一种用于风力发电的电压跌落发生器

 目前我国的风电技术大多还停留在理想电网条件下的风电机组的运行控制，而实际电网中存在有各类对称、不对称故障发生。电网规范要求风力发电系统必须具备低电压穿越能力[1]，因此，大容量并网型风力发电机在电压跌落下的控制策略研究是一个亟待解决的问题。为了研究和测试风电系统的低电压穿越能力，必须利用具有专门模拟电网电压故障的设备，此类设备称为电压跌落发生器(VSG)[2]。可行性强的电压跌落发生器可以产生各种不同类型的电压跌落，满足电压跌落深度的要求，可控电压跌落相位及跌落时间，具有高功率、易实现和低成本的特点。
    本文提出一种新型的电压跌落发生器，它可模拟单相、两相及三相电压跌落，且电压跌落的持续时间、跌落深度、起止相位和跌落类型均可调，具有操作简单、可靠性高、实时性好等特点，适用于风电机组及其他电气、电子产品在电网电压故障情况下的性能测试和研究。
1 电压跌落发生器
    目前，国内外针对电压跌落发生器展开了研究。参考文献[2－4]论述了3种形式(阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式)的VSG实现方法。
    (1)阻抗形式的VSG。利用继电器、接触器或晶闸管将电阻/电抗器串联或并联到主电路中实现电压跌落。这种方案结构简单，实现方便，但由于受电阻功率的限制，往往要求较大阻值的电阻，这使得电压跌落较深，且损耗较大[2]。如果串/并联的阻抗是固定的，导致电压跌落深度不可调，由于负载的变化即使采用了可变电阻也会引起阻抗匹配关系改变，使得跌落深度难以有效控制[3]。阻抗的存在使负载侧的设备无法向电网馈送能量，因此无法用此设备进行无功补偿[2]。受开关器件的限制，电阻形式的VSG无法实现三相电压的同时跌落。这些缺点影响了阻抗型VSG的使用。
    (2)变压器形式的VSG有2类：①采用继电器将变压器并联或串联到主电路中，来实现电压跌落；②利用中心抽头在变压器副边相互切换实现电压跌落[3]。当采用变压器并联方式时，其中1个变压器要工作在副边对地短路的故障状态才能实现电压跌落，这要求其具有较强的抗电流冲击能力，从而导致此变压器价格过高[2]。此外，这一方案存在电压跌落深度不可调的缺点。而中心抽头变压器形式的VSG设计工艺复杂，不易推广。总之，由于受开关器件的限制，变压器形式的VSG，电压跌落时间无法精确控制，当功率较大时，变压器体积和重量都很大，造成使用不便[3]。
    (3)电力电子变换形式的VSG。采用交-交变频器或交-直-交变频器，利用大功率可控器件实现电压跌落，以控制电压跌落的持续时间、跌落深度、起止相位和跌落类型。使用功率二极管、IGBT作为开关器件时，受器件功率的限制功率等级不能过大。选用GTO、IGCT等器件虽然可以提高功率等级，但设备成本很高且控制复杂，可靠性不佳，且由于器件自身抵抗电网故障的电压、电流冲击能力有限，因此，该方案一般局限于实验室和小功率范围内使用，不利于大规模推广[3－4]。
2 新型电压跌落发生器的结构和控制实现
    如图1所示是一种典型的风力发电机并网规范，当电网电压发生跌落故障，但是跌落幅度在粗实线以上的范围之内时，风力发电机必须保持与电网连接。电压跌落发生器即要产生粗实线以上范围的电压跌落模拟电网的故障以检测风电系统的低电压穿越能力。

    图2所示为本文提出的电压跌落发生器构成框图。它由上位机、DSP、调压器、IGBT双向开关、IGBT驱动与保护电路、电流霍尔传感器、风电机组构成。工作时，上位机通过DSP向IGBT驱动与保护电路输出电压跌落与恢复指令信号，控制IGBT双向开关I、IGBT双向开关II轮流导通，使电压跌落发生器输出电压在调压器的原边和副边之间切换，从而模拟各种对称与不对称电网电压跌落故障。电压跌落信号除可来自DSP外也可以由手动开关给出。从主电路获取电压跌落发生器输出的三相电流信号，判断电压跌落发生器是否过流，进而决定是否采取过流保护。

    调压器采用Y-Δ接法。原边输入为电网电压，副边输出电压可调，即为跌落电压。若3个单相调压器副边输出电压相等，则产生三相电压对称跌落故障；若3个单相调压器副边输出电压不相等，则产生三相电压不对称跌落故障。
    IGBT双向开关采用桥式结构，如图3所示。单相整流桥D保证IGBT单管T的集电极与发射极之间电压Vce为正。缓冲电阻R和缓冲电容C降低IGBT单管T两端的电压变化率，抑制浪涌电压，减小开关损耗。压敏电阻Rv用于吸收线路电感在IGBT单管关断时储存的能量，防止IGBT单管T两端出现较大的过电压。这种结构的优点是只需要1个IGBT，并且Vce一直为正，使得驱动电路、缓冲电路与保护电路减少一半且设计更加简单。

    系统的IGBT驱动与保护电路包括IGBT驱动电路、IGBT开通死区电路和IGBT过流保护电路。
    IGBT驱动电路芯片是三菱公司的M57962AL，它采用+15 V与－10 V双电源供电，使关断更为可靠[5]。
    IGBT开通死区电路的作用是在IGBT双向开关I、II的开通和关断动作之间造成死区，防止2个IGBT双向开关同时导通造成调压器的原、副边短路，如图4所示。IGBT双向开关I、II的开通死区时间可以通过改变死区电路中的电阻值或者电容值来调节。电压跌落与恢复指令信号DIP既可来自DSP，也可以来自手动开关。

    IGBT过流保护电路使用电流检测法以保护机组系统的安全。由电流传感器检测电压跌落发生器的输出电流，若出现瞬时过流，则驱动芯片进入软关断状态以避免IGBT过流损坏。
3 实验结果
    根据本文提出的电压跌落发生器的拓扑结构和控制方法进行了实验验证。图5所示为带三相电阻负载的实验波形，图中方波为电压跌落与DIP恢复指令信号，3条正弦波为三相电阻两端的电压波形。

    图5(a)、(b)是三相电压对称跌落至30%的实验波形，调压器原边输入电压为110 V。图5(a)是电压跌落瞬间的波形放大图，图5(b)是控制电压跌落200 ms后恢复300 ms的波形图。
    图5(c)是三相电压对称跌落至15%的实验波形，调压器原边输入电压为220 V。第2行为跌落瞬间波形放大,可以看出电压跌落仅用了20 μs。
    图5(d)是三相电压不对称跌落的实验波形，其中负序分量含20%，电压跌落200 ms之后恢复正常。
    通过实验可知本电压跌落发生器的电压变化范围为0%～140%；电压跌落持续时间可从20 μs到任意时间；可以实现任意单相、两相跌落或者三相同时跌落；跌落触发方式可用手动或计算机定时触发。
    本文介绍了一种用于风力发电的电压跌落发生器。利用可控器件IGBT在调压器的原、副边之间切换来实现电压跌落，且电压跌落的持续时间、跌落深度、起止相位和跌落类型均可控，具有操作简单、可靠性高、实时性好、成本较低等特点。
    实验结果表明，此电压跌落发生器既能产生对称电压跌落故障，也能产生不对称电压跌落故障，并能够模拟图1中所示电网规范规定的各种电网电压故障，除了可用于风力发电系统之外，还适用于其他电气、电子产品在电网电压故障情况下的性能测试和研究。