用于低电压穿越测试的电压跌落发生器研究

电网电压跌落发生器原理概述作者：李富亮李东伟尤军锋来源：《科技风》2018年第25期摘要：电压跌落发生器（VSG）是模拟各种类型的电压跌落故障，用于测试风力发电系统设备的低电压穿越能力的一种设备。

SVG实现方法有三种形式，阻抗形式VSG、变压器形式VSG、电力电子变换形式VSG，本文在分析三种实现方式优缺点的基础上，论述了电力电子变换形式VSG的工作原理和实现方法。

关键词：风力发电系统；低电压穿越；电压跌落发生器一、VSG阻抗的形式用阻抗搭建组成的VSG，跌落电压是采用调节在主电路中串联或者并联这些元件实现。

用阻抗组合搭建的VSG具有的特点为：结构简单、实现方式方便，但电路中的功率会通过这些元件消耗大量的能量，并且功率特别大，因此在选择阻抗器件时，应该选择较大的损耗能量，并且功率大；对于风电系统无功调节、负载无法向电网馈送电能等电压跌落的现象，VSG的阻抗形式无法进行研究，并且负载的变化，需要有相匹配的阻抗相对应，不能有效控制电压跌落的深度，并且能量损耗较大，所以，目前VSG的阻抗形式使用的最少。

二、VSG的变压器形式VSG的变压器形式，在实现方式有两种，其不同特点主要体现在核心元件变压器上：其中一种是采用变压器具有中心抽头功能形式实现的VSG，另一种是通过组合变压器实现升压降压功能。

由于变压器实现形式的VSG核心元件为变压器，因此VSG的体积和重量由变压器决定，VSG的携带这方面特别不方便。

在VSG产生的电压跌落深度方面，变压器为固定变比时，跌落电压的深度不变；当变压器带有中心抽头时，在工艺和设计方面要复杂很多。

跟阻抗形式的VSG相比，变压器形式不仅具有实现容易、结构简单、能量损耗小，而且如果变压器采用带中心抽头的，电压跌落的深度可以方便调节等优点。

三、VSG的电力电子变换形式电力电子发展至今，采用VSG的电力电子变换方案，具有强大的使用功能和非常灵活的组成形式。

目前主要的组成形式有交交变频电路的组成形式、交直交变换器形式、交流电力控制电弧形式等。

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。

用于风力发电的电压跌落发生器目前我国的风电技术大多还停留在理想电网条件下的风电机组的运行控制，而实际电网中存在有各类对称、不对称故障发生。

电网标准要求风力发电系统必须具备低电压穿越能力，因此，大容量并网型风力发电机在电压跌落下的控制策略研究是一个亟待解决的问题。

为了研究和测试风电系统的低电压穿越能力，必须利用具有专门模拟电网电压故障的设备，此类设备称为电压跌落发生器(VSG)[2]。

可行性强的电压跌落发生器可以产生各种不同类型的电压跌落，满足电压跌落深度的要求，可控电压跌落相位及跌落时间，具有高功率、易实现和低本钱的特点。

本文提出一种新型的电压跌落发生器，它可模拟单相、两相及三相电压跌落，且电压跌落的持续时间、跌落深度、起止相位和跌落类型均可调，具有操作简单、可靠性高、实时性好等特点，适用于风电机组及其他电气、电子产品在电网电压故障情况下的性能测试和研究。

1 电压跌落发生器目前，国内外针对电压跌落发生器展开了研究。

参考文献[2－4]论述了3种形式(阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式)的VSG实现方法。

