用于低电压穿越测试的低电压发生装置及其电压控制方法

摘要

本发明涉及用于低电压穿越测试的低电压发生装置及其电压控制方法，分别给定d轴正序、d轴负序调制度，即可获得单相不平衡跌落、两相不平衡跌落、三相平衡跌落等各种电压跌落工况。由于整个装置均采用电力电子变换器，且运用全数字控制技术，因此具有控制简单、灵活、装置体积小、成本低等优势，可广泛用于光伏电站、风电场现场并网验收测试。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于低电压穿越测试的低电压发生装置，以及该装置上应用的电压控制方法。

背景技术

随着光伏发电、风力发电在电力能源中所占比例越来越大，光伏发电、风力发电系统对电网的影响 已经不能忽略，特别对我国光伏和风电大规模集中接入的方式，当电网发生故障造成并网点电压跌落 时，一旦光伏逆变器、风电机组自动脱网可能造成电网电压和频率崩溃，严重影响电网的安全稳定运 行，也大大限制了新能源的大规模利用。因此，必须要求大规模并网运行的光伏逆变器、风电机组具有 低电压穿越功能。但是由于我国对低电压穿越测试装置的研究起步较晚，试验和测试手段匮乏，尚不能 研制与技术标准相配套的低电压穿越测试装置，更无法进行现场测试，难以为现场并网验收试验提供有 效技术支撑，本发明可有效解决该技术难题。

目前常用的低电压穿越发生装置都采用阻抗分压形式，其中一种阻抗分压方式如图1所示，该方式 通过阻抗1、阻抗2及负载阻抗的适当匹配产生预期的电压跌落，即：闭合阻抗2侧的断路器，产生电 压跌落；断开阻抗2侧断路器，则电压恢复。

采用阻抗分压形式的低电压穿越发生装置系统比较复杂，且仅能进行低电压穿越测试，频率响应特 性等电网适应性试验无法开展，此外该种形式的测试装置占地面积大、不方便运输，因此极大的限制了 其现场应用。

《用于低电压穿越测试的电压跌落发生器研究》（电力电子技术）公开了一种逆变器型（VSG）的低 电压发生装置，不采用阻抗分压形式，依靠一个背靠背的电力电子变流装置来产生低电压。变流装置包 括电源、不控整流单元、全桥逆变单元等。逆变器采用电压电流双闭环控制方法，产生能够准确控制的 电网电压跌落下的正、序分量。由于是双闭环控制，需要采样环节、比较环节、以及提到的比例积分谐 振控制环节（PIR）等，控制方法比较复杂，由于采用不控整流单元，在大功率应用场合将造成电网谐波 电流显著增大，电压跌落及恢复速率受开关频率限制也将受到影响，无法模拟实际电网电压跌落工况。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于低电压穿越测试的低电压发生装置及其电压控制方法，用以解决的现 有控制方法较为复杂问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

用于低电压穿越测试的低电压发生装置，包括依次连接的电源、整流器、三相PWM逆变器和滤波器， 滤波器的输出用于连接待测装置；所述三相PWM逆变器采用开环控制，其PWM控制器包括：分别输出调 制度m_d⁺、m_d^-、m_q⁺、m_q^-的正序d轴分量给定单元、负序d轴分量给定单元、正序q轴分量给定单 元和负序q轴分量给定单元；所述调制度分别经过ipark变换单元，得到两相静止坐标系下α、β轴正 负序分量m_ds⁺、m_ds^-、m_qs⁺、m_qs^-，将α轴、β轴正负序分量分别相加即可得到最终两相静止坐标系 下用于SVPWM调制的指令m_α、m_β，m_α＝m_ds⁺+m_ds^-,m_β＝m_qs⁺+m_qs^-;用于SVPWM调制的指令m_α、m_β输入到空间矢量PWM调制单元，空间矢量PWM调制单元输出控制所述三相PWM逆变器。

所述整流器为采用双闭环控制的三相PWM整流器。

所述正序d轴分量给定单元、负序d轴分量给定单元、正序q轴分量给定单元和负序q轴分量给定 单元与对应的ipark变换单元之间均设有跌落速度控制单元。

一种低电压发生装置的电压控制方法，控制所述m_d⁺、m_d^-、m_q⁺、m_q^-，经过ipark变换和空间矢 量PWM调制，产生预期的跌落相电压峰值为n×V_T，0≤n≤1。

m_q⁺＝m_q^-＝0；

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(18\right)$

${m_d}^{-}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{-}}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(19\right)$

单相不平衡跌落时，

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(2+n)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(20\right)$

${m_d}^{-}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{-}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(1-n)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(21\right)$

两相不平衡跌落时，

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(1+2\times n)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(22\right)$

${m_d}^{-}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{-}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(n-1)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(23\right)$

三相平衡跌落时，

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{3}\times n\times V_T}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(24\right)$

