上海电机学院-模块化多电平电网模拟器及低频运行控制

用户与研究成果简介：

上海电机学院陈国初教授的科研团队提出将系统等效开关频率较高的模块化多电平变流器应用到电网模拟器中，针对低频工况下的子模块电容电压失衡问题提出了一种高频环流注入的控制方法，该方法避免了在设计大功率电网模拟器的过程中，受到开关频率的限制，影响控制器控制带宽，导致电网模拟器性能下降的问题。

研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行实验，通过实验结果验证了所提出的低频运行控制方法的正确性，并把成果总结发表于《电力电子技术》：

翟宏宇，陈国初，赵金文，刘琦.模块化多电平电网模拟器及其低频运行控制[J].电力电子技术，2020，9.

课题研究背景

电网模拟器的研究意义与现状

在风力发电系统中，电机的转子内可以存储大量的能量，大量风力发电设备并入电网会给电网造成低频振荡、次同步谐振等问题。电网中的设备在投入使用前都需要经过严格的电网适应性测试，因此为了发展新一代的高可靠性海上风机，缩短海上风电机组的研发周期，迫切的需要一种高性能、适用性广的大功率电网仿真装置。电网模拟器是风电机舱试验台架模拟电网各种运行工况的核心设备，但是受限于系统的等效开关频率，系统的控制带宽难以提升，导致设计的大功率电网模拟器性能较为一般。因此提出将系统等效开关频率较高的模块化多电平变流器应用在电网模拟器中。

相较于多数电网模拟器中应用的三相四桥臂变流器拓扑，模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有功率单元模块化设计，有利于系统设计、扩容；系统等效开关频率高，有利于提高电网模拟器系统的控制带宽；具有公共直流母线，非常适用于大功率中高压场合等诸多优点。但是MMC拓扑结构是三相无中线系统，无法满足电网模拟器某一相单独进行控制的要求，并且当系统运行在低频状况下时，传统的子模块闭环均压控制方法会出现电容电压波动幅度增大的问题，无法构建额定的直流电压。

研究重要内容和创新点

模块化多电平电网模拟器拓扑结构与原理

中高压领域应用的大功率变流器特点在于功率等级高，系统开关频率低。导致电网模拟器控制带宽受限，电网模拟器性能难以提升。文章提出的模块化多电平电网模拟器拓扑如图1所示。

图1 模块化多电平电网模拟器拓扑

Fig. 1 Modular multilevel grid simulator topology

系统采用AC-DC、DC-AC两级架构，AC-DC整流部分采用四象限空间矢量调制方法，能量可双向流动，DC-AC逆变部分采用载波移相调制策略的模块化多电平逆变电路，该部分的性能决定了电网模拟器的输出性能。

为满足电网模拟器每相能独立控制的需求，文章对图1中模块化多电平逆变器部分的拓扑进行了改进，改进后的全桥结构模块化多电平拓扑如图2所示。

该拓扑单相为全桥结构，每个桥臂上级联了n个半桥子模块和一个限流电感，每个子模块中都有一个直流电容。拓扑对子模块的耐压性要求不高，可以用小容量、中低压的功率器件实现大容量、中高压的系统需求；并且根据测试要求，控制子模块的投入和切出，就可以对系统输出的电压等级和电平数进行控制。

图2 全桥结构模块化多电平变流器拓扑

Fig.2 Full-bridge structure MMC topology

基于高频环流注入的闭环均压控制策略

如何构建额定的子模块电容电压是模块化多电平变流器系统稳定运行的前提。传统的子模块电容电压闭环控制主要包括上、下桥臂间能量均分控制和子模块电容稳压控制两个部分。

由于电网模拟器系统需要应对各种极端工况的测试，当系统频率跌落，模块化多电平系统运行在低频状态时，子模块电容电压会产生剧烈波动，为了抑制低频状态下的电容电压脉动，采用高频谐波注入法对系统注入高频环流，同时根据正交能量交换原理，注入同样频率的共模分量在输出相电压中，可使上、下桥臂间的能量均分控制互不影响，保证系统稳定运行。子模块电容电压中含有3倍基频的交流分量，可以在相内能量均分控制中加入3倍频的电流分量加速能量的交换，使相内各个子模块的充、放电更加频繁，达到系统低频运行状况下抑制子模块电容电压的波动幅度的效果。改进后的闭环均压控制框图如图3所示。

图3 注入三倍频环流的闭环均压控制框图

Fig.3 Closed-loop voltage equalization control with injection of 3 times frequency circulation

注：其他的控制器设计过程详见上海电机学院科研团队发表的文章。

基于实时仿真器的算法验证

基于StarSim的控制器硬件在环实验平台

远宽能源（www.modeling-tech.com）提供的StarSim实时仿真器，基于电力电子器件的细节模型，利用最新的FPGA技术，可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真，被广泛应用于牵引供电系统故障诊断、控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中；上海电机学院的科研团队采用了StarSim电力电子实时仿真器搭建了控制器硬件在环实验平台，验证模块化多电平电网模拟器的控制器的正确性及低频运行控制的有效性。

本文的控制器硬件在环结构框图如图4所示，对于模块化多电平电网模拟器实验而言，控制器硬件在环实验平台主要由StarSim仿真器、NI sbrio-9607控制器、LabVIEW上位机三部分组成。StarSim仿真器中包括模块化多电平电网模拟器的功率电路，NI sbrio-9607控制器为真实的模块化多电平电网模拟器控制器，LabVIEW上位机主要进行实时调参以及系统状态监控等功能，除此之外还有IO接口盒，该部分主要作用是将StarSim仿真器及NI sbrio-9607控制器两部分的信号进行转换，StarSim仿真器里的信号经过接口板变为NI sbrio-9607可以接收的信号，NI sbrio-9607发出的PWM等信号经过信号放大器转化为StarSim仿真器可以接收的信号。

图4 CHIL结构框图

Fig. 4 The block diagram of CHIL

研究搭建的CHIL实验平台如图5所示，系统参数见表1。

图5 单相3 kVA的控制器硬件在环实验平台

Fig.5 Single-phase 3 kVA prototype

该电网模拟器单相电压设定可调范围0~490 V，频率变化范围10~75 Hz，当系统负载发生变化到系统输出达到稳定值10%范围内所需时间为5 ms。图6为带3 kVA负载时系统的输出电压及输出电平，信号通过差分探头采集，图中蓝色为396V的输出电压，紫色输出的电平数为5电平，绿色为子模块电容电压，基本没有振荡。