可編程電網故障模擬電源的設計

徐海亮 章 瑋 胡家兵 周 鵬 賀益康

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

1 引言

近年來，隨著以變速恒頻雙饋感應發電機（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）為主體的大型風電機組在電網中所占比例的快速增加，電力系統對并網風電機組在外部電網故障下的運行能力提出了日益嚴格的要求。從世界各國相繼出臺的風電并網規程來看，當電網出現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，要求風電機組仍能保持與電網連接而不解列，即須具備一定的故障穿越運行能力[1-3]。

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

文獻[11]對國內外現有的電壓跌落發生器進行了詳細的總結，論述了3種主要形式的VSG實現方法，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、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的其他重要特征，也就無法滿足風電機組并網性能測試的全部要求。研究、設計、開發出一種新型多功能柔性電網故障模擬裝置已是現代風電技術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故障模擬電源的設計方案，不僅能夠產生各種對稱、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故障，而且電壓跌落幅值、故障相數、頻率變化趨勢及大小、相位變化性質及大小、諧波次數及比例、相角跳變大小等參數均柔性可調。同時，由于具有電壓閉環控制功能，可確保測試中不會因大電流沖擊引起電源內阻壓降而造成電壓跌落斜率、跌落幅度受損，從而消除了傳統電壓跌落發生器采用電阻分壓、變壓器變壓等電壓開環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變換器的拓撲結構，滿足了能量雙向流動的需要，保證了被試機組與測試電源間的正確功率流動關系，擴大容量后可作為大功率風電系統并網測試的關鍵設備，也可以作為其他并網電力電子設備性能考核的重要電源裝置。

2 電網故障模擬電源的設計

2.1 電壓指令算法

為了模擬所需電網故障，須先向故障模擬電源的控制單元發出電壓控制指令U*a、U*b和U*c。理想電網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*——電網角頻率，

f——電網頻率。

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+，即可模擬電網電壓的波動；而實時改變角頻率指令則可模擬電網頻率的漂移現象。

當電網電壓含有負序及諧波分量時，電壓控制指令可設定為

式中A-，B-，C-——三相電壓基波負序分量的幅值；

An，Bn，Cn——三相電壓n次諧波分量的幅值。

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

2.2 控制器設計

設電網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，正、負取決于諧波電壓的相序，正序時取+，負序時取－）時靜止αβ坐標系中表述的電壓矢量Uαβ可被分解為正轉同步速、反轉同步速以及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同步速、反轉同步速和n倍同步速坐標系 (dq)+、(dq)-以及(dq)n來表示，它們之間的空間位置關系如圖1所示，各電壓矢量之間的轉換關系則為

根據式（4）和圖1，可將電壓負序與諧波分量轉換至正轉同步速坐標系，從而得到正轉同步速坐標系下的電壓矢量表達為

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

從式（5）可以看出，電壓負序、諧波分量轉換至正轉同步速參考坐標系后分別表現為2倍、n-1倍電網頻率的脈動分量。此時，由于受調節帶寬和增益裕度的限制，傳統PI調節器已難以實現對這類交流成分的有效調節，這是這種故障模擬電源控制器設計上的難點和關鍵。對此，本文采用文獻[12]提出的PI-R調節器方案，它是由傳統PI調節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）調節器組合而成，可同時實現對基波正序、負序以及n-1倍頻交流量的快速調節。PI-R控制器的傳遞函數為

式中，Kvp、Kvi分別為比例、積分系數；Kvr1、Kvrn分別為兩個諧振調節器的諧振系數；ωc1、ωc2為相應的截止頻率，主要用于增加諧振調節器的響應帶寬以降低其對電網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序5次、正序7次電壓諧波，則式（6）中，圖2給出了此時PI調節器和PI-R控制器的Bode圖。可以看出，與PI調節器相比，PI-R控制器不僅能夠對直流成分進行有效調節，也能對2倍頻、6倍頻交流成分提供理想增益，從而可以同時實現對直流量和交流量的無靜差調節。

