全功率變流器弱電網(wǎng)下低頻振蕩抑制探討

文|祝藝，王則會

受風(fēng)能資源分布和風(fēng)力發(fā)電特殊性影響，風(fēng)電場往往建立在遠離負荷、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱但風(fēng)能資源好的地區(qū)。隨著風(fēng)電場裝機容量的增大，大量風(fēng)電機組接入電網(wǎng)時引起電網(wǎng)電壓波動的風(fēng)險越來越大，嚴重時電網(wǎng)電壓甚至面臨崩潰的危險。另一方面，弱電網(wǎng)下的電網(wǎng)電壓質(zhì)量相對較差，隨著并網(wǎng)機組數(shù)量的增加，不同變流器之間通過電網(wǎng)的阻抗相互耦合，使電網(wǎng)的等效阻抗成倍變化，容易導(dǎo)致電網(wǎng)與變流器之間產(chǎn)生非特征頻率的低頻諧波，影響電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性和變流器的正常運行 。

在濾波電容上串聯(lián)電阻形成無源阻尼可以解決弱電網(wǎng)帶來的振蕩問題，這種簡單有效的方法在增加系統(tǒng)成本的同時，會帶來散熱和發(fā)電效率問題。以往研究中從控制角度提出的電網(wǎng)電壓低次前饋法，能夠有效減弱不同變流器之間的相互耦合作用，解決弱電網(wǎng)下的高頻振蕩問題，但卻無法有效抑制目前在弱電網(wǎng)中同時存在的低頻振蕩現(xiàn)象。低頻振蕩現(xiàn)象主要表現(xiàn)在直驅(qū)機型中，其振蕩頻率在數(shù)十到數(shù)百赫茲之間，而且常常伴隨有非特征諧波的畸變現(xiàn)象。

本文主要對變流器在弱電網(wǎng)下運行時存在的低頻振蕩現(xiàn)象進行了研究。首先給出了風(fēng)電場曾出現(xiàn)低頻振蕩時的波形；其次從電流控制器入手分析了電網(wǎng)阻抗對變流器運行性能的影響，從復(fù)相量的角度闡述了低頻振蕩產(chǎn)生的原因，結(jié)合仿真直觀地說明了理論分析的正確性；最后，通過平臺實驗驗證了理論分析的正確性和所提方法的有效性。除了弱電網(wǎng)下的風(fēng)電場外，所提方法亦可應(yīng)用于解決微網(wǎng)中類似的低頻振蕩問題。

弱電網(wǎng)下風(fēng)電機組的低頻振蕩現(xiàn)象

在電網(wǎng)薄弱的風(fēng)電場裝機容量大到一定程度后，低頻振蕩現(xiàn)象會時有發(fā)生。圖1（a）為某風(fēng)電場曾出現(xiàn)低頻振蕩時采集的電網(wǎng)電壓、變流器的網(wǎng)側(cè)橋臂電流以及直流母線電壓的波形?？梢钥吹?，此時的網(wǎng)側(cè)橋臂電流表現(xiàn)為正負對稱的周期性振蕩，電網(wǎng)電壓在振蕩的同時存在比較明顯的畸變。直流母線在交流側(cè)低頻振蕩的影響下也出現(xiàn)了伴隨性的波動。這種現(xiàn)象曾主要出現(xiàn)在直驅(qū)機型中（在早期的雙饋機型中基本沒出現(xiàn)過，但是近年來隨著裝機容量的激增，此類低頻振蕩現(xiàn)象在雙饋機型的風(fēng)電場中也時有發(fā)生），如圖1（b）所示。圖中Eab、Ebc、Eca為電網(wǎng)電壓，Isa、Issb、Issc為定子三相電流。鑒于低頻振蕩在直驅(qū)機型中出現(xiàn)較多，本文以直驅(qū)機型為對象進行分析。

