A Novel Voltage Sag Generator for Wind Farm
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摘要: 低电压穿越能力是各国风电场并网规程对风电机组提出的最具挑战性的要求之一。风电机组在低电压穿越期间的性能和过电流的大小除了和故障的类型有关外，还和故障发生时电网电压的相位有关。为了研究和测试风电机组在最严峻的故障情况下的低电压穿越性能，研制了一种采用交流无触点开关的基于阻抗形式的电网电压不对称跌落发生器，应用电阻-电容-二极管吸收电路吸收绝缘栅双极型晶体管两端的过电压，采用改进的反正切函数准确计算电网电压相位角，采用单片机作为控制器。实验结果表明该装置能够比较准确地在电网设定相位模拟电网不对称电压跌落故障，且该装置结构简单，实现方便，制作成本相对较低，实用性较强。Abstract: Low voltage ride through capability is one of the most challenging requirements to the wind power generation unit in the operating instruction for wind farms all around the world. The performance of the wind power generation unit in the course of the low voltage ride through and the magnitude of the current not only relates to type of the failure, but also to the phase of power grid voltage while the fault occurs. To research and measure the low voltage ride-through performance of wind power generation unit under the most serious failure situation, adopting AC contactless switch an impedance form based power network voltage asymmetrical sag generator was developed to absorb the overvoltage at both ends of insulated gate bipolar transistor (abbr. IGBT) by the absorbing circuit composed by resistance-capacitance-diode (abbr. RCD), besides, the phase angle of power network voltage was computed by the improved arctangent function and the single-chip microcomputer was used as the controller. Experiment results show that the developed device can fairly accurately simulate the fault of power network voltage asymmetrical sag at the given phase angle of power network, and it possesses such advantages as simple in structure, convenient to achieve, relative low manufacturing cost and good practicability.
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0. 引言
随着电网内所联风电机组及风电容量的不断增加，风电场并网对电网稳定性和安全性的影响日益凸显。为了保障电网的稳定性和安全性，各国风电场并网规程对风电机组的运行要求越来越多，其中低电压穿越能力是最具挑战性的要求之一。所谓低电压穿越是指当电网故障或扰动引起三相电压对称或不对称跌落时，在一定的电压跌落范围或时间间隔内风电机组保证不脱网连续运行的能力[1]。研究结果表明，风电机组在低电压穿越期间的性能和过电流的大小除了和故障的类型有关外，还和故障发生时电网电压的相位有关[2-4]，电网若在某一电压相位发生故障，风电机组会遭受更为严峻的过电流考验。
