全功率變流器弱電網下低頻振蕩抑制探討

文|祝藝，王則會

受風能資源分布和風力發電特殊性影響，風電場往往建立在遠離負荷、電網結構相對薄弱但風能資源好的地區。隨著風電場裝機容量的增大，大量風電機組接入電網時引起電網電壓波動的風險越來越大，嚴重時電網電壓甚至面臨崩潰的危險。另一方面，弱電網下的電網電壓質量相對較差，隨著并網機組數量的增加，不同變流器之間通過電網的阻抗相互耦合，使電網的等效阻抗成倍變化，容易導致電網與變流器之間產生非特征頻率的低頻諧波，影響電網電壓的穩定性和變流器的正常運行 。

在濾波電容上串聯電阻形成無源阻尼可以解決弱電網帶來的振蕩問題，這種簡單有效的方法在增加系統成本的同時，會帶來散熱和發電效率問題。以往研究中從控制角度提出的電網電壓低次前饋法，能夠有效減弱不同變流器之間的相互耦合作用，解決弱電網下的高頻振蕩問題，但卻無法有效抑制目前在弱電網中同時存在的低頻振蕩現象。低頻振蕩現象主要表現在直驅機型中，其振蕩頻率在數十到數百赫茲之間，而且常常伴隨有非特征諧波的畸變現象。

本文主要對變流器在弱電網下運行時存在的低頻振蕩現象進行了研究。首先給出了風電場曾出現低頻振蕩時的波形；其次從電流控制器入手分析了電網阻抗對變流器運行性能的影響，從復相量的角度闡述了低頻振蕩產生的原因，結合仿真直觀地說明了理論分析的正確性；最后，通過平臺實驗驗證了理論分析的正確性和所提方法的有效性。除了弱電網下的風電場外，所提方法亦可應用于解決微網中類似的低頻振蕩問題。

弱電網下風電機組的低頻振蕩現象

在電網薄弱的風電場裝機容量大到一定程度后，低頻振蕩現象會時有發生。圖1（a）為某風電場曾出現低頻振蕩時采集的電網電壓、變流器的網側橋臂電流以及直流母線電壓的波形。可以看到，此時的網側橋臂電流表現為正負對稱的周期性振蕩，電網電壓在振蕩的同時存在比較明顯的畸變。直流母線在交流側低頻振蕩的影響下也出現了伴隨性的波動。這種現象曾主要出現在直驅機型中（在早期的雙饋機型中基本沒出現過，但是近年來隨著裝機容量的激增，此類低頻振蕩現象在雙饋機型的風電場中也時有發生），如圖1（b）所示。圖中Eab、Ebc、Eca為電網電壓，Isa、Issb、Issc為定子三相電流。鑒于低頻振蕩在直驅機型中出現較多，本文以直驅機型為對象進行分析。

圖1 風電場曾出現的低頻振蕩現象

圖2 考慮電網阻抗下的電流環控制框圖

圖3 不同電網阻抗以及控制器參數下電流環幅頻特性

圖4 理論分析原理圖

弱電網下網側電壓電流低頻振蕩原因

原本在風電場中正常運行的變流器出現低頻振蕩現象，往往是由裝機容量擴大后電網等效阻抗增大引起。這里從理論上對其做簡單分析。

目前，同步旋轉坐標系下基于PI控制器結合電網電壓前饋的控制策略被普遍用于網側變流器的電流控制環節，其直接控制目標往往選擇網側橋臂電流。按照能量流動方向，以電流流出變流器方向為正，在考慮電網阻抗時的電流環控制框圖如圖2所示。穩態時，dq軸之間的耦合可以忽略，由此可以得到入網電流Ig與電網電壓Eg、給定值Iref間的關系為：

