1 引言
近年來，大功率電力電子裝置飛速發(fā)展，越來越多的裝置和設(shè)備投入實際運行[1]，如高壓直流輸電(hvdc)、靜止無功補償(statcom)、統(tǒng)一潮流控制器(upfc)、可控串補(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。運行實踐表明，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)運行控制的靈活性、電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量水平，同時可有效降低用戶能耗，對我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及國家節(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)它的測試和考核問題也得到越來越多的關(guān)注。
大功率電力電子裝置測試和考核的目的是保證裝置在正常運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)的運行[2]。根據(jù)測試和考核目標(biāo)，主要分為出廠試驗與型式試驗，以及整體性能測試兩種。其中，出廠試驗和型式試驗主要針對裝置中的元器件及各單元的絕緣、耐壓，過流等耐受電氣水平以及動作的可靠性的檢測；整 體性能測試則主要針對裝置的設(shè)計目標(biāo)即裝置對電力系統(tǒng)影響，例如電能質(zhì)量設(shè)備的電能補償效果，裝置對電力系統(tǒng)影響的評價等。
2 出廠試驗和型式試驗
針對大功率電力電子裝置的出廠試驗和型式試驗，目前，國內(nèi)外多家機構(gòu)先后建立了大功率電力電子裝置測試實驗室。國外有abb公司[3]、siemens公司、美國西屋公司、日本mitsubishi和toshiba公司、英國alstom等公司均建立了一整套的電力電子試驗裝置。國內(nèi)主要為國家電網(wǎng)公司資助的，中國電力科學(xué)院大功率電力電子實驗室。它們都是按照iec相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對大功率電力電子裝置進行必要的出廠試驗和型式試驗。主要提供如下測試手段[2-7]：
(1)交流耐壓試驗:在閥兩端以及閥兩端與地之間進行介質(zhì)耐壓試驗和局部放電測試;
(2)直流(或交直流聯(lián)合)耐壓試驗:在閥兩端以及閥兩端與地之間進行介質(zhì)耐壓試驗和局部放電測試;
(3）閥兩端以及閥端與地之間進行操作沖擊和雷電沖擊絕緣水平測試；
(4）在電力電子器件恢復(fù)過程中，閥兩端進行雷電沖擊絕緣水平測試；
(5）過電流試驗;
(6）在全電壓下周期性的觸發(fā)試驗;
(7）非周期觸發(fā)試驗;
(8）溫升試驗;
(9）高壓閥電子設(shè)備的電磁兼容能力(emc)試驗;
(10）全電壓和全電流試驗等。
目前，這方面的研究主要集中在針對不斷推出的新型功率器件及裝置結(jié)構(gòu)進行試驗方法研究[8]，設(shè)計測試回路與算法。通過這些試驗，能從一定意義上保證各種電力電子裝置的可靠、安全的運行，從而推動電力電子裝置的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程。其不足在于缺乏統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)和理論。文獻[2，9]根據(jù)試驗相似理論和等效原理，對現(xiàn)有試驗系統(tǒng)進行驗證與改進；文獻[10]則從方法論的角度對實驗系統(tǒng)進行分析和歸類,力圖為大功率電力電子裝置的試驗和應(yīng)用提供了哲學(xué)高度的理論基礎(chǔ)。
3 整體性能測試
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價裝置優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此，對于大功率電力電子裝置而言，除了進行完備的出廠試驗和型式試驗外，還需要進行整體性能測試。
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)，所以要完成測試，首要問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，一是采用實際運行的電力系統(tǒng)，二是采用各種手段在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)實際電力系統(tǒng)的還原。
考慮到大功率電力電子裝置的應(yīng)用場合的重要性，前者基本無法實現(xiàn)。后者雖然實現(xiàn)起來有很多困難，但不失為一個很好的發(fā)展方向。多年來，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)實現(xiàn)了對物理樣機和縮小的試品，以及大功率電力電子裝置控制單元的測試。
實驗室環(huán)境下的大功率電力電子裝置整體性能測試的發(fā)展，根據(jù)其發(fā)展趨勢，可以分為原型物理樣機模擬和數(shù)字-物理混合仿真兩個階段。
3.1 原型物理樣機模擬[11,12]
原型物理樣機模擬，即采用與實際原型裝置結(jié)構(gòu)相同而容量縮小的物理樣機進行研究，國內(nèi)外早期出現(xiàn)的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗室，就是典型的例子，它是最早出現(xiàn)的電力系統(tǒng)實時仿真模式。原型物理樣機模擬在電力系統(tǒng)的發(fā)展過程中發(fā)揮了重大的作用，在電力電子領(lǐng)域也是如此。例如在我國首個±20mvar statcom的項目實施過程中，就采用了這種方式對鏈?zhǔn)侥孀兤鞯膒wm控制算法、直流電壓均衡控制、動態(tài)無功控制算法等進行了研究[12]。
該方法的優(yōu)點在于直觀，且接近實際運行情況；缺點在于建立原型物理樣機需要較長的時間和較高的成本，同時樣機缺乏靈活性，縮小的物理模型也并不能準(zhǔn)確的反映實際系統(tǒng)的參數(shù)。盡管如此，它仍然是目前大功率電力電子領(lǐng)域中一個主要研究和驗證手段[11]。
3.2 數(shù)字-物理混合仿真[13-18]
數(shù)字物理混合仿真，即采用實時數(shù)字仿真系統(tǒng)與物理仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式，在較小的實驗室空間內(nèi)，模擬實際系統(tǒng)的運行?；旌戏抡娴幕驹淼奶娲ɡ恚喝绻麑⒁粋€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)展可以分為兩個階段：
