一种新型低成本低电压穿越测试装置

刘家乐，张永明，庄骏，陈苏声

(1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072;2.上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114)

0 引言

风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。在国家发展绿色新能源的政策支持下，我国风电技术装备行业也取得了较快的发展，但是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、不对称跌落故障。当风电装机比例较低时，可以允许风电场在电网发生故障及扰动时切除，不会引起严重后果;当风电装机比例较高时:高风速期间，由于输电网故障引起的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化甚至可能引起大面积的停电，从而带来频率的稳定问题。同时电网发生电压跌落对风电机组会产生以下三个影响:

(1)机械、电气功率的不平衡影响机组稳定运行;

(2)导致发电机中出现过流，可能损坏器件;

(3)出现的附加的转矩、应力可能损坏机械部分。

低电压穿越是当电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风力放电机组能够不间断并网运行，从而维持电网稳定运行[1]。电网规范要求风力发电系统必须具备低电压穿越能力。为了研究和测试风电系统的低电压穿越能力，必须利用具有专门针对风电系统的测试装置。

国际上，FGH公司在2000年时就已设计出固定式的基于阻抗型的低电压穿越的测试装置[2];德国船级社(GL)制作一种可移动型的基于阻抗式的低电压穿越装置，这种测试装置通过事先根据不同的跌落深度计算出跌落的阻抗值，但需要人工手动调节阻抗值，适用于移动式的 LVRT测试。美国电力科学研究院(EPRI)研制出基于三相可调的变压器式的电压跌落测试装置，其测试电压范围在100～277 V，精度较高，但是使用范围较小，价格较高，不适宜国内使用[3]。ABB公司根据IEC61400－21的标准设计一种固定式基于阻抗型的低电压穿越测试装置，主要用于ABB公司设计的风电机组的变流器的低电压穿越的测试，最大测试容量可达到3 MW[4]。西班牙的萨拉戈萨大学在2008年研制出一种固定式的基于阻抗式的低电压穿越测试装置，其测试容量为5 MW，并且可以根据不同的测试标准调整装置[5]。国内来说，相对而言，起步较晚，目前测试认证单位只有中国电力科学院的张北实验基地。中国电力科学研究院与德国FGH公司合作，引进了一套基于阻抗分压式结构的低电压穿越测试装置，可满足额定容量最大为3 MW 的风电机组低电压穿越测试的需求[6]，后又自行研制出测试容量达6 MW的测试装置。国内的一些大学，如上海交通大学，上海大学，浙江大学，华北电力大学，沈阳工业大学，合肥工业大学等等，都研制出小型的LVRT测试装置[7]。

本文提出一种简易的，低成本的低电压穿越测试装置。这个装置可以模拟电网单相、两相及三相电压跌落，并且电压跌落的持续时间、跌落深度均可调，同时结合Labview软件平台研发一套风电机组的低电压穿越测试监控系统。本测试装置具有操作简单、可靠性高、实时性好等特点。适用于一般风电机组的测试要求。

1 测试标准

我国由国家电网科在2009年规定的《风电场接入电网技术规定(修订版)》中对风电场的LVRT能力作了明确的规定[8]:

风力发电机组输出端电压跌落至20%额定电压时，风力发电机组能够保证不脱网连续运行625 ms。

风力发电机组输出端电压在发生跌落后2 s内能够恢复到额定电压的90%时，风力发电机组应能保证不脱网连续运行。

电网发生故障引起风力发电机组输出端电压跌落，当风力发电机组在图1中电压轮廓线及以上区域内时，风力发电机组应能保证不脱网连续运行。

图1 风电机组的低电压穿越的标准

2 检测原理

风力发电系统的关键设备是风力发电机组。从结构的角度看，风力发电机组由两大部分组成:一是风力发电机，它是将风能变成机械能，再转换成电能;二是交直交变流器，它的功能是将频率和幅值不一的电能，转换为频率幅值为标准的电能。风电机组的质量的好坏直接影响到输出电能的质量，所以风电机组的整体测试是一个非常重要的环节，它的可靠运行时保障整个电力系统长期稳定运行的基础[9]。

目前，风力发电机组的主要类型为双馈型风力发电机和交直交变流器组成，其检测原理如图2所示。被测发电机组接在电压跌落发生器(VSG)相连，通过电流电压传感器同时监控电压跌落发生器的电压跌落的情况，同时把传感器采集到的信号，通过NI板卡将采集到的电压电流信号传输到工控机上实时显示，并且可以通过上位机实现对VSG的控制。

3 电压跌落发生器的设计

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)。目前，国内外针对电压跌落发生器展开了研究。主要有基于阻抗形式、变压器形式和电力电子变换形式的VSG的实现方法[10]。本文主要采用基于阻抗式的电压跌落发生器VSG[11]。

