大功率光伏逆变系统测试用电网模拟器研究

时间：2024-07-28

孙功伟，曾泽湖，张春旺，余志飞

（1.广东电网公司佛山供电局，广东佛山 510000；2.国网长春供电公司调控中心，长春 130000；3.国电南京自动化股份有限公司，南京 210000）

大功率光伏逆变系统测试用电网模拟器研究

孙功伟1，曾泽湖1，张春旺2，余志飞3

（1.广东电网公司佛山供电局，广东佛山 510000；2.国网长春供电公司调控中心，长春 130000；3.国电南京自动化股份有限公司，南京 210000）

为了测试大功率光伏变流器的低电压穿越性能，需要设计大功率电网模拟器。以TI公司浮点分散控制系统（DSC）处理器TMS320F28335为核心，搭建了双三相桥变流系统，将可控整流器和变流器组成双三相桥结构系统用于搭建电网模拟器。为了实现不对称形式的电压跌落，对采样电压和设定电压均进行双dq分解，即对电压进行正负序分离。在分解过程中加入100Hz陷波器，实现对给定电压和反馈电压的正负序分离。与测试光伏变流器连接后，形成功率回路，在消耗很小电能的情况下，完成满功率低电压穿越性能测试。

dq变换；低电压穿越；电网模拟器；光伏逆变器

0 引言

随着光伏电站规模的增大，大规模光伏电站对地区电网的影响愈发显著，大功率光伏逆变器低电压穿越技术（LVRT）越来越受关注［1-2］。现在常用的低电压穿越测试平台，需要通过短路电感的方式实现，灵活性较差。针对此种缺陷，有必要研发一种大规模、易扩展的低电压测试平台，可以通过人为设置实现各种电压跌落形式。

本文将可控整流和变流器组成双三相桥结构系统用于搭建电网模拟器。由于功率回路结构的可逆性，方便接线和控制，且电压跌落方式的转换仅需要人为进行参数设置，而不需要硬件上的改动，安全性和可靠性得到了提高。

1 功率回路原理

图1所示为单侧三相桥主电路，两侧的主电路是相同的，且公用同一组母线。作为低电压穿越测试平台使用时，整流桥臂的交流侧作为输入接入电网，逆变桥臂的交流侧作为输出经变压器隔离后与光伏逆变器输出连接。同时，将低电压穿越测试平台的母线与光伏逆变器的母线连接，用于提供直流，这样系统形成能量回馈回路，可以在消耗很少电能的情况下，完成满功率的低电压穿越功能测试。

这里先对电网模拟器中的整流桥臂工作原理进行说明，通过图1可以推导得出同步旋转dq坐标系下的网侧变换器数学模型，见式（1）。

图1 三相电压型PWM变换器拓扑

式中：L为并网侧电抗器电感；id和iq，ed和eq，ud和uq分别为交流侧电流、网侧电压、输出电压的d轴、q轴分量；R为包括电感电阻在内的每相线路电阻；ω＝2πf，f为开关频率［3］。

电网电压定向矢量控制通常采用双闭环级联式控制结构：电压外环、电流内环。电压环的主要作用是控制直流母线电压；电流环根据电压环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制，并实现单位功率因数运行。为了实现单位功率因数运行，通常无功电流分量的参考值设为零。系统控制结构框图如图2所示。

低电压穿越测试平台整流侧的控制结构框图如图2所示，采用前馈解耦控制策略［4］，当电流调节器采用PI调节器，则变换器输出端的电压可按式（2）计算。

图2 三相PWM变换器控制框图

式中：KP，KI分别为P I环所用P，I参数；s为积分因子；idref，iqref分别为给定电流的有功和无功分量。

对于电网模拟器的逆变侧，由于是提供一个可变的电网，所以其不需要锁相，可以按测试要求发出设定频率、幅值及对称或不对称波形。

这样，对其输出端电压的计算式可以缩减为式（3）。

式中：edref，eqref分别为给定电压的d轴和q轴分量，这里可以设置edref为给定相电压幅值，而eqref则设置为0，以生产对称的输出电压。所以，式（3）仅适用于生成对称电压的情况。