式中，Lc、Lg為變流器網側濾波電感和電網等效阻抗；Cf為變流器網側濾波電容；Gc為電流PI控制器；IL（圖2）、Ig為網側橋臂電流及入網電流。

入網電流Ig與電網電壓Eg的傳遞函數雖然含有一個諧振點，但其對入網電流的低頻段基本沒有影響。而從第二項可以看出，它與電流環給定值之間的幅頻特性會同時受電網阻抗和電流環控制器參數的影響。風電場單臺風電機組運行時，變流器外部的阻抗與線路阻抗相等，電網等效阻抗較小，基本不會影響變流器的穩定運行。但是隨著并網風電機組數量及容量的增大，單個變流器對應的外部等效阻抗也會成倍增長。圖3給出了不同電網阻抗及控制器參數下的電流環閉環幅頻特性。可以發現，電網阻抗的增加會使電流環在低頻段內產生放大作用，在電流控制器較弱的時候，若暫態過程中產生低頻分量，很容易引發低頻振蕩。

考慮到網側三相電路的對稱性，取三相中的任意一相進行分析，其等效電路如圖4（a）所示，其中S代表變流器網側斷路器，Eg、Upcc、Ucom分別代表電網電壓、變流器并網點電壓以及變流器交流側輸出電壓，Ig、IRec、Ic分別代表流入電網電流、變流器流出電流以及流入濾波電容的電流。以變流器工作在網側調制模式（只運行網側且濾波電容所需的無功由網側發出的無功電流補償）為例，圖4（b）中為各交流量對應的相量關系。

網側主斷路器閉合前，并網點電壓與電網電壓相等，即Upcc與 E重合。斷路器閉合后，變流器網側開啟，發出的無功電流（對應IRec）逐步取代Ic。電網阻抗較小的時候，電流控制器可以依靠其較強的調節能力將無功電流控制在給定值的附近，變流器對電網電壓產生的擾動較小。然而隨著電網阻抗的增大，電流環的帶寬隨之下降，控制器的調節能力減弱，網側輸出電流跟蹤不上給定，容易產生低頻振蕩，振蕩電流在電網阻抗上產生的振蕩壓降會進一步對并網點電壓產生干擾，引起并網點電壓的振蕩，使系統最終出現圖1所示的振蕩現象。并網發電時，有功電流對并網點電壓產生的影響可以采用類似的方式進行分析，這里不再贅述。

弱電網下電壓電流低頻振蕩抑制

圖5 電網較為理想時的仿真結果

電網阻抗的增大使電流環在低頻段內產生放大作用是弱電網下引起電壓電流振蕩的直接原因。考慮到這一點，可以增強電流環的調節能力以降低頻段的閉環增益從而起到抑制低頻振蕩的作用。圖3給出了Lg＝0.24mH 時增大電流環比例系數對電流環幅頻特性的影響。可以發現，比例系數的增大能夠有力地減小電流環在低頻段的放大倍數，從而有效避免低頻振蕩的發生，提高系統的穩定性。為直觀說明電網阻抗對電流環帶寬的影響，驗證增加電流環比例系數在抑制低頻諧振方面的有效性，在Simulink中進行了仿真。仿真時變流器運行在網側調制模式，網側濾波電感Lc＝ 100μH，角接電容Cf＝ 1000μF ，變壓器漏感為 40μH，直流母線電容為 28800μF，電網線電壓為690V，直流母線電壓給定值為1050V。

