一種新型風力發(fā)電用電壓跌落發(fā)生器

武浩，王淑紅，曹建文，郜瑞騰，王一帆

（1. 太原理工大學電氣與動力工程學院，山西省太原市 030024；2. 山西天地煤機裝備有限公司，山西省太原市 030006；3. 西南交通大學電氣工程學院，四川省成都市 611756）

0 引言

隨著電網(wǎng)內(nèi)所聯(lián)風電機組及風電容量的不斷增加，風電場并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性的影響日益凸顯。為了保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，各國風電場并網(wǎng)規(guī)程對風電機組的運行要求越來越多，其中低電壓穿越能力是最具挑戰(zhàn)性的要求之一。所謂低電壓穿越是指當電網(wǎng)故障或擾動引起三相電壓對稱或不對稱跌落時，在一定的電壓跌落范圍或時間間隔內(nèi)風電機組保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力[1]。研究結(jié)果表明，風電機組在低電壓穿越期間的性能和過電流的大小除了和故障的類型有關外，還和故障發(fā)生時電網(wǎng)電壓的相位有關[2-4]，電網(wǎng)若在某一電壓相位發(fā)生故障，風電機組會遭受更為嚴峻的過電流考驗。

為了研究和測試風電機組的低電壓穿越能力，必須使用模擬電網(wǎng)故障的電壓跌落發(fā)生器(Voltage Sag Generator，VSG)。從現(xiàn)有文獻來看，VSG 的拓撲結(jié)構可以分為阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式3 類[5]。文獻[6]提出了一種新型可編程電網(wǎng)故障模擬電源的設計方案，能夠產(chǎn)生多種電網(wǎng)故障，功能齊全；文獻[7]提出了一種基于比例積分諧振控制器的電壓跌落發(fā)生器控制策略來實現(xiàn)電壓跌落，有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能；文獻[8]設計了一種50 VA 電壓暫降發(fā)生器主回路結(jié)構，采用整流與逆變電路配合模擬電壓暫降，能夠?qū)崿F(xiàn)多種電壓暫降用于風機低電壓穿越測試。基于電力電子變換形式的VSG[6-8]可以模擬多類電網(wǎng)故障，但是其拓撲結(jié)構和控制算法一般都較為復雜，成本也比較高；基于變壓器形式的VSG 分為單個升壓或降壓變壓器組合形式實現(xiàn)的VSG 和以中心抽頭變壓器形式實現(xiàn)的VSG[9-11]，其受功率等級的限制，功率越大，變壓器體積越大，且變壓器的制作成本高，設計工藝復雜；基于阻抗形式的VSG 通過在主電路中并聯(lián)或串聯(lián)電阻/電抗實現(xiàn)電壓跌落，其結(jié)構簡單、實現(xiàn)方便，制作成本相對比較低，實用性較強[12-14]；文獻[12, 13-14]使用阻抗與開關配合實現(xiàn)電壓跌落，但是3 篇文章中使用機械開關無法鎖定電網(wǎng)相位，而且其跌落速度較慢。

基于阻抗形式和變壓器形式的VSG 均需要使用交流開關來達到控制目的。機械開關(例如接觸器)成本低，系統(tǒng)結(jié)構簡單，但開關分開、閉合的時間在ms 級[15]，在某一特定的電網(wǎng)相位模擬所需的電網(wǎng)故障時，誤差過大致使無法完成電網(wǎng)故障最嚴峻情況時的低電壓穿越實驗。而無觸點開關具有開關速度快，無弧的優(yōu)點[15]，可以在任意電網(wǎng)相位模擬所需的故障，控制精度較高。從現(xiàn)有文獻來看，目前國內(nèi)鮮有控制故障發(fā)生時電網(wǎng)相位的電壓跌落發(fā)生器。

本文研制的能夠在電網(wǎng)設定相位模擬電網(wǎng)不對稱電壓跌落的基于阻抗形式的VSG 系統(tǒng)結(jié)構簡單，成本較低，且跌落的快速性能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)相位的準確控制。本文提出的電壓跌落方法較已有基于阻抗形式的方法優(yōu)勢之處在于采用無觸點開關替代機械開關，大大提高了控制精度，同時也滿足了目前風力發(fā)電機低電壓穿越測試的要求。本文提出的基于阻抗形式電壓跌落發(fā)生器相較于AC 電源的優(yōu)勢在于結(jié)構簡單、制作成本低并且算法簡單易于實現(xiàn)。經(jīng)單相接地故障、兩相接地故障、兩相相間短路等不對稱故障的實驗結(jié)果驗證了對設定電網(wǎng)電壓相位模擬電壓跌落的可行性。

