電壓跌落發(fā)生器

1、電壓跌落發(fā)生器電壓跌落發(fā)生器直流電壓跌落發(fā)生器主要針對(duì)由直流配電系統(tǒng)供電的電氣和電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，受到 供電電源電壓暫降 短時(shí)中斷或電壓變化的抗擾度所帶來的影響建立一個(gè)共同準(zhǔn)則。 電壓跌落發(fā)生器研究一般，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至一定程度時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)脫網(wǎng)，而隨著風(fēng)電發(fā)電量的增加，這種方法對(duì)電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽略。目前，風(fēng)力發(fā)電占主導(dǎo)地位的一些國(guó)家，如丹麥、德國(guó)等國(guó)相繼制定了新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，要求風(fēng)電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力LVRT( LowVoltage Ride - Through)，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)力機(jī)脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷部分時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)提供無功功率，這對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)測(cè)試提

2、出了新的要求。因?yàn)殡娋W(wǎng)故障的不可控性，因此必須有專門的設(shè)備用于測(cè)試風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電壓跌落 發(fā)生時(shí)的穿越能力，這種設(shè)備稱為電壓跌落發(fā)生器VSG(VoltageSag Generator)。電壓跌落是最為常見的電網(wǎng)故障，其故障類型和比例為：?jiǎn)蜗鄬?duì)地故障70 %,兩相對(duì)地故障15 %,相 間故障10 %,三相故障5 %因此，VSG必須能夠產(chǎn)生這些故障類型。對(duì)電壓跌落深度的要求 一般是跌至50 %以下甚至到零，持續(xù)時(shí)間為0.5到數(shù)百個(gè)電網(wǎng)電壓周期，而典型的低電壓 穿越曲線中，電壓需跌落至尸15 %以下，持續(xù)時(shí)間為300 ms。實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)測(cè)試中對(duì) VSG的 需求不斷增加，可行性強(qiáng)的VSG方案要滿足3個(gè)

3、方面的要求：高功率等級(jí)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和成 本低，并要綜合考慮測(cè)試、成本等多方面的因素。在對(duì)現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用 VSG方案進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)基礎(chǔ)上，把VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)歸結(jié)為以下3 類：阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式的VSG，1阻抗形式VSG基于阻抗形式實(shí)現(xiàn)的 VSG，通過在主電路中并聯(lián)或串聯(lián)電阻/電抗實(shí)現(xiàn)電壓跌落。圖1是阻抗形式VSG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中又分為并聯(lián)方式和串聯(lián)方式。并聯(lián)阻抗方式見圖1( a)，通過阻抗1與阻抗2以及負(fù)載阻抗的適當(dāng)匹配，正常情況下，能量流經(jīng)阻抗1進(jìn)入負(fù)載，當(dāng) 開關(guān)閉合時(shí)，因?yàn)樽杩?的值相對(duì)較小，因而使負(fù)載上的電壓發(fā)生跌落，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，負(fù) 載電壓恢復(fù)正常。串聯(lián)阻抗方式見圖1(

4、 b)，所串聯(lián)的阻抗也需要與負(fù)載阻抗相匹配以產(chǎn)生預(yù)期的電壓跌落，正常運(yùn)行時(shí)，開關(guān)閉合，電網(wǎng)直接對(duì)負(fù)載供電，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于串 聯(lián)阻抗相對(duì)較大，從而使負(fù)載上的電壓下降。國(guó)I阻抗廉式實(shí)現(xiàn)的FigJ VSGs with impedances這種方式實(shí)現(xiàn)的VSG,如果阻抗本身不能改變，所得到的電壓跌落深度是不可調(diào)節(jié)的，因此，如果并聯(lián)或串聯(lián)的是可變阻抗，則可以得到可變的電壓跌落深度。其中，開關(guān)器件可以是繼電器、接觸器或者晶閘管，例如并聯(lián)方式中開關(guān)若是雙向晶閘管，則類似于晶閘管投切電抗器，實(shí)際中繼電器和接觸器使用較多，但是也存在很多問題。阻抗形式的VSG結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但是由于阻抗在正常運(yùn)行或電壓跌

5、落時(shí)流過功 率，因此必須選擇大功率的阻抗器件，并且能量損耗較大，同時(shí)當(dāng)電壓跌落發(fā)生時(shí)負(fù)載側(cè) 無法向電網(wǎng)饋送能量，不能進(jìn)行風(fēng)電系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)等功能的研究，而且當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，阻抗的匹配關(guān)系也發(fā)生變化，使電壓跌落深度難以有效控制。因此，阻抗形式實(shí)現(xiàn)的VSG目前使用較少。2變壓器形式VSG基于變壓器形式實(shí)現(xiàn)的 VSG應(yīng)用很廣泛，其中又可以分為2類：以單個(gè)升壓或降壓變壓器組合形式實(shí)現(xiàn)的 VSG和以中心抽頭變壓器形式實(shí)現(xiàn)的VSG升降壓變壓器組合形式的 VSG拓?fù)淙鐖D2所示。圖2( a)是并聯(lián)方式，其中變壓器1是降壓變壓器，此時(shí)的電網(wǎng)是高壓電 網(wǎng)，普通低壓電網(wǎng)條件下可以省去變壓器1，電壓跌落通過變壓器 2和開