圖6 默認參數下電網阻抗增加到240uH的仿真結果

首先在電網較為理想的條件下進行了仿真（圖5），對應的電流環控制器系數為KP＝0.04、KI＝2。此時的電網等效阻抗主要體現在變壓器的漏感上，電網阻抗較小，網側橋臂電流能夠很好地跟蹤給定并保持穩定，直流母線電壓波動小，電網電壓穩定性好。其次，保持電流控制器的參數不變，在變流器與變壓器低壓側之間串入Lg＝240μH的電感用以模擬電網阻抗，仿真結果如圖6所示。由于電網阻抗的增大，此時的電流控制器的調節能力明顯受到限制，網側橋臂電流因無法準確跟蹤給定值而產生了持續性的振蕩，最終引起橋臂電流、直流母線電壓以及變流器的并網點電壓出現了頻率約為10Hz的低頻振蕩，其結果與圖1類似，且其振蕩頻率處在圖3所示的低頻段內。為抑制振蕩，將電流環的比例系數增加到0.08，結果如圖7所示。可以看到，網側橋臂電流在電流環增強后得到了有效的控制，橋臂電流、直流母線電壓均能夠在給定值附近穩定下來，并網點電壓基本沒有受到影響，電網阻抗增大后的低頻振蕩現象得到了有效的抑制。

圖7 電網阻抗為240uH時增強電流環比例系數的仿真結果

實驗驗證

在電網適應性測試方面，某變流器生產廠家能夠提供國內最先進的測試平臺。此次的實驗驗證在1.5MW的對拖實驗平臺上進行。如圖8所示，該平臺由兩臺背靠背的變流器組成，兩臺變流器的機側分別連接到永磁同步電機和電勵磁同步電機，兩臺電機均可通過配置工作在電動狀態和發電狀態。本次實驗中配置永磁同步電機為原動機，另一臺電勵磁電機則作為發電機運行。在發電機變流器網側與變壓器之間串入了一個電感Lg用以模擬電網阻抗，兩變流器通過同一個漏感為 80μH的變壓器接入電網，其網側濾波電感、濾波電容及直流母線電容參數均與仿真時相同，即Lc1＝Lc2＝ 100μH、Cf1＝ Cf2＝ 1000μF、Cck1＝Cck2＝ 28800μF 。因驗證的需要，本次實驗只開發電機的網側，使其工作在網側調制狀態。

圖8 測試平臺

圖9 默認參數下實驗結果

圖10 默認參數下電網阻抗增加到240uH的實驗結果

圖11 240uH電網阻抗下增強電流環比例系數的控制效果

首先將發電機變流器的網側直接連接到變壓器，在常規條件下進行了實驗，結果如圖9所示，圖中依次給出了直流母線電壓、變流器網側三相電流以及AB和BC 線電壓。待機時的電網線電壓為690V，直流母線電壓給定值為1050V。可以看到在電網阻抗比較小的時候，變流器輸出電流平穩，直流母線電壓平滑，對并網點的電壓影響很小。其次，在變流器的網側與變壓器之間串入240μH的電感用來模擬電網阻抗，在默認的控制參數和增強電流環比例系數的條件下分別進行了實驗，結果如圖10和圖11所示。從圖10可以看出，默認參數下電網阻抗的增加會引起網側輸出電流產生低頻振蕩，致使電網電壓不穩以及直流母線電壓波動，使變流器出現圖1（a）所示的低頻振蕩現象。圖11的結果表明，通過增強電流環比例系數可以有效克服電網阻抗對電流環在低頻段帶來的不利影響，解決弱電網下的低頻振蕩問題。

結論

本文通過對弱電網條件下低頻振蕩現象的觀察、對弱電網下網側電壓電流低頻振蕩原因的分析，以及對弱電網下電壓電流低頻振蕩抑制的仿真分析和實驗驗證，由淺入深層層遞進分析出弱電網與變流器以及變流器之間的交互影響，從變流器角度出發分析并網變流器電壓電流低頻振蕩抑制機理及影響，得到如下結論：

（1）電網阻抗會使電流環對低頻擾動產生放大作用，弱化電流控制器的調節能力，引起變流器輸出電流產生低頻振蕩，導致電網電壓振蕩。

攝影：李明

（2）弱電網下增大電流環的比例系數可以有效緩解其因電網阻抗對低頻信號產生的放大作用，因而有利于解決電網阻抗帶來的不利影響，能夠抑制弱電網和微網下的低頻振蕩問題。