第一個階段，是在計算機技術(shù)發(fā)展初期，在原型物理樣機模擬的基礎(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年代初期開始投入使用的ireq混合仿真器[13]，是較早的實時電力系統(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，其采用無源rlc元件、電子元件、實時數(shù)字模型等元件模擬實際電力系統(tǒng)元件，并通過計算機控制的網(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)時數(shù)字計算機水平和電力系統(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)字計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了很多實時數(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)境模型在實時數(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的限制，當(dāng)前該結(jié)構(gòu)只限于對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]進行測試。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為基于實時數(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際的保護控制系統(tǒng)。在用于大功率電力電子裝置控制單元測試時，裝置的功率回路在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)中建模。這種結(jié)構(gòu)無法避免高頻的電力電子裝置建模困難的缺點。
圖3 基于實時數(shù)字仿真器的典型混合仿真結(jié)構(gòu)
3.3 整體性能測試的發(fā)展方向
基于實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)字-物理仿真模式，是實驗室環(huán)境下還原實際電力系統(tǒng)環(huán)境的有效途徑，但是目前的發(fā)展來看，其功率等級并不能達到大功率電力電子裝置整體性能測試的要求。要提高功率等級，首先要有能提供高功率等級的接口裝置，解決被測試裝置能量吞吐問題。
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。整個接口裝置可以看成一個等效受控電壓源（或電流源）。該結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)功率放大器對功率等級的限制，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，未來可能的大功率電力電子裝置整體性能測試平臺如圖5所示。試驗平臺將分為三部分：實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)、動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)以及監(jiān)控平臺。實時數(shù)字仿真子系統(tǒng)主要由各種實時數(shù)字仿真器構(gòu)成，完成測試系統(tǒng)的動態(tài)仿真；動態(tài)物理模擬子系統(tǒng)由大功率接口裝置（物理等效受控源）與被測裝置組成，形成被測設(shè)備所需要的功率回路；監(jiān)控平臺由人機界面，數(shù)據(jù)庫和全局控制單元組成，協(xié)調(diào)平臺兩子系統(tǒng)間的運行，并為試驗人員提供人機交互。
圖5 大功率電力電子裝置整體性能測試平臺
在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，要完成大功率電力電子裝置測試，尚需解決的問題有：
(1)大功率電力電子裝置測試標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)的研究
測試標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)，是最終完成裝置測試必不可少的條件。測試標(biāo)準(zhǔn)將給出完成測試所需要的系統(tǒng)性能，評價指標(biāo)則為被用于評估被試驗裝置的性能。
(2)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)建模研究
測試平臺結(jié)構(gòu)雖然避免了被測電力電子裝置的建模，減少了對數(shù)字仿真的精度要求，但是對模型準(zhǔn)確度的要求卻絲毫沒有降低。同時，要求為同類型或相似的裝置建立相同的電力系統(tǒng)環(huán)境模型，以便對不同裝置的整體性能進行比較。
(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，使其滿足測試標(biāo)準(zhǔn)的要求，是研究的關(guān)鍵之一?？赡艿耐緩绞峭ㄟ^先進的控制技術(shù)，例如無差拍控制[26,27]、學(xué)習(xí)控制[28,29]等，通過接口控制與全局控制相結(jié)合，提高接口性能。
(4)試驗平臺穩(wěn)定性與魯棒性研究
實驗平臺除了擁有數(shù)字-物理混合仿真系統(tǒng)固有的實時交互仿真問題外，大功率接口的出現(xiàn)，給試驗平臺的穩(wěn)定性和魯棒性研究帶來了更大的困難。平臺運行穩(wěn)定性是平臺正常工作的基礎(chǔ)，而魯棒性則是平臺抗干擾能力的保證。
(5)試驗平臺整體運行策略
實驗平臺的整體運行策略包括試驗狀態(tài)的監(jiān)控，試驗步驟（包括準(zhǔn)備工作、操作流程等）等。在完成試驗?zāi)康牡耐瑫r，保證平臺的安全運行。
4 結(jié)束語
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和型式試驗方法已經(jīng)得到了長足的進步，可以在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)對元器件及裝置的多種電氣耐受水平試驗。但是，對于大功率電力電子裝置原型的整體性能測試，雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，仍然無法滿足需求。基于大功率電力電子接口裝置的數(shù)字-原型裝置混合仿真，將是解決這一現(xiàn)狀的可能途徑。在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)對大功率電力電子裝置整體的測試，將大大加快大功率電力電子裝置的研發(fā)速度，減少設(shè)計缺陷以及因此帶來的巨大的直接和間接經(jīng)濟損失，具有重大的意義。
作者簡介
李尚盛(1982-) 男 博士研究生，主要研究方向為電能質(zhì)量設(shè)備測試與考核方法研究。
查曉明(1967-) 男 教授/博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子及其控制技術(shù)，電能質(zhì)量問題分析與調(diào)節(jié)以及實時信號檢測與處理系統(tǒng)等。
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