一種分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試裝置設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)

李宇飛 王 躍 吳金龍 馮宇鵬

（1. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2. 許繼集團(tuán)有限公司 許昌 461000）

1 引言

基于光伏、風(fēng)能以及生物能等新能源的分布式發(fā)電近年來在電力工業(yè)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。大多數(shù)分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的接口是通過電力電子并網(wǎng)變流器實(shí)現(xiàn)的，因此，要保證分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并網(wǎng)變流器的穩(wěn)定性和抗擾動性就顯得至關(guān)重要。國家標(biāo)準(zhǔn)“風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定”[1]以及“光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定”[2]不僅提出了對新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越能力的要求，也提出了對電壓和頻率適應(yīng)能力的要求，包括電壓和頻率偏差適應(yīng)能力、非對稱故障適應(yīng)能力、電網(wǎng)諧波適應(yīng)能力以及電壓波動和閃變適應(yīng)能力。如果能在并網(wǎng)變流器并網(wǎng)運(yùn)行之前對并網(wǎng)變流器進(jìn)行電網(wǎng)適應(yīng)性測試、并網(wǎng)運(yùn)行評估，將大大提高分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，在分布式發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行時，很難在大電網(wǎng)中直接對變流器進(jìn)行測試，原因有兩點(diǎn)：首先，電網(wǎng)無法按照需求模擬各種非正常工況；其次，直掛電網(wǎng)的測試方式會對電網(wǎng)穩(wěn)定造成影響。如果使用可編程電源在較低電壓等級下對樣機(jī)進(jìn)行測試，也只能部分反映真實(shí)工況，無法完整復(fù)現(xiàn)正常并網(wǎng)運(yùn)行時高電壓、大功率工況帶來的問題。

因此，設(shè)計一種分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試裝置是非常必要的，圖1所示為測試系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)連接示意圖，虛線表示不經(jīng)測試裝置的并網(wǎng)運(yùn)行模式，測試系統(tǒng)以電壓源方式運(yùn)行，模擬不同的電網(wǎng)工況，分布式發(fā)電系統(tǒng)對于測試系統(tǒng)來說，可以看作是一個電流源。本文設(shè)計的基于級聯(lián)H橋[3-10]拓?fù)涞牟▌与妷喊l(fā)生裝置是開創(chuàng)性的，目前還沒有同類型的測試裝置可以同時達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：電壓等級可拓展，輸出電壓幅值頻率可調(diào)，可高精度地輸出頻率為 0.5～25Hz和波動幅值為 0～10%基波電壓幅值的波動電壓，可模擬不平衡度可調(diào)節(jié)的三相不平衡電網(wǎng)，不平衡度范圍為0～10%。而移動式和固定式低電壓穿越測試裝置已經(jīng)是一種成熟的工業(yè)產(chǎn)品，因此這種測試裝置不僅解決了實(shí)際電網(wǎng)中并網(wǎng)變流器不易測試的難題，而且填補(bǔ)了分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試的空白，并且輸出的測試電壓精度很高。此文有望為分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試裝置的設(shè)計提供一個可參照的標(biāo)準(zhǔn)。本文討論了測試裝置的工作原理，并以在基于所提出測試裝置拓?fù)涞摹?5kV-6MW風(fēng)機(jī)變流器低頻擾動測試裝置”上進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為例，充分證明了這種波動電壓發(fā)生裝置用于分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試的可行性和有效性。此35kV-6MW風(fēng)機(jī)變流器測試裝置安裝在河北省張家口市“國家能源大型風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心”。

圖1 測試系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)連接示意圖Fig.1 Configuration of the testing system and distributed generation system

2 裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

本文所設(shè)計的分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試裝置達(dá)到了以下性能指標(biāo)：輸出頻率為 45～66Hz的額定電壓，精度達(dá)到0.01Hz，輸出幅值為20%到120%額定幅值的電壓，誤差小于0.1%；輸出波動頻率為0.5～25Hz和波動幅值為0～10%基波電壓幅值的波動電壓，并且誤差小于0.1%；輸出不平衡度范圍為0～10%的三相不平衡電壓，精度達(dá)到0.1%，并且輸出三相不平衡電壓時，負(fù)序電壓幅值相位可調(diào)；輸出額定電壓的THD可以達(dá)到2%以下。