6、關(guān)S1、S2實(shí)現(xiàn)；正常運(yùn)行時(shí)，S1閉合，S2斷開，負(fù)載由電網(wǎng)通過變壓器1供電，當(dāng)需要電壓跌落時(shí)，閉合S2, 即可使負(fù)載電壓近似降至零，斷開S1即可使跌落結(jié)束，恢復(fù)負(fù)載的正常供電。并聯(lián)方式中， 電壓跌落是通過變壓器 2副邊對(duì)地短路實(shí)現(xiàn)的，因而變壓器2必須有較強(qiáng)的抗電流沖擊能 力。圖2( b)是串聯(lián)形式，降壓變壓器和升壓變壓器的變比相反，正常運(yùn)行時(shí)開關(guān)組1閉合， 開關(guān)組2斷開，電網(wǎng)電壓經(jīng)兩級(jí)變壓器先降壓后升壓對(duì)負(fù)載供電，斷開開關(guān)組1同時(shí)閉合開關(guān)組2，貝U使負(fù)載電壓跌至降壓變壓器的副邊電壓，當(dāng)斷開開關(guān)組2同時(shí)閉合開關(guān)組1時(shí)，負(fù)載電壓恢復(fù)正常。中心抽頭變壓器形式實(shí)現(xiàn)的VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中(a

7、)是單相結(jié)構(gòu)，（b）是三相結(jié)構(gòu)。以單相結(jié)構(gòu)為例說明，正常運(yùn)行時(shí)，開關(guān)S1閉合,S2斷開，此時(shí)變壓器的變比為1 : 1,當(dāng)S1斷開同時(shí)S2閉合時(shí),使負(fù)載接入變比較小的中間抽頭,從而獲得電壓跌落，當(dāng)斷開S2重新閉合S1時(shí)，電壓跌落結(jié)束電網(wǎng) 變斥器1開關(guān)綃2（b） -T聯(lián)形式00 2升降壓變壓器組合形戎的Fig.2 VSGs with step - up and step * down traiififimners變壓器形式VSG中，最常用的開關(guān)器件是接觸器，功率可以做到很大，但是接觸器、繼電器 等器件由于自身結(jié)構(gòu)的原因，動(dòng)作時(shí)間難以精確控制，使用中可能會(huì)出現(xiàn)短暫的電壓中斷，并且可能會(huì)產(chǎn)生較大的電壓

8、和電流尖峰，這對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的測(cè)試很不利，極有可能損害電機(jī)絕緣和電力電子器件，同時(shí)接觸器等器件使用壽命有限，易受環(huán)境影響，因此目前大部分此類VSG使用電子開關(guān)嗎，如靜態(tài)開關(guān)（雙向晶閘管）等。采用靜態(tài)開關(guān)組成的交流開關(guān)，具有 體積小、重量輕、開關(guān)速度快、動(dòng)作無噪音、無火花、壽命長(zhǎng)、耐振動(dòng)、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而較為適合風(fēng)力系統(tǒng)測(cè)試中對(duì)高功率等級(jí)、可靠性、簡(jiǎn)單易行和低成本VSG的要求。（a）單相結(jié)構(gòu)電網(wǎng)側(cè)CoS, cS3c n(h)三相結(jié)構(gòu)圖3中心抽頭變壓器理式的Fig.3 VSCs wilh ccniprtapped fransfnrniHr變壓器形式實(shí)現(xiàn)的VSG最大的不足在于功率較大時(shí)，變壓

9、器的體積和重量很大，不便 攜帶，同時(shí)對(duì)于普通變壓器，變比是不可調(diào)的，因而也只能獲得固定的電壓跌落深度，而且對(duì)于帶中心抽頭的變壓器 ，設(shè)計(jì)和工藝要更復(fù)雜一些。 采用半控型器件晶閘管組成交流開 關(guān)時(shí)，電壓的切換只能發(fā)生在輸出電壓或電流的過零點(diǎn)，不能對(duì)電壓跌落的相位進(jìn)行控制如果采用GTO等可關(guān)斷的大功率電力電子器件 ，則可以做到對(duì)相位的精確控制。相對(duì)于阻抗 形式，變壓器形式的VSG能量損耗很小，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，而且如果變壓器的變比 可調(diào)，則可以方便地調(diào)節(jié)電壓跌落的深度。3電力電子變換形式 VSG基于電力電子變換的 VSG方案，形式非常靈活，功能很強(qiáng)大，可以使用交流電力控制電 路、交交變頻電路

10、以及交直交變換器等，并且由于較高的開關(guān)頻率，可以使無源器件的體積大大減小，從而降低VSG勺重量，便于攜帶，有利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要。使用交流調(diào)壓電路的 VSG拓?fù)淙鐖D4所示，類似于DC- DC變換中的Buck電路，不同之處在于輸入是交流正弦電 壓，而開關(guān)則采用2組雙向開關(guān)，由雙向開關(guān)1對(duì)輸入電壓進(jìn)行斬波，雙向開關(guān)2進(jìn)行續(xù) 流13，并通過LC構(gòu)成的低通濾波器，為負(fù)載提供標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓。2組開關(guān)的狀態(tài)互補(bǔ)通過控制導(dǎo)通占空比可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓，從而獲得需要的電壓跌落深度。fit向開關(guān)1圖4交涼調(diào)壓農(nóng)式的（；Fig.4 VSG with AC voltage controller電力電子變換形式的 VSG, 般采用功率二極管、IGBT等作為開關(guān)器件，但是受器件功 率的制約,功率等級(jí)不能做大,也可以選擇GTO和IGCT等器件