可編程電網(wǎng)故障模擬電源的設(shè)計

徐海亮 章 瑋 胡家兵 周 鵬 賀益康

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027 2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074）

1 引言

近年來，隨著以變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）為主體的大型風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)中所占比例的快速增加，電力系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在外部電網(wǎng)故障下的運(yùn)行能力提出了日益嚴(yán)格的要求。從世界各國相繼出臺的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程來看，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)一定程度的電壓波動與閃變、三相不平衡、諧波畸變，甚至深度電壓跌落等故障時，要求風(fēng)電機(jī)組仍能保持與電網(wǎng)連接而不解列，即須具備一定的故障穿越運(yùn)行能力[1-3]。

為了研究和測試風(fēng)電機(jī)組在各類電網(wǎng)故障下的不間斷運(yùn)行能力，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)適應(yīng)性和抗干擾能力考核，必須使用具有特定電網(wǎng)故障模擬功能的測試設(shè)備。對此，國內(nèi)外學(xué)者、工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量研究和開發(fā)，提出了一些可行的設(shè)計方案。但這些工作大多集中于滿足風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力測試的需求，所研制的電網(wǎng)故障模擬裝置多以實現(xiàn)電壓跌落為主，往往被稱為電壓跌落發(fā)生器（Voltage Sag Generator,VSG）[4-10]。

文獻(xiàn)[11]對國內(nèi)外現(xiàn)有的電壓跌落發(fā)生器進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)，論述了3種主要形式的VSG實現(xiàn)方法，即阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式，并比較了各自的優(yōu)、缺點。需要指出的是，無論阻抗形式、變壓器形式還是已有的電力電子形式電壓跌落發(fā)生器均僅具有單一的功能，即僅能夠模擬對稱、不對稱電壓跌落，而無法全面、真實地反映故障電網(wǎng)的其他重要特征，也就無法滿足風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)性能測試的全部要求。研究、設(shè)計、開發(fā)出一種新型多功能柔性電網(wǎng)故障模擬裝置已是現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)研究中一項重要而緊迫的工作。

為此，本文提出了一種新型可編程電網(wǎng)故障模擬電源的設(shè)計方案，不僅能夠產(chǎn)生各種對稱、不對稱電壓跌落，模擬電壓波動、頻率漂移、相位跳變以及諧波畸變等各類電網(wǎng)故障，而且電壓跌落幅值、故障相數(shù)、頻率變化趨勢及大小、相位變化性質(zhì)及大小、諧波次數(shù)及比例、相角跳變大小等參數(shù)均柔性可調(diào)。同時，由于具有電壓閉環(huán)控制功能，可確保測試中不會因大電流沖擊引起電源內(nèi)阻壓降而造成電壓跌落斜率、跌落幅度受損，從而消除了傳統(tǒng)電壓跌落發(fā)生器采用電阻分壓、變壓器變壓等電壓開環(huán)工作方式帶來的故障模擬誤差。此外，背靠背式（Back-to-Back）電壓源型PWM變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足了能量雙向流動的需要，保證了被試機(jī)組與測試電源間的正確功率流動關(guān)系，擴(kuò)大容量后可作為大功率風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)測試的關(guān)鍵設(shè)備，也可以作為其他并網(wǎng)電力電子設(shè)備性能考核的重要電源裝置。

2 電網(wǎng)故障模擬電源的設(shè)計

2.1 電壓指令算法

為了模擬所需電網(wǎng)故障，須先向故障模擬電源的控制單元發(fā)出電壓控制指令U*a、U*b和U*c。理想電網(wǎng)條件下三相電壓正弦、對稱，其電壓指令為

式中A+，B+，C+——三相電壓基波正序分量的幅值；

ω*——電網(wǎng)角頻率，

f——電網(wǎng)頻率。

這樣，采取編程方式實時改變式（1）中各相電壓幅值即可產(chǎn)生三相電壓對稱、不對稱跌落或泵升故障。同理按指定的向量表變化來給定A+、B+、C+，即可模擬電網(wǎng)電壓的波動；而實時改變角頻率指令則可模擬電網(wǎng)頻率的漂移現(xiàn)象。

