風力發電用VSG的比較研究

0 引言

　　隨著風力發電裝機容量的不斷增大，很多國家的電力系統運行導則對風電機組的低電壓穿越能力做出了規定[1-2]，目前針對雙饋型和直驅型風電系統低電壓穿越功能的研究非常多[3-5]；研究過程中需要模擬各種類型的電壓跌落故障[6]，通常是由電壓跌落發生器（Voltage Sag Generator，VSG）來實現的。文獻[7]對風力發電中常用的VSG實現方法進行了總結分析，基于變壓器形式的VSG 結構簡單、可靠性高，容易提高功率等級；基于電力電子變換形式的VSG，則功能強大。文獻[8]基于單相自耦變壓器和固態繼電器（SSR）實現了一種低成本單相VSG，但是受繼電器物理特性的限制，開關動作時間較長，在電壓跌落及恢復處可能出現電壓中斷的情況。文獻[9]基于變壓器和由晶閘管構成的雙向開關實現了一種低成本的VSG，可以獲得良好的電壓銜接，但是由于晶閘管的半控特性，只能實現輸出電壓在過零點的跌落及恢復，無法精確控制電壓跌落的相位，對于兩相或三相電壓跌落，存在跌落時刻不同步的問題，其應用存在一定的局限性。

　　本文首先討論了基于變壓器和雙向開關的VSG 及基于全功率變流器的VSG的工作原理，基于變壓器和雙向開關的VSG 可以選擇使用繼電器、晶閘管或IGBT 構成雙向開關，構建了實驗樣機，對幾種不同的實現方法進行了比較研究，分析并通過實驗對比了幾種方案的優缺點。

1 基于變壓器和雙向開關的VSG工作原理

　　電網電壓跌落是最為常見的電力系統故障之一，電壓跌落故障的類型和比例為：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，需要用電壓跌落發生器模擬這些故障類型，以驗證變速恒頻風電機組的LVRT功能。

　　圖1 是基于變壓器和雙向開關的VSG 拓撲結構圖，核心部件為變比可調的自耦變壓器及雙向開關，圖1（a）為單相結構，圖1（b）為三相結構，圖1（c）、（d ）、（e ）為不同的雙向開關[10]。基于變壓器和雙向開關的VSG 輸入為單相或三相交流電，通過改變單相或三相自耦變壓器的變比及控制雙向切換開關，可以在負載側得到需要的電壓跌落波形，并能實現能量的雙向流動。以a 相為例說明，正常運行時，a 相中Ha 通路雙向開關導通，輸出正常電壓，當電壓跌落發生時，a相中La 通路雙向開關導通，輸出跌落的電壓。通過手動調節變壓器的變比，可以得到跌落至0的輸出電壓；通過VSG控制器控制雙向開關，可以得到期望的電壓跌落時間。對于三相結構，分別控制a、b、c三相的切換開關，可以得到單相、兩相或三相跌落電壓，輸出端可以適應單相或三相負載。

　　圖1（a）與圖1（b）所示的VSG 拓撲結構中，雙向開關器件選擇圖1（c）所示的接觸器或繼電器，功率可以做到很大，但是由于接觸器、繼電器等自身結構的原因，動作時間難以精確控制[6]，使用中可能會出現短暫的電壓中斷，并且可能會產生較大的電壓和電流尖峰，這對風電系統的測試很不利，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，易受環境影響，因此此類VSG可以選擇使用電子開關，如圖1（d）所示的雙向晶閘管或者圖1（e）所示的由全控器件IGBT構成的雙向開關。

　　采用由晶閘管構成的雙向開關，具有開關速度快、動作無噪音、無火花、壽命長、耐振動、抗沖擊、可靠性高等優點，可以有效解決使用繼電器作為雙向開關時存在的一些問題。但是由于晶閘管是半控型器件，電壓的切換只能發生在輸出電壓或電流的過零點，故不能對電壓跌落的相位進行控制，因而較為適合圖1（a）的單相結構，三相VSG如果采用晶閘管作為雙向開關，對兩相或三相跌落故障，存在各相間電壓跌落發生及恢復不同步的問題，會給風電機組LVRT功能的測試造成一些問題。采用由IGBT構成的雙向開關可以較好地解決以上問題，因為IGBT 為全控型器件，可以方便地實現快速開通及關斷，能夠對電壓跌落的相位進行精確控制，可以適應單相或三相VSG結構，可以得到任意組合的單相、兩相或三相跌落電壓。