图2 LVRT测试系统结构图

利用断路器、交流接触器或者晶闸管将电抗器串联或并联接入主电路中实现电压跌落。这种方案结构简单，实现方便，并且相对其他两种形式成本较低，重量轻，方便运输，并且通过交流接触器的开关配合，来控制接入和接出电路中的电抗器的数量，从而可以模拟出实际电网中电压跌落的情况。

图3 电抗器的参数计算示意图

参考相关文献[12]可知，在设计阻抗形式的 VSG时，其设计准则必须在如下条件之下:

(1)在电压跌落测试期间和测试后，双馈电机测试系统的电压必须在 0.95 p.u.以上;

(2)测试点的短路容量必须大于五倍的风机的额定功率。

以下给出阻抗L1、L2、L3的设计准则。为满足第一个条件，图3中的各阻抗之间必须满足以下关系式:

其中Znet为电网的短路阻抗，可以根据下式计算:

其中US为电网电压，SC为测试点的容量。

而为满足上面提到的条件二，即:

其中SDFIG为双馈电机的额定容量;

结合式(1－4)，可以根据不同的跌落深度计算出串联电抗器和并联电抗器的电抗值。

4 测试监控系统的设计

为了可视直观对风力发电机组的低电压穿越测试的动态过程的可视和分析，在本装置中设计了以Labview软件作为平台设计开发了用于风力发电机组的LVRT测试的系统。该系统主要包括实时数据的采集、分析、显示、保存以及离线数据调用回显。系统结构如图4所示。

图4 测试系统结构图

5 实验验证

为了验证本低电压穿越测试装置的可行性，本文设计制作测试容量为11 kW的双馈风力发电机的低电压穿越(LVRT)测试装置，通过检测测试过程中的实时电压信号，实时显示电压跌落的情况。

5.1 波形对比

本文此处分别给出在MATLAB/Simulink中电压跌落50%的波形与利用本实验检测系统检测出波形进行对比，根据国家电网公司规定的电压跌落持续时间规定，见表1，设定电压跌落时间为1 214 ms±20 ms的仿真波形和实验测试波形。

表1 电网电压跌落规格

5.2 数据分析

图5是在Simulink中仿真电压跌落的波形，图6是在实验中实测电压跌落波形。电压跌落发生时，输出电压有效值从311 V跌落至155 V(跌落至额定电压的50%)，同时可以看到，电压跌落发生及恢复时，电压在过零点衔接的很好，基本没有波形的畸变;并且电压跌落能够按照电压给定的时间(1 214±20 ms)和给定的类型(三相对地对称跌落)实现电压跌落。

图5 电压跌落50%仿真波形

图6 跌落50%实测波形

验证了本文提出的设计方案的可行性，证明了这种方案结构的合理性。同时，由仿真和测试数据分析说明，此种低电压穿越测试装置能够实现初期的设计目标，并且通过数据监测系统，可以实时检测出电压跌落的波形，并给予显示。

6 结束语

由于风力发电的迅速发展，风力发电机组的低电压穿越的要求会越来越严格，由此对低电压穿越的测试装置的智能化，自动化的要求也越来越高。分析低电压穿越测试设备设计原理，设计基于电抗器的电压跌落发生器，并研究和开发了基于Labview软件平台的实时测试控制系统，通过工控机的控制指令控制开关的开合，从而控制电压跌落的时间和深度，同时通过使用NI软硬件结合，使得系统具有精度高，操作简单，自动化程度高等优点，能满足对风电机组的实时参数监控，具有极高的使用价值。

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[3]美国 EPRI.PS200－3P－T用户手册[EB/OL].http://f47testing.epri.com/Porto%20Sag%20PS200 － 3P － T%20 spec%20 sheet.pdf.

[4]Y.H.Chung，G.H.Kwon，T.B.Park，G.Y.Lim.Voltage sag and swell generator with thyristor controlled reactor，" in proc.2002 International Conf[J].Power System Technology，2002，(3):1933－1937..

[5]S.Z.Dokic， J.V.Milanovic， K.A.Charalambous.Computer Simulation of Voltage Sag Generator[J].10th international conference on hormonics and quality of power，2002，2(10):649 － 654.

[6]梁亮，李建林，赵斌，等.适合于风力发电系统的电压跌落发生器[J].可再生能源，2007，25(3):64 －67.

[7]宋海涛.低电压穿越 LVRT测试装置研制[D].北京:北京交通大学.2012.

[8]Q/GDW 392－2009，风电场接入电网技术规定[S].北京:国家电网公司.

[9]李建林，许洪华.风力发电系统低电压运行技术[M].北京:机械工业出版社.

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[11]黎芹.双馈风力发电机低电压穿越技术的研究[D].合肥:合肥工业大学.2010.

[12]Miguel Gareia － Gracia，M.Paz Comeeh，Jesus.Sallan.Voltage dip generator for Wind energy systems up to 5MW[J].Applied Energy，2009，86(4):565－574.