一種用于風力發(fā)電的電壓跌落發(fā)生器
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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)時間、跌落深度、起止相位和跌落類型均可調(diào)，具有操作簡單、可靠性高、實時性好等特點，適用于風電機組及其他電氣、電子產(chǎn)品在電網(wǎng)電壓故障情況下的性能測試和研究。
1 電壓跌落發(fā)生器
目前，國內(nèi)外針對電壓跌落發(fā)生器展開了研究。參考文獻[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)到主電路中實現(xiàn)電壓跌落。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，實現(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，導致電壓跌落深度不可調(diào)，由于負載的變化即使采用了可變電阻也會引起阻抗匹配關(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)備進行無功補償[2]。受開關(guān)器件的限制，電阻形式的VSG無法實現(xiàn)三相電壓的同時跌落。這些缺點影響了阻抗型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，來實現(xiàn)電壓跌落；②利用中心抽頭在變壓器副邊相互切換實現(xiàn)電壓跌落[3]。當采用變壓器并聯(lián)方式時，其中1個變壓器要工作在副邊對地短路的故障狀態(tài)才能實現(xiàn)電壓跌落，這要求其具有較強的抗電流沖擊能力，從而導致此變壓器價格過高[2]。此外，這一方案存在電壓跌落深度不可調(diào)的缺點。而中心抽頭變壓器形式的VSG設(shè)計工藝復雜，不易推廣?？傊?，由于受開關(guān)器件的限制，變壓器形式的VSG，電壓跌落時間無法精確控制，當功率較大時，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現(xiàn)電壓跌落，以控制電壓跌落的持續(xù)時間、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，受器件功率的限制功率等級不能過大。選用GTO、IGCT等器件雖然可以提高功率等級，但設(shè)備成本很高且控制復雜，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驗室和小功率范圍內(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)和控制實現(xiàn)
如圖1所示是一種典型的風力發(fā)電機并網(wǎng)規(guī)范，當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障，但是跌落幅度在粗實線以上的范圍之內(nèi)時，風力發(fā)電機必須保持與電網(wǎng)連接。電壓跌落發(fā)生器即要產(chǎn)生粗實線以上范圍的電壓跌落模擬電網(wǎng)的故障以檢測風電系統(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、DSP、調(diào)壓器、IGBT雙向開關(guān)、IGBT驅(qū)動與保護電路、電流霍爾傳感器、風電機組構(gòu)成。工作時，上位機通過DSP向IGBT驅(qū)動與保護電路輸出電壓跌落與恢復指令信號，控制IGBT雙向開關(guān)I、IGBT雙向開關(guān)II輪流導通，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，從而模擬各種對稱與不對稱電網(wǎng)電壓跌落故障。電壓跌落信號除可來自DSP外也可以由手動開關(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，判斷電壓跌落發(fā)生器是否過流，進而決定是否采取過流保護。
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個單相調(diào)壓器副邊輸出電壓相等，則產(chǎn)生三相電壓對稱跌落故障；若3個單相調(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)斷時儲存的能量，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)點是只需要1個IGBT，并且Vce一直為正，使得驅(qū)動電路、緩沖電路與保護電路減少一半且設(shè)計更加簡單。
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