风力发电用VSG的比较研究

不同故障条件下风电系统测试的需求。

　　基于全功率变流器的VSG，通常采用IGBT作为功率器件，与基于变压器和双向开关的VSG比较，具有体积小、重量轻、功能更强大等优势；但是控制复杂，成本较高，而且IGBT等器件自身抵抗电网故障时电压、电流冲击的能力有限，可靠性不够高，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，基于全功率变流器的VSG 不是优选方案。

3 实验结果

　　3.1 基于变压器和双向开关的VSG 实验结果

　　根据前面所述基于变压器和双向开关的VSG的工作原理，构建了实验样机，变压器采用三相自耦变压器，双向开关分别使用接触器、晶闸管和IGBT，控制器采用DSP，对使用三种双向开关的情况进行了实验对比。对分别使用接触器和IGBT的VSG 进行了三相跌落实验，由于使用晶闸管的VSG进行了三相跌落时存在不同步的问题，因此对使用晶闸管的VSG只进行了单相跌落实验。

　　图3 是采用接触器作为双向开关的三相VSG跌落实验波形，Ch1 为a 相输出电压，Ch2 为b 相输出电压（图中显示值与真实值的关系为1:70）。

　　图3（a）为空载两相跌落波形，电压跌落发生及恢复处波形比较连续；图3（b）为带载单相跌落波形，可见电压跌落发生及恢复处都存在一段时间的电压中断，在电压恢复时有较大的电压尖峰，这是由于接触器的动作时间较慢，难以对开通和关断的时刻进行精确控制，在正常运行与故障运行之间进行切换时，两通路的接触器存在同时关断的时间，造成了输出电压的中断，同时由于变压器漏感的存在，会在切换时形成较大的电压尖峰，可能会对被测试设备产生不良影响。

　　图4 是采用晶闸管作为双向开关的单相VSG跌落实验波形，图4（a）中Ch1为电压跌落控制信号，图4（b）中Ch1 为带阻性负载时的输出电流波形，Ch2为输出电压波形。图4（a）显示了电压跌落控制信号和输出电压波形，当跌落发生时，输出电压有效值从220 V 跌至22 V，跌落至额定电压的10%左右，电压在过零点衔接的很好，没有出现电压中断、电压尖峰等，跌落持续时间为300 ms；跌落控制信号为低有效，可以看到跌落启动时控制信号Q1 产生一个下降沿，之后输出电压的过零点，电压发生了由高到低的切换，实现了电压跌落；同样恢复时控制信号Q1 的上升沿产生之后，输出电压在过零点发生由低到高的切换，实现了电压恢复。当跌落发生及恢复时，输出电压衔接较好，过零点没有电压畸变，也没有出现电压中断电压尖峰等，相对图3输出波形质量有很大改善，但是切换均发生在电压或电流的过零点，因此对三相VSG会出现相间跌落不同步的问题。

　　图5 是采用IGBT 作为双向开关的三相VSG跌落实验波形，对15%-200 ms 电压跌落情况进行实验，图中Ch1 为跌落控制信号（图中显示幅值即为真实值），跌落控制信号为高有效，Ch2、Ch3、Ch4 分别为a、b、c 三相输出相电压（图中显示值与真实值的关系为1:40）。图5 中分别给出了单相跌落、两相跌落、三相跌落及三相跌落局部放大的实验波形，从实验波形看，输出电压可以有效响应跌落控制信号，输出电压波形跌落及恢复处衔接良好，没有电压中断、尖峰等问题，可以对电压跌落发生及恢复的时刻进行控制；调节变压器变比，可以方便地得到需要的电压跌落深度，可以灵活地得到任意相及持续时间的电压跌落。相对以上两种双向开关方案，使用IGBT作为双向开关，既能获得良好的输出电压波形，又能方便地模拟各种类型的电压跌落故障，同时又具有变压器形式的VSG 的优势，控制简单，能够为验证风电机组的低电压穿越能力提供了更为有利的试验条件。

　　3.2 基于全功率变流器的VSG实验结果

　　根据前面所述基于全功率变流器的VSG 的工作原理，构建了实验样机，双DSP 控制，功率器件采用IGBT，电网侧变流器用来实现网侧单位功率因数控制及稳定直流侧电压，负载侧变流器用来实现电压跌落。

图6 为基于全功率变流器的三相VSG 跌落实验波形，Ch1、Ch2、Ch4 分别为a、b、c 三相输出电压，图6（a）与图远（b）分别对应跌落50%和15%。从波形中可以看到，跌落发生时三相电压过渡比较平滑，但是存在一定的波动，电压跌落深度较大时，电压波动更严重一些；在电压恢复时刻，某相电压会出现尖峰，并且随电压跌落深度的增加，尖峰的幅值也有变大的趋势。需要对控制进行优化来解决这些问题。基于全功率变流器的VSG控制灵活，功能强大，可以方便地模拟各种类型的电网电压跌落故障，还可以模拟其他类型的电网电压故障，反应速度快，能够满足不同测试场