圖1 風(fēng)電場曾出現(xiàn)的低頻振蕩現(xiàn)象

圖2 考慮電網(wǎng)阻抗下的電流環(huán)控制框圖

圖3 不同電網(wǎng)阻抗以及控制器參數(shù)下電流環(huán)幅頻特性

圖4 理論分析原理圖

弱電網(wǎng)下網(wǎng)側(cè)電壓電流低頻振蕩原因

原本在風(fēng)電場中正常運行的變流器出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，往往是由裝機容量擴大后電網(wǎng)等效阻抗增大引起。這里從理論上對其做簡單分析。

目前，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下基于PI控制器結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋的控制策略被普遍用于網(wǎng)側(cè)變流器的電流控制環(huán)節(jié)，其直接控制目標(biāo)往往選擇網(wǎng)側(cè)橋臂電流。按照能量流動方向，以電流流出變流器方向為正，在考慮電網(wǎng)阻抗時的電流環(huán)控制框圖如圖2所示。穩(wěn)態(tài)時，dq軸之間的耦合可以忽略，由此可以得到入網(wǎng)電流Ig與電網(wǎng)電壓Eg、給定值Iref間的關(guān)系為：

式中，Lc、Lg為變流器網(wǎng)側(cè)濾波電感和電網(wǎng)等效阻抗；Cf為變流器網(wǎng)側(cè)濾波電容；Gc為電流PI控制器；IL（圖2）、Ig為網(wǎng)側(cè)橋臂電流及入網(wǎng)電流。

入網(wǎng)電流Ig與電網(wǎng)電壓Eg的傳遞函數(shù)雖然含有一個諧振點，但其對入網(wǎng)電流的低頻段基本沒有影響。而從第二項可以看出，它與電流環(huán)給定值之間的幅頻特性會同時受電網(wǎng)阻抗和電流環(huán)控制器參數(shù)的影響。風(fēng)電場單臺風(fēng)電機組運行時，變流器外部的阻抗與線路阻抗相等，電網(wǎng)等效阻抗較小，基本不會影響變流器的穩(wěn)定運行。但是隨著并網(wǎng)風(fēng)電機組數(shù)量及容量的增大，單個變流器對應(yīng)的外部等效阻抗也會成倍增長。圖3給出了不同電網(wǎng)阻抗及控制器參數(shù)下的電流環(huán)閉環(huán)幅頻特性。可以發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)阻抗的增加會使電流環(huán)在低頻段內(nèi)產(chǎn)生放大作用，在電流控制器較弱的時候，若暫態(tài)過程中產(chǎn)生低頻分量，很容易引發(fā)低頻振蕩。

考慮到網(wǎng)側(cè)三相電路的對稱性，取三相中的任意一相進行分析，其等效電路如圖4（a）所示，其中S代表變流器網(wǎng)側(cè)斷路器，Eg、Upcc、Ucom分別代表電網(wǎng)電壓、變流器并網(wǎng)點電壓以及變流器交流側(cè)輸出電壓，Ig、IRec、Ic分別代表流入電網(wǎng)電流、變流器流出電流以及流入濾波電容的電流。以變流器工作在網(wǎng)側(cè)調(diào)制模式（只運行網(wǎng)側(cè)且濾波電容所需的無功由網(wǎng)側(cè)發(fā)出的無功電流補償）為例，圖4（b）中為各交流量對應(yīng)的相量關(guān)系。

網(wǎng)側(cè)主斷路器閉合前，并網(wǎng)點電壓與電網(wǎng)電壓相等，即Upcc與 E重合。斷路器閉合后，變流器網(wǎng)側(cè)開啟，發(fā)出的無功電流（對應(yīng)IRec）逐步取代Ic。電網(wǎng)阻抗較小的時候，電流控制器可以依靠其較強的調(diào)節(jié)能力將無功電流控制在給定值的附近，變流器對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的擾動較小。然而隨著電網(wǎng)阻抗的增大，電流環(huán)的帶寬隨之下降，控制器的調(diào)節(jié)能力減弱，網(wǎng)側(cè)輸出電流跟蹤不上給定，容易產(chǎn)生低頻振蕩，振蕩電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生的振蕩壓降會進一步對并網(wǎng)點電壓產(chǎn)生干擾，引起并網(wǎng)點電壓的振蕩，使系統(tǒng)最終出現(xiàn)圖1所示的振蕩現(xiàn)象。并網(wǎng)發(fā)電時，有功電流對并網(wǎng)點電壓產(chǎn)生的影響可以采用類似的方式進行分析，這里不再贅述。

