大功率光伏逆變系統(tǒng)測試用電網(wǎng)模擬器研究

2015-06-05 14:56:55孫功偉曾澤湖張春旺余志飛

綜合智慧能源 2015年4期

孫功偉，曾澤湖，張春旺，余志飛

（1.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山 510000；2.國網(wǎng)長春供電公司調(diào)控中心，長春 130000；3.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210000）

孫功偉1，曾澤湖1，張春旺2，余志飛3

為了測試大功率光伏變流器的低電壓穿越性能，需要設(shè)計(jì)大功率電網(wǎng)模擬器。以TI公司浮點(diǎn)分散控制系統(tǒng)（DSC）處理器TMS320F28335為核心，搭建了雙三相橋變流系統(tǒng)，將可控整流器和變流器組成雙三相橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用于搭建電網(wǎng)模擬器。為了實(shí)現(xiàn)不對稱形式的電壓跌落，對采樣電壓和設(shè)定電壓均進(jìn)行雙dq分解，即對電壓進(jìn)行正負(fù)序分離。在分解過程中加入100Hz陷波器，實(shí)現(xiàn)對給定電壓和反饋電壓的正負(fù)序分離。與測試光伏變流器連接后，形成功率回路，在消耗很小電能的情況下，完成滿功率低電壓穿越性能測試。

dq變換；低電壓穿越；電網(wǎng)模擬器；光伏逆變器

0 引言

隨著光伏電站規(guī)模的增大，大規(guī)模光伏電站對地區(qū)電網(wǎng)的影響愈發(fā)顯著，大功率光伏逆變器低電壓穿越技術(shù)（LVRT）越來越受關(guān)注［1-2］?，F(xiàn)在常用的低電壓穿越測試平臺(tái)，需要通過短路電感的方式實(shí)現(xiàn)，靈活性較差。針對此種缺陷，有必要研發(fā)一種大規(guī)模、易擴(kuò)展的低電壓測試平臺(tái)，可以通過人為設(shè)置實(shí)現(xiàn)各種電壓跌落形式。

本文將可控整流和變流器組成雙三相橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用于搭建電網(wǎng)模擬器。由于功率回路結(jié)構(gòu)的可逆性，方便接線和控制，且電壓跌落方式的轉(zhuǎn)換僅需要人為進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，而不需要硬件上的改動(dòng)，安全性和可靠性得到了提高。

1 功率回路原理

圖1所示為單側(cè)三相橋主電路，兩側(cè)的主電路是相同的，且公用同一組母線。作為低電壓穿越測試平臺(tái)使用時(shí)，整流橋臂的交流側(cè)作為輸入接入電網(wǎng)，逆變橋臂的交流側(cè)作為輸出經(jīng)變壓器隔離后與光伏逆變器輸出連接。同時(shí)，將低電壓穿越測試平臺(tái)的母線與光伏逆變器的母線連接，用于提供直流，這樣系統(tǒng)形成能量回饋回路，可以在消耗很少電能的情況下，完成滿功率的低電壓穿越功能測試。

這里先對電網(wǎng)模擬器中的整流橋臂工作原理進(jìn)行說明，通過圖1可以推導(dǎo)得出同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型，見式（1）。

圖1 三相電壓型PWM變換器拓?fù)?/p>

式中：L為并網(wǎng)側(cè)電抗器電感；id和iq，ed和eq，ud和uq分別為交流側(cè)電流、網(wǎng)側(cè)電壓、輸出電壓的d軸、q軸分量；R為包括電感電阻在內(nèi)的每相線路電阻；ω＝2πf，f為開關(guān)頻率［3］。

電網(wǎng)電壓定向矢量控制通常采用雙閉環(huán)級聯(lián)式控制結(jié)構(gòu)：電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。電壓環(huán)的主要作用是控制直流母線電壓；電流環(huán)根據(jù)電壓環(huán)給出的電流指令對交流側(cè)輸入電流進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，通常無功電流分量的參考值設(shè)為零。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

低電壓穿越測試平臺(tái)整流側(cè)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，采用前饋解耦控制策略［4］，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，則變換器輸出端的電壓可按式（2）計(jì)算。

圖2 三相PWM變換器控制框圖

式中：KP，KI分別為P I環(huán)所用P，I參數(shù)；s為積分因子；idref，iqref分別為給定電流的有功和無功分量。

對于電網(wǎng)模擬器的逆變側(cè)，由于是提供一個(gè)可變的電網(wǎng)，所以其不需要鎖相，可以按測試要求發(fā)出設(shè)定頻率、幅值及對稱或不對稱波形。

這樣，對其輸出端電壓的計(jì)算式可以縮減為式（3）。

式中：edref，eqref分別為給定電壓的d軸和q軸分量，這里可以設(shè)置edref為給定相電壓幅值，而eqref則設(shè)置為0，以生產(chǎn)對稱的輸出電壓。所以，式（3）僅適用于生成對稱電壓的情況。