(1)阻抗形式的VSG。

利用继电器、接触器或晶闸管将电阻/电抗器串联或并联到主电路中实现电压跌落。

这种方案构造简单，实现方便，但由于受电阻功率的限制，往往要求较大阻值的电阻，这使得电压跌落较深，且损耗较大。

如果串/并联的阻抗是固定的，导致电压跌落深度不可调，由于负载的变化即使采用了可变电阻也会引起阻抗匹配关系改变，使得跌落深度难以有效控制。

阻抗的存在使负载侧的设备无法向电网馈送能量，因此无法用此设备进展无功补偿。

受开关器件的限制，电阻形式的VSG无法实现三相电压的同时跌落。

这些缺点影响了阻抗型VSG的使用。

(2)变压器形式的VSG有2类：①采用继电器将变压器并联或串联到主电路中，来实现电压跌落；②利用中心抽头在变压器副边相互切换实现电压跌落。

当采用变压器并联方式时，其中1个变压器要工作在副边对地短路的故障状态才能实现电压跌落，这要求其具有较强的抗电流冲击能力，从而导致此变压器价格过高[2]。

背景近几年来我国的风力发电机组装机容量始终在快速增加，并呈现逐年递增的趋势，其安装的类别大致可分为以下两种：恒速恒频风电机组和变速恒频风电机组[5]。

VSCF(Variable Speed Constant Frequency,变速恒频)风电机组能够使风力机随着因风速变化引起的捕捉风能的变化而改变发电机的转速，这样的柔性控制策略的优点是：使风机能够吸收阵风的能量；减少传动杆的机械应力；同时可以让风力机最大程度的捕获风能，从而提高风力机风能利用率。

正是因为这些优点是CSCF(Constant Speed Constant Frequency,恒速恒频)风电机组无法与VSCF风电机组相比的，所以VSCF技术是目前国内外风电研究领域的热点。

在VSCF机组之中，还有两大分支，分别是双馈感应异步发电机风电机组和直驱永磁同步发电机风电机组。

DFIG(Doubly Fed Induction Generator,双馈感应异步发电机)是早期大量建设的机组，至今仍占据风电市场的大半份额，是现在VSCF机组中的主流机组。

DFIG 要满足并网发电的要求，其发电机转速必须要高，但风力机的转速达不到要求的高速，故风力机与发电机之间通过升速齿轮箱连接，使其可以在低风速条件下提高转速，满足发电要求。

但是升速齿轮箱以及发电机中碳刷和滑环的存在会使系统结构复杂，不便维护与维修。

D-PMSG(Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Generator,直驱永磁同步发电机)是近几年才发展起来了的机组，以永久磁铁励磁代替电励磁，同时用增加磁极对数的方法解决低风速下发电问题，抛弃了升速齿轮箱，减少了中间环节的传动部件，简化了系统结构，缩减了维修费用，从而使系统的可靠性得以增加。

并且机组采用了全功率PWM变流器，提高了机组发生电网故障时的抵抗能力，由此可知D-PMSG将会成为VSCF机组未来的发展趋势[6]。

基于PI-PR控制的光伏系统低电压穿越技术的研究黄旭召;谢源;王致杰;陈丽娟【摘要】提出了一种基于比例积分-比例谐振（PI-PR）控制策略,实现了单位功率因数并网,解决了故障期间的低电压穿越问题。

通过MATLAB/Simulink进行仿真,验证了PI-PR控制方法在电网发生电压短路故障时,可以同时实现抑制谐波和快速发出无功功率,为研究光伏系统低电压穿越谐波抑制提供了理论参考。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2015(000)023【总页数】6页(P57-62)【关键词】并网逆变器;PI-PR控制;无功功率输出;谐波抑制;低电压穿越【作者】黄旭召;谢源;王致杰;陈丽娟【作者单位】上海电机学院电气学院,上海201306;;;;【正文语种】中文【中图分类】TM4640 引言化石燃料的大量消费，储存量日渐减少，化石能源面临枯竭的处境，开发利用环境友好的可再生能源成为了世界各国共同关注的课题［1］。

