1 引言
近年來(lái)，大功率電力電子裝置飛速發(fā)展，越來(lái)越多的裝置和設(shè)備投入實(shí)際運(yùn)行[1]，如高壓直流輸電(hvdc)、靜止無(wú)功補(bǔ)償(statcom)、統(tǒng)一潮流控制器(upfc)、可控串補(bǔ)(tcsc)、高壓變頻器(hvi)、有源電力濾波器(apf)、各種新能源并網(wǎng)裝置(grid-connected inverter)等。運(yùn)行實(shí)踐表明，這些裝置在不改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的情況下，提高了電網(wǎng)運(yùn)行控制的靈活性、電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量水平，同時(shí)可有效降低用戶能耗，對(duì)我國(guó)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及國(guó)家節(jié)能減排政策具有非常重要的意義。
隨著大功率電力電子裝置應(yīng)用的日益廣泛，有關(guān)它的測(cè)試和考核問(wèn)題也得到越來(lái)越多的關(guān)注。
大功率電力電子裝置測(cè)試和考核的目的是保證裝置在正常運(yùn)行條件下以及故障條件下能完成預(yù)定的工作目標(biāo)而不至于損壞和影響系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。根據(jù)測(cè)試和考核目標(biāo)，主要分為出廠試驗(yàn)與型式試驗(yàn)，以及整體性能測(cè)試兩種。其中，出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)主要針對(duì)裝置中的元器件及各單元的絕緣、耐壓，過(guò)流等耐受電氣水平以及動(dòng)作的可靠性的檢測(cè)；整 體性能測(cè)試則主要針對(duì)裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)即裝置對(duì)電力系統(tǒng)影響，例如電能質(zhì)量設(shè)備的電能補(bǔ)償效果，裝置對(duì)電力系統(tǒng)影響的評(píng)價(jià)等。
2 出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)
針對(duì)大功率電力電子裝置的出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，目前，國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)先后建立了大功率電力電子裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。國(guó)外有abb公司[3]、siemens公司、美國(guó)西屋公司、日本mitsubishi和toshiba公司、英國(guó)alstom等公司均建立了一整套的電力電子試驗(yàn)裝置。國(guó)內(nèi)主要為國(guó)家電網(wǎng)公司資助的，中國(guó)電力科學(xué)院大功率電力電子實(shí)驗(yàn)室。它們都是按照iec相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大功率電力電子裝置進(jìn)行必要的出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。主要提供如下測(cè)試手段[2-7]：
(1)交流耐壓試驗(yàn):在閥兩端以及閥兩端與地之間進(jìn)行介質(zhì)耐壓試驗(yàn)和局部放電測(cè)試;
(2)直流(或交直流聯(lián)合)耐壓試驗(yàn):在閥兩端以及閥兩端與地之間進(jìn)行介質(zhì)耐壓試驗(yàn)和局部放電測(cè)試;
(3）閥兩端以及閥端與地之間進(jìn)行操作沖擊和雷電沖擊絕緣水平測(cè)試；
(4）在電力電子器件恢復(fù)過(guò)程中，閥兩端進(jìn)行雷電沖擊絕緣水平測(cè)試；
(5）過(guò)電流試驗(yàn);
(6）在全電壓下周期性的觸發(fā)試驗(yàn);
(7）非周期觸發(fā)試驗(yàn);
(8）溫升試驗(yàn);
(9）高壓閥電子設(shè)備的電磁兼容能力(emc)試驗(yàn);
(10）全電壓和全電流試驗(yàn)等。
目前，這方面的研究主要集中在針對(duì)不斷推出的新型功率器件及裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)方法研究[8]，設(shè)計(jì)測(cè)試回路與算法。通過(guò)這些試驗(yàn)，能從一定意義上保證各種電力電子裝置的可靠、安全的運(yùn)行，從而推動(dòng)電力電子裝置的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。其不足在于缺乏統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和理論。文獻(xiàn)[2，9]根據(jù)試驗(yàn)相似理論和等效原理，對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn)；文獻(xiàn)[10]則從方法論的角度對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析和歸類(lèi),力圖為大功率電力電子裝置的試驗(yàn)和應(yīng)用提供了哲學(xué)高度的理論基礎(chǔ)。
