電壓跌落發(fā)生器

1、電壓跌落發(fā)生器電壓跌落發(fā)生器直流電壓跌落發(fā)生器主要針對由直流配電系統(tǒng)供電的電氣和電子設備在運行時，受到 供電電源電壓暫降 短時中斷或電壓變化的抗擾度所帶來的影響建立一個共同準則。 電壓跌落發(fā)生器研究一般，當電網(wǎng)電壓跌落至一定程度時，風電系統(tǒng)便會自動脫網(wǎng)，而隨著風電發(fā)電量的增加，這種方法對電網(wǎng)的影響已經不能忽略。目前，風力發(fā)電占主導地位的一些國家，如丹麥、德國等國相繼制定了新的電網(wǎng)運行準則，要求風電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力LVRT( LowVoltage Ride - Through)，只有當電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風力機脫網(wǎng)，當電壓在凹陷部分時，發(fā)電機應提供無功功率，這對風電系統(tǒng)測試提

2、出了新的要求。因為電網(wǎng)故障的不可控性，因此必須有專門的設備用于測試風力發(fā)電系統(tǒng)在電壓跌落 發(fā)生時的穿越能力，這種設備稱為電壓跌落發(fā)生器VSG(VoltageSag Generator)。電壓跌落是最為常見的電網(wǎng)故障，其故障類型和比例為：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，VSG必須能夠產生這些故障類型。對電壓跌落深度的要求 一般是跌至50 %以下甚至到零，持續(xù)時間為0.5到數(shù)百個電網(wǎng)電壓周期，而典型的低電壓 穿越曲線中，電壓需跌落至尸15 %以下，持續(xù)時間為300 ms。實際風電系統(tǒng)測試中對 VSG的 需求不斷增加，可行性強的VSG方案要滿足3個

3、方面的要求：高功率等級，實現(xiàn)簡單和成 本低，并要綜合考慮測試、成本等多方面的因素。在對現(xiàn)有風力發(fā)電系統(tǒng)用 VSG方案進行詳細總結基礎上，把VSG拓撲結構歸結為以下3 類：阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式的VSG，1阻抗形式VSG基于阻抗形式實現(xiàn)的 VSG，通過在主電路中并聯(lián)或串聯(lián)電阻/電抗實現(xiàn)電壓跌落。圖1是阻抗形式VSG的拓撲結構，其中又分為并聯(lián)方式和串聯(lián)方式。并聯(lián)阻抗方式見圖1( a)，通過阻抗1與阻抗2以及負載阻抗的適當匹配，正常情況下，能量流經阻抗1進入負載，當 開關閉合時，因為阻抗2的值相對較小，因而使負載上的電壓發(fā)生跌落，當開關斷開時，負 載電壓恢復正常。串聯(lián)阻抗方式見圖1(

4、 b)，所串聯(lián)的阻抗也需要與負載阻抗相匹配以產生預期的電壓跌落，正常運行時，開關閉合，電網(wǎng)直接對負載供電，當開關斷開時，由于串 聯(lián)阻抗相對較大，從而使負載上的電壓下降。國I阻抗廉式實現(xiàn)的FigJ VSGs with impedances這種方式實現(xiàn)的VSG,如果阻抗本身不能改變，所得到的電壓跌落深度是不可調節(jié)的，因此，如果并聯(lián)或串聯(lián)的是可變阻抗，則可以得到可變的電壓跌落深度。其中，開關器件可以是繼電器、接觸器或者晶閘管，例如并聯(lián)方式中開關若是雙向晶閘管，則類似于晶閘管投切電抗器，實際中繼電器和接觸器使用較多，但是也存在很多問題。阻抗形式的VSG結構簡單，實現(xiàn)方便，但是由于阻抗在正常運行或電壓跌

5、落時流過功 率，因此必須選擇大功率的阻抗器件，并且能量損耗較大，同時當電壓跌落發(fā)生時負載側 無法向電網(wǎng)饋送能量，不能進行風電系統(tǒng)無功調節(jié)等功能的研究，而且當負載變化時，阻抗的匹配關系也發(fā)生變化，使電壓跌落深度難以有效控制。因此，阻抗形式實現(xiàn)的VSG目前使用較少。2變壓器形式VSG基于變壓器形式實現(xiàn)的 VSG應用很廣泛，其中又可以分為2類：以單個升壓或降壓變壓器組合形式實現(xiàn)的 VSG和以中心抽頭變壓器形式實現(xiàn)的VSG升降壓變壓器組合形式的 VSG拓撲如圖2所示。圖2( a)是并聯(lián)方式，其中變壓器1是降壓變壓器，此時的電網(wǎng)是高壓電 網(wǎng)，普通低壓電網(wǎng)條件下可以省去變壓器1，電壓跌落通過變壓器 2和開