V_T——正常电网相电压峰值；

v_d⁺——经ipark变换后d轴电网电压正序分量；

v_d^-——经ipark变换后d轴电网电压负序分量；

v_q⁺——经ipark变换后q轴电网电压正序分量；

v_q^-——经ipark变换后q轴电网电压负序分量；

V_dc——三相PWM逆变器直流侧电压。

控制d轴正序、d轴负序调制度上升或下降斜率以控制电压跌落速率。

本发明提供了一种基于正负序分离算法的低电压发生方法，以并网点电压跌落后相位不变为出发点， 在双旋转坐标系下分别控制正、负序分量输出就能产生预期的电压跌落。

正负序分离算法的推理过程如下：

根据对称分量法，对三相系统，每一相电压都是由正序、负序和零序分量组合而成，如式1所示：

$v_{\mathrm{abc}}={v_{\mathrm{abc}}}^{+}+{v_{\mathrm{abc}}}^{-}+{v_{\mathrm{abc}}}^0=V^{+}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\\ \sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)+V^{-}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\\ \sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)+V^0\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

对三相平衡系统，其输出相电压仅包含正序分量，因此V^-=0，V⁰=0；而对三相不平衡系统，其输 出相电压同时包含正序、负序、零序分量，因此V^-≠0，V⁰≠0。当其中一相电压或两相电压发生跌落 后，如果其相位不发生变化，则通过作图法可直接得到正序、负序及零序分量大小，单相跌落（以A相 为例分析说明）、两相跌落（以B、C相为例分析说明）向量图分别如图2、图3所示：

设正常电网电压相电压峰值为V_T，跌落相电压峰值为n×V_T（0≤n≤1），则根据跌落方式的不同， 可分别得到以下三种电网电压表达式：

1）单相不平衡跌落

由图2可得到时正序、负序、零序分量幅值为：

$V^{+}=\frac{(2+n)\times V_T}{3},V^{-}=V^0=\frac{(n-1)\times V_T}{3}$

由此可得到单相不平衡跌落时三相电压表达式如式2所示：

$v_{\mathrm{abc}}=\frac{(2+n)\times V_T}{3}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\\ \sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)+\frac{(n-1)\times V_T}{3}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\\ \sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)+\frac{(n-1)\times V_T}{3}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

2）两相不平衡跌落

由图2可得到正序、负序、零序分量幅值为：

$V^{+}=\frac{(1+2\times n)\times V_T}{3},V^{-}=V^0=\frac{(1-n)\times V_T}{3}$

由此可得到两相不平衡跌落时三相电压表达式如式3所示：

$v_{\mathrm{abc}}=\frac{(1+2\times n)\times V_T}{3}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\\ \sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)+\frac{(1-n)\times V_T}{3}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\\ \sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)+\frac{(1-n)\times V_T}{3}\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

3）三相平衡跌落

电网电压仅包含正序分量，其表达式如式4所示：

$v_{\mathrm{abc}}=n\times V_T\left(\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ \sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\\ \sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)---\left(4\right)$

对三相三线制系统，忽略零序分量，仅考虑正序、负序分量，则在双旋转坐标系下对式（2）～（4） 按（5）～（11）进行dq旋转变换。

${v_{\mathrm{\alpha \beta \gamma }}}^{+}=\left[T_{\mathrm{\alpha \beta \gamma }}\right]\left(\begin{array}{c}{v_a}^{+}\\ {v_b}^{+}\\ {v_c}^{+}\end{array}\right)---\left(5\right)$

${v_{\mathrm{\alpha \beta \gamma }}}^{-}=\left[T_{\mathrm{\alpha \beta \gamma }}\right]\left(\begin{array}{c}{v_a}^{-}\\ {v_b}^{-}\\ {v_c}^{-}\end{array}\right)---\left(6\right)$

$\left[T_{\mathrm{\alpha \beta \gamma }}\right]=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right)---\left(7\right)$

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{+}\\ {d_q}^{+}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{+}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{+}\\ {v_{\beta }}^{+}\end{array}\right)---\left(8\right)$

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{-}\\ {d_q}^{-}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{-}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{-}\\ {v_{\beta }}^{-}\end{array}\right)---\left(9\right)$

$\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{+}\right]=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)& -\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ -\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)& -\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(10\right)$

$\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{-}\right]=\left(\begin{array}{cc}-\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)& -\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ -\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)& -\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(11\right)$

由此可以得到双旋转坐标系下d轴、q轴正序、负序分量大小如下：

1）单相不平衡跌落

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{+}\\ {d_q}^{+}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{+}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{+}\\ {v_{\beta }}^{+}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{(2+n)\times V_T}{3}\\ 0\end{array}\right)---\left(12\right)$

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{-}\\ {d_q}^{-}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{-}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{-}\\ {v_{\beta }}^{-}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{(1-n)\times V_T}{3}\\ 0\end{array}\right)---\left(13\right)$

2）两相不平衡跌落

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{+}\\ {d_q}^{+}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{+}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{+}\\ {v_{\beta }}^{+}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{(1+2\times n)\times V_T}{3}\\ 0\end{array}\right)---\left(14\right)$

