一種分布式發電并網變流器測試裝置設計方案及實現

李宇飛 王 躍 吳金龍 馮宇鵬

（1. 西安交通大學電氣工程學院電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049 2. 許繼集團有限公司 許昌 461000）

1 引言

基于光伏、風能以及生物能等新能源的分布式發電近年來在電力工業領域受到越來越多的關注。大多數分布式發電系統與電網之間的接口是通過電力電子并網變流器實現的，因此，要保證分布式發電系統的穩定運行，并網變流器的穩定性和抗擾動性就顯得至關重要。國家標準“風電場接入電力系統技術規定”[1]以及“光伏發電站接入電力系統技術規定”[2]不僅提出了對新能源分布式發電系統低電壓穿越能力的要求，也提出了對電壓和頻率適應能力的要求，包括電壓和頻率偏差適應能力、非對稱故障適應能力、電網諧波適應能力以及電壓波動和閃變適應能力。如果能在并網變流器并網運行之前對并網變流器進行電網適應性測試、并網運行評估，將大大提高分布式發電系統的穩定性。然而，在分布式發電系統實際并網運行時，很難在大電網中直接對變流器進行測試，原因有兩點：首先，電網無法按照需求模擬各種非正常工況；其次，直掛電網的測試方式會對電網穩定造成影響。如果使用可編程電源在較低電壓等級下對樣機進行測試，也只能部分反映真實工況，無法完整復現正常并網運行時高電壓、大功率工況帶來的問題。

因此，設計一種分布式發電并網變流器測試裝置是非常必要的，圖1所示為測試系統與分布式發電系統連接示意圖，虛線表示不經測試裝置的并網運行模式，測試系統以電壓源方式運行，模擬不同的電網工況，分布式發電系統對于測試系統來說，可以看作是一個電流源。本文設計的基于級聯H橋[3-10]拓撲的波動電壓發生裝置是開創性的，目前還沒有同類型的測試裝置可以同時達到以下標準：電壓等級可拓展，輸出電壓幅值頻率可調，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節的三相不平衡電網，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是一種成熟的工業產品，因此這種測試裝置不僅解決了實際電網中并網變流器不易測試的難題，而且填補了分布式發電并網變流器測試的空白，并且輸出的測試電壓精度很高。此文有望為分布式發電并網變流器測試裝置的設計提供一個可參照的標準。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撲的“35kV-6MW風機變流器低頻擾動測試裝置”上進行的現場實驗為例，充分證明了這種波動電壓發生裝置用于分布式發電并網變流器測試的可行性和有效性。此35kV-6MW風機變流器測試裝置安裝在河北省張家口市“國家能源大型風電并網系統研發（實驗）中心”。

圖1 測試系統和分布式發電系統連接示意圖Fig.1 Configuration of the testing system and distributed generation system

2 裝置結構和工作原理

本文所設計的分布式發電并網變流器測試裝置達到了以下性能指標：輸出頻率為 45～66Hz的額定電壓，精度達到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，精度達到0.1%，并且輸出三相不平衡電壓時，負序電壓幅值相位可調；輸出額定電壓的THD可以達到2%以下。

由圖1可以看出，測試系統與分布式發電系統的接口即為測試端口，測試端口為測試電壓的輸出端口。要保證測試系統與電網的隔離，就必須采用先整流后逆變的拓撲結構。由于測試系統輸入端口要接入三相電網，所以輸入端的整流器應采用三相變流器。如果采用背靠背式的三相 PWM變流器拓撲，系統很難實現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橋逆變器獨立組成三相電壓，雖然從控制角度來說，系統可以實現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。根據這種情況，本文設計的測試裝置采用級聯H橋拓撲，不僅可以通過本文提出的控制策略生成測試電壓，還可以根據分布式發電系統的電壓等級，通過改變級聯 H橋單元數目來匹配系統電壓等級，同時級聯H橋變流器的輸出電壓也具有諧波少，濾波方便，對開關器件耐受電壓要求低等優點。圖2所示為測試裝置主電路拓撲示意圖。前級由輸入變壓器接入電網，后級由輸出變壓器接入分布式發電系統。在實際裝置中，各個系統需要斷路器連接，圖2中沒有畫出。輸入變壓器的二次繞組為 3N組，級聯H橋單元數目為N，它由電網和分布式發電系統的電壓等級決定，其中各個獨立單元的直流母線電壓分別由 d-q同步旋轉坐標系控制的三相 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H橋變流器被獨立控制，分別構成單獨一相，并采用三電平移相載波調制策略（Phase-Shifted Carrier PWM,PSCPWM），這種調制策略具有諧波小，輸出帶寬高，能在較低開關頻率下實現較高等效開關頻率等優點。這種三電平調制原理如圖4所示。圖中級聯H橋單元個數N=3，PWM 輸出電壓為假想電平值，載波頻率為fc0=2kHz，正弦調制波頻率為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，等效開關頻率fc=2Nfc0=12kHz，提高為原來的6倍。

