仿真验证及结果分析：LVRT-DVR单相仿真

为了验证LVRT－DVR补偿策略和控制方法的有效性，本节在PSCAD／EMTDC环境下对图5－49所示的系统进行了仿真。其中，设系统频率为50 Hz，风电机组额定功率为750 kW，考虑1.2倍过载；单相额定线电压为690 V，IGBT开关频率为3.2　kHz。

图5-49　LVRT-DVR仿真平台组成

1.LVRT-DVR单相仿真

LVRT－DVR为三单相拓扑，每相独立投切和控制，首先对其单相电压补偿的有效性进行仿真和分析。根据设计，LVRT－DVR输出补偿线电压最大有效值为1.0 p.u.，即输出相电压有效值范围为0～0.398 kV。

图5－50所示为电网电压（usys）跌落至额定值的80%、50%、10%时，风电机组端电压（uo）经LVRT－DVR补偿后的波形，电压跌落时间为1～1.2　s。因此，LVRT－DVR单相拓扑可以满足设计的要求，在相电压额定值的范围内实现无级调节，当usys发生跌落时维持机组端电压uo的稳定。

图5-50　LVRT-DVR单相补偿电压波形

（a）电压跌落至80%；（b）电压跌落至50%；（c）电压跌落至10%

图5－51所示为LVRT－DVR检测到电压跌落后补偿电压（uC）、逆变器输出电压脉冲（uinv）和反并联晶闸管过电流（iscr）的仿真波形。在检测出低电压的第一时刻，LVRT－DVR通过逆变器输出了反压脉冲，如图5－51所示阴影部分。该电压与当时iscr方向相反，使得iscr在不到200 μs的时间内下降到0，成功关断反并联晶闸管，将LVRT－DVR投入电路，输出补偿电压。

图5-51　反并联晶闸管反压快速关断波形

图5－52所示为usys跌落至80%、50%、10%时，LVRT－DVR单相拓扑直流电容电压的波形。通过电容并联DBR的滞环控制，电容电压被有效地控制在0.60～0.65 kV。通过对三幅图的对比还可以看出，随着usys跌落程度的加深，LVRT－DVR消耗的有功功率逐渐增加，DBR动作的频率也越来越高。

图5-52　直流电容电压波形

（a）跌落至80%；（b）跌落至50%；（c）跌落至10%

2.三相对称故障下LVRT-DVR仿真

1）不考虑无功补偿

仿真设定usys三相跌落至50%，时间为1～1.2　s，usys跌落前后幅值、相位均不发生变化。

当不考虑无功补偿时，LVRT－DVR采用完全补偿策略，即电网电压跌落时uo幅值、相位均正常。

如图5－53所示，在usys发生三相对称跌落的工况下，通过LVRT－DVR的补偿，uo保持了原有的电压水平，实现了风电机组故障穿越。

图5-53　电网电压三相对称跌落时LVRT-DVR补偿电压波形

图5－54所示为电网电压三相对称跌落期间输入电网功率（Pgrid）和风电机组输出功率（Pgenerator）的仿真波形。波形验证了电压跌落期间，风电机组发出的有功功率只有部分送入了电网，出现了功率不平衡，过剩功率被LVRTDVR吸收。(www.xing528.com)

图5-54　电网电压三相对称跌落期间Pgrid和Pgenerator的仿真波形

2）考虑无功补偿

仿真设定usys三相跌落至50%，时间为1～1.6　s，usys跌落前后幅值、相位均不发生变化。

根据5.3.2小节中提出的策略，可以利用LVRT－DVR在电压补偿的同时兼顾无功补偿，由于LVRT－DVR无功补偿的原理是对uo进行移相，而仿真设定usys跌落前后幅值、相位均不发生变化，所以电网电压恢复时会出现usys与uo相位不一致的问题，它通过5.3.3小节中的变频移相控制技术解决。

图5－55所示为三相对称跌落时计及无功补偿LVRT－DVR仿真波形。由于仿真设定三相对称故障，LVRT－DVR输出补偿电压三相对称，这里仅需给出单相波形。

图5-55　三相对称跌落时计及无功补偿LVRT-DVR仿真波形

如图5－55所示，整个补偿过程可以分为以下三个阶段。

阶段一：无功补偿移相。在该阶段中，通过对udvr的控制使得uo持续移相，直到udvr达到极限，Qgenerator随之不断上升，图5－55中由－0.15 Mvar上升至0.1　Mvar。

阶段二：最大无功补偿。此时uo移相已经完成，LVRT－DVR继续输出补偿电压并保持最大程度的无功补偿，该阶段中Qgenerator基本保持稳定。

阶段三：电压恢复后变频移相。该阶段由检测到电网电压恢复触发，由于usys与uo存在相位差，此时通过变频移相的控制方法改变uo频率，使之逐渐与usys相位接近，直到完全一致。仿真结果说明，在变频移相的过程中，udvr逐渐减小到0，Qgenerator也随之下降，直到与风电机组输出Qgrid完全一致，整个过程用时约0.4　s。

图5－55中同时给出了风电机组输出电流波形，由于使用了变频移相的控制方法，整个补偿期间电流并未发生突增，维持在风电机组可以承受的范围以内。

3.三相不对称故障下LVRT-DVR仿真

仿真 设 定：电 压 跌 落前usys的A、B、C三 相 初 相 角分别为0°、240°、120°，故障发生时A、B、C三相跌落幅值分别跌落至额定值的20%、70%、70%；初相角跳变至0°、270°、90°。usys跌落前后幅值、相位均不发生变化。

1）不考虑无功补偿

设定跌落时间为1～1.2　s。如图5－56所示，在usys发生三相不对称跌落的工况下，uo保持了原有的电压水平，可见LVRT－DVR可以有效地应对幅值和相位同时发生变化的电压跌落，从而辅助风电机组实现故障穿越。

图5-56　电网电压三相不对称跌落时LVRT-DVR补偿电压波形

2）考虑无功补偿

跌落时间为1～1.6　s。与图5－55类似，图5－57所示为udvr、Qgenerator及Qgrid、io（a、b、c）三组仿真波形，由于仿真设定三相不对称故障，LVRT－DVR输出三相补偿电压　　（udvra、udvrb、udvrc）亦不对称。

如图5－57所示，整个补偿过程同样被分为无功补偿移相、最大无功补偿和电压恢复后变频移相三个阶段。受设备容量限制，udvr达到极限后Qgenerator由－0.15 Mvar上升至0.02 Mvar左右。电压恢复后变频移相用时约0.2　s。

图5-57　三相不对称跌落时计及无功补偿LVRT-DVR仿真波形