1 新型電壓跌落發(fā)生器工作原理

1.1 新型電壓跌落發(fā)生器拓撲結(jié)構

電網(wǎng)電壓跌落是電力系統(tǒng)最為常見的故障之一，電壓跌落故障的類型有三相故障、相間故障(P-P)、兩相接地故障(P-P-N)、單相接地故障(PN)等[16]。其中三相故障發(fā)生概率最低，單相接地故障發(fā)生概率最高。圖1 為本文設計的VSG 拓撲結(jié)構，用以模擬電網(wǎng)電壓不對稱故障。該拓撲結(jié)構很容易推廣到模擬三相對稱故障。

圖1 新型電壓跌落發(fā)生器拓撲結(jié)構Fig. 1 Topological structure of novel voltage sag generator

圖1中，限流電抗器L1和L2用以抑制故障發(fā)生時線路的短路電流。開關1—開關4選用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作為無觸點開關，其拓撲結(jié)構見圖2，開關5 選用斷路器。通過控制開關1—開關5 的開通關斷可以模擬單相接地故障、兩相接地故障、兩相相間短路。

本文設計的VSG 有正常工作和故障工作2 種工作模式：正常工作模式時，開關1 和開關2 閉合，限流電抗L1和L2被短路，開關3、開關4和開關5 全部斷開，電網(wǎng)三相交流電壓直接連接到風力發(fā)電機；故障工作模式時，開關的工作狀態(tài)需要相互配合，不同的故障對應的各個開關狀態(tài)不一致，詳見表1。改變VSG 的輸入三相交流電相序，可以實現(xiàn)任意相的不對稱故障。

1.2 交流無觸點開關拓撲結(jié)構

圖2 開關1-開關4 的拓撲結(jié)構Fig. 2 Topological structure of switches from No.1 to No.4

表1 3 種不對稱故障對應的開關狀態(tài)Table 1 Switch states corresponding to three asymmetric faults

圖2 是基于IGBT 的交流無觸點開關[15]，由兩個帶有反并聯(lián)的IGBT 串聯(lián)二極管組成，因此IGBT1和IGBT2串 聯(lián)D1和D2使 各 個IGBT 支 路單方向?qū)?，以實現(xiàn)開關的全控。電路工作在正半波時，IGBT1和D1導通，IGBT2和D2截止，工作在負半波時，反之。

由圖1 和圖2 可見，低電壓穿越故障實驗中，IGBT 斷開時，瞬間斷開線路，線路中電感存儲的能量產(chǎn)生電磁振蕩，會在IGBT 兩端產(chǎn)生沖擊電壓[17]，沖擊電壓的高低與線路斷開時電流的大小密切相關，線路電流越大，產(chǎn)生的沖擊電壓越大，極易損壞IGBT，因此吸收電路的設計尤其重要。圖2 虛線框中是電阻-電容-二極管(Resistancecapacitance-diode，RCD)吸收電路。吸收電路中的快速二極管Ds 能快速地抑制IGBT 兩端的沖擊電壓，防止IGBT 過電壓。緩沖電容Cs 上吸收的能量，在下一個開關周期IGBT 開通時，經(jīng)IGBT、Cs 和Rs 組成的回路消耗在電阻Rs 上，完成Cs的放電過程。

2 電網(wǎng)電壓相位檢測方法

電網(wǎng)電壓相位檢測算法采用反正切函數(shù)[18]?；舅枷胧菍㈦娋W(wǎng)三相電壓經(jīng)3/2 變換，轉(zhuǎn)換到αβ兩相靜止坐標系，利用公式（1）求解相位角。當uα的值接近0 時，電壓分量很小的誤差，將會引起較大的相角計算誤差。

文獻[18]提出了改進方案，正切函數(shù) tan(θ)在θ ∈[-π/4,π/4]內(nèi)具有良好的線性度，且函數(shù)單調(diào)。若公式（1）求解出的相角處于該范圍，將會減小計算誤差。反正切函數(shù)檢測電網(wǎng)相位的算法如下：

若電網(wǎng)電壓相位處在第Ⅰ、Ⅳ象限，將 θ進行等比例壓縮：

若電網(wǎng)電壓相位 θ處在第Ⅱ、Ⅲ象限，將 θ先移相再等比例壓縮：

根據(jù)公式（2）和（3）可以得出如式（4）所示的 θ的計算公式。

作上述處理后，當uα的值接近0 時，電壓分量的誤差對反正切函數(shù)求解出的相角影響減小，從而提高相位的計算精度。電網(wǎng)相位角的計算流程圖如圖3 所示。