當(dāng)電網(wǎng)電壓含有負(fù)序及諧波分量時，電壓控制指令可設(shè)定為

式中A-，B-，C-——三相電壓基波負(fù)序分量的幅值；

An，Bn，Cn——三相電壓n次諧波分量的幅值。

通過實時改變式（2）中基波負(fù)序分量和諧波分量的幅值即可方便地模擬電網(wǎng)電壓不平衡或/和諧波畸變故障，具有較強(qiáng)的靈活性。

2.2 控制器設(shè)計

設(shè)電網(wǎng)三相電壓不平衡但無零序分量存在，計及n次電壓諧波（n為帶符號整數(shù)，正、負(fù)取決于諧波電壓的相序，正序時取+，負(fù)序時?。r靜止αβ坐標(biāo)系中表述的電壓矢量Uαβ可被分解為正轉(zhuǎn)同步速、反轉(zhuǎn)同步速以及n倍同步速的基波和諧波分量，即

式中，Uαβ+、Uαβ-、Uαβn分別代表基波正序、基波負(fù)序和諧波電壓分量；φ+、φ-、φ n分別代表其初始相位角。

同時，電壓各分量還可在正轉(zhuǎn)同步速、反轉(zhuǎn)同步速和n倍同步速坐標(biāo)系 (dq)+、(dq)-以及(dq)n來表示，它們之間的空間位置關(guān)系如圖1所示，各電壓矢量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系則為

根據(jù)式（4）和圖1，可將電壓負(fù)序與諧波分量轉(zhuǎn)換至正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系，從而得到正轉(zhuǎn)同步速坐標(biāo)系下的電壓矢量表達(dá)為

圖1 αβ，(dq)+,(dq)- 和 (dq)n坐標(biāo)系間的空間位置關(guān)系Fig.1 The spatial relationships among the αβ,(dq)+,(dq)- and (dq)n reference frames

從式（5）可以看出，電壓負(fù)序、諧波分量轉(zhuǎn)換至正轉(zhuǎn)同步速參考坐標(biāo)系后分別表現(xiàn)為2倍、n-1倍電網(wǎng)頻率的脈動分量。此時，由于受調(diào)節(jié)帶寬和增益裕度的限制，傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器已難以實現(xiàn)對這類交流成分的有效調(diào)節(jié)，這是這種故障模擬電源控制器設(shè)計上的難點和關(guān)鍵。對此，本文采用文獻(xiàn)[12]提出的PI-R調(diào)節(jié)器方案，它是由傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器加上諧振頻率分別為2倍頻和n-1倍頻的兩個諧振（Resonant,R）調(diào)節(jié)器組合而成，可同時實現(xiàn)對基波正序、負(fù)序以及n-1倍頻交流量的快速調(diào)節(jié)。PI-R控制器的傳遞函數(shù)為

式中，Kvp、Kvi分別為比例、積分系數(shù)；Kvr1、Kvrn分別為兩個諧振調(diào)節(jié)器的諧振系數(shù)；ωc1、ωc2為相應(yīng)的截止頻率，主要用于增加諧振調(diào)節(jié)器的響應(yīng)帶寬以降低其對電網(wǎng)頻率波動的敏感程度[13]。

PI-R電壓控制器對交流量的控制效果可以用伯德圖來說明。假定電壓中同時存在負(fù)序5次、正序7次電壓諧波，則式（6）中，圖2給出了此時PI調(diào)節(jié)器和PI-R控制器的Bode圖。可以看出，與PI調(diào)節(jié)器相比，PI-R控制器不僅能夠?qū)χ绷鞒煞诌M(jìn)行有效調(diào)節(jié)，也能對2倍頻、6倍頻交流成分提供理想增益，從而可以同時實現(xiàn)對直流量和交流量的無靜差調(diào)節(jié)。

圖2 PI-R控制器的Bode圖Fig.2 Bode diagram of PI-R controller

同理，電流內(nèi)環(huán)控制也可采用類似的PI-R控制器，改進(jìn)后的電網(wǎng)故障模擬電源控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)故障模擬電源控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Control structure of grid-fault emulating power supply

2.3 系統(tǒng)設(shè)置

圖4 電網(wǎng)故障模擬電源供電DFIG風(fēng)電機(jī)組試驗系統(tǒng)Fig.4 DFIG based wind-turbine tested system fed by the grid-fault emulating power-supply