为了研究和测试风电机组的低电压穿越能力，必须使用模拟电网故障的电压跌落发生器(Voltage Sag Generator，VSG)。从现有文献来看，VSG的拓扑结构可以分为阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式3类[5]。文献[6]提出了一种新型可编程电网故障模拟电源的设计方案，能够产生多种电网故障，功能齐全；文献[7]提出了一种基于比例积分谐振控制器的电压跌落发生器控制策略来实现电压跌落，有较好的静态和动态性能；文献[8]设计了一种50 VA电压暂降发生器主回路结构，采用整流与逆变电路配合模拟电压暂降，能够实现多种电压暂降用于风机低电压穿越测试。基于电力电子变换形式的VSG[6-8]可以模拟多类电网故障，但是其拓扑结构和控制算法一般都较为复杂，成本也比较高；基于变压器形式的VSG分为单个升压或降压变压器组合形式实现的VSG和以中心抽头变压器形式实现的VSG [9-11]，其受功率等级的限制，功率越大，变压器体积越大，且变压器的制作成本高，设计工艺复杂；基于阻抗形式的VSG通过在主电路中并联或串联电阻/电抗实现电压跌落，其结构简单、实现方便，制作成本相对比较低，实用性较强[12-14]；文献[12, 13-14]使用阻抗与开关配合实现电压跌落，但是3篇文章中使用机械开关无法锁定电网相位，而且其跌落速度较慢。
基于阻抗形式和变压器形式的VSG均需要使用交流开关来达到控制目的。机械开关(例如接触器)成本低，系统结构简单，但开关分开、闭合的时间在ms级[15]，在某一特定的电网相位模拟所需的电网故障时，误差过大致使无法完成电网故障最严峻情况时的低电压穿越实验。而无触点开关具有开关速度快，无弧的优点[15]，可以在任意电网相位模拟所需的故障，控制精度较高。从现有文献来看，目前国内鲜有控制故障发生时电网相位的电压跌落发生器。
本文研制的能够在电网设定相位模拟电网不对称电压跌落的基于阻抗形式的VSG系统结构简单，成本较低，且跌落的快速性能够实现对电网相位的准确控制。本文提出的电压跌落方法较已有基于阻抗形式的方法优势之处在于采用无触点开关替代机械开关，大大提高了控制精度，同时也满足了目前风力发电机低电压穿越测试的要求。本文提出的基于阻抗形式电压跌落发生器相较于AC电源的优势在于结构简单、制作成本低并且算法简单易于实现。经单相接地故障、两相接地故障、两相相间短路等不对称故障的实验结果验证了对设定电网电压相位模拟电压跌落的可行性。
1. 新型电压跌落发生器工作原理
1.1 新型电压跌落发生器拓扑结构
电网电压跌落是电力系统最为常见的故障之一，电压跌落故障的类型有三相故障、相间故障(P-P)、两相接地故障(P-P-N)、单相接地故障(P-N)等[16]。其中三相故障发生概率最低，单相接地故障发生概率最高。图1为本文设计的VSG拓扑结构，用以模拟电网电压不对称故障。该拓扑结构很容易推广到模拟三相对称故障。
图1中，限流电抗器L1和L2用以抑制故障发生时线路的短路电流。开关1—开关4选用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为无触点开关，其拓扑结构见图2，开关5选用断路器。通过控制开关1—开关5的开通关断可以模拟单相接地故障、两相接地故障、两相相间短路。
本文设计的VSG有正常工作和故障工作2种工作模式：正常工作模式时，开关1和开关2闭合，限流电抗L1和L2被短路，开关3、开关4和开关5全部断开，电网三相交流电压直接连接到风力发电机；故障工作模式时，开关的工作状态需要相互配合，不同的故障对应的各个开关状态不一致，详见表1。改变VSG的输入三相交流电相序，可以实现任意相的不对称故障。
表 1 3种不对称故障对应的开关状态Table 1. Switch states corresponding to three asymmetric faults故障类型/开关 开关1 开关2 开关3 开关4 开关5 a相P-N故障 断开 闭合 闭合 断开 闭合 a、b两相P-P故障 断开 断开 闭合 闭合 断开 a、b两相P-P-N故障 断开 断开 闭合 闭合 闭合 1.2 交流无触点开关拓扑结构
图2是基于IGBT的交流无触点开关[15]，由两个带有反并联的IGBT串联二极管组成，因此IGBT1和IGBT2串联D1和D2使各个IGBT支路单方向导通，以实现开关的全控。电路工作在正半波时，IGBT1和D1导通，IGBT2和D2截止，工作在负半波时，反之。
由图1和图2可见，低电压穿越故障实验中，IGBT断开时，瞬间断开线路，线路中电感存储的能量产生电磁振荡，会在IGBT两端产生冲击电压[17]，冲击电压的高低与线路断开时电流的大小密切相关，线路电流越大，产生的冲击电压越大，极易损坏IGBT，因此吸收电路的设计尤其重要。图2虚线框中是电阻-电容-二极管(Resistance-capacitance-diode，RCD)吸收电路。吸收电路中的快速二极管Ds能快速地抑制IGBT两端的冲击电压，防止IGBT过电压。缓冲电容Cs上吸收的能量，在下一个开关周期IGBT开通时，经IGBT、Cs和Rs组成的回路消耗在电阻Rs上，完成Cs的放电过程。
2. 电网电压相位检测方法
电网电压相位检测算法采用反正切函数[18]。基本思想是将电网三相电压经3/2变换，转换到
