新能源發(fā)電低電壓穿越的VSG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

周 穩(wěn) ，畢大強(qiáng) ，戴瑜興 ，成林俞 ，熊書華

（1.溫州大學(xué) 電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325035；2.清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

0 引言

伴隨光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電的應(yīng)用不斷增多，許多國(guó)家出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)要求光伏電站、風(fēng)力發(fā)電站在并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)發(fā)生故障情況下，一定時(shí)間內(nèi)不能脫網(wǎng)，必須具備一定的低電壓穿越 LVRT（Low Voltage Ride Through）能力［1-4］。 為了實(shí)驗(yàn)研究與測(cè)試風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓因故障跌落時(shí)的穿越能力，需要考慮各種可能遇到的電壓跌落情況。然而，電網(wǎng)電壓故障不可控制，在正常實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中做跌落實(shí)驗(yàn)也不允許。因此，研制電壓跌落發(fā)生器 VSG（Voltage Sag Generator）十分必要。

目前研究VSG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為3種形式：阻抗形式、電力電子變換形式和變壓器形式［5］。文獻(xiàn)［6］提出了一種光伏發(fā)電LVRT實(shí)驗(yàn)用阻抗形式的VSG，僅進(jìn)行仿真研究，缺乏可靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)［7］提出一種阻抗形式VSG中限流電抗器和接地電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)［8］研究指出阻抗形式VSG是低成本實(shí)現(xiàn)VSG的方案。雖然阻抗形式VSG結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，研制實(shí)現(xiàn)方便，但其能量損耗大。文獻(xiàn)［9］提出一種可編程電網(wǎng)故障模擬電源的設(shè)計(jì)方案，采用背靠背式PWM變換器，通過控制模擬各類電網(wǎng)故障。文獻(xiàn)［10］研究了一種基于電壓源型逆變器的可編程VSG方案，利用比例積分諧振控制器實(shí)現(xiàn)4種電網(wǎng)故障電壓模擬。文獻(xiàn)［11-12］設(shè)計(jì)采用電力電子形式VSG方案，利用逆變器控制為可控電壓源形成電壓跌落。電力電子變換形式VSG方案的形式較為靈活，但是受到電子開關(guān)器件功率的制約，其功率等級(jí)受限，且成本高，可靠性低，控制較為復(fù)雜。文獻(xiàn)［13］采用一種三相自耦合變壓器和由可控器件IGBT構(gòu)成的雙向開關(guān)實(shí)現(xiàn)VSG方案，能實(shí)現(xiàn)各種類型電壓跌落的故障模擬，但其缺乏關(guān)于上位機(jī)控制的分析研究。文獻(xiàn)［14］研制了一種LVRT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試用的變壓器形式VSG，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，適用功率等級(jí)高，但跌落持續(xù)時(shí)間配置不靈活，操作無上位機(jī)控制，較為不方便。

因此，本文提出一種基于LabVIEW控制的采用中心抽頭變壓器形式的VSG設(shè)計(jì)方法，研制搭建了一個(gè)VSG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。VSG采用STM32F103控制，其通過與LabVIEW上位機(jī)通信，能夠靈活方便地進(jìn)行電壓跌落操作，精確控制跌落持續(xù)時(shí)間，產(chǎn)生三相對(duì)稱、三相不對(duì)稱、兩相、單相不同跌落深度的電壓故障情況。該設(shè)計(jì)方法安全性高、可靠性強(qiáng)、成本低，能夠滿足風(fēng)力或光伏發(fā)電LVRT實(shí)驗(yàn)要求。

