風力發(fā)電機低電壓穿越測試變流器中電流特性分析

趙清松，徐建源，劉勁松，王 剛，戈陽陽

(1．遼寧省電網(wǎng)安全運行與監(jiān)測重點實驗室 (沈陽工業(yè)大學)，遼寧 沈陽 110870;2．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著我國政府對開發(fā)利用可再生能源的高度重視及《可再生能源法》的頒布實施，風力發(fā)電作為技術最成熟、最具規(guī)模化開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源發(fā)電方式之一，得到了快速發(fā)展［1］。

風電場的大規(guī)模建設，給電網(wǎng)規(guī)劃和運行帶來了挑戰(zhàn)，加之我國大部分風電開發(fā)地區(qū)位于電網(wǎng)結(jié)構相對薄弱區(qū)域或電網(wǎng)末端，大規(guī)模風電接入對電網(wǎng)的電壓、穩(wěn)定性、電能質(zhì)量及運行調(diào)度帶來巨大的影響，確保大規(guī)模風電并網(wǎng)后整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，開展風電并網(wǎng)研究以及了解風電特性及其與電網(wǎng)的相互作用，在當前都是一個巨大的挑戰(zhàn)［2］。

風電發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，即采用電力電子裝置在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸同電網(wǎng)頻率之間建立一種柔性連接。在發(fā)電機組啟動時，變流器通過對外部電機變化不間斷地進行檢測，盡量減小機組切入電網(wǎng)時的沖擊電流。即便如此，在風電變流器啟動時，仍不可避免會產(chǎn)生一定的沖擊電流，如果沖擊電流過大，將影響傳統(tǒng)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行［3］。

風電發(fā)電機低電壓穿越能力是其并網(wǎng)的前提，而變流器在低電壓情況下的運行特性是風機低電壓穿越研究的核心。本文通過對PWM變流器數(shù)學模型的分析，得到變流器電流特性數(shù)學公式，并由測試數(shù)據(jù)，研究變流器在低電壓情況下的電流特性。

1 風力發(fā)電機組低電壓運行規(guī)定

為了應對大規(guī)模風電的接入，確保風電接入后的電力系統(tǒng)運行的可靠性、安全性與穩(wěn)定性，除了加強相應的電網(wǎng)建設、增加電網(wǎng)的調(diào)控手段，并不斷改善整個電力系統(tǒng)的電源結(jié)構外，還需要對風電場接入電力系統(tǒng)的技術要求做出相應規(guī)定，以期不斷提高風電機組和風電場運行特性，降低大規(guī)模風電接入對電網(wǎng)帶來的不利影響。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)布的Q/GDW 392—2009《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》企業(yè)標準中的要求，風電場的低電壓穿越應能滿足圖1的要求［4］。

a． 風電場內(nèi)的風電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms的能力。

圖1 風電場低電壓穿越要求

b． 風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%，風電場內(nèi)的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

對電網(wǎng)故障期間沒有切出電網(wǎng)的風電場，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應快速恢復，以至少每秒10%額定功率的功率變化率恢復至故障前的值。

2 變流器數(shù)學模型

采用2個背靠背雙PWM變流器并聯(lián)的變流系統(tǒng)結(jié)構，背靠背雙PWM變由PWM整流器和PWM逆變器組成。

2.1 PWM整流器數(shù)學模型

PWM整流器的交流側(cè)與交流電壓源相接，直流側(cè)為直流負載，典型的三相PWM整流器的主電路拓撲如圖2所示［5］。

圖2 PWM整流器主電路拓撲結(jié)構

假設Si(i=a，b，c)分別為三相橋臂的開關函數(shù)，可定義開關函數(shù)Si如下:

根據(jù)圖2，結(jié)合電壓、電流定律，可得電壓型PWM整流器的一般數(shù)學模型:

假設三相電壓平衡，則有:

在三相無中線系統(tǒng)中，三相電流之和始終為0，即有:

將式 (2)、 (3)、 (4)代入式 (1)中，可得到:

2.2 PWM逆變器數(shù)學模型

電壓型PWM逆變器的直流側(cè)接一穩(wěn)定的直流電壓源，交流側(cè)可以接無源負載，也可以接電壓源，三相電壓型PWM逆變器的拓撲結(jié)構如圖3所示。

圖3 PWM逆變器主電路拓撲結(jié)構

假設Si(i=u，v，w)分別為三相橋臂的開關函數(shù)，可定義開關函數(shù)Si如下:

