摘  要： 為了測試和研究風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力,，需要利用一種電壓跌落發(fā)生器模擬電網(wǎng)規(guī)范中的各種電網(wǎng)故障,。本文給出了一種新型的低成本電壓跌落發(fā)生器，利用可控器件IGBT在調(diào)壓器的原,、副邊之間切換來實現(xiàn)電壓跌落,，并控制電壓跌落的類型、深度,、持續(xù)時間和起止相位,。
關鍵詞： 電壓跌落發(fā)生器；低電壓穿越,；風力發(fā)電

    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[1],，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],?？尚行詮姷碾妷旱浒l(fā)生器可以產(chǎn)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(diào)，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(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(nèi)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[2],。如果串/并聯(lián)的阻抗是固定的,，導致電壓跌落深度不可調(diào)，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[3],。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[2],。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[3],。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(diào)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,。總之,，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],。
    (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(nèi)使用，不利于大規(guī)模推廣[3－4],。
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(nèi)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(chǎn)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(diào)壓器,、IGBT雙向開關,、IGBT驅(qū)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(qū)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(diào)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(diào)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(diào)，即為跌落電壓,。若3個單相調(diào)壓器副邊輸出電壓相等,，則產(chǎn)生三相電壓對稱跌落故障；若3個單相調(diào)壓器副邊輸出電壓不相等,，則產(chǎn)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(qū)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(qū)動與保護電路包括IGBT驅(qū)動電路、IGBT開通死區(qū)電路和IGBT過流保護電路,。
    IGBT驅(qū)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[5],。
    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(diào)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(diào)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(qū)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(diào)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(diào)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,。
    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(diào)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(chǎn)生對稱電壓跌落故障,，也能產(chǎn)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(chǎn)品在電網(wǎng)電壓故障情況下的性能測試和研究,。
參考文獻
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