用于風(fēng)力發(fā)電的電壓跌落發(fā)生器

目前我國的風(fēng)電技術(shù)大多還停留在理想電網(wǎng)條件下的風(fēng)電機組的運行控制，而實(shí)際電網(wǎng)中存在有各類(lèi)對稱(chēng)、不對稱(chēng)故障發(fā)生。電網(wǎng)規范要求風(fēng)力發(fā)電系統必須具備低電壓穿越能力，因此，大容量并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機在電壓跌落下的控制策略研究是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。為了研究和測試風(fēng)電系統的低電壓穿越能力，必須利用具有專(zhuān)門(mén)模擬電網(wǎng)電壓故障的設備，此類(lèi)設備稱(chēng)為電壓跌落發(fā)生器(VSG)[2]?？尚行詮姷?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/電壓跌落">電壓跌落發(fā)生器可以產(chǎn)生各種不同類(lèi)型的電壓跌落，滿(mǎn)足電壓跌落深度的要求，可控電壓跌落相位及跌落時(shí)間，具有高功率、易實(shí)現和低成本的特點(diǎn)。

　　本文提出一種新型的電壓跌落發(fā)生器，它可模擬單相、兩相及三相電壓跌落，且電壓跌落的持續時(shí)間、跌落深度、起止相位和跌落類(lèi)型均可調，具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，適用于風(fēng)電機組及其他電氣、電子產(chǎn)品在電網(wǎng)電壓故障情況下的性能測試和研究。

　　1 電壓跌落發(fā)生器

　　目前，國內外針對電壓跌落發(fā)生器展開(kāi)了研究。參考文獻[2－4]論述了3種形式(阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式)的VSG實(shí)現方法。

　　(1)阻抗形式的VSG。利用繼電器、接觸器或晶閘管將電阻/電抗器串聯(lián)或并聯(lián)到主電路中實(shí)現電壓跌落。這種方案結構簡(jiǎn)單，實(shí)現方便，但由于受電阻功率的限制，往往要求較大阻值的電阻，這使得電壓跌落較深，且損耗較大。如果串/并聯(lián)的阻抗是固定的，導致電壓跌落深度不可調，由于負載的變化即使采用了可變電阻也會(huì )引起阻抗匹配關(guān)系改變，使得跌落深度難以有效控制。阻抗的存在使負載側的設備無(wú)法向電網(wǎng)饋送能量，因此無(wú)法用此設備進(jìn)行無(wú)功補償。受開(kāi)關(guān)器件的限制，電阻形式的VSG無(wú)法實(shí)現三相電壓的同時(shí)跌落。這些缺點(diǎn)影響了阻抗型VSG的使用。

　　(2)變壓器形式的VSG有2類(lèi)：①采用繼電器將變壓器并聯(lián)或串聯(lián)到主電路中，來(lái)實(shí)現電壓跌落；②利用中心抽頭在變壓器副邊相互切換實(shí)現電壓跌落。當采用變壓器并聯(lián)方式時(shí)，其中1個(gè)變壓器要工作在副邊對地短路的故障狀態(tài)才能實(shí)現電壓跌落，這要求其具有較強的抗電流沖擊能力，從而導致此變壓器價(jià)格過(guò)高[2]。此外，這一方案存在電壓跌落深度不可調的缺點(diǎn)。而中心抽頭變壓器形式的VSG設計工藝復雜，不易推廣?？傊?，由于受開(kāi)關(guān)器件的限制，變壓器形式的VSG，電壓跌落時(shí)間無(wú)法精確控制，當功率較大時(shí)，變壓器體積和重量都很大，造成使用不便。

　　(3)電力電子變換形式的VSG。采用交-交變頻器或交-直-交變頻器，利用大功率可控器件實(shí)現電壓跌落，以控制電壓跌落的持續時(shí)間、跌落深度、起止相位和跌落類(lèi)型。使用功率二極管、IGBT作為開(kāi)關(guān)器件時(shí)，受器件功率的限制功率等級不能過(guò)大。選用GTO、IGCT等器件雖然可以提高功率等級，但設備成本很高且控制復雜，可靠性不佳，且由于器件自身抵抗電網(wǎng)故障的電壓、電流沖擊能力有限，因此，該方案一般局限于實(shí)驗室和小功率范圍內使用，不利于大規模推廣。

　　2 新型電壓跌落發(fā)生器的結構和控制實(shí)現

　　如圖1所示是一種典型的風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)規范，當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障，但是跌落幅度在粗實(shí)線(xiàn)以上的范圍之內時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機必須保持與電網(wǎng)連接。電壓跌落發(fā)生器即要產(chǎn)生粗實(shí)線(xiàn)以上范圍的電壓跌落模擬電網(wǎng)的故障以檢測風(fēng)電系統的低電壓穿越能力。

