新能源发电低电压穿越的VSG实验平台研制

周 稳 ，毕大强 ，戴瑜兴 ，成林俞 ，熊书华

（1.温州大学 电气数字化设计技术浙江省工程实验室，浙江 温州 325035；2.清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室，北京 100084）

0 引言

伴随光伏发电、风力发电等新能源发电的应用不断增多，许多国家出台标准要求光伏电站、风力发电站在并网时电网发生故障情况下，一定时间内不能脱网，必须具备一定的低电压穿越 LVRT（Low Voltage Ride Through）能力［1-4］。 为了实验研究与测试风力发电或光伏发电系统在电网电压因故障跌落时的穿越能力，需要考虑各种可能遇到的电压跌落情况。然而，电网电压故障不可控制，在正常实验系统中做跌落实验也不允许。因此，研制电压跌落发生器 VSG（Voltage Sag Generator）十分必要。

目前研究VSG的拓扑结构主要为3种形式：阻抗形式、电力电子变换形式和变压器形式［5］。文献［6］提出了一种光伏发电LVRT实验用阻抗形式的VSG，仅进行仿真研究，缺乏可靠实验验证。文献［7］提出一种阻抗形式VSG中限流电抗器和接地电抗器的拓扑结构及电气参数设计方法。文献［8］研究指出阻抗形式VSG是低成本实现VSG的方案。虽然阻抗形式VSG结构简单，研制实现方便，但其能量损耗大。文献［9］提出一种可编程电网故障模拟电源的设计方案，采用背靠背式PWM变换器，通过控制模拟各类电网故障。文献［10］研究了一种基于电压源型逆变器的可编程VSG方案，利用比例积分谐振控制器实现4种电网故障电压模拟。文献［11-12］设计采用电力电子形式VSG方案，利用逆变器控制为可控电压源形成电压跌落。电力电子变换形式VSG方案的形式较为灵活，但是受到电子开关器件功率的制约，其功率等级受限，且成本高，可靠性低，控制较为复杂。文献［13］采用一种三相自耦合变压器和由可控器件IGBT构成的双向开关实现VSG方案，能实现各种类型电压跌落的故障模拟，但其缺乏关于上位机控制的分析研究。文献［14］研制了一种LVRT现场测试用的变压器形式VSG，其结构简单、容易实现，适用功率等级高，但跌落持续时间配置不灵活，操作无上位机控制，较为不方便。

因此，本文提出一种基于LabVIEW控制的采用中心抽头变压器形式的VSG设计方法，研制搭建了一个VSG实验平台。VSG采用STM32F103控制，其通过与LabVIEW上位机通信，能够灵活方便地进行电压跌落操作，精确控制跌落持续时间，产生三相对称、三相不对称、两相、单相不同跌落深度的电压故障情况。该设计方法安全性高、可靠性强、成本低，能够满足风力或光伏发电LVRT实验要求。

1 新能源发电LVRT测试

根据《风电场接入电网技术规定》［15］，其 LVRT 要求曲线如图1所示（并网点电压为标幺值），风电场内的风电机组接入点的电压降低到标称电压的20%时，能够保持并网运行625 ms的LVRT能力。额定电压的90%～110%范围内，风电场内的风电机组可以正常运行，并网点电压发生跌落后2s内能够快速恢复到额定电压的90%以上。风力发电并网LVRT测试中，一般会选取一定规格的跌落电压，电压跌落规格［16］如表1所示，其中UTP为实际并网点输出三相线电压有效值，Un为电网额定三相线电压有效值。

根据国家标准GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》［17］，其LVRT要求曲线如图2所示（并网点电压为标幺值）。其要求光伏发电站并网点电压跌落至0时，能连续不脱网运行150 ms，并网点电压跌至曲线1以下时，光伏发电站可以从电网切出。依据光伏发电并网LVRT要求曲线以及国家标准NB/T 32005—2013《光伏发电站低电压穿越检测技术规程》，光伏LVRT测试检测需要至少选取5 个跌落规格点［18］，其中应该包含 0%UN与 20%UN，其他点分别分布在 20%UN～50%UN、50%UN～75%UN、75%UN～90%UN，由此，可选择采用如表2所示的规格进行实验测试。

图1 风电场LVRT要求Fig.1 Requirement of wind farm for LVRT

表1 风电LVRT电网电压跌落测试规格Table1 Voltage sag specifications for LVRT test of wind farm

图2 光伏电站LVRT要求Fig.2 Requirement of photovoltaic station for LVRT

表2 光伏LVRT电网电压跌落测试规格Table2 Voltage sag specifications for LVRT test of photovoltaic station

然而实际测试研究LVRT时，为了更好地考核穿越能力，故障跌落电压持续时间可能比标准要求的更长，因此，进行LVRT实验测试时，需要VSG灵活配置跌落电压深度以及持续时间，提供符合以上测试规格的跌落电压。

