微网测试模拟系统的构建和应用研究

在智能电网的研究项目中，实时地调配各种不同来源的电力供应，满足当前微网的耗能需求是关键的研究课题之一。而作为研究的一种重要手段，就是在实验室里搭建一整套完整的模拟系统，包括风能、太阳能、储能电池、电动汽车（充电桩）、功率马达设备、常规负载（如家电产品）等各种模拟器甚至真实设施，通过受控的电网模拟器全部连接在一起，研究各种供电来源与用电负载在各种情形下的表现。

对于这样一整套测试平台，电网模拟器作为所有其他设备的核心联结设备，通过调整其输出可以轻松模拟真实电网上各种偶发或者具有危害性的事件，观察、评判挂载的各种设备的应对行为以便进行相应的改进。这就要求电网模拟器具有强大的电压、频率调节控制能力，良好地支持能量的双向流动，灵活实时地接受外部指令控制等能力。特别是随着研究的深入，对于控制模拟电网输出的实时性要求越来越高，波形变化日趋复杂，要求实现所谓硬件在环（Hardware-in-the-loop）的模拟，这对于作为普通交流源的电网模拟器产品的控制能力的要求也越来越严苛。

常规的控制方式是面板操作或者通过GPIB/RS232/USB/Ethernet等通信接口发送SCPI指令远程程控，但是这两种方式都难以满足当前这种对于实时输出复杂波形的要求。实时性比较好的控制方式是利用外部的模拟量信号来直接控制电网模拟器的输出，此时电网模拟器的工作状态就相当于一台线性放大器，直接将外部的模拟量信号等比例放大，并提供相应的输出功率支持。

至于外部控制信号的来源，尤其是其会需要提供各种复杂状况的模拟能力，目前也已经有成熟的商业化工具，即实时数字仿真系统（Real Time Digital Simulation， RTDS）。RTDS是一种功能强大的工具，由硬件和软件组合而成。其内建有广泛的电力系统元件模块数据库，用户可以在图形化软件界面中利用现有的元件模块组建起电力系统的回路，设定相应的研究序列。RTDS能够连续地产生输出来真实地代表实际网络中的情况，模拟许多恶劣的但很现实的情况，提供大量的数字量和模拟量的输入输出接口，可以直接连到外部设备设备上去。

我们使用AMETEK California Instrument（加州仪器，以下简称CI）旗下的RS系列高功率交流源来作为配套RTDS的电网模拟器，该款产品可提供90KVA至1MVA的功率输出，支持100%标称功率的能量双向流动，稳定输出主频范围为16Hz至820Hz，同样还支持直流输出。目前其提供的外部模拟量控制接口支持0至7Vac输入电压对应0至满量程输出电压，并且支持三相分别独立受控于各自的模拟量输入。

我们以此RS交流电源配套加拿大某品牌实时控制器来验证系统性能。

系统测试配置方案如下。

需要注意，CI RS电源本身是一台开关模式的电源，其调控输出变化的能力是有固有上限的，在常规操作时电源本身的控制器会对控制信号进行辨别，可以主动拒绝超限操作的执行，例如我们无法给电源设置一个超出其允许范围的频率或者电压值。而当我们使用外部模拟量信号控制时，为了达到较好的实时性，外部信号是直接控制CI RS电源的功率模块，不需事先经过其控制器的研判。因此硬件设计上要考虑到输入信号超限、或者被叠加了较多干扰信号的情况，不能因此造成电源的损伤。

CI RS电源在外部模拟量信号的输入处特意加装了一个滤波器，藉此滤除高频杂波干扰，另外对于控制信号超出电源本身能力的情况也采取了相应的保护应对措施。

系统功能的验证过程如下。

（1） 普通60Hz正弦波和方波的情况。初步的波形验证证明CI RS电源基本上可以良好地遵照实时控制器的信号来提供输出。以下分别是控制信号为60Hz正弦波和方波的情况。其中橙色波形为实时控制器的电压信号，红色波形为RS输出电压波形。

利用示波器的波形图我们可以轻松地验证CI RS电源接受外部模拟量控制时的延时到底是多少。从实测的结果来看，基本上是在100微秒左右。

（2）60Hz正弦波从0V至230V渐变启动。

（3）60Hz正弦波从230V渐变关断（左图）以及直接关断（右图）的情况。

（4）60Hz正弦波从230V 90度角时以1ms渐变关断。

（5）800Hz输出的情况。目前CI RS接受外部模拟量控制的信号频率上限为819Hz，当反灌功能开启时频率上限为500Hz。当超过此限时RS会自动切断输出以进行保护。以下是用外部模拟量控制230V 800Hz时的输出表现。

（6）60Hz 230V三角波的情况。右图为放大后的细节图。

（7）高频保护的表现。当CI RS受外部模拟量控制要求输出超上限频率时，RS大约在150ms后自动关断输出。右图为关断时刻放大后的细节图。

（8）230V 60Hz正弦波上叠加400Hz 85V峰峰值的纹波噪声后的表现。右图为放大后的细节图。

（9）215V低上升斜率方波（上升时间约为2毫秒）的表现。右图为放大后的细节图。表现良好。

（10）215V高上升斜率方波（上升时间约为30微秒）的表现。右图为放大后的细节图。可以看出当外部控制信号要求CI RS的电压变化速率超出其能力时，CI RS的输出会出现振铃的情况。

（11）带载情况下的模拟。由于CI RS本身是作为电压源，其主要调控输出电压，电流由负载拉载来决定，其电流输出性能与控制源是使用本机控制还是接受外部模拟量控制无关。已经有众多的实际应用证明了CI RS在使用自身控制器时输出各种电压波形下的优异电流表现。以下是韩国某研究院使用CI RS接受RTDS控制信号进行接地故障模拟的波形图，带载为30KW+10KVA。

其中黄色轨迹为A相电压，紫色轨迹为B相电压，绿色轨迹为A相电流，蓝色轨迹为RTDS控制A相电压的信号。

综合以上验证测试结果，我们认为AMETEK CI品牌的RS系列电源的硬件设计是过硬的，100微秒的延时也是属于可接受的范围，这样我们就拥有了一个真实地可以提供从90KVA到1MVA功率范围的模拟电网平台，配合RTDS系统可以实现对各种复杂电力环境的模拟， 连接各种新能源发电设备、用电载荷、储能设备等，就可以在实验室里建立起一整套完整的微电网模拟测试平台，满足科学研究及实际验证的需要。