$\alpha \beta $ 两相静止坐标系，利用公式（1）求解相位角。当${u_\alpha }$ 的值接近0时，电压分量很小的误差，将会引起较大的相角计算误差。$$ \theta = \arctan \left( {{u_\beta }/{u_\alpha }} \right) $$ (1) 文献[18]提出了改进方案，正切函数
$\tan \left( \theta \right)$ 在$\theta \in [ - {\rm{\pi }}/4,{\rm{\pi }}/4]$ 内具有良好的线性度，且函数单调。若公式（1）求解出的相角处于该范围，将会减小计算误差。反正切函数检测电网相位的算法如下：若电网电压相位处在第Ⅰ、Ⅳ象限，将
$\theta $ 进行等比例压缩：$$ {\tan}{\theta }^{*}={\tan}\dfrac{\theta }{2}=\dfrac{{u}_{\beta }}{{u}_{\alpha }+\sqrt{{u}_{\alpha }^{2}+{u}_{\beta }^{2}}},\;{u}_{\alpha }\geqslant {0} $$ (2) 若电网电压相位
$\theta $ 处在第Ⅱ、Ⅲ象限，将$\theta $ 先移相再等比例压缩：$$ {\tan}{\theta }^{*}={\tan}\dfrac{\theta -\pi }{2}=\dfrac{-{u}_{\beta }}{-{u}_{\alpha }+\sqrt{{u}_{\alpha }^{2}+{u}_{\beta }^{2}}},\;{u}_{\alpha }<{0} $$ (3) 根据公式（2）和（3）可以得出如式（4）所示的
$\theta $ 的计算公式。$$ \theta = \left\{ \begin{aligned} &2\arctan \dfrac{{{u_\beta }}}{{{u_\alpha } + \sqrt {u_\alpha ^2 + u_\beta ^2} }},\;{u_\alpha } \geqslant {\rm{0}}\\ &2\arctan \dfrac{{ - {u_\beta }}}{{ - {u_\alpha } + \sqrt {u_\alpha ^2 + u_\beta ^2} }} + \pi ,\;{u_\alpha } < {\rm{0}} \end{aligned} \right. $$ (4) 作上述处理后，当
${u_\alpha }$ 的值接近0时，电压分量的误差对反正切函数求解出的相角影响减小，从而提高相位的计算精度。电网相位角的计算流程图如图3所示。3. 实验
根据上述VSG的工作原理，搭建的VSG装置如图4所示。VSG装置的微控制器是一块基于Atmel SAM3X8E CPU的微控制器板（Arduino Due）。限流阻抗的电感值是10 mH。IGBT型号FD300R12KS4_B5，其中IGBT的VCES（集电极-发射极额定电压）为1200 V，IC（集电极额定电流）是300 A，其串联二极管的VPRM（反向重复峰值电压）为1200 V，
IF（正向平均电流）是300 A。在图1中并网开关断开的情况下，利用该装置模拟了电网P-N、P-P和P-P-N故障。图5、图6和图7分别为P-N、P-P和P-P-N故障时的实验结果。 ![]()
图 5 ab线电压相位角为0°时发生P-N故障实验结果Figure 5. The experimental results of grid P-N occur when the phase angle of ab line voltage is 0°电网采用星型接法，设图1中a相接地，P-N故障时线电压：
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_\rm{ab}}}\\ {{u_\rm{bc}}}\\ {{u_\rm{ca}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {U\sin \left( {\omega t + \dfrac{\pi }{3}} \right)}\\ {\sqrt 3 U\sin \left( {\omega t - \dfrac{\pi }{2}} \right)}\\ {U\sin \left( {\omega t + \dfrac{2}{3}\pi } \right)} \end{array}} \right] $$ (5) 设ab相间短路，P-P故障时线电压：
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_\rm{ab}}}\\ {{u_\rm{bc}}}\\ {{u_\rm{ca}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ {\dfrac{3}{2}U\sin \omega t}\\ { - \dfrac{3}{2}U\sin \omega t} \end{array}} \right] $$ (6) 设ab两相接地，P-P-N故障时线电压：
