1、节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY电网模拟器系统设计Power Grid Simulator System Design辽宁荣信电力电子技术有限公司周晓亮（ZhouXiaoliang）张坤（ZhangKun)摘要：本文主要介绍了针对电网模拟器的系统进行设计，采用10 kV高压充电电阻串联至电网模拟器的主回路中，并接旁路接触器。当电网模拟器充电完成后，用接触器迅速旁路充电电阻。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器移相降压后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成级联结构，实现变压变频的高压直接输
2、出。关键词：模拟器；电网系统；交-直-交PWMAbstract:This paper mainly introduces the design of the system for the grid simulator,using 1okV high voltage chargingresistance in series to the main circuit of the grid simulator,and connecting the bypass vacuum contactor.When the gridsimulator is charged,the contactor.The p
3、ower grid voltage is power to the power unit after the isolation transformeron the secondary side.The power unit is a cross-direct-direct-PwM power inverter structure with three-phase input andsingle-phase output.The output ends of adjacent power units are connected to form a cascade structure to re
4、alize thedirect output of variable voltage frequency conversion.Key words:Simulator;Power grid system;AC-DC-AC PWM【中图分类号】V242.3【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 330(2 0 2 3)0 5-0 0 6 8-0 31背景电网模拟器的应用背景，是基于世界各国电网标QF1输入断路器准的不一致，大多数有关出口电器产品的厂商需要电源模拟不同国家的电网，为工程师设计开发、生产线测试及品保的产品检测、寿命、过高压低压模拟测试等服务，这就需要设备电源能够提供纯净可靠的、低
5、谐波失真、高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出；而进口的某些电器设备也需要对产品适用于我国电网标准进行变压、变频等实验，品质检测等工作，进而依此保证进口的有关电器设备的正常工作。2系统设计方案2.1充电部分设计充电系统包含R为充电电阻、QF1为输入断路器、KM1为旁路接触器。选型要求如下：充电电阻参数：功率：40 0 W；阻值：2 K。断路器参数：68THEWORLDOFINVERTERS充电电阻R图1充电系统电路图电压：10 kV；电流：6 30 A；短路电流：31.5kA。接触器参数：电压：10 kV；电流：6 30 A；短路电流：31.5kA。10kV电源接入时，采集电压互感器二次信号1
6、0 0 V用来判断电网电压是否接到电网模拟器的10 kV输入端，QF1输入断路器合闸后，这时通过充电电阻R对功率单元进行限流充电，充电完成后，发出合KM1旁路接触器指令，使得充电电阻R被旁路。充电系统电路图如图1所示。KM1旁路接触器第2 6 卷第0 5期变频器世界2 0 2 3年0 5月输入移相被测系统3R滤波电阻C电容器变压器I三相电抗器PT电压传感器霍尔电流传感器霍尔电流传感器图2 拓扑结构图2.2整体结构设计电网模拟器由变压器、功率单元、控制部分、LC滤波装置组成，主电路采用若干个低压功率单元串联叠加方式实现高压输出，网侧接入控制电压为0.4kV。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器移
7、相降压后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成级联结构，实现变压变频的高压直接输出，供给三相负载。各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组间相互绝缘。拓扑结构图如图2 所示。如图2 所示，每相9级功率单元串联，每个功率单元的额定电压为6 90 V，实现线电压0 10 kV连续输出，频率0 50 Hz连续输出。2.3变压器设计变压器是采用NOMEX绝缘材料制作的、绝缘等级为H级的干式变压器，采用多重化设计以达到降低输入谐波的目的。变压器原边绕组连到电网的输入端，副边有2 7 个二次绕组