3 實驗

根據(jù)上述VSG 的工作原理，搭建的VSG 裝置如圖4 所示。VSG 裝置的微控制器是一塊基于Atmel SAM3X8E CPU 的微控制器板（Arduino Due）。限流阻抗的電感值是10 mH。IGBT 型號FD300R12KS4_B5，其中IGBT 的VCES（集電極-發(fā)射極額定電壓）為1200 V，IC（集電極額定電流）是300 A，其串聯(lián)二極管的VPRM（反向重復峰值電壓）為1200 V，IF（正向平均電流）是300 A。在圖1 中并網(wǎng)開關斷開的情況下，利用該裝置模擬了電網(wǎng)P-N、P-P 和P-P-N 故障。圖5、圖6 和圖7 分別為P-N、P-P 和P-P-N 故障時的實驗結(jié)果。

圖3 相位檢測算法流程圖Fig. 3 Flow chart of the phase detection algorithm

圖4 電壓跌落發(fā)生器裝置圖Fig. 4 Photo of the voltage sag generator

電網(wǎng)采用星型接法，設圖1 中a 相接地，P-N 故障時線電壓：

設ab 相間短路，P-P 故障時線電壓：

圖5 ab 線電壓相位角為0°時發(fā)生P-N 故障實驗結(jié)果Fig. 5 The experimental results of grid P-N occur when the phase angle of ab line voltage is 0°

設ab 兩相接地，P-P-N 故障時線電壓：

式(5)—(7)中：U為相電壓的幅值。

3.1 P-N 故障的實驗結(jié)果

如圖5(a)—(c)所示，在線電壓uab的相位角等于0°時圖1 中a 相發(fā)生單相接地故障（P-N），故障持續(xù)1 s 后清除。故障前線電壓的幅值為550 V，故障后三相線電壓與公式(5)相符。圖5(d)和(e)分別為開關1 和開關3 兩端的電壓，圖5(f)為流經(jīng)電抗L1的電流，峰值電流為120 A。

由圖(d)、(e)和(f)可見，在故障清除，也就是線路電流斷開的瞬間，開關1 兩端沒有沖擊電壓，開關3 的沖擊電壓為-470 V，表明RCD 吸收電路設計的合理性。圖5(e)中故障發(fā)生前開關3的兩端電壓即為a 相相電壓，由該圖可見，故障發(fā)生后a 相電壓在小于1μs 的時間內(nèi)跌落到0，從而保證了故障時相位控制的準確性。

3.2 P-P 故障和P-P-N 故障的實驗結(jié)果

圖6 和圖7 分別為圖1 中a、b 兩相發(fā)生相間故障（P-P）和兩相接地故障（P-P-N）的實驗結(jié)果，故障持續(xù)1 s。如圖6(a)—(c)所示，在線電壓uab的相位角等于90°時發(fā)生a、b 相間短路，由圖(b)可知，ab 線電壓在1μs 以內(nèi)跌落到0。如圖7(a)—(c)所示，在線電壓uab的相位角等于180°時發(fā)生a、b 兩相接地故障，由圖(b)可知，ab 線電壓1μs 以內(nèi)跌落到零。由圖6 和圖7可見，在故障發(fā)生時，圖6(d)開關1 的沖擊電壓是375 V，在故障清除也就是線路電流斷開的瞬間，圖6(e)開關3 的沖擊電壓410 V，其余的開關兩端均沒有沖擊電壓，表明RCD 吸收電路設計合理，有效保證了IGBT 安全工作。

圖6 在ab 線電壓相位角為90°發(fā)生電網(wǎng)P-P 實驗結(jié)果Fig. 6 The experimental results of grid P-P occur when the phase angle of ab line voltage is 90°

圖7 在ab 線電壓相位角為180°發(fā)生電網(wǎng)P-P-N 實驗結(jié)果Fig. 7 The experimental results of grid P-P-N occur when the phase angle of ab line voltage is 180°

4 結(jié)論

本文研制的基于IGBT 的能夠在電網(wǎng)設定相位模擬電網(wǎng)不對稱電壓跌落故障的阻抗形式VSG，P-N、P-P 和P-P-N 故障實驗結(jié)果表明：可以實現(xiàn)故障時電網(wǎng)相位的準確控制，電壓跌落和恢復時，輸出電壓波形沒有中斷現(xiàn)象，吸收電路使IGBT兩端的沖擊電壓抑制到安全范圍內(nèi)。所設計的VSG 結(jié)構簡單，成本較低，可靠性高，具有較強的實用性，可用于測試風電機組在最嚴峻的故障情況下的低電壓穿越能力。