为了解决能源危机及更好地保护环境，要寻清洁、无污染的新型能源来替代不可再生的化石能源［2］。

太阳能光伏发电具有清洁环保、储量丰富、分布广泛、应用灵活、既可集中发电又可以分布式发电等优点，必将成为未来新能源发电的主力军［3］。

目前，大容量光伏发电系统并网发展迅速，低电压穿越能力是其并网的重要指标之一，对电网的可靠并网及安全运行具有重要意义［4-5］。

文献［6］分析了光伏系统利用超级电容来实现故障时有功平衡和直流侧电压、电流的稳定，该方法增加了资本投入，降低了经济性。

文献［7-8］研究了光伏系统低电压穿越控制策略，缺点是无法抑制故障时的谐波电流，降低了电能质量。

考虑到正常运行电网发生故障的低压状态时间较短，添加硬件就会增加成本，经济性不佳。

本文对传统的比例积分和比例谐振(Proportion Integration-Proportion Resenant，PI-PR)控制方法进行了改进，提出了一种改进的PI-PR控制方法。

风力发电低电压穿越技术探究摘要：风力发电机组在运行过程中，对于自然因素的依赖性较大，风力的不确定性使得其很容易出现电压跌落的情况，要求技术人员能够借助低电压穿越技术来对电压跌落带来的问题进行解决。

基于此，电力企业应该从电网发展的实际情况出发，对管理策略进行规范，以低电压穿越技术来推动风电事业的发展。

关键词：风力发电;低电压穿越技术;引言风力发电机在正常运行中，极易出现的问题就是电压跌落，如何更好地通过低电压穿越技术去除电压跌落方面的问题，是目前风力发电领域所研究的重点。

结合目前我国所存在的电网并网问题制定有效的管理标准，全面提升低电压穿越测试技术水平，从而更好地促进我国风力发电事业的发展。

1低电压穿越能力概述随着风电接入规模及其对系统的影响日益加剧，世界各国针对风电系统并入电网相继制定了相应的并网导则或规范，其中对风电系统低电压穿越能力的要求一般包括几个方面：需承受的电压跌落范围和不间断运行时间、低电压下需提供的无功支撑能力和响应速度，以及电网电压恢复后风电机组恢复正常功率输出的时间等。

我国国家标准GB/T19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》对风电场的低电压穿越也做出了相关要求，即并网点电压跌至20%标称电压、持续时间不超过625ms，或并网点电压跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风电机组能够保证不脱网运行。

此外，要求风电场在低电压穿越过程中具有无功支撑能力，即当风电场并网点电压处于标称电压的20%~90%时，自并网点电压跌落时刻开始，风电场提供无功电流的响应时间应不大于75ms、并至少持续550ms的时间，且所提供的无功电流与并网点电压跌落幅度成正比。

另外，在低电压穿越结束后，要求风电机组有功功率自故障清除时刻开始，以至少每秒10%额定功率的变化率快速恢复至故障前的水平。

2低电压穿越中的故障分析及措施2.1变频器过电流的原因及处理2.1.1变频器进入低电压穿越前过电流变频器在电压跌落过程中的产生的过电流，原因有以下2个方面：1）网侧电压开始跌落时，无控整流后的直流母线电压同时开始下降，由于变频器还未闭锁输出，将保持输出功率不变，输出电压降低，引起输出电流增大[15]。

用于风力发电的电压跌落发生器目前我国的风电技术大多还停留在理想电网条件下的风电机组的运行控制，而实际电网中存在有各类对称、不对称故障发生。

电网规范要求风力发电系统必须具备低电压穿越能力，因此，大容量并网型风力发电机在电压跌落下的控制策略研究是一个亟待解决的问题。

为了研究和测试风电系统的低电压穿越能力，必须利用具有专门模拟电网电压故障的设备，此类设备称为电压跌落发生器(VSG)[2]。

可行性强的电压跌落发生器可以产生各种不同类型的电压跌落，满足电压跌落深度的要求，可控电压跌落相位及跌落时间，具有高功率、易实现和低成本的特点。

本文提出一种新型的电压跌落发生器，它可模拟单相、两相及三相电压跌落，且电压跌落的持续时间、跌落深度、起止相位和跌落类型均可调，具有操作简单、可靠性高、实时性好等特点，适用于风电机组及其他电气、电子产品在电网电压故障情况下的性能测试和研究。

