風力發電的電壓故障發生器設計與實驗研究

邢作霞, 項 尚, 蘆彥東, 周瑞卿, 郭立立

(沈陽工業大學 電氣工程學院, 遼寧 沈陽 110870)

隨著風電機組裝機容量占電網比重不斷增加,風電機組在電網故障下的運行能力顯得極為重要[1-2]。電網故障使風電機組端電壓跌落或升高，使風電機組脫網運行、不能向電網輸電。由于電網的有功輸入減少,電網恢復的難度將增加,引起其他風電機組脫網運行,導致大規模停電。因此,急需一種模擬電網電壓故障的實驗裝置。該裝置應用于風電機組教學中，可以使學生直觀地掌握到電壓跌落或升高情況下風電機組的運行狀況,為提高電壓故障下風電機組并網能力創造實驗條件。

1 電壓故障發生器的研制

實踐教學是高校培養大學生創新意識和創新能力的關鍵環節,實踐教學環節具有重要的作用[3]。本文設計的電壓故障發生器測試風電機組的電壓穿越能力。電壓穿越能力指：電力系統發生故障而引起并網點電壓跌落或升高,在一定持續時間內風電機組不脫網，并能連續運行且平穩過渡到正常運行狀態的一種能力[4-5]。我國規定的風電機組低電壓穿越標準：風電機組在并網點電壓跌落至20%時持續625 ms并網運行,從跌落開始2 s內恢復到額定電壓的90%。

與低電壓穿越規范相比,我國規定高電壓穿越的規范就顯得更遲。直到2015年,我國對高電壓穿越的標準才有明確的要求,其對高電壓穿越提出了明確的要求,如圖1所示。測試點的電壓升得越高,保證不脫網的運行時間就相對較短。電壓分了5個梯級，分別為130%、125%、120%、115%的額定電壓和110%的額定電壓,其對應的保持不脫網的運行時間分別為100、900、1 000、8 00 ms和一直連續。

圖1 風電機組高電壓穿越標準

目前各高校對風電機組的電壓穿越技術僅限于理論教學,由于缺乏相關的實驗設備,不能開展實驗。雖然國內一些機構已經掌握了風電機組電壓穿越技術的實驗條件,但是無法滿足學生的學習需求[6-7]。市場上一些商業化的電壓故障發生器價格昂貴,不宜作為實驗器材。本文設計的電壓故障發生器性能穩定,操作簡單,成本低廉,可解決高校實驗儀器缺乏的困境。

1.1 設計思路

良好的控制技術可以有效地提高風電機組的電壓穿越能力[8]。本實驗裝置采用基于接觸器邏輯時序控制的電壓故障發生方法,模擬電網電壓故障部分的電路原理圖如圖2所示,其特征：該方法是基于多段自耦變壓器和接觸器投切配合產生電壓梯度變化,即通過電壓故障自耦變壓器和KM1—KM15接觸器的耦合可實現電壓故障深度選擇。考慮到實際每次發生電壓故障時電壓穿越的深度、持續時間和電壓穿越相位等參數可能不同,為了使實驗裝置滿足實驗需求,以上參數均可設置。

圖2 電壓故障模擬電路

1.2 電壓故障發生器的控制結構與實驗設計

電壓故障發生器上位機采用北京昆侖通態觸摸屏TPC1561Hi,主要實現系統的運行控制和狀態反饋等功能。下位機采用西門子的可編程序控制器(programmable logic controller,PLC)。PLC與觸摸屏通過RS485實現通信。風電機組實際運行中經常發生不對稱故障,如單相故障、兩相故障。因此設計電壓故障發生器時提出電壓的A相、B相、C相皆能實現單相故障,便于模擬電網電壓的不對稱故障。電壓故障發生器控制框圖如圖3所示。

圖3 電壓故障發生器控制框圖

1.3 電壓故障發生器介紹

研制的電壓故障發生器見圖4。電壓故障發生器提供兩路電源輸出,每路電源都有輸出正常電壓或故障電壓的選擇功能、單相電壓故障功能。這些功能的實現由圖4電壓故障發生器的操作面板相應的模式選擇開關控制。若想取得理想的實驗效果,學生進行實驗時必須正確控制該裝置。當控制電壓故障深度的KM1—KM15接觸器中某個接觸器吸合且與自耦變壓器耦合即可輸出該深度的故障電壓。模擬電網的三相電壓不對稱故障通過圖5中的KM21—KM23接觸器實現。

圖4 電壓故障發生器

為了使實驗具有參考性,本文設計的電壓故障發生器通過PLC可精確地控制故障電壓持續時間和恢復時間[9]。電壓跌落發生器可以進行10%～90%的低電壓穿越實驗和110%～130%的高電壓穿越實驗。電力系統中高電壓故障并不常見,因此高電壓穿越技術不成熟,該平臺可以更好地研究高電壓穿越特性。風電機組的工作電源為交流電,其電壓波形為正弦波,所以電壓穿越的相位角范圍為0°～360°。

