拟器

图8-8、图8-9所示方案，三相之间需要协调控制以保证输出电压的相位关系。采用图8-10所示三相四桥臂结构的逆变器，其输出存在零序通道（i₀为零序电流，所在支路为零序通道），也能够实现零序电压的模拟，其控制系统则大为简化。

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图8-10 三相四桥臂结构

几种方案的优缺点比较见表8-3。

表8-3 方案比较

（续）

8.1.2.2 电力电子式电网模拟器的控制策略

电力电子式电网模拟器输出电压波形的品质是衡量模拟器性能优劣的重要指标，电网模拟器应符合以下要求：输出电压稳态准确度高，模拟电网正常情况时输出三相对称的标准正弦波，模拟电网故障时可准确复现电压故障；系统稳定、可靠性高、动态响应快，具有较强的过载能力和抗负载扰动能力。为达到上述要求，模拟器的控制方法相当重要。

在电网模拟器的所有环节中，逆变环节的作用是将前级输出的直流电压转换成交流电压，实现各种电网电压波形的发生，其控制是模拟器功能实现的关键，也是系统控制研究的重点。

针对电压跌落时出现的瞬时非线性、畸变率、谐波含量大、动态响应慢和鲁棒性差等特点，逆变器可采用经典的电压电流双闭环控制方法，或在此基础上采用状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制或自适应控制等方法，以改善其动态特性^[6]。其中，状态反馈控制^[7]通过闭环系统极点配置，可改善系统动态性能，减少电压跌落过程的响应时间，并对逆变电源的波形进行校正；无差拍控制^[8]基于系统的离散模型，通过精确计算控制量使输出偏差在一个采样周期内得到纠正，动态响应较快；重复控制^[9]是消除周期性扰动的最有效手段之一，其基于内模原理，能降低逆变器输出电压的THD；滑模变结构控制[10]是一种非线性控制方法，该方法下电压跌落扰动对系统稳定性影响较小；模糊控制^[11]属于智能控制，其不依赖系统的数学模型，适用于多变量、非线性、时变系统的控制；自适应控制的基本思想是将参数估计递推算法与其他控制算法结合起来，在控制过程中可实时、自动校正控制器参数，适应电网跌落时系统的非线性特性等。关于不同方法的具体分析在此处不再一一介绍，有兴趣的读者可阅读参考文献^[6-11]。