一種用于風(fēng)力發(fā)電的電壓跌落發(fā)生器

 目前我國(guó)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(jī)組的運(yùn)行控制，而實(shí)際電網(wǎng)中存在有各類對(duì)稱、不對(duì)稱故障發(fā)生。電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)在電壓跌落下的控制策略研究是一個(gè)亟待解決的問題。為了研究和測(cè)試風(fēng)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(shè)備，此類設(shè)備稱為電壓跌落發(fā)生器(VSG)[2]?？尚行詮?qiáng)的電壓跌落發(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(shí)間，具有高功率、易實(shí)現(xiàn)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(xù)時(shí)間、跌落深度、起止相位和跌落類型均可調(diào)，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(jī)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(cè)試和研究。
1 電壓跌落發(fā)生器
    目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電壓跌落發(fā)生器展開了研究。參考文獻(xiàn)[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(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(shí)現(xiàn)電壓跌落。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)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(dǎo)致電壓跌落深度不可調(diào)，由于負(fù)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[3]。阻抗的存在使負(fù)載側(cè)的設(shè)備無法向電網(wǎng)饋送能量，因此無法用此設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償[2]。受開關(guān)器件的限制，電阻形式的VSG無法實(shí)現(xiàn)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：①采用繼電器將變壓器并聯(lián)或串聯(lián)到主電路中，來實(shí)現(xiàn)電壓跌落；②利用中心抽頭在變壓器副邊相互切換實(shí)現(xiàn)電壓跌落[3]。當(dāng)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(duì)地短路的故障狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)電壓跌落，這要求其具有較強(qiáng)的抗電流沖擊能力，從而導(dǎo)致此變壓器價(jià)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(diǎn)。而中心抽頭變壓器形式的VSG設(shè)計(jì)工藝復(fù)雜，不易推廣。總之，由于受開關(guān)器件的限制，變壓器形式的VSG，電壓跌落時(shí)間無法精確控制，當(dāng)功率較大時(shí)，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(shí)現(xiàn)電壓跌落，以控制電壓跌落的持續(xù)時(shí)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(guān)器件時(shí)，受器件功率的限制功率等級(jí)不能過大。選用GTO、IGCT等器件雖然可以提高功率等級(jí)，但設(shè)備成本很高且控制復(fù)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(yàn)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(jié)構(gòu)和控制實(shí)現(xiàn)
    如圖1所示是一種典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)規(guī)范，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障，但是跌落幅度在粗實(shí)線以上的范圍之內(nèi)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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)線以上范圍的電壓跌落模擬電網(wǎng)的故障以檢測(cè)風(fēng)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(gòu)成框圖。它由上位機(jī)、DSP、調(diào)壓器、IGBT雙向開關(guān)、IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路、電流霍爾傳感器、風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成。工作時(shí)，上位機(jī)通過DSP向IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路輸出電壓跌落與恢復(fù)指令信號(hào)，控制IGBT雙向開關(guān)I、IGBT雙向開關(guān)II輪流導(dǎo)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(duì)稱與不對(duì)稱電網(wǎng)電壓跌落故障。電壓跌落信號(hào)除可來自DSP外也可以由手動(dòng)開關(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(hào)，判斷電壓跌落發(fā)生器是否過流，進(jìn)而決定是否采取過流保護(hù)。

    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(gè)單相調(diào)壓器副邊輸出電壓相等，則產(chǎn)生三相電壓對(duì)稱跌落故障；若3個(gè)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(duì)稱跌落故障。
    IGBT雙向開關(guān)采用橋式結(jié)構(gòu)，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(guān)損耗。壓敏電阻Rv用于吸收線路電感在IGBT單管關(guān)斷時(shí)儲(chǔ)存的能量，防止IGBT單管T兩端出現(xiàn)較大的過電壓。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是只需要1個(gè)IGBT，并且Vce一直為正，使得驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路與保護(hù)電路減少一半且設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。

    系統(tǒng)的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路包括IGBT驅(qū)動(dòng)電路、IGBT開通死區(qū)電路和IGBT過流保護(hù)電路。
    IGBT驅(qū)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[5]。
    IGBT開通死區(qū)電路的作用是在IGBT雙向開關(guān)I、II的開通和關(guān)斷動(dòng)作之間造成死區(qū)，防止2個(gè)IGBT雙向開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通造成調(diào)壓器的原、副邊短路，如圖4所示。IGBT雙向開關(guān)I、II的開通死區(qū)時(shí)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(fù)指令信號(hào)DIP既可來自DSP，也可以來自手動(dòng)開關(guān)。

    IGBT過流保護(hù)電路使用電流檢測(cè)法以保護(hù)機(jī)組系統(tǒng)的安全。由電流傳感器檢測(cè)電壓跌落發(fā)生器的輸出電流，若出現(xiàn)瞬時(shí)過流，則驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)入軟關(guān)斷狀態(tài)以避免IGBT過流損壞。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)本文提出的電壓跌落發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖5所示為帶三相電阻負(fù)載的實(shí)驗(yàn)波形，圖中方波為電壓跌落與DIP恢復(fù)指令信號(hào)，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(duì)稱跌落至30%的實(shí)驗(yàn)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(fù)300 ms的波形圖。
    圖5(c)是三相電壓對(duì)稱跌落至15%的實(shí)驗(yàn)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(duì)稱跌落的實(shí)驗(yàn)波形，其中負(fù)序分量含20%，電壓跌落200 ms之后恢復(fù)正常。
    通過實(shí)驗(yàn)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(shí)間可從20 μs到任意時(shí)間；可以實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)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(diào)壓器的原、副邊之間切換來實(shí)現(xiàn)電壓跌落，且電壓跌落的持續(xù)時(shí)間、跌落深度、起止相位和跌落類型均可控，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(yàn)結(jié)果表明，此電壓跌落發(fā)生器既能產(chǎn)生對(duì)稱電壓跌落故障，也能產(chǎn)生不對(duì)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(fēng)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(cè)試和研究。