張小娟，張文娟，高蕊

(寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞 721007)

一種新的無(wú)源性電壓跌落發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張小娟，張文娟，高蕊

(寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞 721007)

為了提高電壓跌落發(fā)生器前級(jí)變流器模擬電網(wǎng)跌落故障時(shí)的穩(wěn)定性及抗擾動(dòng)性，提出了由直流電壓外環(huán)加后級(jí)變流器微分電流前饋與無(wú)源性控制相結(jié)合的前級(jí)PWM變流器控制策略。以系統(tǒng)能量平衡為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，建立PWM變流器能量函數(shù)，根據(jù)VSG控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)變流器無(wú)源控制率，微分電流前饋提高前級(jí)PWM變流器抵抗模擬不同類型電壓跌落時(shí)的抗擾動(dòng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制策略能夠提高VSG 系統(tǒng)在電壓對(duì)稱和不對(duì)稱跌落時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力。

電壓跌落發(fā)生器； PWM變流器； 無(wú)源性控制； 前饋控制； 阻尼注入

0 引 言

近年來(lái)，隨著變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加，現(xiàn)代電力規(guī)范要求風(fēng)電機(jī)組在外部電網(wǎng)故障導(dǎo)致機(jī)端電壓跌落時(shí)，仍具有一定時(shí)間的不間斷并網(wǎng)運(yùn)行能力，即具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Though，簡(jiǎn)稱LVRT)能力[1-2]。但是，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，電網(wǎng)故障的不可操作性及不可預(yù)測(cè)性，要求低電壓穿越測(cè)試實(shí)驗(yàn)中有專門的電壓跌落發(fā)生器(Voltage Sag Generator，簡(jiǎn)稱VSG)來(lái)模擬不同的電網(wǎng)故障。目前已有的VSG實(shí)現(xiàn)方式主要有[3]:阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式。其中,電力電子變換形式因其形式靈活、功能強(qiáng)大而受到廣泛關(guān)注。

基于電力電子變換器形式的VSG通常采用二個(gè)背靠背三相兩電平電壓型PWM換流器組成，其中二個(gè)換流器通過(guò)中間的直流母線電容連接。前級(jí)PWM變流器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流母線電壓及單位功率因數(shù)運(yùn)行，后級(jí)PWM變流器的控制目標(biāo)是模擬各種電網(wǎng)電壓跌落故障，當(dāng)VSG 系統(tǒng)的模擬電壓幅值發(fā)生很大變化時(shí)，前級(jí)PWM變流器會(huì)受到嚴(yán)重考驗(yàn)，因此其控制策略的優(yōu)劣直接影響到整個(gè) VSG 控制系統(tǒng)的性能[4]863。傳統(tǒng)的三相電壓型PWM變流器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制方式，但PWM變流器本身是非線性、多輸入多輸出的前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此，近年來(lái)，基于非線性控制理論方法成為三相電壓型PWM變流器的研究熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[4]根據(jù)變流器的非線性特性，提出了狀態(tài)反饋精確線性化非線性控制策略，很好的實(shí)現(xiàn)了變流器的有功、無(wú)功功率解耦控制；文獻(xiàn)[5]針對(duì)電壓外環(huán)控制的抗擾性能不佳問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)造非線性狀態(tài)誤差反饋函數(shù)，提出了變流器的自抗擾控制策略，獲得了較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，針對(duì)VSG后級(jí)變流器模擬電網(wǎng)電壓大幅值跌落時(shí)導(dǎo)致前級(jí)變流器穩(wěn)定差這一問(wèn)題，采用將無(wú)源性控制運(yùn)用到VSG系統(tǒng)的PWM變流器控制中。針對(duì)無(wú)源控制中電流給定值抗后級(jí)變流器擾動(dòng)性能差這一問(wèn)題，提出了直流電壓外環(huán)加后級(jí)變流器微分電流前饋與無(wú)源性控制相結(jié)合的前級(jí)PWM變流器控制策略。可進(jìn)一步提高變流器的性能，簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提控制策略是可行的。

1 VSG前級(jí)變流器Euler-Lagrange ( EL)模型

基于三相電壓型PWM變流器背靠背連接的VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓;L1、L2分別為前級(jí)和后級(jí)變流器的濾波電感；R1、R2分別為前級(jí)和后級(jí)變流器的交流側(cè)等效電阻；C為直流母線電容，Vdc為直流母線電壓，idc為直流母線電流，iload為前級(jí)變流器的負(fù)載電流(或后級(jí)變流器輸入電流)

圖1 背靠背連接的VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

前級(jí)和后級(jí)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為三相電壓型PWM變流器，為了抑制后級(jí)變流器功率波動(dòng)時(shí)前級(jí)變流器控制不穩(wěn)定問(wèn)題，我們對(duì)前級(jí)變流器采取無(wú)源性設(shè)計(jì)，d-q坐標(biāo)系， 三相電壓型PWM變流器的狀態(tài)方程為[6]

(1)

2 VSG前級(jí)變流器無(wú)源控制器設(shè)計(jì)

2.1 確定期望穩(wěn)定平衡點(diǎn)

根據(jù)圖1所示，若前級(jí)變流器控制中采用電網(wǎng)電壓定向，即，iq=0，則其直流母線側(cè)的能量平衡關(guān)系可寫成如下表達(dá)式：

