一种新的阻抗型电压跌落发生器设计

(宝鸡文理学院电子电气工程学院，陕西 宝鸡 721016)

0 引言

近年来，随着光伏太阳能、风能等新能源发电技术的日益发展，世界各国相继出台政策，要求新能源并入电网后，发电机组必须具备一定的低电压穿越能力(LVRT)[1- 2]。然而，由于故障的发生具有不可预见性和不可操作性，因此，急需研究一种高性能的、能模拟各种电网故障的电压跌落发生器(VSG)，来测试机组的低电压穿越能力[3- 4]。

目前，应用于光伏太阳能、风能等新能源低电压穿越测试的VSG主要有变压器形式、电力电子变换器形式和阻抗形式[5]。其中，变压器形式的VSG受功率等级限制，在功率较大时所需的变压器体积及重量均较大，移动运输不方便[6]；电力电子变换器形式的VSG虽控制精度较高，但控制策略复杂[7]；阻抗型VSG利用串、并联阻抗来实现电压跌落，结构简单，应用较为广泛，且文献[8]研究表明，阻抗形式VSG 是低成本实现VSG 的方案。但该类型VSG也因阻抗参数的不可变性导致电压跌落深度等级有限。针对这一不足，文献[9]提出一种利用20个电气开关及10个限流电抗器组成的阻抗型VSG拓扑结构，可实现单相及三相电压跌落试验；文献[1]研制了继电器、限流电阻以及上位机控制的变压器形式VSG，使电压跌落操作过程更加方便、直观。

在前述研究基础上，基于阻抗型VSG的结构特点，设计了一种结构简单、电压跌落等级及时间可调的VSG，加入的限流电抗器在电压跌落及恢复期间投入，有限抑制了电压突变引起的过冲及振荡。设计的样机实验中，根据风力发电及光伏LVRT 电网电压跌落测试规格，测试了不同的电压跌落深度及持续时间，验证了本设计的有效性。

1 新型阻抗型VSG拓扑结构

基于阻抗型VSG的结构，设计的新型VSG拓扑如图1所示。包括三相旁路开关S1、串联分支的三相阻抗Z1、副边带抽头的三相变压器T、并联阻抗Z2以及接地开关S6和S8。三相变压器原副边具体结构如图2所示。其中，L2,L3,L4为变压器副边的3组抽头；ZT1,ZT2,…,ZT6为电压跌落和恢复期间的限流电抗器；STA1,STA2,STA3和STA4为U相电压跌落转换开关，V与W相同上。

模拟电网电压跌落的具体工作过程如下：当电网电压正常时，三相旁路开关S1闭合→变压器原边开关S2→并联开关S5断开，电网直接向发电机供电。以A相为例，当模拟电网发生轻度电压跌落时，S1断开→S2闭合→STA1闭合(U相直接与副边L1相连)→S3闭合，通过调节开关的作用时间，即可实现跌落时间的控制。仍以U相为例，当要实现不同程度的电压跌落时，操作过程为：S1断开→S2闭合→STA1闭合(A相直接与副边L1相连)→STA2闭合(防止L1向L2切换过程中发生短路现象，抑制抽头变换电压跌落过程出现的冲击)→STA1断开→STA3闭合→STA2断开→S3和S5闭合，模拟不同的电压跌落深度。电压恢复过程的操作顺序为：STA4闭合(抑制抽头变换电压恢复过程出现的冲击)→STA3断开→STA1闭合→STA4断开→S2断开→S1闭合。同理，V和W相的跌落过程可调节变压器副边抽头L3和L4。

为了精确地模拟电网电压跌落到0%的工况，并联了旁路开关S4，工作过程为：S1断开→S4闭合→S5闭合。

图1 新型阻抗型VSG拓扑结构

图2 三相抽头变压器副边结构

上述分析表明，变压器副边L2，L3，L4选择不同的变比抽头，再配合S3和S5不同的开关组合，U，V，W三相即可选择不同的电压跌落深度，控制开关作用时间，即可控制跌落电压持续时间。

2 新型阻抗型VSG参数设计

风力发电系统中，对于阻抗型VSG的设计，一般遵循以下原则[10]：

a.在电压跌落期间和恢复后，双馈风力发电系统的电压必须在95%以上。

b.测试点的短路容量必须大于5 倍的风机的额定功率。

根据图1，绘制电网与VSG的等值电路如图3所示。其中，Zc- net为电网的短路阻抗，Zc- T1为电网配电变压器的短路阻抗，Z1为三相电网上串联分支的三相串联阻抗；Zc- T为电网并联分支变压器T的短路阻抗；Z2为并联分支的三相阻抗。

图3 网络阻抗连接等效结构

为了遵循原则a，串联阻抗Z1、并联变压器T及阻抗Z2应满足下列表达式：

|Z1+Zc-T+Z2|≥|Zc- net+Zc-T1+Z1+Zc-T+Z2|

(1)

其中，Zc- net可写成如下表达式：

(2)

Us为电网电压；SC为测试点的短路容量。

为了遵循原则b，测试点的短路容量SC和风力机的短路容量SDFIG应满足下列表达式：

SC≥5SDFIG

(3)

即，阻抗满足如下关系：

(4)

设所要模拟的电压跌落深度为Udip，则式(4)还可以写为：

(5)

若要求电压跌落深度为0.2，则

|Zc- net+Zc- T1|≤4|Zc- T+Z2|

(6)

若要求电压跌落深度为0%，则Zc- T+Z2=0，相当于模拟电网电压跌落过程中不投入抽头变压器T及并联阻抗Z2，这与前面的结构分析相一致。

3 设计结果验证

为了验证所提阻抗型VSG结构的有效性，设计了额定容量为50 kVA的实验样机。为了减小损耗和占地面积，样机中的电抗器均采用干式、空心、瘦长型抗器，开关均采用户内真空断路器。运行结果通过Tek公司DPO 3054示波器捕获。

根据国家标准GB/T 19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》和《风电场接入电网技术规定》，低电压穿越测试规格如表1和表2所示[11- 14]。

表1 光伏低穿VSG测试规格

表2 风电低穿VSG测试规格

按照上述测试要求，在设计的VSG上分别模拟了不同等级的电网电压跌落试验。图4～图6分别为三相电压跌落至0.9，0.8，0.6，0.5，0.4，0.35，0.2及0跌落持续相应测试时间时的电压波形。可以看出，跌落深度和跌落时间均可按要求准确控制，由于变压器中附加的限流电抗器作用，在故障跌落及恢复瞬间，电压未产生畸变，无明显过冲。图7为模拟的两相及单相跌落故障，由图7可知，该设计可实现不对称跌落模拟，满足光伏太阳能及风力发电机组低电压穿越测试要求。

图4 三相电压对称跌落至0.9时的波形

图5 三相电压对称跌落测试波形

图6 三相电压对称跌落至0.2和0时测试波形

图7 三相电压不对称跌落测试波形

4 结束语

针对光伏太阳能、风力发电等低电压穿越测试要求，提出了一种基于并联抽头变压器的阻抗型VSG拓扑结构，并对其串、并联阻抗参数设计进行了说明。设计的50 kVA实验样机测试结果表明，该结构可模拟单相、两相及三相的不同电压跌落深度及跌落时间，附加的限流电抗器在一定程度上能对暂态电压起抑制作用，提高了故障电压模拟的真实性，满足低电压穿越测试要求。