摘 要： 為了測試和研究風電系統的低電壓穿越能力，需要利用一種電壓跌落發生器模擬電網規范中的各種電網故障。本文給出了一種新型的低成本電壓跌落發生器，利用可控器件IGBT在調壓器的原、副邊之間切換來實現電壓跌落，并控制電壓跌落的類型、深度、持續時間和起止相位。
關鍵詞： 電壓跌落發生器；低電壓穿越；風力發電
目前我國的風電技術大多還停留在理想電網條件下的風電機組的運行控制，而實際電網中存在有各類對稱、不對稱故障發生。電網規范要求風力發電系統必須具備低電壓穿越能力[1]，因此，大容量并網型風力發電機在電壓跌落下的控制策略研究是一個亟待解決的問題。為了研究和測試風電系統的低電壓穿越能力，必須利用具有專門模擬電網電壓故障的設備，此類設備稱為電壓跌落發生器(VSG)[2]。可行性強的電壓跌落發生器可以產生各種不同類型的電壓跌落，滿足電壓跌落深度的要求，可控電壓跌落相位及跌落時間，具有高功率、易實現和低成本的特點。
本文提出一種新型的電壓跌落發生器，它可模擬單相、兩相及三相電壓跌落，且電壓跌落的持續時間、跌落深度、起止相位和跌落類型均可調，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、電子產品在電網電壓故障情況下的性能測試和研究。
1 電壓跌落發生器
目前，國內外針對電壓跌落發生器展開了研究。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/電抗器串聯或并聯到主電路中實現電壓跌落。這種方案結構簡單，實現方便，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/并聯的阻抗是固定的，導致電壓跌落深度不可調，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的設備無法向電網饋送能量，因此無法用此設備進行無功補償[2]。受開關器件的限制，電阻形式的VSG無法實現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或串聯到主電路中，來實現電壓跌落；②利用中心抽頭在變壓器副邊相互切換實現電壓跌落[3]。當采用變壓器并聯方式時，其中1個變壓器要工作在副邊對地短路的故障狀態才能實現電壓跌落，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的缺點。而中心抽頭變壓器形式的VSG設計工藝復雜，不易推廣。總之，由于受開關器件的限制，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電壓跌落，以控制電壓跌落的持續時間、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使用，不利于大規模推廣[3－4]。
2 新型電壓跌落發生器的結構和控制實現
如圖1所示是一種典型的風力發電機并網規范，當電網電壓發生跌落故障，但是跌落幅度在粗實線以上的范圍之內時，風力發電機必須保持與電網連接。電壓跌落發生器即要產生粗實線以上范圍的電壓跌落模擬電網的故障以檢測風電系統的低電壓穿越能力。
圖2所示為本文提出的電壓跌落發生器構成框圖。它由上位機、DSP、調壓器、IGBT雙向開關、IGBT驅動與保護電路、電流霍爾傳感器、風電機組構成。工作時，上位機通過DSP向IGBT驅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I、IGBT雙向開關II輪流導通，使電壓跌落發生器輸出電壓在調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給出。從主電路獲取電壓跌落發生器輸出的三相電流信號，判斷電壓跌落發生器是否過流，進而決定是否采取過流保護。
調壓器采用Y-Δ接法。原邊輸入為電網電壓，副邊輸出電壓可調，即為跌落電壓。若3個單相調壓器副邊輸出電壓相等，則產生三相電壓對稱跌落故障；若3個單相調壓器副邊輸出電壓不相等，則產生三相電壓不對稱跌落故障。
IGBT雙向開關采用橋式結構，如圖3所示。單相整流橋D保證IGBT單管T的集電極與發射極之間電壓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，減小開關損耗。壓敏電阻Rv用于吸收線路電感在IGBT單管關斷時儲存的能量，防止IGBT單管T兩端出現較大的過電壓。這種結構的優點是只需要1個IGBT，并且Vce一直為正，使得驅動電路、緩沖電路與保護電路減少一半且設計更加簡單。
系統的IGBT驅動與保護電路包括IGBT驅動電路、IGBT開通死區電路和IGBT過流保護電路。
IGBT驅動電路芯片是三菱公司的M57962AL，它采用+15 V與－10 V雙電源供電，使關斷更為可靠[5]。
IGBT開通死區電路的作用是在IGBT雙向開關I、II的開通和關斷動作之間造成死區，防止2個IGBT雙向開關同時導通造成調壓器的原、副邊短路，如圖4所示。IGBT雙向開關I、II的開通死區時間可以通過改變死區電路中的電阻值或者電容值來調節。電壓跌落與恢復指令信號DIP既可來自DSP，也可以來自手動開關。
IGBT過流保護電路使用電流檢測法以保護機組系統的安全。由電流傳感器檢測電壓跌落發生器的輸出電流，若出現瞬時過流，則驅動芯片進入軟關斷狀態以避免IGBT過流損壞。
3 實驗結果
根據本文提出的電壓跌落發生器的拓撲結構和控制方法進行了實驗驗證。圖5所示為帶三相電阻負載的實驗波形，圖中方波為電壓跌落與DIP恢復指令信號，3條正弦波為三相電阻兩端的電壓波形。
圖5(a)、(b)是三相電壓對稱跌落至30%的實驗波形，調壓器原邊輸入電壓為110 V。圖5(a)是電壓跌落瞬間的波形放大圖，圖5(b)是控制電壓跌落200 ms后恢復300 ms的波形圖。
圖5(c)是三相電壓對稱跌落至15%的實驗波形，調壓器原邊輸入電壓為220 V。第2行為跌落瞬間波形放大,可以看出電壓跌落僅用了20 μs。
圖5(d)是三相電壓不對稱跌落的實驗波形，其中負序分量含20%，電壓跌落200 ms之后恢復正常。
通過實驗可知本電壓跌落發生器的電壓變化范圍為0%～140%；電壓跌落持續時間可從20 μs到任意時間；可以實現任意單相、兩相跌落或者三相同時跌落；跌落觸發方式可用手動或計算機定時觸發。
本文介紹了一種用于風力發電的電壓跌落發生器。利用可控器件IGBT在調壓器的原、副邊之間切換來實現電壓跌落，且電壓跌落的持續時間、跌落深度、起止相位和跌落類型均可控，具有操作簡單、可靠性高、實時性好、成本較低等特點。
實驗結果表明，此電壓跌落發生器既能產生對稱電壓跌落故障，也能產生不對稱電壓跌落故障，并能夠模擬圖1中所示電網規范規定的各種電網電壓故障，除了可用于風力發電系統之外，還適用于其他電氣、電子產品在電網電壓故障情況下的性能測試和研究。
參考文獻
[1] 關宏亮，趙海翔，遲永寧，等.電力系統對并網風電機組承受低電壓能力的要求[J].電網技術，2007，31(7)：78－82.
[2] 梁亮，李建林，趙斌，等.適合于風力發電系統的電壓跌落發生器[J].可再生能源，2007，25(3)：64－67.
[3] 胡書舉，李建林，梁亮，等.適用于風力發電的一種低成本VSG實現方法[J].電氣應用，2007，26(11)：50－53.
[4] 胡書舉，李建林，梁亮，等，風力發電用電壓跌落發生器研究綜述[J].電力自動化設備，2008，28(2)：101-103.
[5] 藍宏，胡廣艷，張立偉，等.大電流高頻IGBT用M57962L驅動能力解決方案研究[J].電力電子技術，2006(4)：27－30.