電網電壓跌落發生器原理概述

李富亮 李東偉 尤軍鋒

摘要：電壓跌落發生器（VSG） 是模擬各種類型的電壓跌落故障，用于測試風力發電系統設備的低電壓穿越能力的一種設備。SVG實現方法有三種形式，阻抗形式VSG、變壓器形式VSG、電力電子變換形式VSG，本文在分析三種實現方式優缺點的基礎上，論述了電力電子變換形式VSG的工作原理和實現方法。

關鍵詞：風力發電系統；低電壓穿越；電壓跌落發生器

一、VSG阻抗的形式

用阻抗搭建組成的VSG，跌落電壓是采用調節在主電路中串聯或者并聯這些元件實現。

用阻抗組合搭建的VSG具有的特點為：結構簡單、實現方式方便，但電路中的功率會通過這些元件消耗大量的能量，并且功率特別大，因此在選擇阻抗器件時，應該選擇較大的損耗能量，并且功率大；對于風電系統無功調節、負載無法向電網饋送電能等電壓跌落的現象，VSG的阻抗形式無法進行研究，并且負載的變化，需要有相匹配的阻抗相對應，不能有效控制電壓跌落的深度，并且能量損耗較大，所以，目前VSG的阻抗形式使用的最少。

二、VSG的變壓器形式

VSG的變壓器形式，在實現方式有兩種，其不同特點主要體現在核心元件變壓器上：其中一種是采用變壓器具有中心抽頭功能形式實現的VSG，另一種是通過組合變壓器實現升壓降壓功能。

由于變壓器實現形式的VSG核心元件為變壓器，因此VSG的體積和重量由變壓器決定，VSG的攜帶這方面特別不方便。在VSG產生的電壓跌落深度方面，變壓器為固定變比時，跌落電壓的深度不變；當變壓器帶有中心抽頭時，在工藝和設計方面要復雜很多。跟阻抗形式的VSG相比，變壓器形式不僅具有實現容易、結構簡單、能量損耗小，而且如果變壓器采用帶中心抽頭的，電壓跌落的深度可以方便調節等優點。

三、VSG的電力電子變換形式

電力電子發展至今，采用VSG的電力電子變換方案，具有強大的使用功能和非常靈活的組成形式。目前主要的組成形式有交交變頻電路的組成形式、交直交變換器形式、交流電力控制電弧形式等。這些組成形式的VSG不僅具有較高的開關頻率，而且極大的減小了這些無源器件的體積。電力電子變換形式的VSG不僅降低了重量，而且攜帶方便，給現場測試創造了有利條件。

VSG中電源采用交流調壓架構的電路，如1圖所示。開關為雙向的開關，通過兩組雙向的開關搭建而成，對電壓實現斬波處理的采用雙向的開關1，起到續流功能的為雙向的開關2，LC回路構成了低通濾波器，進而輸出標準的正弦波電壓供負載使用。通過控制這兩組開關的相互補充和LC組成的低通濾波器，調節占空比實現不同低落深度的電壓。

VSG的交直交變換形式，主要采用DSP或者單片機處理單元。通過核心處理器的控制，輸出各種需要的故障波形，電路架構圖如圖2所示。

經過交直交變換器處理后的電網電壓給負載提供電壓。整流器可以采用兩種實現形式，其中一種是三相不可控整流電流，另一種是整流的電路使用SPWM進行完全的控制；這兩種的形式中功率的因數由整流器控制它的輸入、保證了電壓在直流側的穩定性。控制整流器輸出的電壓的大小，輸出不同跌落電壓的波形，為現場需要提供，不同種類的故障形成電網的電壓通過模擬輸出，如三相不對稱故障、過電壓、諧波、欠電壓、電壓跌落、閃變等。所以交直交形式的變換器功能強大，可以模擬各種故障條件，滿足各種風電系統的測試需求，因此這種形式得到了廣泛的應用。

VSG的電力電子變換形式，開關器件一般采用功率二極管、IGBT等，但由于這些器件的功率受到制約，功率等級做不大。另外一種開關器件可以選擇GTO、IGBT等大功率器件。但是，由于VSG的電力電子變換形式具有獨特的優勢，電力電子變換的形式在國內外研究的非常廣泛。

四、結語

VSG的阻抗形式、VSG的變壓器形式、VSG的電力電子變換形式是目前電壓跌落發生器的三種實現方式。其中VSG的電力的電子實現形式在功能方面具有非常大的優勢，隨著科技的發展，電力電子的技術領域的各種模塊不斷集成化，功率不斷增大，必將成為電壓跌落發生器發展的主要方向。隨著風電技術的發展，風電設備性能不斷提高，電壓跌落發生器的性能也將隨著不斷地增強。

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