(2)

(3)

令:

(4)

(5)

(6)

其中imax為前級(jí)變流器的的最大允許峰值電流。

2.2 無(wú)源控制器設(shè)計(jì)

設(shè)xe=x-x*，則能量誤差函數(shù)如式(7)所示[7]：

(7)

根據(jù)Euler-Lagrange模型及無(wú)源性設(shè)計(jì)規(guī)律，為了使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)，也就是說(shuō)，為了使上述能量函數(shù)盡快收斂至0，在(1)式中增加耗散項(xiàng)Rhsxe=Rxe+Rdxe，基于式(1)可得:

(8)

其中Rhs為耗散矩陣；Rd為阻尼矩陣。

若選取控制率為:

(9)

則:

(10)

(11)

據(jù)式(11)，解得無(wú)源電流控制率為：

(12)

綜合式(5)、式(12)，得VSG前級(jí)PWM變流器的無(wú)源控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 VSG前級(jí)變流器無(wú)源性控制框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提控制策略的有效性與優(yōu)越性，在額定容量為50 kVA的VSG上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：變流器濾波電感L1=L2=4.5 mH；直流母線電容C=10 000 μF；變流器主電路功率開(kāi)關(guān)管采用 Infineon公司的 FF450R12ME4，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，其驅(qū)動(dòng)模塊采用 Concept公司的 2SC018T2A0-17；VSG系統(tǒng)控制器采用Ti公司DSP TMS320F28335芯片實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)波形通過(guò)Tek公司DPO 3054示波器捕獲。

圖3為穩(wěn)態(tài)時(shí)，VSG前級(jí)PWM變流器電網(wǎng)電壓與交流側(cè)電

流波形，可以看出，電流正弦度較好，功率因數(shù)近似為1。圖4(a)-(c)為將VSG逆變器輸出交流電壓由380 V對(duì)稱跌落到80%、20%、0%，跌落時(shí)間持續(xù)1 000 ms的實(shí)驗(yàn)波形圖。可以看出，在所提的控制算法下，電壓跌落期間VSG的直流母線電壓波動(dòng)很小，幾乎保持穩(wěn)定值510 V不變，從而導(dǎo)致后級(jí)逆變器跌落期間的調(diào)節(jié)速度很快，跌落后交流電壓進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)時(shí)間僅有30 ms。圖4(d)為VSG跌落時(shí)間持續(xù)1 000 ms后恢復(fù)后二次跌落波形圖。圖5 為本文所提控制算法下單相電壓跌落到80%、20%，兩相電壓跌落到20%的放大圖，可以看出，直流電壓恢復(fù)至設(shè)定值的時(shí)間較短且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的2倍頻波動(dòng)，表明本文對(duì)VSG前級(jí)變流器所采用的無(wú)源控制算法能有效抑制不對(duì)稱故障時(shí)直流母線電壓的2倍頻波動(dòng)，保證直流母線電壓的快速穩(wěn)定，使VSG 系統(tǒng)具有較高的抗干擾性能。

圖3 VSG前級(jí)PWM變流器電網(wǎng)電壓及交流側(cè)電流

圖4 VSG對(duì)稱跌落故障波形圖

圖5 VSG不對(duì)稱跌落故障波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為了改善電力電子變換器形式的VSG控制性能，本文在深入分析VSG結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出對(duì)VSG前級(jí)變流器采用無(wú)源性控制與前饋控制相結(jié)合的控制策略。

(1)無(wú)源性控制是一種全局定義且全局穩(wěn)定的控制方法，對(duì)外界擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性，是一種本質(zhì)上的非線性控制。將無(wú)源性理論應(yīng)用于VSG變流器，使控制器的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。

(2)在無(wú)源性基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的電壓外環(huán)PI控制與后級(jí)變流器的電流微分前饋控制相結(jié)合，能有效抑制VSG模擬不同電網(wǎng)故障時(shí)的突變擾動(dòng)，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗干擾能力。

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Design and Implementation of a Novel Passivity-based Voltage Sag Generator

Zhang Xiaojuan, Zhang Wenjuan, Gao Rui

(School of Electric and Electrical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji Shaanxi 721007, China)

To improve the stability and disturbancerejection of the preceding stage converter of the voltage sag generator (VSG) when simulating grid dropout fault, this paper presents a PWM converter control strategy which combines DC voltage outer loop plus differential current feed-forward of the backward stage converter with passivity-based control. It establishes an energy function of the PWM converter with system energy balance as design criterion, and designs passivity-based control rate of the converter according to the VSG control target. The differential current feed-forward improves the disturbance rejection performance of the preceding stage PWM converter when different types of voltage sags are simulated. Experimental results show that the proposed control strategy can improve the speed of dynamic response and anti-jamming capacity of the VSG system in the cases of symmetric and asymmetric voltage sags.

voltage sag generator (VSG); PWM converter; passivity-based control; feed-forward control; damp injection

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207002)；陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(2013K07-12)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JM8347)；寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(ZK11068，ZK16012)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.005

TM614

A

1000-3886(2016)06-0014-03

張小娟(1979-)，女,碩士，陜西寶雞人，副教授，專業(yè)為電力電子技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其控制研究。 張文娟(1981-)，女,博士，陜西寶雞人，副教授，專業(yè)為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-07-29