6、關S1、S2實現(xiàn)；正常運行時，S1閉合，S2斷開，負載由電網(wǎng)通過變壓器1供電，當需要電壓跌落時，閉合S2, 即可使負載電壓近似降至零，斷開S1即可使跌落結束，恢復負載的正常供電。并聯(lián)方式中， 電壓跌落是通過變壓器 2副邊對地短路實現(xiàn)的，因而變壓器2必須有較強的抗電流沖擊能 力。圖2( b)是串聯(lián)形式，降壓變壓器和升壓變壓器的變比相反，正常運行時開關組1閉合， 開關組2斷開，電網(wǎng)電壓經兩級變壓器先降壓后升壓對負載供電，斷開開關組1同時閉合開關組2，貝U使負載電壓跌至降壓變壓器的副邊電壓，當斷開開關組2同時閉合開關組1時，負載電壓恢復正常。中心抽頭變壓器形式實現(xiàn)的VSG拓撲結構如圖3所示，其中(a

7、)是單相結構，（b）是三相結構。以單相結構為例說明，正常運行時，開關S1閉合,S2斷開，此時變壓器的變比為1 : 1,當S1斷開同時S2閉合時,使負載接入變比較小的中間抽頭,從而獲得電壓跌落，當斷開S2重新閉合S1時，電壓跌落結束電網(wǎng) 變斥器1開關綃2（b） -T聯(lián)形式00 2升降壓變壓器組合形戎的Fig.2 VSGs with step - up and step * down traiififimners變壓器形式VSG中，最常用的開關器件是接觸器，功率可以做到很大，但是接觸器、繼電器 等器件由于自身結構的原因，動作時間難以精確控制，使用中可能會出現(xiàn)短暫的電壓中斷，并且可能會產生較大的電壓

8、和電流尖峰，這對風電系統(tǒng)的測試很不利，極有可能損害電機絕緣和電力電子器件，同時接觸器等器件使用壽命有限，易受環(huán)境影響，因此目前大部分此類VSG使用電子開關嗎，如靜態(tài)開關（雙向晶閘管）等。采用靜態(tài)開關組成的交流開關，具有 體積小、重量輕、開關速度快、動作無噪音、無火花、壽命長、耐振動、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點，因而較為適合風力系統(tǒng)測試中對高功率等級、可靠性、簡單易行和低成本VSG的要求。（a）單相結構電網(wǎng)側CoS, cS3c n(h)三相結構圖3中心抽頭變壓器理式的Fig.3 VSCs wilh ccniprtapped fransfnrniHr變壓器形式實現(xiàn)的VSG最大的不足在于功率較大時，變壓

9、器的體積和重量很大，不便 攜帶，同時對于普通變壓器，變比是不可調的，因而也只能獲得固定的電壓跌落深度，而且對于帶中心抽頭的變壓器 ，設計和工藝要更復雜一些。 采用半控型器件晶閘管組成交流開 關時，電壓的切換只能發(fā)生在輸出電壓或電流的過零點，不能對電壓跌落的相位進行控制如果采用GTO等可關斷的大功率電力電子器件 ，則可以做到對相位的精確控制。相對于阻抗 形式，變壓器形式的VSG能量損耗很小，同時結構簡單、容易實現(xiàn)，而且如果變壓器的變比 可調，則可以方便地調節(jié)電壓跌落的深度。3電力電子變換形式 VSG基于電力電子變換的 VSG方案，形式非常靈活，功能很強大，可以使用交流電力控制電 路、交交變頻電路

10、以及交直交變換器等，并且由于較高的開關頻率，可以使無源器件的體積大大減小，從而降低VSG勺重量，便于攜帶，有利于現(xiàn)場測試的需要。使用交流調壓電路的 VSG拓撲如圖4所示，類似于DC- DC變換中的Buck電路，不同之處在于輸入是交流正弦電 壓，而開關則采用2組雙向開關，由雙向開關1對輸入電壓進行斬波，雙向開關2進行續(xù) 流13，并通過LC構成的低通濾波器，為負載提供標準的正弦電壓。2組開關的狀態(tài)互補通過控制導通占空比可以方便地調節(jié)輸出電壓，從而獲得需要的電壓跌落深度。fit向開關1圖4交涼調壓農式的（；Fig.4 VSG with AC voltage controller電力電子變換形式的 VSG, 般采用功率二極管、IGBT等作為開關器件，但是受器件功 率的制約,功率等級不能做大,也可以選擇GTO和IGCT等器件