由圖1可以看出，測試系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)的接口即為測試端口，測試端口為測試電壓的輸出端口。要保證測試系統(tǒng)與電網(wǎng)的隔離，就必須采用先整流后逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于測試系統(tǒng)輸入端口要接入三相電網(wǎng)，所以輸入端的整流器應(yīng)采用三相變流器。如果采用背靠背式的三相 PWM變流器拓?fù)洌到y(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)輸出波動電壓和不平衡電壓；如果采用三相PWM整流器整流，再使用單相H橋逆變器獨(dú)立組成三相電壓，雖然從控制角度來說，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)波動電壓和三相不平衡電壓，但是單個H橋逆變器的可耐受電壓等級有限，無法滿足高電壓大功率場合。根據(jù)這種情況，本文設(shè)計的測試裝置采用級聯(lián)H橋拓?fù)洌粌H可以通過本文提出的控制策略生成測試電壓，還可以根據(jù)分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓等級，通過改變級聯(lián) H橋單元數(shù)目來匹配系統(tǒng)電壓等級，同時級聯(lián)H橋變流器的輸出電壓也具有諧波少，濾波方便，對開關(guān)器件耐受電壓要求低等優(yōu)點(diǎn)。圖2所示為測試裝置主電路拓?fù)涫疽鈭D。前級由輸入變壓器接入電網(wǎng)，后級由輸出變壓器接入分布式發(fā)電系統(tǒng)。在實(shí)際裝置中，各個系統(tǒng)需要斷路器連接，圖2中沒有畫出。輸入變壓器的二次繞組為 3N組，級聯(lián)H橋單元數(shù)目為N，它由電網(wǎng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓等級決定，其中各個獨(dú)立單元的直流母線電壓分別由 d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制的三相 PWM變流器提供，其控制框圖如圖 3所示。為了輸出測試電壓，3個級聯(lián)H橋變流器被獨(dú)立控制，分別構(gòu)成單獨(dú)一相，并采用三電平移相載波調(diào)制策略（Phase-Shifted Carrier PWM,PSCPWM），這種調(diào)制策略具有諧波小，輸出帶寬高，能在較低開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率等優(yōu)點(diǎn)。這種三電平調(diào)制原理如圖4所示。圖中級聯(lián)H橋單元個數(shù)N=3，PWM 輸出電壓為假想電平值，載波頻率為fc0=2kHz，正弦調(diào)制波頻率為fm=1kHz，可以看出每個單元輸出電壓為3電平，總輸出電壓為2N+1=7電平，等效開關(guān)頻率fc=2Nfc0=12kHz，提高為原來的6倍。

圖2 擾動電壓發(fā)生裝置主電路圖Fig.2 Main circuit topology of the disturbance voltage generation equipment

圖3 d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制框圖Fig.3 d-q synchronous rotating frame control

2.1 對稱工況電壓頻率偏差

根據(jù)上述討論，測試裝置的輸出電壓由3個級聯(lián)H橋變流器組合而成，因此每個級聯(lián)H橋變流器可以看作是一個獨(dú)立的單相電壓源逆變器。其指令信號表達(dá)式為

式中，ua、ub和uc分別為三相電壓；φa、φb和φc為三相電壓初始相位；ω為電壓角頻率。因此在實(shí)際控制中，要實(shí)現(xiàn)輸出電壓的幅值和頻率偏差，就可以通過改變式（1）中的幅值和頻率來實(shí)現(xiàn)。

2.2 非對稱電網(wǎng)故障

根據(jù)對稱向量分解法，三相電壓系統(tǒng)可以表示成

式中，ap、an、az和φp、φn、φz分別為正負(fù)零序分量的幅值和相位。將以上方程式變?yōu)榫仃囆问接?/p>

式中，a=ej2π/3。通過以上式子以及正負(fù)零序參數(shù)，可以計算出 ABC三相指令信號參數(shù)。此外，根據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)[11]以及國家標(biāo)準(zhǔn)[12]，不平衡度定義為m=an/ap。所以，通過已知的不平衡度和正負(fù)序分量參數(shù)可以很容易得到任意非對稱故障的三相系統(tǒng)幅值和相位參考值（ua，ub，uc和φa，φb，φc），非對稱故障包括三相電壓跌落、相間短路以及兩相或者單相接地等電網(wǎng)故障。實(shí)際操作中，用戶在遠(yuǎn)端控制室下發(fā)不平衡度指令，再選擇故障類型，控制器會根據(jù)需要自動計算 ABC三相電壓幅值相位的參考值。