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

圖3 d-q同步旋轉坐標系控制框圖Fig.3 d-q synchronous rotating frame control

2.1 對稱工況電壓頻率偏差

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

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。因此在實際控制中，要實現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現。

2.2 非對稱電網故障

根據對稱向量分解法，三相電壓系統可以表示成

式中，ap、an、az和φp、φn、φz分別為正負零序分量的幅值和相位。將以上方程式變為矩陣形式有

式中，a=ej2π/3。通過以上式子以及正負零序參數，可以計算出 ABC三相指令信號參數。此外，根據IEC 標準[11]以及國家標準[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序分量參數可以很容易得到任意非對稱故障的三相系統幅值和相位參考值（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故障。實際操作中，用戶在遠端控制室下發不平衡度指令，再選擇故障類型，控制器會根據需要自動計算 ABC三相電壓幅值相位的參考值。

2.3 波動電壓

波動信號的數學表達式為[13]

很顯然，這可以看作是一個正弦調制的過程。其中，ωm和ω分別為波動角頻率和基波角頻率；φm和φ分別為調制信號初相位和被調制信號初相位；A為被調制信號幅值；am為波動幅值系數。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。這實際上就是文獻[14]所指出的一對間諧波。文獻[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，反應了電壓的波動程度）與這對間諧波幅值和頻率有關，而要保證電壓波動程度可控，正是測試裝置對分布式發電并網變流器電網電壓波動適應能力測試的基本要求。因此測試裝置控制系統的目標就是保證輸出波動電壓的高低頻段分量的頻率和幅值達到一定精度，這樣就能保證波動電壓波動程度達標，以便進行并網變流器測試。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的一個優點是輸出波動電壓Vperturb具有較高的精度；另一個優點是它的控制結構簡單，控制參數容易選取，比較適合高壓大功率場合。圖5所示為測試裝置中級聯H變流器的小信號模型，其中Req為變流器內阻，它表征了變流器的內部損耗以及線路損耗；N表示級聯單元的個數，控制環節為電壓反饋控制。圖6所示為FRFC的控制框圖，可以看出，uref為波動信號，外環指令信號是實時計算得到的波動信號滑動窗有效值，它也呈現波動特性，滑動窗口長度即為基波電壓周期。需要指出的是，在進行對稱工況電壓頻率偏差和非對稱電網故障測試時，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控制策略實現，測試裝置就可以實現不同測試功能的在線切換。圖中內環使用P調節器而不是PI調節器是為了避免電壓傳感器零漂移帶來的積分飽和效應[15]。圖中的黃色框表示指令信號和反饋信號經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波動的）。此外，由于 PI調節器在低頻段的高增益作用，電壓外環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 擾動測試系統中級聯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 現場實驗結果

所有的實驗結果和數據均是在現場的測試裝置上得到，為了安全起見，數據均由“Fluke-1760”數據采集系統采集，采樣頻率為100kHz，并用Matlab進行分析。圖7給出了“35kV-6MW風機變流器低頻擾動測試裝置”變流器組、數據采集系統和斷路器圖片。圖8所示為包含出線和旁路開關的測試系統結構圖。實驗中，數據采集系統采集電壓互感器PT2的電壓作為測試系統輸出電壓，測試時風機發電系統從“35kV測試點母線”接入測試系統。裝置的拓撲結構與圖2所示相同，其中N=3，電網電壓等級為 35kV?？梢赃M行 35kV-6MW 等級的風機測試，滿功率相電流可以達到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，可以進行 6MW 風機測試；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，所有數據均是在測試裝置輸出側空載的情況下進行的。系統在空載情況下的穩定域小于帶載情況下的穩定域，因此控制參數以滿足空載穩定為原則[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為不平衡度設定值與測量值對比?？梢钥闯鰷y量值與設定值誤差非常小。如本文第 2節所說，實際操作中，用戶在遠端控制室下發不平衡度指令，再選擇故障類型，控制器會根據需要自動計算三相電壓幅值相位的參考值。本文實驗數據均是以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的結果和表達式（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為實驗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風機變流器低頻擾動測試系統結構圖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。根據現場的實驗數據可以看出，使用 FRFC，測試裝置可以根據需求調節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 結論

本文提出了一種用于分布式發電并網變流器測試的波動電壓發生裝置設計方案。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電系統，同時在本文所提出的控制方案下，裝置達到了以下性能指標：輸出頻率為 45～66Hz的額定電壓，精度達到 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，精度達到0.1%，并且輸出三相不平衡電壓時，負序電壓幅值相位可調；輸出額定電壓的THD可以達到2%以下。

該方案有望為分布式發電并網變流器測試裝置的設計提供一個可參考的標準。最后，本文以在基于所提出拓撲的“35kV-6MW風機變流器低頻擾動測試裝置”上進行的現場實驗為例，充分證明了這種波動電壓發生裝置用于分布式發電并網變流器適應能力測試的可行性和有效性。

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