由圖3和式 (6)可得用開關函數(shù)Si表示的逆變器交流側(cè)輸出的相電壓和直流電壓udc關系式:

圖3所示的逆變電路交流側(cè)電壓平衡方程:

將式 (7)代入式 (8)中，可得到PWM逆變器在靜止坐標系中數(shù)學模型的狀態(tài)方程:

其中:S*=(Su+Sv+Sw)/3

由以上推導的背靠背雙PWM變流器的數(shù)學模型可見，當電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落時，逆變器側(cè)ea、eb、ec突然變小，而整流器側(cè)風機輸出電壓 ua、ub、uc不能突變，要維持PWM變流器電壓平衡，變流器中流過的電流將會變大。

3 電壓跌落測試方法

3.1 測試內(nèi)容

電壓跌落試驗分為空載試驗與帶載試驗。空載試驗是指低電壓穿越設備在風機啟動且不并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)下的電壓跌落測試，該試驗為帶載試驗的基礎，不同電壓跌落、不同故障類型的帶載跌落試驗必須做一次空載試驗。在帶載試驗正式進行前，需要做對應的空載試驗，以檢查設備的可靠性和準確性。

對于低電壓穿越測試抽檢測試，只測試電壓跌落期間的殘余電壓值為20%Un。測試風電機組分別在小功率輸出 (0.1Pn≤P≤0.3Pn)和大功率輸出 (P≥0.9Pn)2種工況下，在風電機組出口發(fā)生三相短路、兩相短路和單相短路故障時的低電壓穿越特性。主要測試數(shù)據(jù)包括風電機組出口電壓、有功電流、無功電流、有功功率、無功功率、風速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、并網(wǎng)狀態(tài)以及葉片槳距角信號。

3.2 測試原理

為了不影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，低電壓穿越測試設備串接在風機出口處變壓器之前的690 V線路上，不做試驗時，打開跌落測試開關Qsc，關閉旁路開關Qbp，設備在旁路狀態(tài)運行，不影響系統(tǒng)發(fā)電。通過開關調(diào)節(jié)串聯(lián)電抗值和并聯(lián)電抗值，可以產(chǎn)生多種不同的配置，通過不同的阻抗配比分壓來模擬不同跌落類型及不同深度的電壓跌落，有效補償系統(tǒng)運行方式改變給跌落精度造成的偏差。裝置電壓跌落和恢復功能的實現(xiàn)通過閉合和斷開斷路器Qsc實現(xiàn)。測試裝置原理如圖4所示。

待風電機組輸出有功功率達到測試要求時，打開電壓跌落設備旁路開關Qbp，按下跌落測試開關Q

圖4 側(cè)壓側(cè)低電壓穿越測試裝置原理圖

sc，開始跌落試驗。測試設備可準確測量電流和電壓并計算有功、無功、視在功率和其它參量。

3.3 短路阻抗的選擇

依據(jù)短路容量大于3倍的風電機組額定容量，為風電機額定容量的5～10倍比較適宜，初步選擇限流電抗X1，選擇適當?shù)南到y(tǒng)連接點 (PCC)。

故障期間電壓跌落:

式中 Ssc——短路容量;

Ssys——系統(tǒng)容量。允許的電壓跌落取決于系統(tǒng)的公共連接點。限流阻抗X1的最終選擇，系統(tǒng)阻抗配比如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)阻抗配比圖

適當?shù)南到y(tǒng)公共連接點 (PCC)確定后由下式計算X1:

因此，限流阻抗X1取決于:系統(tǒng)電壓的平方;風電機組額定容量;公共連接點的短路容量。

3.4 測試過程對系統(tǒng)和風機的影響

a． 對系統(tǒng)側(cè)的影響

根據(jù)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》的規(guī)定，35 kV及以上供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10%。

移動式低電壓穿越測試裝置的試驗阻抗同系統(tǒng)阻抗如匹配不當，將導致公共接入點短路故障。試驗裝置設計上充分考慮了風電場低電壓穿越試驗對系統(tǒng)的影響，并通過大量的仿真和現(xiàn)場試驗驗證，確保在測試過程中對系統(tǒng)側(cè)公共連接點電壓波動不超過±5%。

b． 對被測風機的影響

被測風電機組不具備低電壓穿越能力，此時進行低電壓穿越試驗，被測風電機組保護動作，風機退出運行，測試不會損壞風機。

被測風電機組具備較好的低電壓穿越能力，電壓跌落開始后，限流電抗器接入后將使被測風電機組的輸出功率降低，等效系統(tǒng)短路容量減小，可能引起風機并網(wǎng)發(fā)電不穩(wěn)定。為使被測風電機組仍能正常工作，電抗器的正確配置至關重要。通過對大量的低電壓穿越檢測試驗數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，正確分配限流電抗器和短路電抗器的阻抗值，可以保證被測風電機組正常工作。