2 基于全功率變流器的VSG工作原理

　　圖2 是基于全功率變流器的VSG 拓撲結構圖，采用DSP作為控制器，可以產生所需要的各種電壓跌落故障波形。電網電壓經過雙PWM 全功率變流器對被測試設備供電，三相PWM 整流器控制輸入功率因數、保持直流側電壓穩定[11]，通過對三相PWM 逆變器的控制可以產生所需要的任意波形，模擬電網電壓的各種故障，如電壓跌落、閃變、過電壓、欠電壓、三相不對稱故障、諧波等[12]，針對電網電壓跌落，可以方便地控制電壓跌落深度、持續時間、相位和跌落的類型，同時雙PWM 變流器可以實現能量雙向流動，因而這種方法能適應不同故障條件下風電系統測試的需求。

　　基于全功率變流器的VSG，通常采用IGBT作為功率器件，與基于變壓器和雙向開關的VSG比較，具有體積小、重量輕、功能更強大等優勢；但是控制復雜，成本較高，而且IGBT等器件自身抵抗電網故障時電壓、電流沖擊的能力有限，可靠性不夠高，因此一般局限于實驗室和小功率范圍內使用。

　　目前國內外對這種方案的研究很多，也已經有實際的產品，但是價格很昂貴，從成本和可靠性角度考慮，基于全功率變流器的VSG 不是優選方案。

3 實驗結果

　　3.1 基于變壓器和雙向開關的VSG 實驗結果

　　根據前面所述基于變壓器和雙向開關的VSG的工作原理，構建了實驗樣機，變壓器采用三相自耦變壓器，雙向開關分別使用接觸器、晶閘管和IGBT，控制器采用DSP，對使用三種雙向開關的情況進行了實驗對比。對分別使用接觸器和IGBT的VSG 進行了三相跌落實驗，由于使用晶閘管的VSG進行了三相跌落時存在不同步的問題，因此對使用晶閘管的VSG只進行了單相跌落實驗。

　　圖3 是采用接觸器作為雙向開關的三相VSG跌落實驗波形，Ch1 為a 相輸出電壓，Ch2 為b 相輸出電壓（圖中顯示值與真實值的關系為1:70）。

　　圖3（a）為空載兩相跌落波形，電壓跌落發生及恢復處波形比較連續；圖3（b）為帶載單相跌落波形，可見電壓跌落發生及恢復處都存在一段時間的電壓中斷，在電壓恢復時有較大的電壓尖峰，這是由于接觸器的動作時間較慢，難以對開通和關斷的時刻進行精確控制，在正常運行與故障運行之間進行切換時，兩通路的接觸器存在同時關斷的時間，造成了輸出電壓的中斷，同時由于變壓器漏感的存在，會在切換時形成較大的電壓尖峰，可能會對被測試設備產生不良影響。

　　圖4 是采用晶閘管作為雙向開關的單相VSG跌落實驗波形，圖4（a）中Ch1為電壓跌落控制信號，圖4（b）中Ch1 為帶阻性負載時的輸出電流波形，Ch2為輸出電壓波形。圖4（a）顯示了電壓跌落控制信號和輸出電壓波形，當跌落發生時，輸出電壓有效值從220 V 跌至22 V，跌落至額定電壓的10%左右，電壓在過零點銜接的很好，沒有出現電壓中斷、電壓尖峰等，跌落持續時間為300 ms；跌落控制信號為低有效，可以看到跌落啟動時控制信號Q1 產生一個下降沿，之后輸出電壓的過零點，電壓發生了由高到低的切換，實現了電壓跌落；同樣恢復時控制信號Q1 的上升沿產生之后，輸出電壓在過零點發生由低到高的切換，實現了電壓恢復。當跌落發生及恢復時，輸出電壓銜接較好，過零點沒有電壓畸變，也沒有出現電壓中斷電壓尖峰等，相對圖3輸出波形質量有很大改善，但是切換均發生在電壓或電流的過零點，因此對三相VSG會出現相間跌落不同步的問題。