圖4 所示為采用本文提出的基于可編程電網(wǎng)故障模擬電源供電的DFIG風(fēng)電機(jī)組試驗結(jié)構(gòu)圖。其中，電網(wǎng)故障模擬電源主電路由一對背靠背式三相兩電平電壓源型PWM變換器構(gòu)成，直流母線電容Cd實現(xiàn)了兩變換器間的解耦。進(jìn)線電抗器L1用以減少輸入電流的諧波含量，保證系統(tǒng)良好的輸入特性；出線電抗器L2和電容器C共同構(gòu)成兩階濾波電路，用于濾除開關(guān)頻率及其倍頻的電壓諧波。直流母線限壓保護(hù)電路由耗能電阻R與直流脈寬調(diào)制用IGBT串聯(lián)構(gòu)成，用作母線電壓過高時的硬件保護(hù)。由DSP構(gòu)成的數(shù)字控制單元向逆變側(cè)變換器發(fā)出驅(qū)動與保護(hù)指令，控制功率開關(guān)的通、斷，使其輸出能模擬DFIG并網(wǎng)點可能出現(xiàn)的各類電網(wǎng)故障。整流側(cè)變換器采用文獻(xiàn)[14]所述的矢量控制策略，主要作用是保證直流母線電壓穩(wěn)定且實現(xiàn)能量的雙向流動。

3 實驗驗證

為了檢驗可編程電網(wǎng)故障模擬電源理論分析的正確性與設(shè)計方案的可行性，構(gòu)建了一套完整的實驗系統(tǒng)，進(jìn)行了相應(yīng)的實驗驗證。實驗系統(tǒng)如圖4所示，其中數(shù)字處理芯片采用美國TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812，整流側(cè)、逆變側(cè)變換器的開關(guān)頻率均設(shè)定為2.5kHz，采樣頻率為10kHz。實驗結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5為電網(wǎng)故障模擬電源產(chǎn)生的對稱和不對稱電壓跌落時的實驗波形，其中圖5a為三相電壓對稱跌落至額定值20%的波形；圖5b為兩相電壓跌落至額定值50%時的波形，故障持續(xù)時間均為120ms；Ua、Ub和Uc分別代表故障模擬電源產(chǎn)生的三相電壓，F(xiàn)lag為故障起止時間標(biāo)志?？梢钥闯?，所研制的故障模擬電源能夠產(chǎn)生對稱、不對稱電壓跌落故障，且電壓跌落深度、持續(xù)時間均柔性可調(diào)。

圖6給出了電網(wǎng)故障模擬電源產(chǎn)生電壓相角跳變時的實驗結(jié)果。正常相角跳變的范圍為0～60°，圖中圓圈標(biāo)識處分別標(biāo)志發(fā)生了正向、反向45°的相位跳變。實驗結(jié)果表明，這種故障模擬電源能夠真實模擬相角跳變這一典型電網(wǎng)故障，且相角跳變的大小及方向均可調(diào)。

圖7表示的是電壓不平衡度為10%且5次諧波含量為7%時的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，可編程故障電源模擬裝置能夠同時模擬兩種及以上電網(wǎng)故障，其功能具有較強(qiáng)的拓展性。

圖5 電壓對稱和不對稱跌落時的實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of symmetrical and asymmetric voltage sag

圖6 正向、反向45°相角跳變時的實驗結(jié)果Fig.6 Experiment results of angle jumping for ±45°

圖7 不平衡度為10%且5次諧波含量為7%時的實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results with voltage unbalance of 10%and 5th- order harmonic content of 7%

實驗同時還驗證了三相不平衡、頻率漂移、電壓波動等其他典型電網(wǎng)故障，均實現(xiàn)了與上述實驗相近的控制效果。限于篇幅原因，不再一一羅列。此外，下表給出了國家電網(wǎng)公司頒布的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》[15]中所述并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組對各類電網(wǎng)故障的適應(yīng)性規(guī)定，并與本文設(shè)計的電網(wǎng)故障模擬電源可實現(xiàn)的故障種類、參數(shù)范圍及持續(xù)時間進(jìn)行了對比。可以看出，本文所提出的電網(wǎng)故障模擬電源能夠?qū)崿F(xiàn)比該標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的電網(wǎng)故障考核，擴(kuò)大容量后完全能夠滿足風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)前的性能測試需求。