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{-}\\ {d_q}^{-}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{-}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{-}\\ {v_{\beta }}^{-}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{(n-1)\times V_T}{3}\\ 0\end{array}\right)---\left(15\right)$

3）三相平衡跌落

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{+}\\ {v_q}^{+}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{+}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{+}\\ {v_{\beta }}^{+}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}n\times V_T\\ 0\end{array}\right)---\left(16\right)$

$\left(\begin{array}{c}{v_d}^{-}\\ {v_q}^{-}\end{array}\right)=\left[{T_{\mathrm{dq}}}^{-}\right]\left(\begin{array}{c}{v_{\alpha }}^{-}\\ {v_{\beta }}^{-}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right)---\left(17\right)$

通过上述分析可知，只要在双旋转坐标系下对d轴正序、d轴负序分量按式（12）～（17）进行合理 控制，即可在交流端口合成预期的电压幅值。本发明采用开环控制方式。

附图说明

图1是现有的阻抗分压低电压穿越发生装置；

图2是A相电压跌落后向量图；

图3是B、C两相电压跌落后向量图；

图4是测试系统结构及低电压发生装置控制框图，图4中：

m_d⁺——d轴正序调制度指令；

m_d^-——d轴负序调制度指令；

m_q⁺——q轴正序调制度指令；

m_q^-——q轴负序调制度指令；

m_ds⁺——经ipark变换后两相静止坐标系下α轴正序调制度指令；

m_ds^-——经ipark变换后两相静止坐标系下α轴负序调制度指令；

m_qs⁺——经ipark变换后两相静止坐标系下β轴正序调制度指令；

m_qs^-——经ipark变换后两相静止坐标系下β轴负序调制度指令；

m_α——两相静止坐标系下α轴调制度指令；

m_β——两相静止坐标系下β轴调制度指令。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图4所示，整个装置由背靠背三相电压源型变换器构成，包括依次连接的电源（如图4中采用耦 合变压器）、整流器、三相PWM逆变器和滤波器，滤波器的输出用于连接待测装置；所述三相PWM逆变器 采用开环控制，其PWM控制器包括：分别输出调制度m_d⁺、m_d^-、m_q⁺、m_q^-的正序d轴分量给定单元、 负序d轴分量给定单元、正序q轴分量给定单元和负序q轴分量给定单元；所述调制度分别经过ipark 变换单元（分别引入同步角θ、-θ），得到两相静止坐标系下α、β轴正负序分量m_ds⁺、m_ds^-、m_qs⁺、m_qs^-， 将α轴、β轴正负序分量分别相加即可得到最终两相静止坐标系下用于SVPWM调制的指令m_α、m_β， m_α＝m_ds⁺+m_ds^-,m_β＝m_qs⁺+m_qs^-;用于SVPWM调制的指令m_α、m_β输入到空间矢量PWM调制单元，空 间矢量PWM调制单元输出控制所述三相PWM逆变器。

其中PWM整流器用于稳定直流侧电压，PWM逆变器通过特定的控制方式可分别输出三相平衡、单 相不平衡、两相不平衡电压，从而模拟电网电压跌落。

PWM整流器采用双闭环控制，将直流电压稳定在恒定值，PWM逆变器采用开环控制方式，由于交 流输出电压跌落后相位不发生变化，因此m_q⁺＝m_q^-＝0，可见只需分别控制正序、负序调制度m_d⁺、m_d^-即可控制交流输出电压的跌落方式及跌落深度。设直流母线电压（即三相PWM逆变器直流侧电压）为 V_dc，当采用空间矢量调制方式时，正序、负序分量对应调制度如下：

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(18\right)$

${m_d}^{-}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{-}}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(19\right)$

1）单相不平衡跌落时，

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(2+n)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(20\right)$

${m_d}^{-}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{-}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(1-n)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(21\right)$

2）两相不平衡跌落时，

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(1+2\times n)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(22\right)$

${m_d}^{-}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{-}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{(n-1)\times V_T}{\sqrt{3}\times V_{\mathrm{dc}}}---\left(23\right)$

3）三相平衡跌落时，

${m_d}^{+}=\frac{\sqrt{3}\times {v_d}^{+}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{3}\times n\times V_T}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(24\right)$

具体实施过程中只需按照式（20）～（24）分别给定d轴正序、d轴负序调制度，即可获得单相不平 衡跌落、两相不平衡跌落、三相平衡跌落等各种电压跌落工况，若对跌落速度有要求，可如图4所示增 加跌落速度控制器，通过控制d轴正序、d轴负序调制度上升或下降斜率即可控制电压跌落速率。由于 整个装置均采用电力电子变换器，且运用全数字控制技术，因此具有控制简单、灵活、装置体积小、成 本低等优势，可广泛用于光伏电站、风电场现场并网验收测试。关于ipark变换，以及后续空间矢量PWM 调制的具体步骤属于现有技术，在此不再赘述。

本发明项目受国家高技术研究发展计划（863计划）课题资助，课题编号：2012AA050206。