电压跌落发生器

电压跌落发生器
电压跌落发生器
直流电压跌落发生器主要针对由直流配电系统供电的电气和电子设备在运行时，受到供电电源电压暂降短时中断或电压变化的抗扰度所带来的影响建立一个共同准则。

电压跌落发生器研究
一般, 当电网电压跌落至一定程度时, 风电系统便会自动脱网, 而随着风电发电量的增加, 这种方法对电网的影响已经不能忽略。

目前, 风力发电占主导地位的一些国家, 如丹麦、德国等国相继制定了新的电网运行准则, 要求风电系统具有低电压穿越能力LVRT( Low Voltage Ride - Through) , 只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网, 当电压在凹陷部分时, 发电机应提供无功功率,这对风电系统测试提出了新的要求。

因为电网故障的不可控性, 因此必须有专门的设备用于测试风力发电系统在电压跌落发生时的穿越能力, 这种设备称为电压跌落发生器VSG(VoltageSag Generator) 。

电压跌落是最为常见的电网故障,其故障类型和比例为: 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,VSG 必须能够产生这些故障类型。

对电压跌落深度的要求一般是跌至50 % 以下甚至到零, 持续时间为0.5 到数百个电网电压周期, 而典型的低电压穿越曲线中, 电压需跌落至15 % 以下, 持续时间为300 ms。

实际风电系统测试中对VSG 的需求不断增加, 可行性强的VSG 方案要满足3 个方面的要求: 高功率等级, 实现简单和成本低, 并要综合考虑测试、成本等多方面的因素。

在对现有风力发电系统用VSG 方案进行详细总结基础上, 把VSG 拓扑结构归结为以下3 类: 阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式的VSG,
1 阻抗形式VSG
基于阻抗形式实现的VSG, 通过在主电路中并联或串联电阻/ 电抗实现电压跌落。

图1 是阻抗形式VSG 的拓扑结构, 其中又分为并联方式和串联方式。

并联阻抗方式见图1( a) , 通过阻抗1 与阻抗2 以及负载阻抗的适当匹配, 正常情况下, 能量流经阻抗1进入负载, 当开关闭合时, 因为阻抗2 的值相对较小,因而使负载上的电压发生跌落, 当开关断开时, 负载电压恢复正常。

串联阻抗方式见图1( b) , 所串联的阻抗也需要与负载阻抗相匹配以产生预期的电压跌落, 正常运行时, 开关闭合, 电网直接对负载供电, 当开关断开时, 由于串联阻抗相对较大, 从而使负载上的电压下降。

这种方式实现的VSG, 如果阻抗本身不能改变,所得到的电压跌落深度是不可调节的,
因此, 如果并联或串联的是可变阻抗, 则可以得到可变的电压跌落深度。

其中, 开关器件可以是继电器、接触器或者晶闸管, 例如并联方式中开关若是双向晶闸管, 则类似于晶闸管投切电抗器, 实际中继电器和接触器使用较多, 但是也存在很多问题。

阻抗形式的VSG 结构简单, 实现方便, 但是由于阻抗在正常运行或电压跌落时流过功率, 因此必须选择大功率的阻抗器件, 并且能量损耗较大, 同时当电压跌落发生时负载侧
无法向电网馈送能量, 不能进行风电系统无功调节等功能的研究, 而且当负载变化时, 阻
抗的匹配关系也发生变化, 使电压跌落深度难以有效控制。

因此, 阻抗形式实现的VSG 目前使用较少。

2 变压器形式VSG
基于变压器形式实现的VSG 应用很广泛, 其中又可以分为2 类: 以单个升压或降压变
压器组合形式实现的VSG 和以中心抽头变压器形式实现的VSG。

升降压变压器组合形式的VSG 拓扑如图2 所示。

图2( a) 是并联方式, 其中变压器1 是降压变压器, 此时的电网是高压电网, 普通低压电网条件下可以省去变压器1, 电压跌落通过变压器2 和开关S1、S2实现; 正常运行时, S1 闭合, S2 断开, 负载由电网通过变压器1 供电, 当需要电压跌落时, 闭合S2, 即可使负载电压近似降至零, 断开S1 即可使跌落结束, 恢复负载的正常供电。

并联方式中, 电压跌落是通过变压器2 副边对地短路实现的, 因而变压器2 必须有较强的抗电流冲击能力。

图2( b) 是串联形式, 降压变压器和升压变压器的变比相反, 正常运行时开关组1 闭合, 开关组2 断开, 电网电压经两级变压器先降压后升压对负载供电, 断开开关组1 同时闭合
开关组2, 则使负载电压跌至降压变压器的副边电压, 当断开开关组2 同时闭合开关组1 时, 负载电压恢复正常。

中心抽头变压器形式实现的VSG 拓扑结构如图3 所示, 其中( a) 是单
相结构, ( b) 是三相结构。

以单相结构为例说明, 正常运行时, 开关S1 闭合, S2 断开,此时变压器的变比为1∶1, 当S1 断开同时S2 闭合时,使负载接入变比较小的中间抽头, 从而获得电压跌落,当断开S2 重新闭合S1 时, 电压跌落结束
变压器形式VSG 中, 最常用的开关器件是接触器, 功率可以做到很大, 但是接触器、继电器等器件由于自身结构的原因, 动作时间难以精确控制, 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, 因此目前大部分此类VSG 使用电子开关, 如静态开关( 双向晶闸管) 等。

采用静态开关组成的交流开关, 具有体积小、重量轻、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, 因而较为适合风力系统测试中对高功率等级、可靠性、简单易行和低成本VSG 的要求。

变压器形式实现的VSG 最大的不足在于功率较大时, 变压器的体积和重量很大, 不便
携带, 同时对于普通变压器, 变比是不可调的, 因而也只能获得固定的电压跌落深度, 而
且对于带中心抽头的变压器, 设计和工艺要更复杂一些。

采用半控型器件晶闸管组成交流开关时, 电压的切换只能发生在输出电压或电流的过零点, 不能对电压跌落的相位进行控制, 如果采用GTO 等可关断的大功率电力电子器件,则可以做到对相位的精确控制。

相对于阻抗形式, 变压器形式的VSG 能量损耗很小, 同时结构简单、容易实现, 而且如果变压器的变比可调, 则可以方便地调节电压跌落的深度。

3 电力电子变换形式VSG
基于电力电子变换的VSG 方案, 形式非常灵活,功能很强大, 可以使用交流电力控制电路、交交变频电路以及交直交变换器等, 并且由于较高的开关频率, 可以使无源器件的体积大大减小, 从而降低VSG的重量, 便于携带, 有利于现场测试的需要。

使用交流调压电路的VSG 拓扑如图4 所示, 类似于DC- DC变换中的Buck 电路, 不同之处在于输入是交流正弦电压, 而开关则采用2 组双向开关, 由双向开关1 对输入电压进行斩波, 双向开关2 进行续
流[13] , 并通过LC 构成的低通滤波器, 为负载提供标准的正弦电压。

2 组开关的状态互补, 通过控制导通占空比可以方便地调节输出电压, 从而获得需要的电压跌落深度。

电力电子变换形式的VSG, 一般采用功率二极管、IGBT 等作为开关器件, 但是受器件功率的制约,功率等级不能做大, 也可以选择GTO 和IGCT 等器件以提高功率等级, 但是对于大功率风电系统, 使用电力电子器件成本很高, 同时控制复杂, 可靠性不够高, 而且器件自身抵抗电网故障时电压、电流冲击的能力有限, 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, 电力电子形式的VSG不是优选方案。