　 圖5 是采用IGBT 作為雙向開關的三相VSG跌落實驗波形，對15%-200 ms 電壓跌落情況進行實驗，圖中Ch1 為跌落控制信號（圖中顯示幅值即為真實值），跌落控制信號為高有效，Ch2、Ch3、Ch4 分別為a、b、c 三相輸出相電壓（圖中顯示值與真實值的關系為1:40）。圖5 中分別給出了單相跌落、兩相跌落、三相跌落及三相跌落局部放大的實驗波形，從實驗波形看，輸出電壓可以有效響應跌落控制信號，輸出電壓波形跌落及恢復處銜接良好，沒有電壓中斷、尖峰等問題，可以對電壓跌落發生及恢復的時刻進行控制；調節變壓器變比，可以方便地得到需要的電壓跌落深度，可以靈活地得到任意相及持續時間的電壓跌落。相對以上兩種雙向開關方案，使用IGBT作為雙向開關，既能獲得良好的輸出電壓波形，又能方便地模擬各種類型的電壓跌落故障，同時又具有變壓器形式的VSG 的優勢，控制簡單，能夠為驗證風電機組的低電壓穿越能力提供了更為有利的試驗條件。

　　3.2 基于全功率變流器的VSG實驗結果

　　根據前面所述基于全功率變流器的VSG 的工作原理，構建了實驗樣機，雙DSP 控制，功率器件采用IGBT，電網側變流器用來實現網側單位功率因數控制及穩定直流側電壓，負載側變流器用來實現電壓跌落。

　　圖6 為基于全功率變流器的三相VSG 跌落實驗波形，Ch1、Ch2、Ch4 分別為a、b、c 三相輸出電壓，圖6（a）與圖遠（b）分別對應跌落50%和15%。從波形中可以看到，跌落發生時三相電壓過渡比較平滑，但是存在一定的波動，電壓跌落深度較大時，電壓波動更嚴重一些；在電壓恢復時刻，某相電壓會出現尖峰，并且隨電壓跌落深度的增加，尖峰的幅值也有變大的趨勢。需要對控制進行優化來解決這些問題。基于全功率變流器的VSG控制靈活，功能強大，可以方便地模擬各種類型的電網電壓跌落故障，還可以模擬其他類型的電網電壓故障，反應速度快，能夠滿足不同測試場合的需求，但是成本較高，控制復雜。

4 結語

　　本文對基于變壓器和雙向開關的VSG 及基于全功率變流器的VSG 進行了實驗對比，基于變壓器和雙向開關的VSG 可以選擇繼電器、晶閘管或IGBT構成雙向開關。采用繼電器作為雙向開關的VSG，由于受接觸器、繼電器等器件物理特性的限制，動作時間較慢，實現電壓跌落時可能會出現電壓中斷、電壓尖峰等，會對被測試設備產生不良影響；采用晶閘管作為雙向開關的VSG，電壓跌落波形銜接良好，但是只能在電壓或電流過零點實現切換，適合于單相VSG，應用于三相VSG 時會出現相間切換不同步的問題；采用全控器件IGBT作為雙向開關的VSG，可以方便地模擬單相、兩相或三相電壓跌落故障，可以實現跌落相位的精確

　　控制，并能獲得輸出電壓的良好銜接，電壓跌落及恢復處沒有出現電壓中斷、電壓尖峰等。基于全功率變流器實現的VSG功能強大，但是控制復雜，自身抗電壓、電流沖擊能力有限，可靠性低。因此，從以上多種VSG實現方案的比較中，基于變壓器和可控器件IGBT構成的雙向開關實現的VSG是優選方案。