模块化多电平中高压电网模拟器及其控制

模块化多电平结构的高性能电网模拟器，采用多模块级联结构，可以有效提高输出电压等级和质量，且可以根据输出电压等级切换模块数，使输出测试电压能快速响应系统输出的变化。

为得到高质量、快速、精确的输出电压，提出一种基于状态反馈的改进型6k±1次重复控制策略，可以兼顾系统稳态输出性能与动态响应速度。仿真和实验结果均表明，设计的电网仿真器系统可以对中高压等级的电网电压暂变、频率波动、波形畸变等工况进行测试。

传统化石能源日益枯竭，新能源如光伏发电、风力发电的快速、大规模发展，引起了众多学者的关注。柔性交流输电技术的大范围应用以及新能源的大规模接入，电力系统将包含越来越多的分布式新能源锡林郭勒电力变压器，大多数分布式发电系统与电网之间的接口是通过电力电子并网换流器实现的[1]。

而大量电力电子换流装置的接入，给电网稳定性带来次同步振荡、低频振荡、宽频域谐振等[1-6]新问题，以及在远程输电系统中，随着输电距离的增加，会带来送端电压波动的加剧。

因此，为了提高系统稳定性，有必要研究电力电子装置的阻抗特性、电压适应性、抗扰动性等性能，需要对新能源发电系统中并网变换器在实际投入使用之前进行异常电压适应性测试，包括电压幅值暂变、频率波动以及电压畸变等。

在这种情况下，就需要一个能够产生多类失真电压的系统对电气设备进行测试。而电网模拟器可以在所需范围内的任何电压和频率下以完全可控的方式为待测负载提供功率和测试电压。随着大规模集中式新能源发电站的兴起，对10kV/35kV以内的中高压大容量电网模拟器需求日益迫切。

在电网模拟器的拓扑结构研究方面，文献[7]采用H桥器搭建了单相电网模拟器；文献[8]用串联注入器模拟电压骤降、波动和闪变；文献[9, 10]中拓扑结构均采用三相背靠背结构的PWM变换器；由于属于三相无中线系统，无法模拟出不平衡电压的零序分量，因此存在拓扑上的局限性；

文献[11]提出了基于三相四线变换器的电网模拟器，四线制器避免了三相四线制大容量电容器或变压器的使用，但与传统的三线制变流器相比，四线制变流器的控制更为复杂；文献[12]采用前级不可控整流，后级三相PWM的结构，以上装置均针对中低压小容量系统，对大容量风力发电和光伏发电系统的并网不适用。

近年来，模块化多电平变流器（Modular Multi-level Converter, MMC）在柔性输电等大量高电压场合得到了应用，也获得了众多学者的关注[13]。虽然MMC无需交流侧的工频变压器，但是由于其子模块中的储能电容存在与交流电压同频的基频波动，导致其体积和质量较大。

电网模拟器输出电压等级相对高压输电较低，采用MMC结构时，其模块数目相对较少，使得MMC结构的优势难以体现，有必要研究一种适用于中高压电网模拟场合的拓扑结构。

在电网模拟器的控制策略研究方面，文献[7,14]都是采用基本的比例积分（Proportional Integral, PI）控制器，只能对电网幅值进行无差跟踪；文献[9]中使用比例谐振（Proportional Resonant, PR）控制器来控制电网模拟器，但是采用PR控制器难以满足跟踪波动频率的需求；

文献[10]提出了一种干扰产生算法，然而，器的开环控制降低了电压不平衡和电压波动模拟的精度；文献[12]中采用了并联结构分数阶重复控制器，通过引入校正因子实现在分数情况下对极点的定位，但是计算过程复杂，内存负担很高；文献[15]中采用统一方均根反馈控制，对电网幅值、频率偏差以及电压波动进行了测试，但是没有对电压畸变进行模拟，且没有对系统动态性能进行说明；

以上文献的控制方法大多数只针对特定的扰动而设计，缺少一种能够模拟各类场景且简单实用的控制方法。

综上所述，当前电网模拟器的拓扑结构研究多集中在低压小容量系统装置而相关控制方法研究较少，对用于中高压系统的大功率电网模拟系统有待研究，为此本文提出了一种模块化多电平结构的高性能电网模拟器及其控制方法，可以直接用于中高压电网等级。

考虑到输出频率波会给重复控制带来误差，以及重复控制动态响应较慢，本文提出了一种结合状态反馈的改进型6k±1次重复控制策略。

本文首先具体描述了所提模块化多电平中高压电网模拟器的系统结构，包括主电路拓扑和工作原理，然后推导了状态空间模型的表达式，对电网模拟器的控制策略进行了详细分析，后给出了所提电网模拟器及其控制策略的仿真和实验结果。

图1 模块化多电平中高压电网模拟器拓扑结构和控制模式



结论
本文针对高压大容量的电网模拟器需求，提出了一种模块化多电平中高压电网模拟器拓扑及其控制方法，采用多模块级联结构得到大功率输出，为了得到质量高、动态特性好的模拟电压，提出基于状态反馈的改进型6k±1 RC控制策略，可以实现电网幅值暂变、频率波动及波形畸变等故障模拟，并对控制器的设计步骤进行了详细描述，后通过仿真和实验，验证了设计的合理性。