對于不對稱電壓，需要進(jìn)行采樣電壓和設(shè)定電壓的雙dq分解，即需要對電壓進(jìn)行正負(fù)序分離。本文通過在分解過程中加入100Hz陷波器，實(shí)現(xiàn)對給定電壓和反饋電壓的正負(fù)序分離，經(jīng)過修改后得到的輸出端電壓計(jì)算式為式（4）。

式中：ud0和ud1，ud1和ud1分別為輸出電壓的正、負(fù)序d軸和q軸分量；edref0和qqref0，edref1和eqref1分別為給定電壓的正、負(fù)序d軸和q軸分量；ed0和eq0，ed1和eq1分別為電網(wǎng)電壓的正、負(fù)序d軸和q軸分量。

所有的電壓反饋環(huán)節(jié)均使用同一組PI參數(shù)，以簡化調(diào)節(jié)時(shí)的工作量，由于不對稱時(shí)正序電壓的q軸分量依然為零，為了簡化設(shè)備操作流程，本文將各種不對稱產(chǎn)生類型進(jìn)行分類，并推導(dǎo)得出需要設(shè)置的跌落比例。在設(shè)置了跌落類型、故障相序以及跌落比例后，就可以生成相應(yīng)的電壓波形。

由于該系統(tǒng)采用空間矢量脈沖調(diào)制（SVPWM）方式生成脈沖寬度調(diào)制（PWM）脈沖，式（4）中的輸出端電壓計(jì)算得出之后，通過PARK反變換，分別得到電網(wǎng)電壓正、負(fù)序兩相靜止坐標(biāo)系下的α軸和β軸分量Uα0和Uβ0，Uα1和Uβ1，然后相加得到電壓總的α軸和β軸分量Uα和Uβ，用于計(jì)算得出增強(qiáng)型脈沖寬度調(diào)制（EPWM）模塊的比較值。

2 輸出電壓跌落類型設(shè)置

電網(wǎng)電壓跌落故障有單相接地、兩相接地、兩相短路、三相接地和三相短路［5-6］。三相故障屬于對稱跌落范疇，本節(jié)不做分析。

2.1 單相接地短路

單相接地短路的矢量圖如圖3所示。

負(fù)序dq變換時(shí)，若令dq_phase-＝-pll_angle+，則：A相跌落時(shí)，Ud-＝-（1-λ）／3，Uq

-＝0；B相跌落時(shí)，；C相跌落時(shí)，。

這樣在使用低穿平臺(tái)時(shí)，通過設(shè)置跌落類型為單相跌落，再設(shè)置跌落系數(shù)，就可以模擬單相跌落方式。

2.2 兩相接地短路

兩相接地短路的矢量圖如圖4所示。

圖4 兩相接地短路矢量圖

負(fù)序dq變換時(shí)，若令dq_phase-＝-pll_angle+，則：A，B相同時(shí)跌落時(shí)，

2.3 兩相間短路

兩相間短路的矢量圖如圖5所示。

圖5 兩相間短路的矢量圖

負(fù)序dq變換時(shí)，若令dq_phase-＝-pll_angle+，則：A，B相間短路時(shí)，；B，C相間短路時(shí)，＝0；C，A相間短路時(shí)，＝-（1 -λ）／4，。

兩相間短路與兩相接地短路相同，使用時(shí)設(shè)置完成跌落類型后，再設(shè)置需要的跌落系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)所需要的不對稱輸出電壓。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文以TMS320F28335為控制核心，搭建雙三相橋控制系統(tǒng)，兩側(cè)橋臂的控制脈沖使用同一組EPWM序列實(shí)現(xiàn)，分別為EPWM1，EPWM2和EPWM3，一側(cè)橋臂使用A模塊，一側(cè)橋臂使用B模塊，這樣可以做到兩側(cè)橋臂脈沖時(shí)鐘的精確同步。所有的EPWM比較值，均使用EPWM4中斷中采樣計(jì)算得到的參數(shù)值運(yùn)算得到。數(shù)字信號處理器（DSP）生成的PWM脈沖通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）進(jìn)行邏輯處理后送給光纖收發(fā)器，轉(zhuǎn)換為光信號并發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊，以驅(qū)動(dòng)功率器件工作。

模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。網(wǎng)側(cè)電壓通過電抗器過接觸器后送給整流側(cè)橋臂，整流得到需要的直流母線電壓后，逆變側(cè)按設(shè)置完成的電壓幅值輸出交流電壓。光伏逆變器連接到逆變側(cè)輸出形成的電網(wǎng)上，啟動(dòng)光伏后可按需求設(shè)置電壓跌落的比列和類型，完成光伏逆變器低電壓穿越性能測試。