1 新能源發(fā)電LVRT測(cè)試

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》［15］，其 LVRT 要求曲線如圖1所示（并網(wǎng)點(diǎn)電壓為標(biāo)幺值），風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組接入點(diǎn)的電壓降低到標(biāo)稱電壓的20%時(shí)，能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的LVRT能力。額定電壓的90%～110%范圍內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組可以正常運(yùn)行，并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠快速恢復(fù)到額定電壓的90%以上。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)LVRT測(cè)試中，一般會(huì)選取一定規(guī)格的跌落電壓，電壓跌落規(guī)格［16］如表1所示，其中UTP為實(shí)際并網(wǎng)點(diǎn)輸出三相線電壓有效值，Un為電網(wǎng)額定三相線電壓有效值。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》［17］，其LVRT要求曲線如圖2所示（并網(wǎng)點(diǎn)電壓為標(biāo)幺值）。其要求光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0時(shí)，能連續(xù)不脫網(wǎng)運(yùn)行150 ms，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至曲線1以下時(shí)，光伏發(fā)電站可以從電網(wǎng)切出。依據(jù)光伏發(fā)電并網(wǎng)LVRT要求曲線以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NB/T 32005—2013《光伏發(fā)電站低電壓穿越檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》，光伏LVRT測(cè)試檢測(cè)需要至少選取5 個(gè)跌落規(guī)格點(diǎn)［18］，其中應(yīng)該包含 0%UN與 20%UN，其他點(diǎn)分別分布在 20%UN～50%UN、50%UN～75%UN、75%UN～90%UN，由此，可選擇采用如表2所示的規(guī)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)LVRT要求Fig.1 Requirement of wind farm for LVRT

表1 風(fēng)電LVRT電網(wǎng)電壓跌落測(cè)試規(guī)格Table1 Voltage sag specifications for LVRT test of wind farm

圖2 光伏電站LVRT要求Fig.2 Requirement of photovoltaic station for LVRT

表2 光伏LVRT電網(wǎng)電壓跌落測(cè)試規(guī)格Table2 Voltage sag specifications for LVRT test of photovoltaic station

然而實(shí)際測(cè)試研究LVRT時(shí)，為了更好地考核穿越能力，故障跌落電壓持續(xù)時(shí)間可能比標(biāo)準(zhǔn)要求的更長(zhǎng)，因此，進(jìn)行LVRT實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，需要VSG靈活配置跌落電壓深度以及持續(xù)時(shí)間，提供符合以上測(cè)試規(guī)格的跌落電壓。

2 VSG設(shè)計(jì)原理

為了滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)試LVRT要求，設(shè)計(jì)如圖3所示VSG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖，采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制4個(gè)三相接觸器、電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采樣以及上位機(jī)通信。核心部件為帶抽頭變比可調(diào)的三相變壓器，K1、K2、K3、K4為4個(gè)繼電器控制信號(hào)，每一個(gè)繼電器相應(yīng)控制一個(gè)三相接觸器，由此控制A、B、C三相電壓在變壓器副邊側(cè)的通斷。R1—R6為限流電阻，限流電阻的設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)變壓器繞組承受的電流范圍、電阻短路時(shí)的過載能力而設(shè)定。L2、L3、L4為三相變壓器副邊抽頭。

圖3 VSG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 Schematic diagram of VSG testbed design

工作原理如下。

以A相為例，正常電網(wǎng)條件下K1導(dǎo)通，K2—K4關(guān)斷，A相輸出與副邊L1相連。當(dāng)A相電壓發(fā)生跌落時(shí)，為了避免K1和K3同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生過流，控制繼電器按照如下順序動(dòng)作：K2導(dǎo)通 K1關(guān)斷 K3導(dǎo)通 K2關(guān)斷。此時(shí)，A相輸出與副邊L2相連。由于L2的變壓比可以不同于L1，A相輸出電壓將發(fā)生跳變。電壓恢復(fù)過程與之類似，其繼電器通斷順序?yàn)椋篕4導(dǎo)通 K3關(guān)斷 K1導(dǎo)通 K4關(guān)斷。綜上所述，對(duì)于A相，通過選擇不同的變壓比副邊L2，可以選擇不同的電壓跌落深度，通過控制跌落和恢復(fù)過程的時(shí)間間隔，可以控制故障電壓持續(xù)的時(shí)間，從而在A相上模擬出需要的電壓故障。對(duì)B、C相進(jìn)行類似的處理控制，通過調(diào)節(jié)變壓器副邊抽頭L2、L3、L4的位置，實(shí)現(xiàn)VSG的三相、兩相、單相不同深度的電壓跌落，可以模擬出電網(wǎng)電壓的各種故障，如幅值跳變、相位躍遷等，從而完全可以滿足新能源發(fā)電設(shè)備LVRT測(cè)試所需電網(wǎng)電壓跌落要求。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)安全、靈活地操作VSG，為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電LVRT實(shí)驗(yàn)提供方便。采用虛擬儀器的LabVIEW圖形化的程序進(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，所設(shè)計(jì)的程序總體結(jié)構(gòu)采用順序式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作及顯示實(shí)際電壓跌落情況。