对于不对称电压，需要进行采样电压和设定电压的双dq分解，即需要对电压进行正负序分离。本文通过在分解过程中加入100Hz陷波器，实现对给定电压和反馈电压的正负序分离，经过修改后得到的输出端电压计算式为式（4）。

式中：ud0和ud1，ud1和ud1分别为输出电压的正、负序d轴和q轴分量；edref0和qqref0，edref1和eqref1分别为给定电压的正、负序d轴和q轴分量；ed0和eq0，ed1和eq1分别为电网电压的正、负序d轴和q轴分量。

所有的电压反馈环节均使用同一组PI参数，以简化调节时的工作量，由于不对称时正序电压的q轴分量依然为零，为了简化设备操作流程，本文将各种不对称产生类型进行分类，并推导得出需要设置的跌落比例。在设置了跌落类型、故障相序以及跌落比例后，就可以生成相应的电压波形。

由于该系统采用空间矢量脉冲调制（SVPWM）方式生成脉冲宽度调制（PWM）脉冲，式（4）中的输出端电压计算得出之后，通过PARK反变换，分别得到电网电压正、负序两相静止坐标系下的α轴和β轴分量Uα0和Uβ0，Uα1和Uβ1，然后相加得到电压总的α轴和β轴分量Uα和Uβ，用于计算得出增强型脉冲宽度调制（EPWM）模块的比较值。

2 输出电压跌落类型设置

电网电压跌落故障有单相接地、两相接地、两相短路、三相接地和三相短路［5-6］。三相故障属于对称跌落范畴，本节不做分析。

2.1 单相接地短路

单相接地短路的矢量图如图3所示。

负序dq变换时，若令dq_phase-＝-pll_angle+，则：A相跌落时，Ud-＝-（1-λ）／3，Uq

-＝0；B相跌落时，；C相跌落时，。

这样在使用低穿平台时，通过设置跌落类型为单相跌落，再设置跌落系数，就可以模拟单相跌落方式。

2.2 两相接地短路

两相接地短路的矢量图如图4所示。

图4 两相接地短路矢量图

负序dq变换时，若令dq_phase-＝-pll_angle+，则：A，B相同时跌落时，

2.3 两相间短路

两相间短路的矢量图如图5所示。

图5 两相间短路的矢量图

负序dq变换时，若令dq_phase-＝-pll_angle+，则：A，B相间短路时，；B，C相间短路时，＝0；C，A相间短路时，＝-（1 -λ）／4，。

两相间短路与两相接地短路相同，使用时设置完成跌落类型后，再设置需要的跌落系数，即可实现所需要的不对称输出电压。

3 系统结构

本文以TMS320F28335为控制核心，搭建双三相桥控制系统，两侧桥臂的控制脉冲使用同一组EPWM序列实现，分别为EPWM1，EPWM2和EPWM3，一侧桥臂使用A模块，一侧桥臂使用B模块，这样可以做到两侧桥臂脉冲时钟的精确同步。所有的EPWM比较值，均使用EPWM4中断中采样计算得到的参数值运算得到。数字信号处理器（DSP）生成的PWM脉冲通过现场可编程门阵列（FPGA）进行逻辑处理后送给光纤收发器，转换为光信号并发送给驱动模块，以驱动功率器件工作。

模拟器系统结构框图如图6所示。网侧电压通过电抗器过接触器后送给整流侧桥臂，整流得到需要的直流母线电压后，逆变侧按设置完成的电压幅值输出交流电压。光伏逆变器连接到逆变侧输出形成的电网上，启动光伏后可按需求设置电压跌落的比列和类型，完成光伏逆变器低电压穿越性能测试。

图6 系统结构框图