弱電網(wǎng)下電壓電流低頻振蕩抑制

圖5 電網(wǎng)較為理想時的仿真結(jié)果

電網(wǎng)阻抗的增大使電流環(huán)在低頻段內(nèi)產(chǎn)生放大作用是弱電網(wǎng)下引起電壓電流振蕩的直接原因?？紤]到這一點，可以增強電流環(huán)的調(diào)節(jié)能力以降低頻段的閉環(huán)增益從而起到抑制低頻振蕩的作用。圖3給出了Lg＝0.24mH 時增大電流環(huán)比例系數(shù)對電流環(huán)幅頻特性的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，比例系數(shù)的增大能夠有力地減小電流環(huán)在低頻段的放大倍數(shù)，從而有效避免低頻振蕩的發(fā)生，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為直觀說明電網(wǎng)阻抗對電流環(huán)帶寬的影響，驗證增加電流環(huán)比例系數(shù)在抑制低頻諧振方面的有效性，在Simulink中進行了仿真。仿真時變流器運行在網(wǎng)側(cè)調(diào)制模式，網(wǎng)側(cè)濾波電感Lc＝ 100μH，角接電容Cf＝ 1000μF ，變壓器漏感為 40μH，直流母線電容為 28800μF，電網(wǎng)線電壓為690V，直流母線電壓給定值為1050V。

圖6 默認參數(shù)下電網(wǎng)阻抗增加到240uH的仿真結(jié)果

首先在電網(wǎng)較為理想的條件下進行了仿真（圖5），對應(yīng)的電流環(huán)控制器系數(shù)為KP＝0.04、KI＝2。此時的電網(wǎng)等效阻抗主要體現(xiàn)在變壓器的漏感上，電網(wǎng)阻抗較小，網(wǎng)側(cè)橋臂電流能夠很好地跟蹤給定并保持穩(wěn)定，直流母線電壓波動小，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性好。其次，保持電流控制器的參數(shù)不變，在變流器與變壓器低壓側(cè)之間串入Lg＝240μH的電感用以模擬電網(wǎng)阻抗，仿真結(jié)果如圖6所示。由于電網(wǎng)阻抗的增大，此時的電流控制器的調(diào)節(jié)能力明顯受到限制，網(wǎng)側(cè)橋臂電流因無法準(zhǔn)確跟蹤給定值而產(chǎn)生了持續(xù)性的振蕩，最終引起橋臂電流、直流母線電壓以及變流器的并網(wǎng)點電壓出現(xiàn)了頻率約為10Hz的低頻振蕩，其結(jié)果與圖1類似，且其振蕩頻率處在圖3所示的低頻段內(nèi)。為抑制振蕩，將電流環(huán)的比例系數(shù)增加到0.08，結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹?，網(wǎng)側(cè)橋臂電流在電流環(huán)增強后得到了有效的控制，橋臂電流、直流母線電壓均能夠在給定值附近穩(wěn)定下來，并網(wǎng)點電壓基本沒有受到影響，電網(wǎng)阻抗增大后的低頻振蕩現(xiàn)象得到了有效的抑制。