8、，采用延边三角形联结，分为9个不同的相位组，形成IGBT可控整流电路结构。变压器的多组副边绕组经过移相向功率单元供电后，可以构成多级移相叠加的整流方式，这样可以大大改善网侧的电流波形，消除59次以下网侧谐波，提高网侧的功率因数，无需任何功率因数补偿及谐波抑制装置便可将网侧的功率因数提高到0.95以上。由于变压器的副边绕组的相互独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，具有极高的可靠性和安全性。2.4功率单元设计四象限功率单元为交直交变换结构，三相可控整流、单相逆变，能量实现双向流通。模块化设计，功率单元的结构和电气性能完全一致，可以互换。技术特点如下：实现电流的双向流动、四象限运行，便于正向馈电
9、和能量回馈，节能环保（四象限专有）；全频率输出，控制精度高；三相电压独立可调，相位角独立可调；输入侧多重化移相可控整流，输出侧多电平串联叠加，真实体现试验效果；采用通用模块化设计理念，通过组合，能够方便地实现高压输出；采用国际上最成熟的IGBT功率半导体元件，保证大功率高压变频电源可靠运行；具有强大的实时故障诊断功能和运行数据的记录管理能力；操作容易，维护维修方便；使用寿命可长达2 0 年。WWW.CA168.COM69节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY2.5LC滤波装置装置由三相电抗器L，滤波电阻R，霍尔电流传感器H1、H 2，电压传感器PT等组成。三相电抗器的作用
10、，抑制导出谐波，提升导出高频率特性阻抗。滤波电阻的作用，起到阻抗的作用，主要阻尼滤波器振荡。电容器的作用，是过滤电路中的杂波或纹波，使电路达到平稳稳定的工作状态。电流传感器和电压传感器是作为检测元件使用的，对电网模拟器的整体输出侧，起到显示和保护的作用。2.6全数字控制系统控制系统是全数字信号控制装置，内置总线板、CPU板、PWM板、数字板、模拟板、通讯板以及显示板。通过编程器将符合用户现场工况的控制程序下载至控制系统后，控制系统生成多电平的PWM控制波形、实现快速保护及网络通讯等控制功能，满足用户的特殊要求。显示板上的显示屏提供友好的监控和操作界面，实时显示电网模拟器系统各组成部分的工作状态
11、，使用户能够直观而准确的了解系统的工作情况，可以实现远程监控和网络化控制。电网模拟器的输出效果主要由后级逆变侧的控制决定，前级DC-DC部分采用移相控制。首先需要对状态反馈控制量进行选择，不同反馈控制量对闭环系统加载后的增益变化影响不同。不同状态变量下状态反馈控制图如图3所示。Vreft图3状态反馈控制图3电网模拟器技术3.1技术上的优势输出频率与电压连续可调在0 50 Hz范围内频率连续可调，电网模拟器通过调节输出电压与频率，实现全范围的功率输出，可对被试系统进行试验单相输出、三相不平衡输出能力。每相的调制：根据输出要求设定调制波，同一相的70THEWORLDOFINVERTERS各个单元的
12、调制波相同，各个单元的载波依次相差一个相角，各相的调制波相差12 0。如需改变输出，只需改变正弦调制波的周期以及幅值大小即可。3.2技术的优势应用模拟电网电源依据上述标准设计具备通用功能设定、步阶设定、渐变设定等功能。不但可以模拟电网频率和电压的一般变化，还可以模拟市电的电压暂降、短时中断、频率漂移等，通常用来做并网产品性能、保护和可靠性测试等，包括并网逆变器的过欠压保护试验、过欠频保护试验、抗扰度试验及低电压穿越等试验。满足UL1741/IEEE1547/IEC61000-3-15/IEC62116/DIN-VDE0126-1-1/CGC/GF004TM.1:2012规范，可符合上述法规和测
13、试标准对于模拟电网测试条件的需求。以模拟UUT所需的电网状态测试条件，其中包括电压、频率、相位变动，其它项目包括三相电压跌落以及三相电压不平衡状态。4总结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，提出了基于状态反馈的控制策略，可以实现电网幅值暂变、频率波动及波形畸变等故障模拟，并对控制器的设计进行了详细描述，从而实现各种工况的要求。参考文献：1刘泾.电气及自动化专业毕业设计宝典 M西安：西安电1i1+icSL+rSC1k21uo子科技大学出版社，2 0 0 8.2】陈伯时，电力拖动自动控制系统 M.北京：机械工业出版社，1999.3吴怀宇，廖家平.自动控制原理 M.武汉：华中科技大学出版社,2 0 12.4徐政“电力系统低频振荡与次同步振荡”专题特约主编寄语 J.电工技术学报，2 0 17,32(6):1-2.5赵卓立，杨苹，郑成立，等，微电网动态稳定性研究述评 J.电工技术学报，2 0 17,32(10)：111-12 2.作者简介：周晓亮，（2 0 0 7-），男，工程师，现就职于辽宁荣信电力电子技术有限公司。