上位機(jī)通過RS485串口與主控芯片STM32進(jìn)行通信，波特率設(shè)置為19200 bit/s。自定義設(shè)計(jì)與主控芯片之間的通信協(xié)議，保障通信質(zhì)量。設(shè)計(jì)的通信協(xié)議包含命令數(shù)據(jù)幀與響應(yīng)數(shù)據(jù)幀。下發(fā)命令數(shù)據(jù)幀包括報(bào)頭、報(bào)尾校驗(yàn)字節(jié)、主電路合閘、斷開、數(shù)據(jù)復(fù)位、數(shù)據(jù)讀取、跌落執(zhí)行、跌落時(shí)間等設(shè)置命令。在通信握手成功后，執(zhí)行控制板向上位機(jī)回傳響應(yīng)幀，包括三相線電壓有效值、當(dāng)前VSG的狀態(tài)等信息。

上位機(jī)前面板如圖4所示，上位機(jī)操作流程為：首先，選擇跌落器工作模式，標(biāo)準(zhǔn)模式與自由模式?jīng)Q定的是跌落持續(xù)時(shí)間，其中標(biāo)準(zhǔn)模式是依據(jù)LVRT曲線計(jì)算跌落持續(xù)時(shí)間，而自由模式時(shí)可給定100 ms～2 s時(shí)間內(nèi)的數(shù)值；其次，合閘主電路即K1繼電器合閘，使VSG接入三相電壓；然后，執(zhí)行跌落操作；最后，開始讀取數(shù)據(jù)，可顯示跌落電壓數(shù)據(jù)情況。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證前文所述設(shè)計(jì)，研制了電網(wǎng)電壓跌落實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。按照前文上位機(jī)操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圖4為實(shí)驗(yàn)三相電壓跌落50%、上位機(jī)設(shè)置自由模式1.5 s、上位機(jī)的設(shè)置以及讀取三相線電壓有效值的情況，由圖可知，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)通信可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)功能以及LVRT實(shí)驗(yàn)所要求的時(shí)間自由配置。圖5為電壓跌落至50%、上位機(jī)設(shè)置持續(xù)時(shí)間1.5 s時(shí) VSG 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形，圖中 uab、ubc、uca為測(cè)試輸出的三相線電壓。

圖5 三相電壓跌落至50%的實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms of three-phase voltage drop to 50%

圖6為三相電壓跌落至20%、上位機(jī)設(shè)置持續(xù)時(shí)間2 s時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。圖7為三相電壓跌落至0%、上位機(jī)設(shè)置持續(xù)時(shí)間140 ms時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可知，本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)電壓跌落實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠自由設(shè)置LVRT實(shí)驗(yàn)過程中跌落規(guī)格電壓、故障持續(xù)時(shí)間，安全可靠地通過上位機(jī)操作實(shí)現(xiàn)，精確控制跌落電壓持續(xù)時(shí)間。

圖6 三相電壓跌落至20%的實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms of three-phase voltage drop to 20%

圖7 三相電壓跌落至0%的實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of three-phase voltage drop to 0%

圖8為三相不對(duì)稱電壓跌落、上位機(jī)設(shè)置持續(xù)時(shí)間1.5 s時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，由圖可知，VSG可以形成不對(duì)稱故障電網(wǎng)電壓，適用于新能源LVRT實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖8 三相電壓不對(duì)稱跌落的實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms of asymmetrical three-phase voltage drop

5 結(jié)語

本文提出一種基于LabVIEW上位機(jī)控制的變壓器形式VSG設(shè)計(jì)方法。該方法采用STM32F103作為主控芯片控制VSG，通過與上位機(jī)通信進(jìn)行操作。本文分析了VSG的設(shè)計(jì)原理，研制了樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的VSG安全、可靠，能以低成本的方式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落故障模擬，可以靈活方便地進(jìn)行操作，滿足新能源發(fā)電中風(fēng)力或光伏發(fā)電LVRT測(cè)試的要求。

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