2.3 波動電壓

波動信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[13]

很顯然，這可以看作是一個正弦調(diào)制的過程。其中，ωm和ω分別為波動角頻率和基波角頻率；φm和φ分別為調(diào)制信號初相位和被調(diào)制信號初相位；A為被調(diào)制信號幅值；am為波動幅值系數(shù)。展開式（4）有

可以看出，Vperturb有 3個頻率分量，分別是基波分量和兩個與基波頻率相差fm的對稱分布在基波兩邊的分量，即低頻段分量f-fm和高頻段分量f+fm。這實(shí)際上就是文獻(xiàn)[14]所指出的一對間諧波。文獻(xiàn)[14]指出，電壓的相對有效值波動（最大有效值和最小有效值的差值，反應(yīng)了電壓的波動程度）與這對間諧波幅值和頻率有關(guān)，而要保證電壓波動程度可控，正是測試裝置對分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器電網(wǎng)電壓波動適應(yīng)能力測試的基本要求。因此測試裝置控制系統(tǒng)的目標(biāo)就是保證輸出波動電壓的高低頻段分量的頻率和幅值達(dá)到一定精度，這樣就能保證波動電壓波動程度達(dá)標(biāo)，以便進(jìn)行并網(wǎng)變流器測試。本文提出一種新型的控制策略-波動有效值反饋控制（Fluctuating RMS Value Feedback Control,FRFC）。FRFC的一個優(yōu)點(diǎn)是輸出波動電壓Vperturb具有較高的精度；另一個優(yōu)點(diǎn)是它的控制結(jié)構(gòu)簡單，控制參數(shù)容易選取，比較適合高壓大功率場合。圖5所示為測試裝置中級聯(lián)H變流器的小信號模型，其中Req為變流器內(nèi)阻，它表征了變流器的內(nèi)部損耗以及線路損耗；N表示級聯(lián)單元的個數(shù)，控制環(huán)節(jié)為電壓反饋控制。圖6所示為FRFC的控制框圖，可以看出，uref為波動信號，外環(huán)指令信號是實(shí)時計算得到的波動信號滑動窗有效值，它也呈現(xiàn)波動特性，滑動窗口長度即為基波電壓周期。需要指出的是，在進(jìn)行對稱工況電壓頻率偏差和非對稱電網(wǎng)故障測試時，uref均為正常的正弦指令信號。這樣一來，測試裝置的所有功能都可以用 FRFC控制策略實(shí)現(xiàn)，測試裝置就可以實(shí)現(xiàn)不同測試功能的在線切換。圖中內(nèi)環(huán)使用P調(diào)節(jié)器而不是PI調(diào)節(jié)器是為了避免電壓傳感器零漂移帶來的積分飽和效應(yīng)[15]。圖中的黃色框表示指令信號和反饋信號經(jīng)歷了一個共同的過程，即滑動窗有效值計算。滑動窗有效值計算可以看作是一個濾波器，它“濾除”了信號的其他成分，只保留了有效值的波動信息作為指令（波動信號的滑動窗有效值是呈現(xiàn)波動的）。此外，由于 PI調(diào)節(jié)器在低頻段的高增益作用，電壓外環(huán)的跟蹤精度可以得到保障，從而保證了波動信號高低頻段分量的幅值精度。

圖5 擾動測試系統(tǒng)中級聯(lián)H橋變流器的小信號模型Fig.5 Small signal model of the CHB converter in disturbance testing system