4 測試結(jié)果分析

4.1 測試方法模式

風機出口變壓器采用DYn11接線方式，風機并網(wǎng)及變壓器接線圖如圖6所示。

高壓側(cè)輸電線路最長，發(fā)生故障的概率也最大，電網(wǎng)實際運行中發(fā)生的電壓跌落故障也大多發(fā)生在高壓側(cè)輸電線路上。在低電壓穿越測試時，若在高壓側(cè)設置電壓跌落點將會對整個風電場甚至電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響，高電壓等級對設備絕緣及安全也有更高的要求，因此從實際情況考慮，一般在低壓側(cè)或高壓側(cè)設置電壓跌落點來模擬高壓側(cè)電壓跌落的實際情況。

圖6 風機并網(wǎng)及變壓器接線圖

經(jīng)過2臺變壓器接線方式的△/Y變換后，低壓側(cè)和高壓側(cè)接線方式相同，電壓跌落模式和深度也一致，不同的是零序分量經(jīng)過變壓器時被濾除，這對電壓跌落測試無特別影響，因此，在低壓側(cè)設置電壓跌落點可全面模擬高壓側(cè)電壓跌落故障的實際情況。

不同跌落模式下電壓相量圖如圖7所示。

4.2 電壓跌落測試結(jié)果

在大風工況下 (風機輸出功率P≥0.9Pn)，在低壓側(cè) (690 V)設置電壓跌落點，對被測風機進行低電壓穿越測試。測試期間，流過變流器的電流有效值波形如圖8～圖10所示。

單相電壓跌落:4.30 s開始跌落，4.44 s和5.01 s時電流有效值達到最大 (1.59 p.u.)，跌落持續(xù)時間為620 ms，跌落深度為0.32 p.u.，跌落期間電流有效值在1.5 p.u.以上。

兩相電壓跌落:4.04 s開始跌落，4.12 s時電流有效值達到最大 (1.67 p.u.)，跌落持續(xù)時間為621 ms，跌落深度為0.21 p.u.，跌落期間電流有效值在1.55 p.u.以上。

三相電壓跌落:2.91 s開始跌落，3.08 s時電流有效值達到最大 (1.53 p.u.)，跌落持續(xù)時間為621 ms，跌落深度為0.20 p.u.，跌落期間電流有效值在1.48 p.u.以上。

可見，電壓跌落期間變流器中流過電流有效值較大，兩相電壓跌落時電流有效值最大達到1.67 p.u.，高于三相和單相跌落時的1.53 p.u.和1.59 p.u.，電壓跌落時的大電流會對風力發(fā)電機變流器產(chǎn)生威脅，低電壓穿越測試就是考核風機是否能夠承受這種沖擊，主要體現(xiàn)在風機變流器耐流性能上。由測試可知，兩相跌落流過變流器的電流有效值是最大的。

5 結(jié)束語

電壓跌落期間風機變流器中將會流過較大的電流，并且在電壓跌落開始和結(jié)束時會有峰值出現(xiàn);兩相跌落時流過變流器的不平衡電流平均值和最大值均高于三相和單相跌落，對風機變流器的威脅最大。從實際運行角度考慮，風機應完善變流器耐流性能，承受電壓跌落期間產(chǎn)生的大電流，保證電壓跌落期間能夠不脫網(wǎng)運行，滿足電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行要求。

［1］ 劉 岱，龐松嶺．風電集中接入對電網(wǎng)影響分析［J］．電力系統(tǒng)及其自動化學報，2011，23(3):156－160．

［2］ 胡書舉，李建林，許洪華．永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)低電壓運行特性的分析 ［J］．電力系統(tǒng)自動化，2007，31(17):73－77．

［3］ 李亞萍，張紅超．雙饋風力發(fā)電機變流器并網(wǎng)試驗方法研究［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(15):122－126．

［4］ Q/GDW 392—2009，風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定［S］．

［5］ 李舉成，易靈芝，李 明，等．永磁風力機并網(wǎng)逆變器的研究 ［J］．計量與測試技術，2008，35(10):19－21．