用于低电压穿越测试的电压跌落发生器研究

内电流双闭环控制策略。 正序和负序电压分量在
正序同步旋转坐标系中表现为直流分量和 2 倍基
频 的 交 流 分 量 。 为 解 决 传 统 PI 控 制 器 对 2 倍 频 交
流分量控制能力不足的问题， 在电压环和电流环
控制器中均加入谐振控制器，用于控制负序分量。
谐振控制器的传递函数可表示为：
GR=
2ωcKrs s2+2ωcs+（nωo）2
双 馈 电 机 （DFIG） 风 电 系 统 进 行 低 电 压 穿 越 测 试 的 实 验 波 形 。 在 时 间 段 II 和 III，VSG 模 拟 电 网 产 生 200 ms、跌 落 深 度 25% 单 相 故 障 ， 导 致 DFIG 定 子侧产生不对称电压跌落。 在电压跌落和恢复的 一段时 间 （II 和 IV）内 ，DFIG 发 出 的 有 功 功 率 和 无 功功率减少到零。 当电网电压恢复后（时间段 V）， DFIG 发 出 的 有 功 功 率 和 无 功 功 率 恢 复 到 正 常 值 。 由 实 验 结 果 可 见 ，即 使 在 严 重 的 功 率 波 动 下 ，VSG 始终精确产生所需类型的跌落电压。
定 稿 日 期 ： 2010-08-10 作 者 简 介 ： 赵 洪 （1963- ）， 男 ， 浙 江 丽 水 人 ， 高 级 工 程 师 ， 研究方向为电机与电气控制技术。
电 器 的 VSG 在 电 压 跌 落 和 恢 复 的 瞬 间 可 能 由 于 开 关 过 程 存 在 电 压 中 断 ； 基 于 同 步 发 电 机 的 VSG 仅能产生三相对称电压跌落，装置体积较大；基于 逆 变 器 形 式 的 VSG 体 积 小 ，控 制 灵 活 ，功 能 强 大 。 由 于 传 统 控 制 方 法 的 逆 变 器 型 VSG 不 能 精 确 地 产 生 不 对 称 电 压 跌 落 ， 文 献 [6] 提 出 一 种 基 于 三 维 空 间 矢 量 调 制 的 三 相 四 线 逆 变 器 型 VSG。 该 方 法 能控制负序和零序电压，但控制算法相对复杂。
2 系统模型及控制策略
为 测 试 风 电 机 组 的 低 压 穿 越 运 行 能 力 ，VSG 必须能准确产生各种电网电压跌落信号。 电网电 压跌落特性包括三相对称电压跌落和单相跌落、 相间跌落、两相跌落 3 种不对称电压跌落，其中不
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电力电子技术 Power Electronics
目 前 已 有 的 VSG 实 现 方 式 主 要 有 阻 抗 形 式 、 变 压 器 形 式 、 发 电 机 形 式 和 逆 变 器 形 式 4 类 [2-5]。 基 于 阻 抗 和 变 压 器 的 VSG 跌 落 深 度 不 能 连 续 可 调 ， 且 基 于 阻 抗 形 式 的 VSG 还 受 负 载 变 化 的 影 响，跌落深度难以有效控制；基于变压器和固态继
的精确控制。 实验结果表明，基于该方法的电压跌落发生器能准确产生真实电网的跌落电压信号，满足风电机
组测试运行的需要。
关键词：电压跌落发生器； 低电压穿越； 比例积分控制器
中 图 分 类 号 ：TM46
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）01-0027-03
Research on Voltage Sag Generator for Low Voltage Ride-through Capability Test of Wind Turbines
1引言
风力发电作为一种绿色可再生能源而备受关 注。随着风电机组安装容量占电网比重不断增加， 风机在电网故障情况下的运行能力显得极为重 要。 新的电网运行准则要求并网型风电机组在电 网故障下一定时间内不能脱网， 必须具备一定的 低 电 压 穿 越 能 力 [1]。 但 由 于 电 网 故 障 的 不 可 操 作 性， 为测试风电机组在电网电压跌落时的穿越能 力， 需要有专门的设备用于产生风机可能遇到的 各 种 电 压 跌 落 。 因 此 ，对 电 压 跌 落 发 生 器 （VSG）的 研究具有重要意义。
摘要：随着新能源中风力发电容量占电网比重的不断增加，新的电网运行准则要求风电机组具有一定的低电
压穿越运行能力，电压跌落发生器是测试风电机组低压穿越性能的重要装置。 这里在分析真实电网电压跌落
类 型 的 基 础 上 ，提 出 一 种 基 于 比 例 积 分 谐 振 控 制 器 的 电 压 跌 落 发 生 器 控 制 策 略 ，以 实 现 故 障 电 压 正 负 序 分 量
4 实验结果
图 3 示 出 采 用 PIR 控 制 器 的 VSG 控 制 框 图 。 通 过 采 样 三 相 输 出 线 电 压 uab，ubc，uca， 经 转 换 得 相 电压，再经三相静止/两相同步旋转坐标变换得到