圖6 FRFC控制框圖Fig.6 Control diagram of the FRFC

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)均是在現(xiàn)場的測試裝置上得到，為了安全起見，數(shù)據(jù)均由“Fluke-1760”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，采樣頻率為100kHz，并用Matlab進(jìn)行分析。圖7給出了“35kV-6MW風(fēng)機(jī)變流器低頻擾動測試裝置”變流器組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和斷路器圖片。圖8所示為包含出線和旁路開關(guān)的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集電壓互感器PT2的電壓作為測試系統(tǒng)輸出電壓，測試時風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)從“35kV測試點(diǎn)母線”接入測試系統(tǒng)。裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖2所示相同，其中N=3，電網(wǎng)電壓等級為 35kV。可以進(jìn)行 35kV-6MW 等級的風(fēng)機(jī)測試，滿功率相電流可以達(dá)到1 176A。裝置中LC濾波器電抗L=0.1mH，LC濾波器電容C=90μF；額定輸出電壓uC=1 700V；額定電流iload=1 176A；滿載滿功率Pfull=6MW，可以進(jìn)行 6MW 風(fēng)機(jī)測試；基波頻率f=50Hz；擾動電壓頻率fm=0.5～25Hz；擾動幅值am=0%（pu）～10%（pu）；有效值計算間隔以及采樣時間：Ts=1/12 000s。需要指出的是，所有數(shù)據(jù)均是在測試裝置輸出側(cè)空載的情況下進(jìn)行的。系統(tǒng)在空載情況下的穩(wěn)定域小于帶載情況下的穩(wěn)定域，因此控制參數(shù)以滿足空載穩(wěn)定為原則[16]。

圖 9所示電壓波形為輸出頻率偏差和幅值偏差，分別是頻率為 50Hz，幅值為額定電壓幅值的90%和頻率為64Hz，幅值為額定電壓幅值的A相電壓波形。可以看出輸出電壓的幅值和頻率與控制目標(biāo)是一致的。表1為輸出額定電壓時三相輸出電壓的 THD，可以看出三相 THD最大僅為 1.6%。表 2為不平衡度設(shè)定值與測量值對比。可以看出測量值與設(shè)定值誤差非常小。如本文第 2節(jié)所說，實(shí)際操作中，用戶在遠(yuǎn)端控制室下發(fā)不平衡度指令，再選擇故障類型，控制器會根據(jù)需要自動計算三相電壓幅值相位的參考值。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是以A相輸出電壓為例。圖10為測試裝置輸出的波動電壓波形，分別是波動頻率 1Hz、波動幅值 9%和波動頻率12Hz、波動幅值10%。圖11為輸出波動電壓的FFT分析，可以看出FRFC的結(jié)果和表達(dá)式（5）是一致的，高低頻分量等幅值分布在基波兩邊，并且幅值與理論值一致。表3為實(shí)驗(yàn)得到的不同波動頻率和幅值的高低頻段幅值，可以看出其幅值和理論之間誤差很小。

圖8 35kV-6MW風(fēng)機(jī)變流器低頻擾動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Diagram of the “35 kV-6 MW wind turbine converter testing system” structure

圖9 輸出電壓幅值和頻率偏差Fig.9 Amplitude and frequency deviation of the output voltage

表1 三相輸出電壓THDTab.1 THD of the three-phase output voltage

表2 不平衡度參考值與實(shí)際值Tab.2 Reference unbalance factor and real unbalance factor

圖10 輸出擾動電壓波形Fig.10 Waveform of fluctuating output voltage

圖11 輸出擾動電壓FFT分析Fig.11 FFT analysis of output fluctuating voltage

表3 不同波動頻率和幅值的高低頻段分量幅值Tab.3 Lower-sideband and upper-sideband amplitude components of divergent fluctuating frequency and amplitude

需要指出的是，在輸出電壓頻率偏差以及模擬非對稱電網(wǎng)故障時，由于不需要輸出波動電壓，圖6中的指令信號并不是波動信號，而是具有特定幅值頻率的正弦信號。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用 FRFC，測試裝置可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和幅值，保證波動電壓精度和電壓不平衡度精度，同時輸出正常電壓時THD小于2%。

4 結(jié)論

本文提出了一種用于分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試的波動電壓發(fā)生裝置設(shè)計方案。測試裝置電壓等級可拓展，可匹配不同電壓等級的分布式發(fā)電系統(tǒng)，同時在本文所提出的控制方案下，裝置達(dá)到了以下性能指標(biāo)：輸出頻率為 45～66Hz的額定電壓，精度達(dá)到 0.01Hz，輸出幅值為 20%～120%額定幅值的電壓，誤差小于0.1%；輸出頻率為0.5～25Hz和波動幅值為 0～10%基波電壓幅值的波動電壓，并且誤差小于0.1%；輸出不平衡度范圍為 0～10%的三相不平衡電壓，精度達(dá)到0.1%，并且輸出三相不平衡電壓時，負(fù)序電壓幅值相位可調(diào)；輸出額定電壓的THD可以達(dá)到2%以下。