2 VSG设计原理

为了满足实验测试LVRT要求，设计如图3所示VSG实验平台原理图，采用意法半导体公司的STM32F103作为主控芯片，实现驱动控制4个三相接触器、电压数据实时采样以及上位机通信。核心部件为带抽头变比可调的三相变压器，K1、K2、K3、K4为4个继电器控制信号，每一个继电器相应控制一个三相接触器，由此控制A、B、C三相电压在变压器副边侧的通断。R1—R6为限流电阻，限流电阻的设计参数依据变压器绕组承受的电流范围、电阻短路时的过载能力而设定。L2、L3、L4为三相变压器副边抽头。

图3 VSG实验平台设计原理图Fig.3 Schematic diagram of VSG testbed design

工作原理如下。

以A相为例，正常电网条件下K1导通，K2—K4关断，A相输出与副边L1相连。当A相电压发生跌落时，为了避免K1和K3同时导通而发生过流，控制继电器按照如下顺序动作：K2导通 K1关断 K3导通 K2关断。此时，A相输出与副边L2相连。由于L2的变压比可以不同于L1，A相输出电压将发生跳变。电压恢复过程与之类似，其继电器通断顺序为：K4导通 K3关断 K1导通 K4关断。综上所述，对于A相，通过选择不同的变压比副边L2，可以选择不同的电压跌落深度，通过控制跌落和恢复过程的时间间隔，可以控制故障电压持续的时间，从而在A相上模拟出需要的电压故障。对B、C相进行类似的处理控制，通过调节变压器副边抽头L2、L3、L4的位置，实现VSG的三相、两相、单相不同深度的电压跌落，可以模拟出电网电压的各种故障，如幅值跳变、相位跃迁等，从而完全可以满足新能源发电设备LVRT测试所需电网电压跌落要求。

3 上位机设计

设计上位机可实现安全、灵活地操作VSG，为风力发电、光伏发电LVRT实验提供方便。采用虚拟仪器的LabVIEW图形化的程序进行上位机设计开发，所设计的程序总体结构采用顺序式，可实现对电网电压跌落实验平台的操作及显示实际电压跌落情况。

上位机通过RS485串口与主控芯片STM32进行通信，波特率设置为19200 bit/s。自定义设计与主控芯片之间的通信协议，保障通信质量。设计的通信协议包含命令数据帧与响应数据帧。下发命令数据帧包括报头、报尾校验字节、主电路合闸、断开、数据复位、数据读取、跌落执行、跌落时间等设置命令。在通信握手成功后，执行控制板向上位机回传响应帧，包括三相线电压有效值、当前VSG的状态等信息。

上位机前面板如图4所示，上位机操作流程为：首先，选择跌落器工作模式，标准模式与自由模式决定的是跌落持续时间，其中标准模式是依据LVRT曲线计算跌落持续时间，而自由模式时可给定100 ms～2 s时间内的数值；其次，合闸主电路即K1继电器合闸，使VSG接入三相电压；然后，执行跌落操作；最后，开始读取数据，可显示跌落电压数据情况。

4 实验结果

为验证前文所述设计，研制了电网电压跌落实验平台。按照前文上位机操作步骤进行实验测试，图4为实验三相电压跌落50%、上位机设置自由模式1.5 s、上位机的设置以及读取三相线电压有效值的情况，由图可知，实验平台上位机通信可靠，能够实现设计功能以及LVRT实验所要求的时间自由配置。图5为电压跌落至50%、上位机设置持续时间1.5 s时 VSG 运行实验波形，图中 uab、ubc、uca为测试输出的三相线电压。

图5 三相电压跌落至50%的实验波形Fig.5 Experimental waveforms of three-phase voltage drop to 50%

图6为三相电压跌落至20%、上位机设置持续时间2 s时的实验波形。图7为三相电压跌落至0%、上位机设置持续时间140 ms时的实验波形。由图可知，本文设计的电网电压跌落实验平台，能够自由设置LVRT实验过程中跌落规格电压、故障持续时间，安全可靠地通过上位机操作实现，精确控制跌落电压持续时间。

图6 三相电压跌落至20%的实验波形Fig.6 Experimental waveforms of three-phase voltage drop to 20%

图7 三相电压跌落至0%的实验波形Fig.7 Experimental waveforms of three-phase voltage drop to 0%

图8为三相不对称电压跌落、上位机设置持续时间1.5 s时的实验波形，由图可知，VSG可以形成不对称故障电网电压，适用于新能源LVRT实验测试。

图8 三相电压不对称跌落的实验波形Fig.8 Experimental waveforms of asymmetrical three-phase voltage drop

5 结语

本文提出一种基于LabVIEW上位机控制的变压器形式VSG设计方法。该方法采用STM32F103作为主控芯片控制VSG，通过与上位机通信进行操作。本文分析了VSG的设计原理，研制了样机。实验结果表明，所设计的VSG安全、可靠，能以低成本的方式实现电网电压跌落故障模拟，可以灵活方便地进行操作，满足新能源发电中风力或光伏发电LVRT测试的要求。

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