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{u_\rm{ab}}}\\ {{u_\rm{bc}}}\\ {{u_\rm{ca}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ {U\sin \omega t}\\ { - U\sin \omega t} \end{array}} \right] $$ (7) 式(5)—(7)中：
$U$ 为相电压的幅值。3.1 P-N故障的实验结果
如图5(a)—(c)所示，在线电压uab的相位角等于0°时图1中a相发生单相接地故障（P-N），故障持续1 s后清除。故障前线电压的幅值为550 V，故障后三相线电压与公式(5)相符。图5(d)和(e)分别为开关1和开关3两端的电压，图5(f)为流经电抗L1的电流，峰值电流为120 A。
由图(d)、(e)和(f)可见，在故障清除，也就是线路电流断开的瞬间，开关1两端没有冲击电压，开关3的冲击电压为-470 V，表明RCD吸收电路设计的合理性。图5(e)中故障发生前开关3的两端电压即为a相相电压，由该图可见，故障发生后a相电压在小于1μs的时间内跌落到0，从而保证了故障时相位控制的准确性。
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图 6 在ab线电压相位角为90°发生电网P-P实验结果Figure 6. The experimental results of grid P-P occur when the phase angle of ab line voltage is 90°![]()
图 7 在ab线电压相位角为180°发生电网P-P-N实验结果Figure 7. The experimental results of grid P-P-N occur when the phase angle of ab line voltage is 180°3.2 P-P故障和P-P-N故障的实验结果
图6和图7分别为图1中a、b两相发生相间故障（P-P）和两相接地故障（P-P-N）的实验结果，故障持续1 s。如图6(a)—(c)所示，在线电压uab的相位角等于90°时发生a、b相间短路，由图(b)可知，ab线电压在1μs以内跌落到0。如图7(a)—(c)所示，在线电压uab的相位角等于180°时发生a、b两相接地故障，由图(b)可知，ab线电压1μs以内跌落到零。由图6和图7可见，在故障发生时，图6(d)开关1的冲击电压是375 V，在故障清除也就是线路电流断开的瞬间，图6(e)开关3的冲击电压410 V，其余的开关两端均没有冲击电压，表明RCD吸收电路设计合理，有效保证了IGBT安全工作。
4. 结论
本文研制的基于IGBT的能够在电网设定相位模拟电网不对称电压跌落故障的阻抗形式VSG，P-N、P-P和P-P-N故障实验结果表明：可以实现故障时电网相位的准确控制，电压跌落和恢复时，输出电压波形没有中断现象，吸收电路使IGBT两端的冲击电压抑制到安全范围内。所设计的VSG结构简单，成本较低，可靠性高，具有较强的实用性，可用于测试风电机组在最严峻的故障情况下的低电压穿越能力。
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图 5 ab线电压相位角为0°时发生P-N故障实验结果
Figure 5. The experimental results of grid P-N occur when the phase angle of ab line voltage is 0°
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图 6 在ab线电压相位角为90°发生电网P-P实验结果
Figure 6. The experimental results of grid P-P occur when the phase angle of ab line voltage is 90°
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图 7 在ab线电压相位角为180°发生电网P-P-N实验结果
Figure 7. The experimental results of grid P-P-N occur when the phase angle of ab line voltage is 180°
表 1 3种不对称故障对应的开关状态
Table 1 Switch states corresponding to three asymmetric faults
故障类型/开关 开关1 开关2 开关3 开关4 开关5 a相P-N故障 断开 闭合 闭合 断开 闭合 a、b两相P-P故障 断开 断开 闭合 闭合 断开 a、b两相P-P-N故障 断开 断开 闭合 闭合 闭合 
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