3 整體性能測(cè)試
大功率電力電子裝置的作用主要依靠高性能的控制策略和極高的可靠性要求[10]。其結(jié)構(gòu)多樣，原理復(fù)雜，裝置的整體性能如何是評(píng)價(jià)裝置優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此，對(duì)于大功率電力電子裝置而言，除了進(jìn)行完備的出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)外，還需要進(jìn)行整體性能測(cè)試。
大功率電力電子裝置的整體性能，和其作用的電力系統(tǒng)密切相關(guān)，所以要完成測(cè)試，首要問(wèn)題是為大功率電力電子裝置提供合適的電力系統(tǒng)環(huán)境。其途徑，一是采用實(shí)際運(yùn)行的電力系統(tǒng)，二是采用各種手段在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)際電力系統(tǒng)的還原。
考慮到大功率電力電子裝置的應(yīng)用場(chǎng)合的重要性，前者基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。后者雖然實(shí)現(xiàn)起來(lái)有很多困難，但不失為一個(gè)很好的發(fā)展方向。多年來(lái)，廣大研究人員一直致力于這方面的研究，并取得了很好的效果。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理樣機(jī)和縮小的試品，以及大功率電力電子裝置控制單元的測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的大功率電力電子裝置整體性能測(cè)試的發(fā)展，根據(jù)其發(fā)展趨勢(shì)，可以分為原型物理樣機(jī)模擬和數(shù)字-物理混合仿真兩個(gè)階段。
3.1 原型物理樣機(jī)模擬[11,12]
原型物理樣機(jī)模擬，即采用與實(shí)際原型裝置結(jié)構(gòu)相同而容量縮小的物理樣機(jī)進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)外早期出現(xiàn)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室，就是典型的例子，它是最早出現(xiàn)的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模式。原型物理樣機(jī)模擬在電力系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重大的作用，在電力電子領(lǐng)域也是如此。例如在我國(guó)首個(gè)±20mvar statcom的項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，就采用了這種方式對(duì)鏈?zhǔn)侥孀兤鞯膒wm控制算法、直流電壓均衡控制、動(dòng)態(tài)無(wú)功控制算法等進(jìn)行了研究[12]。
該方法的優(yōu)點(diǎn)在于直觀，且接近實(shí)際運(yùn)行情況；缺點(diǎn)在于建立原型物理樣機(jī)需要較長(zhǎng)的時(shí)間和較高的成本，同時(shí)樣機(jī)缺乏靈活性，縮小的物理模型也并不能準(zhǔn)確的反映實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)。盡管如此，它仍然是目前大功率電力電子領(lǐng)域中一個(gè)主要研究和驗(yàn)證手段[11]。
3.2 數(shù)字-物理混合仿真[13-18]
數(shù)字物理混合仿真，即采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)與物理仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式，在較小的實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)，模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行?；旌戏抡娴幕驹淼奶娲ɡ恚喝绻麑⒁粋€(gè)支路或某一部分以單端口網(wǎng)絡(luò)的形式從電路中拿掉，而且同時(shí)已知其端口電流（或電壓），那么被拿走的部分可以用相應(yīng)的電流源（或電壓源）來(lái)代替而并不改變電路其余部分的狀態(tài)。其發(fā)展可以分為兩個(gè)階段：
第一個(gè)階段，是在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展初期，在原型物理樣機(jī)模擬的基礎(chǔ)上，研究人員嘗試著在數(shù)字系統(tǒng)中建立部分電力系統(tǒng)模型，取代原有的物理模擬單元。20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始投入使用的ireq混合仿真器[13]，是較早的實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)仿真器，被廣泛用于研究世界各地的hvdc系統(tǒng)和交流電力系統(tǒng)[14]。如圖1所示，其采用無(wú)源rlc元件、電子元件、實(shí)時(shí)數(shù)字模型等元件模擬實(shí)際電力系統(tǒng)元件，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的網(wǎng)絡(luò)連接板相互連接。