4 應(yīng)用舉例

負(fù)荷在各種電網(wǎng)擾動下的動態(tài)響應(yīng)是電力系統(tǒng)中負(fù)荷特性研究的核心內(nèi)容，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓驟降故障下的低電壓穿越性能就是現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)研究中的熱點和關(guān)鍵。

圖8給出了采用本文所提出的可編程電網(wǎng)故障模擬電源裝置實現(xiàn)DFIG風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越性能測試的實驗結(jié)果。其中，Usab表示故障模擬電源裝置輸出的兩相電壓，即DFIG定子側(cè)電壓；Isab、IRSC,ab分別表示流經(jīng)定子繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的兩相電流，Icrow表示流經(jīng)Crowbar保護(hù)裝置的電流；Vdc為DFIG交流勵磁變頻器的直流母線電壓，Ps、Qs分別為DFIG定子側(cè)輸出有功、無功功率；Te表示電磁轉(zhuǎn)矩。如圖8所示，在t= 0.15s時刻，并網(wǎng)點三相電壓對稱驟降至額定值的15%，引起DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器出現(xiàn)過流。為了保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，Crowbar迅速投入工作，短接轉(zhuǎn)子繞組；在Crowbar工作約80ms后的t= 0.23s時刻，轉(zhuǎn)子電流降至保護(hù)閾值下限，Crowbar切除，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器重新投入工作，并對電網(wǎng)提供無功支撐，電網(wǎng)電壓被快速抬升至20%的額定電壓。電網(wǎng)故障切除的t=0.55s時刻，雖然轉(zhuǎn)子電流仍有一定沖擊但未達(dá)到保護(hù)閾值，Crowbar未再次動作。故障切除100ms后，即t=0.65s時刻，有功功率指令逐漸恢復(fù)，DFIG恢復(fù)至故障前的正常工作狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，本文提出的電網(wǎng)故障模擬電源完全能夠滿足DFIG風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越性能測試的要求，后續(xù)的實驗研究還將進(jìn)一步表明該電源裝置同樣能夠?qū)崿F(xiàn)DFIG風(fēng)電機(jī)組的其他并網(wǎng)運(yùn)行測試目標(biāo)。

圖8 采用電網(wǎng)故障模擬電源實現(xiàn)DFIG風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越性能測試的實驗結(jié)果Fig.8 Experimental results of low voltage ride-through test by applying the proposed grid-fault emulating power supply

表 電網(wǎng)故障模擬電源的主要性能Tab.Characteristics of the programmable power supply

5 結(jié)論

為了研究和測試風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越運(yùn)行能力，需要研制特定功能的電網(wǎng)故障發(fā)生裝置來模擬電網(wǎng)規(guī)范中規(guī)定的各種電網(wǎng)故障類型。本文提出的一種新型可編程電網(wǎng)故障模擬電源的設(shè)計方案，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電壓跌落發(fā)生器功能單一的缺陷，較為完整地實現(xiàn)了各類電網(wǎng)故障的有效模擬。其主要特點是：

（1）多功能：可模擬電網(wǎng)電壓對稱、不對稱跌落，三相不平衡，電壓諧波畸變，頻率漂移，相角跳變，電壓幅值波動等多種電網(wǎng)故障，或兩至三種故障兼而有之。

（2）柔性調(diào)節(jié)：電壓跌落幅值與故障相數(shù)、三相不平衡度、諧波次數(shù)及比例、頻率漂移大小與方向、相角變化大小與性質(zhì)、電壓波動趨勢以及故障持續(xù)時間等參數(shù)均可編程調(diào)節(jié)。

（3）魯棒性：由于具有電壓閉環(huán)控制能力，可保證應(yīng)用中不會因電流沖擊引起電源內(nèi)阻大值壓降，進(jìn)而影響電壓跌落的動態(tài)波形、跌落幅度，解決了電阻分壓、變壓器變壓等方案帶來的測試電壓誤差問題，有效提高了裝置實驗精度，具有較強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)性和魯棒性。

（4）實用性：理論分析及實驗結(jié)果同時表明，本文提出的可編程電網(wǎng)故障模擬電源擴(kuò)大容量后不僅可以滿足一定功率風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行測試實驗要求，也可以作為其他電氣和電力電子設(shè)備性能測試的電源裝置，具有十分廣泛的工程應(yīng)用前景。

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