一种新的无源性电压跌落发生器设计与实现

张小娟，张文娟，高蕊

(宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡 721007)

一种新的无源性电压跌落发生器设计与实现

张小娟，张文娟，高蕊

(宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡 721007)

为了提高电压跌落发生器前级变流器模拟电网跌落故障时的稳定性及抗扰动性，提出了由直流电压外环加后级变流器微分电流前馈与无源性控制相结合的前级PWM变流器控制策略。以系统能量平衡为设计准则，建立PWM变流器能量函数，根据VSG控制目标，设计变流器无源控制率，微分电流前馈提高前级PWM变流器抵抗模拟不同类型电压跌落时的抗扰动性能。实验结果表明，控制策略能够提高VSG 系统在电压对称和不对称跌落时的动态响应速度和抗干扰能力。

电压跌落发生器； PWM变流器； 无源性控制； 前馈控制； 阻尼注入

0 引 言

近年来，随着变速恒频双馈风力发电装机容量的不断增加，现代电力规范要求风电机组在外部电网故障导致机端电压跌落时，仍具有一定时间的不间断并网运行能力，即具备低电压穿越(Low Voltage Ride Though，简称LVRT)能力[1-2]。但是，实际现场中，电网故障的不可操作性及不可预测性，要求低电压穿越测试实验中有专门的电压跌落发生器(Voltage Sag Generator，简称VSG)来模拟不同的电网故障。目前已有的VSG实现方式主要有[3]:阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式。其中,电力电子变换形式因其形式灵活、功能强大而受到广泛关注。

基于电力电子变换器形式的VSG通常采用二个背靠背三相两电平电压型PWM换流器组成，其中二个换流器通过中间的直流母线电容连接。前级PWM变流器的控制目标是实现稳定的直流母线电压及单位功率因数运行，后级PWM变流器的控制目标是模拟各种电网电压跌落故障，当VSG 系统的模拟电压幅值发生很大变化时，前级PWM变流器会受到严重考验，因此其控制策略的优劣直接影响到整个 VSG 控制系统的性能[4]863。传统的三相电压型PWM变流器采用电压外环、电流内环的双闭环矢量控制方式，但PWM变流器本身是非线性、多输入多输出的前驱动系统，因此，近年来，基于非线性控制理论方法成为三相电压型PWM变流器的研究热点之一。文献[4]根据变流器的非线性特性，提出了状态反馈精确线性化非线性控制策略，很好的实现了变流器的有功、无功功率解耦控制；文献[5]针对电压外环控制的抗扰性能不佳问题，通过构造非线性状态误差反馈函数，提出了变流器的自抗扰控制策略，获得了较好的稳态和动态性能。

本文在上述研究基础上，针对VSG后级变流器模拟电网电压大幅值跌落时导致前级变流器稳定差这一问题，采用将无源性控制运用到VSG系统的PWM变流器控制中。针对无源控制中电流给定值抗后级变流器扰动性能差这一问题，提出了直流电压外环加后级变流器微分电流前馈与无源性控制相结合的前级PWM变流器控制策略。可进一步提高变流器的性能，简化控制结构。实验结果证实了所提控制策略是可行的。

1 VSG前级变流器Euler-Lagrange ( EL)模型

基于三相电压型PWM变流器背靠背连接的VSG拓扑结构如图1所示。ea、eb、ec为三相电网电压;L1、L2分别为前级和后级变流器的滤波电感；R1、R2分别为前级和后级变流器的交流侧等效电阻；C为直流母线电容，Vdc为直流母线电压，idc为直流母线电流，iload为前级变流器的负载电流(或后级变流器输入电流)

图1 背靠背连接的VSG拓扑结构

前级和后级变流器的拓扑结构均为三相电压型PWM变流器，为了抑制后级变流器功率波动时前级变流器控制不稳定问题，我们对前级变流器采取无源性设计，d-q坐标系， 三相电压型PWM变流器的状态方程为[6]

(1)

2 VSG前级变流器无源控制器设计

2.1 确定期望稳定平衡点

根据图1所示，若前级变流器控制中采用电网电压定向，即，iq=0，则其直流母线侧的能量平衡关系可写成如下表达式：

(2)

(3)

令:

(4)

(5)

(6)

其中imax为前级变流器的的最大允许峰值电流。

2.2 无源控制器设计

设xe=x-x*，则能量误差函数如式(7)所示[7]：

(7)

根据Euler-Lagrange模型及无源性设计规律，为了使系统达到稳态平衡点，也就是说，为了使上述能量函数尽快收敛至0，在(1)式中增加耗散项Rhsxe=Rxe+Rdxe，基于式(1)可得:

(8)

其中Rhs为耗散矩阵；Rd为阻尼矩阵。

若选取控制率为:

(9)

则:

(10)

(11)

据式(11)，解得无源电流控制率为：

(12)

综合式(5)、式(12)，得VSG前级PWM变流器的无源控制系统如图2所示。

图2 VSG前级变流器无源性控制框图

3 实验结果验证

为了验证所提控制策略的有效性与优越性，在额定容量为50 kVA的VSG上进行了实验研究。具体实验参数为：变流器滤波电感L1=L2=4.5 mH；直流母线电容C=10 000 μF；变流器主电路功率开关管采用 Infineon公司的 FF450R12ME4，开关频率为10 kHz，其驱动模块采用 Concept公司的 2SC018T2A0-17；VSG系统控制器采用Ti公司DSP TMS320F28335芯片实现，实验波形通过Tek公司DPO 3054示波器捕获。

图3为稳态时，VSG前级PWM变流器电网电压与交流侧电

流波形，可以看出，电流正弦度较好，功率因数近似为1。图4(a)-(c)为将VSG逆变器输出交流电压由380 V对称跌落到80%、20%、0%，跌落时间持续1 000 ms的实验波形图。可以看出，在所提的控制算法下，电压跌落期间VSG的直流母线电压波动很小，几乎保持稳定值510 V不变，从而导致后级逆变器跌落期间的调节速度很快，跌落后交流电压进入新的稳态时间仅有30 ms。图4(d)为VSG跌落时间持续1 000 ms后恢复后二次跌落波形图。图5 为本文所提控制算法下单相电压跌落到80%、20%，两相电压跌落到20%的放大图，可以看出，直流电压恢复至设定值的时间较短且没有出现明显的2倍频波动，表明本文对VSG前级变流器所采用的无源控制算法能有效抑制不对称故障时直流母线电压的2倍频波动，保证直流母线电压的快速稳定，使VSG 系统具有较高的抗干扰性能。

图3 VSG前级PWM变流器电网电压及交流侧电流

图4 VSG对称跌落故障波形图

图5 VSG不对称跌落故障波形图

4 结束语

为了改善电力电子变换器形式的VSG控制性能，本文在深入分析VSG结构特点基础上，提出对VSG前级变流器采用无源性控制与前馈控制相结合的控制策略。

(1)无源性控制是一种全局定义且全局稳定的控制方法，对外界扰动具有很强的鲁棒性，是一种本质上的非线性控制。将无源性理论应用于VSG变流器，使控制器的设计得以简化。

(2)在无源性基础上，将传统的电压外环PI控制与后级变流器的电流微分前馈控制相结合，能有效抑制VSG模拟不同电网故障时的突变扰动，提高系统动态抗干扰能力。

[1] WENJUAN ZHANG, HAOMIAO MA, JUNLI ZHANG，et al. Multi-objective fuzzy-optimization of crowbar resistances for the low-voltage ride-through of doubly fed induction wind turbine generation systems[J]. Journal of Power Electronics, 2015, 15(4):1119-1130.

[2] 张文娟，马浩淼，张国慨. 基于转子串联电阻的双馈风力发电机低电压穿越[J]. 电力自动化设备, 2015,35(12):28-33.

[3] 杜新，朱凌，孟建辉,等. 电压跌落发生器实验系统设计与实现[J]. 电力电子技术, 2013, 47(7) : 106-108.

[4] 孟建辉，石新春，付超,等. 三相 VSG 系统的高性能非线性控制策略 [J]. 中国电机工程学报, 2014, 36(4): 863-871.

[5] 郭源博，周鑫，张晓华，等．三相电压型脉宽调制整流器的自抗扰控制[J]．电力系统自动化，2011，35(16):87-93．

[6] 王久和，慕小斌．电网不平衡时电压型 PWM 整流器混合无源控制[J]．电工技术学报，2015，30(8):159-166．

[7] 高勇,张文娟,杨媛. 基于无源性的变速恒频双馈风力发电机控制系统[J]. 电工技术学报, 2010, 25(7): 130-136.

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

国家自然科学基金项目(51207002)；陕西省科技厅工业攻关项目(2013K07-12)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JM8347)；宝鸡文理学院重点科研计划项目(ZK11068，ZK16012)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.005

TM614

A

1000-3886(2016)06-0014-03

张小娟(1979-)，女,硕士，陕西宝鸡人，副教授，专业为电力电子技术、风力发电技术及其控制研究。 张文娟(1981-)，女,博士，陕西宝鸡人，副教授，专业为变速恒频风力发电技术研究。

定稿日期: 2016-07-29