1 电压跌落发生器目前，国内外针对电压跌落发生器展开了研究。

参考文献[2－4]论述了3种形式(阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式)的VSG实现方法。

(1)阻抗形式的VSG。

利用继电器、接触器或晶闸管将电阻/电抗器串联或并联到主电路中实现电压跌落。

这种方案结构简单，实现方便，但由于受电阻功率的限制，往往要求较大阻值的电阻，这使得电压跌落较深，且损耗较大。

如果串/并联的阻抗是固定的，导致电压跌落深度不可调，由于负载的变化即使采用了可变电阻也会引起阻抗匹配关系改变，使得跌落深度难以有效控制。

阻抗的存在使负载侧的设备无法向电网馈送能量，因此无法用此设备进行无功补偿。

受开关器件的限制，电阻形式的VSG无法实现三相电压的同时跌落。

这些缺点影响了阻抗型VSG的使用。

(2)变压器形式的VSG有2类：①采用继电器将变压器并联或串联到主电路中，来实现电压跌落；②利用中心抽头在变压器副边相互切换实现电压跌落。

当采用变压器并联方式时，其中1个变压器要工作在副边对地短路的故障状态才能实现电压跌落，这要求其具有较强的抗电流冲击能力，从而导致此变压器价格过高[2]。

光伏并网逆变器低电压穿越检测方案分析王定国;陈卓;姚为正;刘刚【摘要】By analyzing and comparative test for LVRT test schemes basedon passive-impedance network and the grid simulator, this paper deals with the diversity in terms of the main circuit topology, voltage dip range and accuracy, instantaneous overload ability and control stability etc. The analysis and testing results show that LVRT testing scheme based on the passive-impedance network can be very closer to the actual operation condition with stable output voltage waveforms.%通过对基于阻抗分压式和电网模拟式两种光伏并网逆变器低电压穿越LVRT检测方案分析及试验比对，阐明了两者在主电路拓扑、电压跌落幅值范围、准确性、瞬时过载能力和控制稳定性等方面的差异性。

分析与试验结果表明，基于阻抗分压式的光伏并网逆变器LVRT检测方案能够真实地满足LVRT测试要求，并且输出电压波形稳定，更接近实际工况。

【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】5页(P143-147)【关键词】光伏逆变器;低电压穿越;电压跌落发生器;阻抗分压;电网模拟器【作者】王定国;陈卓;姚为正;刘刚【作者单位】许继集团有限公司，河南许昌461000;许昌开普检测技术有限公司，河南许昌 461000;许继集团有限公司，河南许昌 461000;许继集团有限公司，河南许昌 461000【正文语种】中文【中图分类】TM464低电压穿越能力（Low Voltage Ride Through Capability），最早是对风力发电系统提出的要求，是指风力发电机的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。

高低电压穿越能力测试用电压暂升暂降发生装置姚新阳;胡伟;徐贤;顾文;黄学良【摘要】State grid company recently released the "Technical Manual Related to High&Low Voltage Ride Through of A Class of Auxiliary Inverter in Large Steam Turbine-Generator (draft)" and put forward the requirement of high & low voltage ride through ability. But there is a lackof the testing equipment. This paper proposes a 10kW voltage sag & swell generator used in high & low voltage ride through ability test for low-voltage auxiliary inverter. Its main topology is a back-to-back three-phase PWM converter. The generator can realize balanced or unbalanced voltage sag & swell from 0 to 130%UN. Experiment shows that this device can output target voltage accurately and rapidly and meet the requirements of high&low voltage ride through ability test for low-voltage auxiliary inverter in thermal power plant.%国家电网公司近期发布了《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高、低电压穿越技术规范（征求意见稿）》，提出了变频器高低电压穿越能力要求，但却缺少相应的检测设备。