圖1 1995年ierq仿真器結(jié)構(gòu)
由于當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)水平和電力系統(tǒng)仿真軟件水平不高，仿真器結(jié)構(gòu)龐大，建模靈活性差。其后隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了很多實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，主要有加拿大manitoba直流研究中心rtds公司的rtds[15]、法國(guó)電力公司(edf)的arene、加拿大魁北克teqsim公司的hypersim。此為數(shù)字-物理混合仿真的第二階段，也是目前采用最廣泛的數(shù)字-物理混合仿真模式，被廣泛運(yùn)用于世界各地的hvdc及facts技術(shù)研究[16-19]。
在這種仿真結(jié)構(gòu)中，大功率電力電子裝置采用物理模型（裝置原型或縮小的制品），其所應(yīng)用的電力系統(tǒng)環(huán)境模型在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)中建立。數(shù)字和物理系統(tǒng)間采用功率放大器連接。受功率放大器功率等級(jí)的限制，當(dāng)前該結(jié)構(gòu)只限于對(duì)大功率電力電子裝置的縮小化試品[16-19]或其控制單元[20-23]進(jìn)行測(cè)試。以下便是其典型的例子。
圖2為基于rtds的hvdc混合仿真結(jié)構(gòu)，它以rtds和模擬hvdc仿真器為基礎(chǔ)，在rtds中實(shí)現(xiàn)交流等值系統(tǒng)和直流線路建模，換流變壓器、晶閘管閥組和相關(guān)電路由縮小的模擬器件構(gòu)成。
圖2 基于rtds的hvdc混合仿真結(jié)構(gòu)
圖3為基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的典型混合仿真結(jié)構(gòu)。其物理模擬部分為實(shí)際的保護(hù)控制系統(tǒng)。在用于大功率電力電子裝置控制單元測(cè)試時(shí)，裝置的功率回路在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)中建模。這種結(jié)構(gòu)無(wú)法避免高頻的電力電子裝置建模困難的缺點(diǎn)。
圖3 基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的典型混合仿真結(jié)構(gòu)
3.3 整體性能測(cè)試的發(fā)展方向
基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)字-物理仿真模式，是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下還原實(shí)際電力系統(tǒng)環(huán)境的有效途徑，但是目前的發(fā)展來(lái)看，其功率等級(jí)并不能達(dá)到大功率電力電子裝置整體性能測(cè)試的要求。要提高功率等級(jí)，首先要有能提供高功率等級(jí)的接口裝置，解決被測(cè)試裝置能量吞吐問(wèn)題。
基于大功率電力電子變流器結(jié)構(gòu)的接口裝置[24，25]，是解決這一問(wèn)題的有效途徑。如圖4所示，接口裝置由隔離變壓器、整流單元和逆變單元組成。其中，整流單元通過(guò)隔離變壓器與外界電源相連，其任務(wù)是將交流電源變換為穩(wěn)定的直流；逆變單元與被測(cè)試裝置相連，其任務(wù)是再現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)邊界上的電壓和電流波形。整個(gè)接口裝置可以看成一個(gè)等效受控電壓源（或電流源）。該結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)功率放大器對(duì)功率等級(jí)的限制，日益發(fā)展的逆變控制技術(shù)也為高性能的接口性質(zhì)提供了可能。
圖4 基于大功率電力電子換流器的接口裝置結(jié)構(gòu)
在大功率電力電子變流器結(jié)構(gòu)接口裝置的基礎(chǔ)上，未來(lái)可能的大功率電力電子裝置整體性能測(cè)試平臺(tái)如圖5所示。試驗(yàn)平臺(tái)將分為三部分：實(shí)時(shí)數(shù)字仿真子系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)物理模擬子系統(tǒng)以及監(jiān)控平臺(tái)。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真子系統(tǒng)主要由各種實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器構(gòu)成，完成測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真；動(dòng)態(tài)物理模擬子系統(tǒng)由大功率接口裝置（物理等效受控源）與被測(cè)裝置組成，形成被測(cè)設(shè)備所需要的功率回路；監(jiān)控平臺(tái)由人機(jī)界面，數(shù)據(jù)庫(kù)和全局控制單元組成，協(xié)調(diào)平臺(tái)兩子系統(tǒng)間的運(yùn)行，并為試驗(yàn)人員提供人機(jī)交互。