該方案有望為分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器測試裝置的設(shè)計提供一個可參考的標(biāo)準(zhǔn)。最后，本文以在基于所提出拓?fù)涞摹?5kV-6MW風(fēng)機(jī)變流器低頻擾動測試裝置”上進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為例，充分證明了這種波動電壓發(fā)生裝置用于分布式發(fā)電并網(wǎng)變流器適應(yīng)能力測試的可行性和有效性。

[1] GB/T 19963-2011,風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

[2] GB/T 19964-2012,光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

[3] Peng F Z,Lai J S. A multilevel voltage-source inverter with separate DC sources for static var generation[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,1996,32(5): 1130-1138.

[4] 孫運(yùn)全,夷強(qiáng),盛吉. 載波帶頻率變化的 PWM（VFCB-PWM）在級聯(lián)有源電力濾波器中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(10): 39-42.

Sun Yunquan,Yi Qiang,Sheng Ji. Variable-frequency carrier bands PWM(VFCB-PWM)and its applications in shunt APF[J]. Power System Protection and Control,2010,38(10): 39-42.

[5] 常偉,史麗萍,王思捷. 空間矢量調(diào)制技術(shù)在 6MW級靜止同步補(bǔ)償器中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(12): 95-99.

Chang Wei,Shi Liping,Wang Sijie. Application of space vector modulation in 6kV cascade STATCOM[J]. Power System Protection and Control,2012,40(12): 95-99.

[6] 朱克平,江道灼. 一種改進(jìn)型的光伏并網(wǎng)逆變器[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013,41(6): 99-104.

Zhu Keping,Jiang Daozhuo. An improved inverter for a grid-connected photovoltaic power system[J]. Power System Protection and Control,2013,41(6): 99-104.

[7] 高志剛,冬雷,李永東. 基于高頻變壓器的背靠背級聯(lián)H橋型變換器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2013,28(6):133-138.

Gao Zhigang,Dong Lei,Li Yongdong. Research on back to back cascaded H-bridge converter based on high frequency transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(6): 133-138.

[8] 袁志昌,宋強(qiáng),劉文華. 規(guī)則采樣對載波移相SPWM 輸出基波相位滯后的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(11): 107-112.

Yuan Zhichang,Song Qiang,Liu Wenhua. The effect of regulated sampling on phase delay of phase-shift SPWM output[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(11): 107-112.

[9] 宮力,康勇,陳晶晶. 鏈?zhǔn)?STATCOM 直流電容電壓分布式控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2011,26(10): 217-223.

Gong Li,Kang Yong,Chen Jingjing. DC capacitor voltage distributed control system for cascaded multilevel STATCOM[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(10): 217-223.

[10] Song Q,Liu W H. Control of a cascade STATCOM with star configuration under unbalanced conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(1): 45-58.

[11] IEC 61000-4-27,Electromagnetic Compatibility(EMC),Testing and measurement techniques-Unbalance,immunity test for equipment with input current not exceeding 16 A per phase-Part 4-27.

[12] GB/T 15543-2008,電能質(zhì)量 三相電壓不平衡[S].

[13] IEC 61000-4-15,Electromagnetic Compatibility(EMC),Testing and measurement techniques,Flickermeterfunction and design specifications-part 4-15.

[14] Yong J,Tayjasanant T,Wilsun X,et al. Characterizing voltage fluctuations caused by a pair of interharmonics[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2008,23(1): 319-327.

[15] Li Y F,Wang Y,Feng Y P,et al. Research on control method for avoiding transformer magnetic biasing in cascaded H-bridge multilevel inverters[C]. Proceedings of IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference,2012: 1965-1970.

[16] Dong D,Thacker T,Burgos R,et al. On zero steadystate error voltage control of single-phase PWM inverters with different load types[J]. IEEE Transactions on Power Elecronics,2011,26(11): 3285-3297.