2 教學應用

由電壓故障發生器和風力發電教學儀器搭建的實驗平臺,為學生清晰地演示了電壓穿越過程和電壓故障情況下風電機組的運行情況。學生利用該實驗平臺圍繞以下問題進行研究：

圖5 電壓不對稱故障電路

(1) 電壓對稱故障和不對稱故障對風電機組的影響有何區別,如何提高電壓穿越能力。

(2) 此外電網電壓故障時,風電機組端電壓下降或升高,風電機組將為電網提供無功功率支持電網電壓,減小電壓故障對風電機組的沖擊。無功補償策略的研究對穩定電網電壓有重要的作用。

永磁式風力發電機因其運行可靠成為主流機型,已經廣泛應用于風電場[10-11]。風力發電的電壓故障測試性實驗平臺主要由風力機、風力發電機、拖動電機、電壓故障發生器、變流器、主控制器、變頻器等構成。電壓故障發生器與永磁式風電機組搭建的風電機組模擬電壓故障實驗平臺如圖6所示。

圖6 風電機組模擬電壓故障實驗平臺

圖6中的永磁直驅風電機組采用全功率變流器連接永磁同步發電機(PMSG)和電網實現并網發電,因此電網電壓故障時全功率變流器的運行特性就直接關系到發電系統的電壓穿越運行能力。

基于本實驗平臺開設的電壓跌落和電壓升高實驗(見表1和表2)，不僅完善了電氣專業學生的理論課程教學,還為實踐教學打好基礎[12-13]。由于各國的電壓穿越標準不同,所以電壓故障發生的相位、故障深度的持續時間和故障恢復時間可以調節,以便模擬不同情況的電壓故障。

表1 電網電壓跌落實驗

表2 電網電壓升高實驗

3 實驗操作

永磁式風電機組實驗平臺并網發電時電網電壓發生故障可以調節的參數包括：電壓跌落或升高的持續時間；電壓跌落或升高的初始相位角范圍為0°～360°；電壓跌落或升高恢復到正常電壓時的時間。

本文利用本實驗平臺模擬電網電壓跌落,要求風電機組的端電壓跌落至額定電壓的90%，且單相跌落,625 ms后恢復到額定電壓輸出,檢測電壓跌落期間風電機組的運行情況。

實驗操作如下：

(1) 該實驗平臺的儀器上電以后將電壓故障發生器操作面板上電源輸出旋鈕撥到跌落檔位。

(2) 其次在觸摸屏上設置電壓跌落保持時間為625ms。

(3) 電壓跌落相位角在0°～360°范圍內任意設置。

(4) 電壓跌落的啟動由操作面板上啟動按鈕控制,按下啟動按鈕,電壓開始跌落，電壓從正常電壓的100%開始跌落到90%,電壓在90%的跌落檔位持續時間625 ms結束后電壓開始爬升,最后保持額定電壓輸出。電壓故障發生器與永磁發電機的定子側相連,永磁發電機的定子側電壓跌落即實現了風電機組電壓跌落,此時檢測風電機組是否不間斷并網發電和并網發電情況下的變化。

(5) 實驗完畢后,按操作面板上的停止按鈕。

實驗流程如圖7所示。通過電壓跌落的實驗,測試電網電壓跌落情況下永磁式風力發電機組的運行情況,即風力發電機組的低電壓穿越能力。永磁式風電機組的發電機定子和轉子通過變流器與電網相連，了解電網電壓驟降對永磁式風電機組的發電機定子和轉子的影響，這對研究風電機組的控制技術也有重要的意義。本文設計的電壓故障發生器也可以模擬其他風電機組的電壓故障,如雙饋式風電機組。

4 實驗結果與分析

為保證電壓故障發生器具有較高的精確性,采用阻抗分壓法檢測電壓穿越波形,以防止因電壓故障發生器的損壞對實驗產生影響,測試電路如圖8所示。阻抗分壓法即KM1—KM15依次閉合時電阻承受不同的電壓,利用示波器測量該電路中電阻的電壓,示波器上就會顯示電壓穿越波形。

利用阻抗分壓方法可以檢測到圖9中額定電壓的90%電壓跌落波形,動作時序相鄰的2個接觸器切換時電壓為0 V,但是0 V電壓持續時間短暫,不會影響實驗中風電機組并網運行。電壓跌落波形符合實驗中預想的效果,滿足實驗平臺的實驗要求。

圖10和圖11分別為永磁式風電機組電壓跌落時輸出功率為0 kW和0.8 kW時網側運行數據波形。通過對比可以看出,在10 kW傳統并網型永磁風電機組中,輸出功率為0.8 kW時,電壓從額定電壓跌落到額定電壓的90%,在跌落瞬間直流母線電壓迅速上升到額定值的1.1367倍。因此當永磁風電機組運行在大功率且電壓跌落時間長的工作環境下會發生危險。

圖7 實驗流程圖

圖8 電壓跌落保護的測試電路

圖9 電壓跌落波形

圖10 風電機組輸出功率為0 kW時網側運行波形

圖11 風電機組輸出功率為0.8 kW時網側運行波形

5 結語

良好的實驗裝置是提高學生實踐能力的重要保障。本文以實際問題為依據設計了電壓故障發生器，并搭建了電壓故障測試的實驗平臺,該平臺具有較強的實踐性和創新性。該電壓故障發生器除了應用于風力發電領域外,還可應用于多種領域,具有一定的通用性。