　　圖2所示為本文提出的電壓跌落發(fā)生器構成框圖。它由上位機、DSP、調壓器、IGBT雙向開(kāi)關(guān)、IGBT驅動(dòng)與保護電路、電流霍爾傳感器、風(fēng)電機組構成。工作時(shí)，上位機通過(guò)DSP向IGBT驅動(dòng)與保護電路輸出電壓跌落與恢復指令信號，控制IGBT雙向開(kāi)關(guān)I、IGBT雙向開(kāi)關(guān)II輪流導通，使電壓跌落發(fā)生器輸出電壓在調壓器的原邊和副邊之間切換，從而模擬各種對稱(chēng)與不對稱(chēng)電網(wǎng)電壓跌落故障。電壓跌落信號除可來(lái)自DSP外也可以由手動(dòng)開(kāi)關(guān)給出。從主電路獲取電壓跌落發(fā)生器輸出的三相電流信號，判斷電壓跌落發(fā)生器是否過(guò)流，進(jìn)而決定是否采取過(guò)流保護。

　　調壓器采用Y-Δ接法。原邊輸入為電網(wǎng)電壓，副邊輸出電壓可調，即為跌落電壓。若3個(gè)單相調壓器副邊輸出電壓相等，則產(chǎn)生三相電壓對稱(chēng)跌落故障；若3個(gè)單相調壓器副邊輸出電壓不相等，則產(chǎn)生三相電壓不對稱(chēng)跌落故障。

　　IGBT雙向開(kāi)關(guān)采用橋式結構，如圖3所示。單相整流橋D保證IGBT單管T的集電極與發(fā)射極之間電壓Vce為正。緩沖電阻R和緩沖電容C降低IGBT單管T兩端的電壓變化率，抑制浪涌電壓，減小開(kāi)關(guān)損耗。壓敏電阻Rv用于吸收線(xiàn)路電感在IGBT單管關(guān)斷時(shí)儲存的能量，防止IGBT單管T兩端出現較大的過(guò)電壓。這種結構的優(yōu)點(diǎn)是只需要1個(gè)IGBT，并且Vce一直為正，使得驅動(dòng)電路、緩沖電路與保護電路減少一半且設計更加簡(jiǎn)單。

　　系統的IGBT驅動(dòng)與保護電路包括IGBT驅動(dòng)電路、IGBT開(kāi)通死區電路和IGBT過(guò)流保護電路。

　　IGBT驅動(dòng)電路芯片是三菱公司的M57962AL，它采用+15 V與－10 V雙電源供電，使關(guān)斷更為可靠。

　　IGBT開(kāi)通死區電路的作用是在IGBT雙向開(kāi)關(guān)I、II的開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)作之間造成死區，防止2個(gè)IGBT雙向開(kāi)關(guān)同時(shí)導通造成調壓器的原、副邊短路，如圖4所示。IGBT雙向開(kāi)關(guān)I、II的開(kāi)通死區時(shí)間可以通過(guò)改變死區電路中的電阻值或者電容值來(lái)調節。電壓跌落與恢復指令信號DIP既可來(lái)自DSP，也可以來(lái)自手動(dòng)開(kāi)關(guān)。

　　IGBT過(guò)流保護電路使用電流檢測法以保護機組系統的安全。由電流傳感器檢測電壓跌落發(fā)生器的輸出電流，若出現瞬時(shí)過(guò)流，則驅動(dòng)芯片進(jìn)入軟關(guān)斷狀態(tài)以避免IGBT過(guò)流損壞。

　　3 實(shí)驗結果

　　根據本文提出的電壓跌落發(fā)生器的拓撲結構和控制方法進(jìn)行了實(shí)驗驗證。圖5所示為帶三相電阻負載的實(shí)驗波形，圖中方波為電壓跌落與DIP恢復指令信號，3條正弦波為三相電阻兩端的電壓波形。

　　圖5(a)、(b)是三相電壓對稱(chēng)跌落至30%的實(shí)驗波形，調壓器原邊輸入電壓為110 V。圖5(a)是電壓跌落瞬間的波形放大圖，圖5(b)是控制電壓跌落200 ms后恢復300 ms的波形圖。

　　圖5(c)是三相電壓對稱(chēng)跌落至15%的實(shí)驗波形，調壓器原邊輸入電壓為220 V。第2行為跌落瞬間波形放大,可以看出電壓跌落僅用了20 μs。

　　圖5(d)是三相電壓不對稱(chēng)跌落的實(shí)驗波形，其中負序分量含20%，電壓跌落200 ms之后恢復正常。

圖5 實(shí)驗波形

　　通過(guò)實(shí)驗可知本電壓跌落發(fā)生器的電壓變化范圍為0%～140%；電壓跌落持續時(shí)間可從20 μs到任意時(shí)間；可以實(shí)現任意單相、兩相跌落或者三相同時(shí)跌落；跌落觸發(fā)方式可用手動(dòng)或計算機定時(shí)觸發(fā)。

　　本文介紹了一種用于風(fēng)力發(fā)電的電壓跌落發(fā)生器。利用可控器件IGBT在調壓器的原、副邊之間切換來(lái)實(shí)現電壓跌落，且電壓跌落的持續時(shí)間、跌落深度、起止相位和跌落類(lèi)型均可控，具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好、成本較低等特點(diǎn)。

　　實(shí)驗結果表明，此電壓跌落發(fā)生器既能產(chǎn)生對稱(chēng)電壓跌落故障，也能產(chǎn)生不對稱(chēng)電壓跌落故障，并能夠模擬圖1中所示電網(wǎng)規范規定的各種電網(wǎng)電壓故障，除了可用于風(fēng)力發(fā)電系統之外，還適用于其他電氣、電子產(chǎn)品在電網(wǎng)電壓故障情況下的性能測試和研究。