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

同理，電流內環控制也可采用類似的PI-R控制器，改進后的電網故障模擬電源控制結構如圖3所示。

圖3 電網故障模擬電源控制結構圖Fig.3 Control structure of grid-fault emulating power supply

2.3 系統設置

圖4 電網故障模擬電源供電DFIG風電機組試驗系統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故障模擬電源供電的DFIG風電機組試驗結構圖。其中，電網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變換器構成，直流母線電容Cd實現了兩變換器間的解耦。進線電抗器L1用以減少輸入電流的諧波含量，保證系統良好的輸入特性；出線電抗器L2和電容器C共同構成兩階濾波電路，用于濾除開關頻率及其倍頻的電壓諧波。直流母線限壓保護電路由耗能電阻R與直流脈寬調制用IGBT串聯構成，用作母線電壓過高時的硬件保護。由DSP構成的數字控制單元向逆變側變換器發出驅動與保護指令，控制功率開關的通、斷，使其輸出能模擬DFIG并網點可能出現的各類電網故障。整流側變換器采用文獻[14]所述的矢量控制策略，主要作用是保證直流母線電壓穩定且實現能量的雙向流動。

3 實驗驗證

為了檢驗可編程電網故障模擬電源理論分析的正確性與設計方案的可行性，構建了一套完整的實驗系統，進行了相應的實驗驗證。實驗系統如圖4所示，其中數字處理芯片采用美國TI公司生產的TMS320F2812，整流側、逆變側變換器的開關頻率均設定為2.5kHz，采樣頻率為10kHz。實驗結果如圖5～圖7所示。

圖5為電網故障模擬電源產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，故障持續時間均為120ms；Ua、Ub和Uc分別代表故障模擬電源產生的三相電壓，Flag為故障起止時間標志。可以看出，所研制的故障模擬電源能夠產生對稱、不對稱電壓跌落故障，且電壓跌落深度、持續時間均柔性可調。

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

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故障，其功能具有較強的拓展性。

圖5 電壓對稱和不對稱跌落時的實驗結果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故障，均實現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公司頒布的《風電場接入電力系統技術規定（修訂版）》[15]中所述并網風電機組對各類電網故障的適應性規定，并與本文設計的電網故障模擬電源可實現的故障種類、參數范圍及持續時間進行了對比。可以看出，本文所提出的電網故障模擬電源能夠實現比該標準更為嚴格的電網故障考核，擴大容量后完全能夠滿足風電場接入電力系統前的性能測試需求。

4 應用舉例

負荷在各種電網擾動下的動態響應是電力系統中負荷特性研究的核心內容，雙饋感應發電機在電網電壓驟降故障下的低電壓穿越性能就是現代風電技術研究中的熱點和關鍵。

圖8給出了采用本文所提出的可編程電網故障模擬電源裝置實現DFIG風電機組低電壓穿越性能測試的實驗結果。其中，Usab表示故障模擬電源裝置輸出的兩相電壓，即DFIG定子側電壓；Isab、IRSC,ab分別表示流經定子繞組和轉子側變換器的兩相電流，Icrow表示流經Crowbar保護裝置的電流；Vdc為DFIG交流勵磁變頻器的直流母線電壓，Ps、Qs分別為DFIG定子側輸出有功、無功功率；Te表示電磁轉矩。如圖8所示，在t= 0.15s時刻，并網點三相電壓對稱驟降至額定值的15%，引起DFIG轉子側變換器出現過流。為了保護轉子側變換器，Crowbar迅速投入工作，短接轉子繞組；在Crowbar工作約80ms后的t= 0.23s時刻，轉子電流降至保護閾值下限，Crowbar切除，轉子側變換器重新投入工作，并對電網提供無功支撐，電網電壓被快速抬升至20%的額定電壓。電網故障切除的t=0.55s時刻，雖然轉子電流仍有一定沖擊但未達到保護閾值，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，DFIG恢復至故障前的正常工作狀態。實驗結果表明，本文提出的電網故障模擬電源完全能夠滿足DFIG風電系統低電壓穿越性能測試的要求，后續的實驗研究還將進一步表明該電源裝置同樣能夠實現DFIG風電機組的其他并網運行測試目標。

圖8 采用電網故障模擬電源實現DFIG風電機組低電壓穿越性能測試的實驗結果Fig.8 Experimental results of low voltage ride-through test by applying the proposed grid-fault emulating power supply

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

5 結論

為了研究和測試風力發電系統的故障穿越運行能力，需要研制特定功能的電網故障發生裝置來模擬電網規范中規定的各種電網故障類型。本文提出的一種新型可編程電網故障模擬電源的設計方案，彌補了傳統電壓跌落發生器功能單一的缺陷，較為完整地實現了各類電網故障的有效模擬。其主要特點是：

（1）多功能：可模擬電網電壓對稱、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故障，或兩至三種故障兼而有之。

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

（3）魯棒性：由于具有電壓閉環控制能力，可保證應用中不會因電流沖擊引起電源內阻大值壓降，進而影響電壓跌落的動態波形、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，具有較強的負載適應性和魯棒性。

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

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