风力发电的电压故障发生器设计与实验研究

邢作霞, 项 尚, 芦彦东, 周瑞卿, 郭立立

(沈阳工业大学 电气工程学院, 辽宁 沈阳 110870)

随着风电机组装机容量占电网比重不断增加,风电机组在电网故障下的运行能力显得极为重要[1-2]。电网故障使风电机组端电压跌落或升高，使风电机组脱网运行、不能向电网输电。由于电网的有功输入减少,电网恢复的难度将增加,引起其他风电机组脱网运行,导致大规模停电。因此,急需一种模拟电网电压故障的实验装置。该装置应用于风电机组教学中，可以使学生直观地掌握到电压跌落或升高情况下风电机组的运行状况,为提高电压故障下风电机组并网能力创造实验条件。

1 电压故障发生器的研制

实践教学是高校培养大学生创新意识和创新能力的关键环节,实践教学环节具有重要的作用[3]。本文设计的电压故障发生器测试风电机组的电压穿越能力。电压穿越能力指：电力系统发生故障而引起并网点电压跌落或升高,在一定持续时间内风电机组不脱网，并能连续运行且平稳过渡到正常运行状态的一种能力[4-5]。我国规定的风电机组低电压穿越标准：风电机组在并网点电压跌落至20%时持续625 ms并网运行,从跌落开始2 s内恢复到额定电压的90%。

与低电压穿越规范相比,我国规定高电压穿越的规范就显得更迟。直到2015年,我国对高电压穿越的标准才有明确的要求,其对高电压穿越提出了明确的要求,如图1所示。测试点的电压升得越高,保证不脱网的运行时间就相对较短。电压分了5个梯级，分别为130%、125%、120%、115%的额定电压和110%的额定电压,其对应的保持不脱网的运行时间分别为100、900、1 000、8 00 ms和一直连续。

图1 风电机组高电压穿越标准

目前各高校对风电机组的电压穿越技术仅限于理论教学,由于缺乏相关的实验设备,不能开展实验。虽然国内一些机构已经掌握了风电机组电压穿越技术的实验条件,但是无法满足学生的学习需求[6-7]。市场上一些商业化的电压故障发生器价格昂贵,不宜作为实验器材。本文设计的电压故障发生器性能稳定,操作简单,成本低廉,可解决高校实验仪器缺乏的困境。

1.1 设计思路

良好的控制技术可以有效地提高风电机组的电压穿越能力[8]。本实验装置采用基于接触器逻辑时序控制的电压故障发生方法,模拟电网电压故障部分的电路原理图如图2所示,其特征：该方法是基于多段自耦变压器和接触器投切配合产生电压梯度变化,即通过电压故障自耦变压器和KM1—KM15接触器的耦合可实现电压故障深度选择。考虑到实际每次发生电压故障时电压穿越的深度、持续时间和电压穿越相位等参数可能不同,为了使实验装置满足实验需求,以上参数均可设置。

图2 电压故障模拟电路

1.2 电压故障发生器的控制结构与实验设计

电压故障发生器上位机采用北京昆仑通态触摸屏TPC1561Hi,主要实现系统的运行控制和状态反馈等功能。下位机采用西门子的可编程序控制器(programmable logic controller,PLC)。PLC与触摸屏通过RS485实现通信。风电机组实际运行中经常发生不对称故障,如单相故障、两相故障。因此设计电压故障发生器时提出电压的A相、B相、C相皆能实现单相故障,便于模拟电网电压的不对称故障。电压故障发生器控制框图如图3所示。

图3 电压故障发生器控制框图

1.3 电压故障发生器介绍

研制的电压故障发生器见图4。电压故障发生器提供两路电源输出,每路电源都有输出正常电压或故障电压的选择功能、单相电压故障功能。这些功能的实现由图4电压故障发生器的操作面板相应的模式选择开关控制。若想取得理想的实验效果,学生进行实验时必须正确控制该装置。当控制电压故障深度的KM1—KM15接触器中某个接触器吸合且与自耦变压器耦合即可输出该深度的故障电压。模拟电网的三相电压不对称故障通过图5中的KM21—KM23接触器实现。

图4 电压故障发生器

为了使实验具有参考性,本文设计的电压故障发生器通过PLC可精确地控制故障电压持续时间和恢复时间[9]。电压跌落发生器可以进行10%～90%的低电压穿越实验和110%～130%的高电压穿越实验。电力系统中高电压故障并不常见,因此高电压穿越技术不成熟,该平台可以更好地研究高电压穿越特性。风电机组的工作电源为交流电,其电压波形为正弦波,所以电压穿越的相位角范围为0°～360°。

