风力发电用VSG的比较研究

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0 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。文献[7]对风力发电中常用的VSG实现方法进行了总结分析，基于变压器形式的VSG 结构简单、可靠性高，容易提高功率等级；基于电力电子变换形式的VSG，则功能强大。文献[8]基于单相自耦变压器和固态继电器（SSR）实现了一种低成本单相VSG，但是受继电器物理特性的限制，开关动作时间较长，在电压跌落及恢复处可能出现电压中断的情况。文献[9]基于变压器和由晶闸管构成的双向开关实现了一种低成本的VSG，可以获得良好的电压衔接，但是由于晶闸管的半控特性，只能实现输出电压在过零点的跌落及恢复，无法精确控制电压跌落的相位，对于两相或三相电压跌落，存在跌落时刻不同步的问题，其应用存在一定的局限性。
　　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。
　　图4 是采用晶闸管作为双向开关的单相VSG跌落实验波形，图4（a）中Ch1为电压跌落控制信号，图4（b）中Ch1 为带阻性负载时的输出电流波形，Ch2为输出电压波形。图4（a）显示了电压跌落控制信号和输出电压波形，当跌落发生时，输出电压有效值从220 V 跌至22 V，跌落至额定电压的10%左右，电压在过零点衔接的很好，没有出现电压中断、电压尖峰等，跌落持续时间为300 ms；跌落控制信号为低有效，可以看到跌落启动时控制信号Q1 产生一个下降沿，之后输出电压的过零点，电压发生了由高到低的切换，实现了电压跌落；同样恢复时控制信号Q1 的上升沿产生之后，输出电压在过零点发生由低到高的切换，实现了电压恢复。当跌落发生及恢复时，输出电压衔接较好，过零点没有电压畸变，也没有出现电压中断电压尖峰等，相对图3输出波形质量有很大改善，但是切换均发生在电压或电流的过零点，因此对三相VSG会出现相间跌落不同步的问题。



　　图5 是采用IGBT 作为双向开关的三相VSG跌落实验波形，对15%-200 ms 电压跌落情况进行实验，图中Ch1 为跌落控制信号（图中显示幅值即为真实值），跌落控制信号为高有效，Ch2、Ch3、Ch4 分别为a、b、c 三相输出相电压（图中显示值与真实值的关系为1:40）。图5 中分别给出了单相跌落、两相跌落、三相跌落及三相跌落局部放大的实验波形，从实验波形看，输出电压可以有效响应跌落控制信号，输出电压波形跌落及恢复处衔接良好，没有电压中断、尖峰等问题，可以对电压跌落发生及恢复的时刻进行控制；调节变压器变比，可以方便地得到需要的电压跌落深度，可以灵活地得到任意相及持续时间的电压跌落。相对以上两种双向开关方案，使用IGBT作为双向开关，既能获得良好的输出电压波形，又能方便地模拟各种类型的电压跌落故障，同时又具有变压器形式的VSG 的优势，控制简单，能够为验证风电机组的低电压穿越能力提供了更为有利的试验条件。


　　3.2 基于全功率变流器的VSG实验结果
　　根据前面所述基于全功率变流器的VSG 的工作原理，构建了实验样机，双DSP 控制，功率器件采用IGBT，电网侧变流器用来实现网侧单位功率因数控制及稳定直流侧电压，负载侧变流器用来实现电压跌落。
　　图6 为基于全功率变流器的三相VSG 跌落实验波形，Ch1、Ch2、Ch4 分别为a、b、c 三相输出电压，图6（a）与图远（b）分别对应跌落50%和15%。从波形中可以看到，跌落发生时三相电压过渡比较平滑，但是存在一定的波动，电压跌落深度较大时，电压波动更严重一些；在电压恢复时刻，某相电压会出现尖峰，并且随电压跌落深度的增加，尖峰的幅值也有变大的趋势。需要对控制进行优化来解决这些问题。基于全功率变流器的VSG控制灵活，功能强大，可以方便地模拟各种类型的电网电压跌落故障，还可以模拟其他类型的电网电压故障，反应速度快，能够满足不同测试场合的需求，但是成本较高，控制复杂。


4 结语
　　本文对基于变压器和双向开关的VSG 及基于全功率变流器的VSG 进行了实验对比，基于变压器和双向开关的VSG 可以选择继电器、晶闸管或IGBT构成双向开关。采用继电器作为双向开关的VSG，由于受接触器、继电器等器件物理特性的限制，动作时间较慢，实现电压跌落时可能会出现电压中断、电压尖峰等，会对被测试设备产生不良影响；采用晶闸管作为双向开关的VSG，电压跌落波形衔接良好，但是只能在电压或电流过零点实现切换，适合于单相VSG，应用于三相VSG 时会出现相间切换不同步的问题；采用全控器件IGBT作为双向开关的VSG，可以方便地模拟单相、两相或三相电压跌落故障，可以实现跌落相位的精确控制，并能获得输出电压的良好衔接，电压跌落及恢复处没有出现电压中断、电压尖峰等。基于全功率变流器实现的VSG功能强大，但是控制复杂，自身抗电压、电流冲击能力有限，可靠性低。因此，从以上多种VSG实现方案的比较中，基于变压器和可控器件IGBT构成的双向开关实现的VSG是优选方案。