引言

　　隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增大，很多國家的電力系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)則對風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力做出了規(guī)定[1-2]，目前針對雙饋型和直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越功能的研究非常多[3-5];研究過程中需要模擬各種類型的電壓跌落故障[6]，通常是由電壓跌落發(fā)生器(Voltage Sag Generator，VSG)來實(shí)現(xiàn)的。本文首先討論了基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 及基于全功率變流器的VSG的工作原理，基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 可以選擇使用繼電器、晶閘管或IGBT 構(gòu)成雙向開關(guān)，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對幾種不同的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了比較研究，分析并通過實(shí)驗(yàn)對比了幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　1 基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG工作原理

　　電網(wǎng)電壓跌落是最為常見的電力系統(tǒng)故障之一，電壓跌落故障的類型和比例為：單相對地故障70%，兩相對地故障15%，相間故障10%，三相故障5%;因此，需要用電壓跌落發(fā)生器模擬這些故障類型，以驗(yàn)證變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的LVRT功能。

　　圖1 是基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，核心部件為變比可調(diào)的自耦變壓器及雙向開關(guān)，圖1(a)為單相結(jié)構(gòu)，圖1(b)為三相結(jié)構(gòu)，圖1(c)、(d )、(e )為不同的雙向開關(guān)[10]?；谧儔浩骱碗p向開關(guān)的VSG 輸入為單相或三相交流電，通過改變單相或三相自耦變壓器的變比及控制雙向切換開關(guān)，可以在負(fù)載側(cè)得到需要的電壓跌落波形，并能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。以a 相為例說明，正常運(yùn)行時(shí)，a 相中Ha 通路雙向開關(guān)導(dǎo)通，輸出正常電壓，當(dāng)電壓跌落發(fā)生時(shí)，a相中La 通路雙向開關(guān)導(dǎo)通，輸出跌落的電壓。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器的變比，可以得到跌落至0的輸出電壓;通過VSG控制器控制雙向開關(guān)，可以得到期望的電壓跌落時(shí)間。對于三相結(jié)構(gòu)，分別控制a、b、c三相的切換開關(guān)，可以得到單相、兩相或三相跌落電壓，輸出端可以適應(yīng)單相或三相負(fù)載。

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　　圖1(a)與圖1(b)所示的VSG 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，雙向開關(guān)器件選擇圖1(c)所示的接觸器或繼電器，功率可以做到很大，但是由于接觸器、繼電器等自身結(jié)構(gòu)的原因，動(dòng)作時(shí)間難以精確控制[6]，使用中可能會出現(xiàn)短暫的電壓中斷，并且可能會產(chǎn)生較大的電壓和電流尖峰，這對風(fēng)電系統(tǒng)的測試很不利，極有可能損害電機(jī)絕緣和電力電子器件，同時(shí)接觸器等器件使用壽命有限，易受環(huán)境影響，因此此類VSG可以選擇使用電子開關(guān)，如圖1(d)所示的雙向晶閘管或者圖1(e)所示的由全控器件IGBT構(gòu)成的雙向開關(guān)。

　　采用由晶閘管構(gòu)成的雙向開關(guān)，具有開關(guān)速度快、動(dòng)作無噪音、無火花、壽命長、耐振動(dòng)、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決使用繼電器作為雙向開關(guān)時(shí)存在的一些問題。但是由于晶閘管是半控型器件，電壓的切換只能發(fā)生在輸出電壓或電流的過零點(diǎn)，故不能對電壓跌落的相位進(jìn)行控制，因而較為適合圖1(a)的單相結(jié)構(gòu)，三相VSG如果采用晶閘管作為雙向開關(guān)，對兩相或三相跌落故障，存在各相間電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)不同步的問題，會給風(fēng)電機(jī)組LVRT功能的測試造成一些問題。采用由IGBT構(gòu)成的雙向開關(guān)可以較好地解決以上問題，因?yàn)镮GBT 為全控型器件，可以方便地實(shí)現(xiàn)快速開通及關(guān)斷，能夠?qū)﹄妷旱涞南辔贿M(jìn)行精確控制，可以適應(yīng)單相或三相VSG結(jié)構(gòu)，可以得到任意組合的單相、兩相或三相跌落電壓。

　　2 基于全功率變流器的VSG工作原理

　　圖2 是基于全功率變流器的VSG 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，采用DSP作為控制器，可以產(chǎn)生所需要的各種電壓跌落故障波形。電網(wǎng)電壓經(jīng)過雙PWM 全功率變流器對被測試設(shè)備供電，三相PWM 整流器控制輸入功率因數(shù)、保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定[11]，通過對三相PWM 逆變器的控制可以產(chǎn)生所需要的任意波形，模擬電網(wǎng)電壓的各種故障，如電壓跌落、閃變、過電壓、欠電壓、三相不對稱故障、諧波等[12]，針對電網(wǎng)電壓跌落，可以方便地控制電壓跌落深度、持續(xù)時(shí)間、相位和跌落的類型，同時(shí)雙PWM 變流器可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，因而這種方法能適應(yīng)不同故障條件下風(fēng)電系統(tǒng)測試的需求。

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　　基于全功率變流器的VSG，通常采用IGBT作為功率器件，與基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG比較，具有體積小、重量輕、功能更強(qiáng)大等優(yōu)勢;但是控制復(fù)雜，成本較高，而且IGBT等器件自身抵抗電網(wǎng)故障時(shí)電壓、電流沖擊的能力有限，可靠性不夠高，因此一般局限于實(shí)驗(yàn)室和小功率范圍內(nèi)使用。

　　目前國內(nèi)外對這種方案的研究很多，也已經(jīng)有實(shí)際的產(chǎn)品，但是價(jià)格很昂貴，從成本和可靠性角度考慮，基于全功率變流器的VSG 不是優(yōu)選方案。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3.1 基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)前面所述基于變壓器和雙向開關(guān)的VSG的工作原理，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，變壓器采用三相自耦變壓器，雙向開關(guān)分別使用接觸器、晶閘管和IGBT，控制器采用DSP，對使用三種雙向開關(guān)的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比。對分別使用接觸器和IGBT的VSG 進(jìn)行了三相跌落實(shí)驗(yàn)，由于使用晶閘管的VSG進(jìn)行了三相跌落時(shí)存在不同步的問題，因此對使用晶閘管的VSG只進(jìn)行了單相跌落實(shí)驗(yàn)。

　　圖3 是采用接觸器作為雙向開關(guān)的三相VSG跌落實(shí)驗(yàn)波形，Ch1 為a 相輸出電壓，Ch2 為b 相輸出電壓(圖中顯示值與真實(shí)值的關(guān)系為1:70)。

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　　圖3(a)為空載兩相跌落波形，電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)處波形比較連續(xù);圖3(b)為帶載單相跌落波形，可見電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)處都存在一段時(shí)間的電壓中斷，在電壓恢復(fù)時(shí)有較大的電壓尖峰，這是由于接觸器的動(dòng)作時(shí)間較慢，難以對開通和關(guān)斷的時(shí)刻進(jìn)行精確控制，在正常運(yùn)行與故障運(yùn)行之間進(jìn)行切換時(shí)，兩通路的接觸器存在同時(shí)關(guān)斷的時(shí)間，造成了輸出電壓的中斷，同時(shí)由于變壓器漏感的存在，會在切換時(shí)形成較大的電壓尖峰，可能會對被測試設(shè)備產(chǎn)生不良影響。