风力发电用VSG的比较研究

　　引言

　　随着风力发电装机容量的不断增大，很多国家的电力系统运行导则对风电机组的低电压穿越能力做出了规定[1-2]，目前针对双馈型和直驱型风电系统低电压穿越功能的研究非常多[3-5];研究过程中需要模拟各种类型的电压跌落故障[6]，通常是由电压跌落发生器(Voltage Sag Generator，VSG)来实现的。本文首先讨论了基于变压器和双向开关的VSG 及基于全功率变流器的VSG的工作原理，基于变压器和双向开关的VSG 可以选择使用继电器、晶闸管或IGBT 构成双向开关，构建了实验样机，对几种不同的实现方法进行了比较研究，分析并通过实验对比了几种方案的优缺点。

　　1 基于变压器和双向开关的VSG工作原理

　　电网电压跌落是最为常见的电力系统故障之一，电压跌落故障的类型和比例为：单相对地故障70%，两相对地故障15%，相间故障10%，三相故障5%;因此，需要用电压跌落发生器模拟这些故障类型，以验证变速恒频风电机组的LVRT功能。

　　图1 是基于变压器和双向开关的VSG 拓扑结构图，核心部件为变比可调的自耦变压器及双向开关，图1(a)为单相结构，图1(b)为三相结构，图1(c)、(d )、(e )为不同的双向开关[10]。基于变压器和双向开关的VSG 输入为单相或三相交流电，通过改变单相或三相自耦变压器的变比及控制双向切换开关，可以在负载侧得到需要的电压跌落波形，并能实现能量的双向流动。以a 相为例说明，正常运行时，a 相中Ha 通路双向开关导通，输出正常电压，当电压跌落发生时，a相中La 通路双向开关导通，输出跌落的电压。通过手动调节变压器的变比，可以得到跌落至0的输出电压;通过VSG控制器控制双向开关，可以得到期望的电压跌落时间。对于三相结构，分别控制a、b、c三相的切换开关，可以得到单相、两相或三相跌落电压，输出端可以适应单相或三相负载。

　　图1(a)与图1(b)所示的VSG 拓扑结构中，双向开关器件选择图1(c)所示的接触器或继电器，功率可以做到很大，但是由于接触器、继电器等自身结构的原因，动作时间难以精确控制[6]，使用中可能会出现短暂的电压中断，并且可能会产生较大的电压和电流尖峰，这对风电系统的测试很不利，极有可能损害电机绝缘和电力电子器件，同时接触器等器件使用寿命有限，易受环境影响，因此此类VSG可以选择使用电子开关，如图1(d)所示的双向晶闸管或者图1(e)所示的由全控器件IGBT构成的双向开关。

　　采用由晶闸管构成的双向开关，具有开关速度快、动作无噪音、无火花、寿命长、耐振动、抗冲击、可靠性高等优点，可以有效解决使用继电器作为双向开关时存在的一些问题。但是由于晶闸管是半控型器件，电压的切换只能发生在输出电压或电流的过零点，故不能对电压跌落的相位进行控制，因而较为适合图1(a)的单相结构，三相VSG如果采用晶闸管作为双向开关，对两相或三相跌落故障，存在各相间电压跌落发生及恢复不同步的问题，会给风电机组LVRT功能的测试造成一些问题。采用由IGBT构成的双向开关可以较好地解决以上问题，因为IGBT 为全控型器件，可以方便地实现快速开通及关断，能够对电压跌落的相位进行精确控制，可以适应单相或三相VSG结构，可以得到任意组合的单相、两相或三相跌落电压。

　　2 基于全功率变流器的VSG工作原理

　　图2 是基于全功率变流器的VSG 拓扑结构图，采用DSP作为控制器，可以产生所需要的各种电压跌落故障波形。电网电压经过双PWM 全功率变流器对被测试设备供电，三相PWM 整流器控制输入功率因数、保持直流侧电压稳定[11]，通过对三相PWM 逆变器的控制可以产生所需要的任意波形，模拟电网电压的各种故障，如电压跌落、闪变、过电压、欠电压、三相不对称故障、谐波等[12]，针对电网电压跌落，可以方便地控制电压跌落深度、持续时间、相位和跌落的类型，同时双PWM 变流器可以实现能量双向流动，因而这种方法能适应不同故障条件下风电系统测试的需求。

　　基于全功率变流器的VSG，通常采用IGBT作为功率器件，与基于变压器和双向开关的VSG比较，具有体积小、重量轻、功能更强大等优势;但是控制复杂，成本较高，而且IGBT等器件自身抵抗电网故障时电压、电流冲击的能力有限，可靠性不够高，因此一般局限于实验室和小功率范围内使用。

　　目前国内外对这种方案的研究很多，也已经有实际的产品，但是价格很昂贵，从成本和可靠性角度考虑，基于全功率变流器的VSG 不是优选方案。

　　3 实验结果

　　3.1 基于变压器和双向开关的VSG 实验结果

　　根据前面所述基于变压器和双向开关的VSG的工作原理，构建了实验样机，变压器采用三相自耦变压器，双向开关分别使用接触器、晶闸管和IGBT，控制器采用DSP，对使用三种双向开关的情况进行了实验对比。对分别使用接触器和IGBT的VSG 进行了三相跌落实验，由于使用晶闸管的VSG进行了三相跌落时存在不同步的问题，因此对使用晶闸管的VSG只进行了单相跌落实验。

　　图3 是采用接触器作为双向开关的三相VSG跌落实验波形，Ch1 为a 相输出电压，Ch2 为b 相输出电压(图中显示值与真实值的关系为1:70)。

　　图3(a)为空载两相跌落波形，电压跌落发生及恢复处波形比较连续;图3(b)为带载单相跌落波形，可见电压跌落发生及恢复处都存在一段时间的电压中断，在电压恢复时有较大的电压尖峰，这是由于接触器的动作时间较慢，难以对开通和关断的时刻进行精确控制，在正常运行与故障运行之间进行切换时，两通路的接触器存在同时关断的时间，造成了输出电压的中断，同时由于变压器漏感的存在，会在切换时形成较大的电压尖峰，可能会对被测试设备产生不良影响。