圖7 電網(wǎng)阻抗為240uH時增強電流環(huán)比例系數(shù)的仿真結(jié)果

實驗驗證

在電網(wǎng)適應(yīng)性測試方面，某變流器生產(chǎn)廠家能夠提供國內(nèi)最先進的測試平臺。此次的實驗驗證在1.5MW的對拖實驗平臺上進行。如圖8所示，該平臺由兩臺背靠背的變流器組成，兩臺變流器的機側(cè)分別連接到永磁同步電機和電勵磁同步電機，兩臺電機均可通過配置工作在電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。本次實驗中配置永磁同步電機為原動機，另一臺電勵磁電機則作為發(fā)電機運行。在發(fā)電機變流器網(wǎng)側(cè)與變壓器之間串入了一個電感Lg用以模擬電網(wǎng)阻抗，兩變流器通過同一個漏感為 80μH的變壓器接入電網(wǎng)，其網(wǎng)側(cè)濾波電感、濾波電容及直流母線電容參數(shù)均與仿真時相同，即Lc1＝Lc2＝ 100μH、Cf1＝ Cf2＝ 1000μF、Cck1＝Cck2＝ 28800μF 。因驗證的需要，本次實驗只開發(fā)電機的網(wǎng)側(cè)，使其工作在網(wǎng)側(cè)調(diào)制狀態(tài)。

圖8 測試平臺

圖9 默認參數(shù)下實驗結(jié)果

圖10 默認參數(shù)下電網(wǎng)阻抗增加到240uH的實驗結(jié)果

圖11 240uH電網(wǎng)阻抗下增強電流環(huán)比例系數(shù)的控制效果

首先將發(fā)電機變流器的網(wǎng)側(cè)直接連接到變壓器，在常規(guī)條件下進行了實驗，結(jié)果如圖9所示，圖中依次給出了直流母線電壓、變流器網(wǎng)側(cè)三相電流以及AB和BC 線電壓。待機時的電網(wǎng)線電壓為690V，直流母線電壓給定值為1050V?？梢钥吹皆陔娋W(wǎng)阻抗比較小的時候，變流器輸出電流平穩(wěn)，直流母線電壓平滑，對并網(wǎng)點的電壓影響很小。其次，在變流器的網(wǎng)側(cè)與變壓器之間串入240μH的電感用來模擬電網(wǎng)阻抗，在默認的控制參數(shù)和增強電流環(huán)比例系數(shù)的條件下分別進行了實驗，結(jié)果如圖10和圖11所示。從圖10可以看出，默認參數(shù)下電網(wǎng)阻抗的增加會引起網(wǎng)側(cè)輸出電流產(chǎn)生低頻振蕩，致使電網(wǎng)電壓不穩(wěn)以及直流母線電壓波動，使變流器出現(xiàn)圖1（a）所示的低頻振蕩現(xiàn)象。圖11的結(jié)果表明，通過增強電流環(huán)比例系數(shù)可以有效克服電網(wǎng)阻抗對電流環(huán)在低頻段帶來的不利影響，解決弱電網(wǎng)下的低頻振蕩問題。

結(jié)論

本文通過對弱電網(wǎng)條件下低頻振蕩現(xiàn)象的觀察、對弱電網(wǎng)下網(wǎng)側(cè)電壓電流低頻振蕩原因的分析，以及對弱電網(wǎng)下電壓電流低頻振蕩抑制的仿真分析和實驗驗證，由淺入深層層遞進分析出弱電網(wǎng)與變流器以及變流器之間的交互影響，從變流器角度出發(fā)分析并網(wǎng)變流器電壓電流低頻振蕩抑制機理及影響，得到如下結(jié)論：

（1）電網(wǎng)阻抗會使電流環(huán)對低頻擾動產(chǎn)生放大作用，弱化電流控制器的調(diào)節(jié)能力，引起變流器輸出電流產(chǎn)生低頻振蕩，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓振蕩。

攝影：李明

（2）弱電網(wǎng)下增大電流環(huán)的比例系數(shù)可以有效緩解其因電網(wǎng)阻抗對低頻信號產(chǎn)生的放大作用，因而有利于解決電網(wǎng)阻抗帶來的不利影響，能夠抑制弱電網(wǎng)和微網(wǎng)下的低頻振蕩問題。