用于風力發(fā)電的電壓跌落發(fā)生器

目前我國的風電技術大多還停留在理想電網(wǎng)條件下的風電機組的運行控制，而實際電網(wǎng)中存在有各類對稱、不對稱故障發(fā)生。電網(wǎng)規(guī)范要求風力發(fā)電系統(tǒng)必須具備低電壓穿越能力，因此，大容量并網(wǎng)型風力發(fā)電機在電壓跌落下的控制策略研究是一個亟待解決的問題。為了研究和測試風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，必須利用具有專門模擬電網(wǎng)電壓故障的設備，此類設備稱為電壓跌落發(fā)生器(VSG)[2]。可行性強的電壓跌落發(fā)生器可以產生各種不同類型的電壓跌落，滿足電壓跌落深度的要求，可控電壓跌落相位及跌落時間，具有高功率、易實現(xiàn)和低成本的特點。

　　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(xù)時間、跌落深度、起止相位和跌落類型均可調，具有操作簡單、可靠性高、實時性好等特點，適用于風電機組及其他電氣、電子產品在電網(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實現(xiàn)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)到主電路中實現(xiàn)電壓跌落。這種方案結構簡單，實現(xiàn)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引起阻抗匹配關系改變，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法向電網(wǎng)饋送能量，因此無法用此設備進行無功補償。受開關器件的限制，電阻形式的VSG無法實現(xiàn)三相電壓的同時跌落。這些缺點影響了阻抗型VSG的使用。

　　(2)變壓器形式的VSG有2類：①采用繼電器將變壓器并聯(lián)或串聯(lián)到主電路中，來實現(xiàn)電壓跌落；②利用中心抽頭在變壓器副邊相互切換實現(xiàn)電壓跌落。當采用變壓器并聯(lián)方式時，其中1個變壓器要工作在副邊對地短路的故障狀態(tài)才能實現(xiàn)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格過高[2]。此外，這一方案存在電壓跌落深度不可調的缺點。而中心抽頭變壓器形式的VSG設計工藝復雜，不易推廣?？傊?，由于受開關器件的限制，變壓器形式的VSG，電壓跌落時間無法精確控制，當功率較大時，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現(xiàn)電壓跌落，以控制電壓跌落的持續(xù)時間、跌落深度、起止相位和跌落類型。使用功率二極管、IGBT作為開關器件時，受器件功率的限制功率等級不能過大。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驗室和小功率范圍內使用，不利于大規(guī)模推廣。

　　2 新型電壓跌落發(fā)生器的結構和控制實現(xiàn)

　　如圖1所示是一種典型的風力發(fā)電機并網(wǎng)規(guī)范，當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障，但是跌落幅度在粗實線以上的范圍之內時，風力發(fā)電機必須保持與電網(wǎng)連接。電壓跌落發(fā)生器即要產生粗實線以上范圍的電壓跌落模擬電網(wǎng)的故障以檢測風電系統(tǒng)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雙向開關、IGBT驅動與保護電路、電流霍爾傳感器、風電機組構成。工作時，上位機通過DSP向IGBT驅動與保護電路輸出電壓跌落與恢復指令信號，控制IGBT雙向開關I、IGBT雙向開關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，從而模擬各種對稱與不對稱電網(wǎng)電壓跌落故障。電壓跌落信號除可來自DSP外也可以由手動開關給出。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)生器是否過流，進而決定是否采取過流保護。

　　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個單相調壓器副邊輸出電壓相等，則產生三相電壓對稱跌落故障；若3個單相調壓器副邊輸出電壓不相等，則產生三相電壓不對稱跌落故障。

　　IGBT雙向開關采用橋式結構，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，減小開關損耗。壓敏電阻Rv用于吸收線路電感在IGBT單管關斷時儲存的能量，防止IGBT單管T兩端出現(xiàn)較大的過電壓。這種結構的優(yōu)點是只需要1個IGBT，并且Vce一直為正，使得驅動電路、緩沖電路與保護電路減少一半且設計更加簡單。

　　系統(tǒng)的IGBT驅動與保護電路包括IGBT驅動電路、IGBT開通死區(qū)電路和IGBT過流保護電路。

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

　　IGBT開通死區(qū)電路的作用是在IGBT雙向開關I、II的開通和關斷動作之間造成死區(qū)，防止2個IGBT雙向開關同時導通造成調壓器的原、副邊短路，如圖4所示。IGBT雙向開關I、II的開通死區(qū)時間可以通過改變死區(qū)電路中的電阻值或者電容值來調節(jié)。電壓跌落與恢復指令信號DIP既可來自DSP，也可以來自手動開關。

　　IGBT過流保護電路使用電流檢測法以保護機組系統(tǒng)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(xiàn)瞬時過流，則驅動芯片進入軟關斷狀態(tài)以避免IGBT過流損壞。

　　3 實驗結果

　　根據(jù)本文提出的電壓跌落發(fā)生器的拓撲結構和控制方法進行了實驗驗證。圖5所示為帶三相電阻負載的實驗波形，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)是三相電壓對稱跌落至30%的實驗波形，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)是三相電壓對稱跌落至15%的實驗波形，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)是三相電壓不對稱跌落的實驗波形，其中負序分量含20%，電壓跌落200 ms之后恢復正常。

圖5 實驗波形

　　通過實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(xù)時間可從20 μs到任意時間；可以實現(xiàn)任意單相、兩相跌落或者三相同時跌落；跌落觸發(fā)方式可用手動或計算機定時觸發(fā)。

　　本文介紹了一種用于風力發(fā)電的電壓跌落發(fā)生器。利用可控器件IGBT在調壓器的原、副邊之間切換來實現(xiàn)電壓跌落，且電壓跌落的持續(xù)時間、跌落深度、起止相位和跌落類型均可控，具有操作簡單、可靠性高、實時性好、成本較低等特點。

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