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图 5 示 出 VSG 分 别 采 用 PIR 控 制 器 和 PI 控 制 器 模 拟 电 网 发 生 60 ms 4 种 电 压 跌 落 时 风 机 侧 的 电 压 跌 落 实 验 波 形 ， 其 中 ug 为 理 想 电 网 电 压 跌 落 下 的 标 准 相 电 压 波 形 ，uPIR 为 基 于 PIR 控 制 的 相 电 压 波 形 ，uPI 为 基 于 PI 控 制 的 相 电 压 波 形 。
表 1 示出实验结果的正负序分量及不对称度 分 析 。 由 表 1 可 见 ，在 4 种 不 同 的 电 压 跌 落 下 ，PIR
用于低电压穿越测试的电压跌落发生器研究
控 制 器 和 PI 控 制 器 下 输 出 电 压 的 正 序 分 量 与 标 准值基本一致， 表明两种控制策略对正序分量的 控 制 效 果 相 同 。 但 由 于 PI 控 制 器 对 负 序 分 量 控 制 效果不佳， 导致产生不对称跌落电压不平衡度减 少 。 采 用 PIR 控 制 的 实 验 结 果 负 序 分 量 与 标 准 值 基 本 一 致 ， 表 明 PIR 控 制 器 可 有 效 控 制 电 网 电 压 在不对称跌落下的负序分量， 从而输出与实际工 况 基 本 一 致 的 电 压 波 形 。 由 图 5a，b，c 可 见 ，在 电 压 跌 落 和 恢 复 的 瞬 间 存 在 相 角 跳 变 。 在 图 5d 所 示 的结果中，由于三相对称跌落不存在负序分量，故 采 用 PIR 控 制 器 和 PI 控 制 器 产 生 的 波 形 一 致 。 由 实 验 结 果 可 见 ，VSG 能 在 半 个 周 期 内 产 生 所 需 要 的电压跌落，具有很好的动态性能。
第 45 卷第 1 期 2011 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.1 January 2011
用于低电压穿越测试的电压跌落发生器研究
赵 洪 1， 曾 嵘 2， 年 珩 2， 周 鹏 2 （1.丽 水 职 业 技 术 学 院 ， 浙 江 丽 水 323000； 2 浙 江 大 学 ，电 气 工 程 学 院 ， 浙 江 杭 州 310058）
ZHAO Hong1， ZENG Rong2， NIAN Heng2， ZHOU Peng2
（1.Lishui Vocational and Technical College， Lishui 323000， China； 2.Zhejiang University， Hangzhou 310058， China） Abstract：As the installed wind power capacity increased ，the grid code have required the wind turbines must have low voltage ride-through （LVRT） capability，a voltage sag generator （VSG） is the important equipment for wind tubines to evaluate the operation capacity of LVRT.Based on the analysis of the types of voltage sags that maybe occur at the wind turbines terminal ，a novel control strategy adopted proportional integral resonant （PIR ） for VSG is pro posed to control the positive and negative sequence component of the dipped voltage.The experimental results show that the proposed VSG can generate all types of voltage sags accurately to meet the requirement of wind turbines. Keywords：voltage sage generator； low voltage ride-through； proportional integral controller
（2）
式 中 ：ωc 为 截 止 频 率 ；ωo 为 基 波 频 率 ；nωo 为 谐 振 频 率 ；Kr
为谐振控制器增益。
考虑到负序分量在正序同步旋转坐标系中表
现 为 2 倍 基 频 分 量 ，PIR 控 制 器 的 传 递 函 数 为 ：
GPIR=KP+
KI s
+
2ωcKrs s2+2ωcs+（2ωo）2
由图 3 可得用于 SVPWM 调制的电压指令为：
!Uinα*=C2r/2s KPIR[KPIR（ud*-ud）-iLd]
Uinβ*=C2r/2s KPIR[K提供过电流保护，
VSG 的 控 制 一 般 采 用 基 于 电 感 电 流 反 馈 的 外 电 压