圖5 大功率電力電子裝置整體性能測(cè)試平臺(tái)
在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，要完成大功率電力電子裝置測(cè)試，尚需解決的問(wèn)題有：
(1)大功率電力電子裝置測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究
測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，是最終完成裝置測(cè)試必不可少的條件。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)將給出完成測(cè)試所需要的系統(tǒng)性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)則為被用于評(píng)估被試驗(yàn)裝置的性能。
(2)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)建模研究
測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)雖然避免了被測(cè)電力電子裝置的建模，減少了對(duì)數(shù)字仿真的精度要求，但是對(duì)模型準(zhǔn)確度的要求卻絲毫沒(méi)有降低。同時(shí)，要求為同類(lèi)型或相似的裝置建立相同的電力系統(tǒng)環(huán)境模型，以便對(duì)不同裝置的整體性能進(jìn)行比較。
(3)高精度的接口性能
采用大功率電力電子變流器代替原有的功率放大器結(jié)構(gòu)，其本身作為大功率電力電子裝置，不可避免地存在控制延遲和精度誤差。采用一定的控制策略，提高變流器的輸出性能，使其滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，是研究的關(guān)鍵之一。可能的途徑是通過(guò)先進(jìn)的控制技術(shù)，例如無(wú)差拍控制[26,27]、學(xué)習(xí)控制[28,29]等，通過(guò)接口控制與全局控制相結(jié)合，提高接口性能。
(4)試驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性與魯棒性研究
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了擁有數(shù)字-物理混合仿真系統(tǒng)固有的實(shí)時(shí)交互仿真問(wèn)題外，大功率接口的出現(xiàn)，給試驗(yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性和魯棒性研究帶來(lái)了更大的困難。平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性是平臺(tái)正常工作的基礎(chǔ)，而魯棒性則是平臺(tái)抗干擾能力的保證。
(5)試驗(yàn)平臺(tái)整體運(yùn)行策略
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體運(yùn)行策略包括試驗(yàn)狀態(tài)的監(jiān)控，試驗(yàn)步驟（包括準(zhǔn)備工作、操作流程等）等。在完成試驗(yàn)?zāi)康牡耐瑫r(shí)，保證平臺(tái)的安全運(yùn)行。
4 結(jié)束語(yǔ)
在廣大研究工作者的辛勤努力下，大功率電力電子裝置的出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)方法已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件及裝置的多種電氣耐受水平試驗(yàn)。但是，對(duì)于大功率電力電子裝置原型的整體性能測(cè)試，雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，仍然無(wú)法滿足需求?；诖蠊β孰娏﹄娮咏涌谘b置的數(shù)字-原型裝置混合仿真，將是解決這一現(xiàn)狀的可能途徑。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電力電子裝置整體的測(cè)試，將大大加快大功率電力電子裝置的研發(fā)速度，減少設(shè)計(jì)缺陷以及因此帶來(lái)的巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，具有重大的意義。
作者簡(jiǎn)介
李尚盛(1982-) 男 博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量設(shè)備測(cè)試與考核方法研究。
查曉明(1967-) 男 教授/博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹捌淇刂萍夹g(shù)，電能質(zhì)量問(wèn)題分析與調(diào)節(jié)以及實(shí)時(shí)信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)等。
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