2 教学应用

由电压故障发生器和风力发电教学仪器搭建的实验平台,为学生清晰地演示了电压穿越过程和电压故障情况下风电机组的运行情况。学生利用该实验平台围绕以下问题进行研究：

图5 电压不对称故障电路

(1) 电压对称故障和不对称故障对风电机组的影响有何区别,如何提高电压穿越能力。

(2) 此外电网电压故障时,风电机组端电压下降或升高,风电机组将为电网提供无功功率支持电网电压,减小电压故障对风电机组的冲击。无功补偿策略的研究对稳定电网电压有重要的作用。

永磁式风力发电机因其运行可靠成为主流机型,已经广泛应用于风电场[10-11]。风力发电的电压故障测试性实验平台主要由风力机、风力发电机、拖动电机、电压故障发生器、变流器、主控制器、变频器等构成。电压故障发生器与永磁式风电机组搭建的风电机组模拟电压故障实验平台如图6所示。

图6 风电机组模拟电压故障实验平台

图6中的永磁直驱风电机组采用全功率变流器连接永磁同步发电机(PMSG)和电网实现并网发电,因此电网电压故障时全功率变流器的运行特性就直接关系到发电系统的电压穿越运行能力。

基于本实验平台开设的电压跌落和电压升高实验(见表1和表2)，不仅完善了电气专业学生的理论课程教学,还为实践教学打好基础[12-13]。由于各国的电压穿越标准不同,所以电压故障发生的相位、故障深度的持续时间和故障恢复时间可以调节,以便模拟不同情况的电压故障。

表1 电网电压跌落实验

表2 电网电压升高实验

3 实验操作

永磁式风电机组实验平台并网发电时电网电压发生故障可以调节的参数包括：电压跌落或升高的持续时间；电压跌落或升高的初始相位角范围为0°～360°；电压跌落或升高恢复到正常电压时的时间。

本文利用本实验平台模拟电网电压跌落,要求风电机组的端电压跌落至额定电压的90%，且单相跌落,625 ms后恢复到额定电压输出,检测电压跌落期间风电机组的运行情况。

实验操作如下：

(1) 该实验平台的仪器上电以后将电压故障发生器操作面板上电源输出旋钮拨到跌落档位。

(2) 其次在触摸屏上设置电压跌落保持时间为625ms。

(3) 电压跌落相位角在0°～360°范围内任意设置。

(4) 电压跌落的启动由操作面板上启动按钮控制,按下启动按钮,电压开始跌落，电压从正常电压的100%开始跌落到90%,电压在90%的跌落档位持续时间625 ms结束后电压开始爬升,最后保持额定电压输出。电压故障发生器与永磁发电机的定子侧相连,永磁发电机的定子侧电压跌落即实现了风电机组电压跌落,此时检测风电机组是否不间断并网发电和并网发电情况下的变化。

(5) 实验完毕后,按操作面板上的停止按钮。

实验流程如图7所示。通过电压跌落的实验,测试电网电压跌落情况下永磁式风力发电机组的运行情况,即风力发电机组的低电压穿越能力。永磁式风电机组的发电机定子和转子通过变流器与电网相连，了解电网电压骤降对永磁式风电机组的发电机定子和转子的影响，这对研究风电机组的控制技术也有重要的意义。本文设计的电压故障发生器也可以模拟其他风电机组的电压故障,如双馈式风电机组。

4 实验结果与分析

为保证电压故障发生器具有较高的精确性,采用阻抗分压法检测电压穿越波形,以防止因电压故障发生器的损坏对实验产生影响,测试电路如图8所示。阻抗分压法即KM1—KM15依次闭合时电阻承受不同的电压,利用示波器测量该电路中电阻的电压,示波器上就会显示电压穿越波形。

利用阻抗分压方法可以检测到图9中额定电压的90%电压跌落波形,动作时序相邻的2个接触器切换时电压为0 V,但是0 V电压持续时间短暂,不会影响实验中风电机组并网运行。电压跌落波形符合实验中预想的效果,满足实验平台的实验要求。

图10和图11分别为永磁式风电机组电压跌落时输出功率为0 kW和0.8 kW时网侧运行数据波形。通过对比可以看出,在10 kW传统并网型永磁风电机组中,输出功率为0.8 kW时,电压从额定电压跌落到额定电压的90%,在跌落瞬间直流母线电压迅速上升到额定值的1.1367倍。因此当永磁风电机组运行在大功率且电压跌落时间长的工作环境下会发生危险。

图7 实验流程图

图8 电压跌落保护的测试电路

图9 电压跌落波形

图10 风电机组输出功率为0 kW时网侧运行波形

图11 风电机组输出功率为0.8 kW时网侧运行波形

5 结语

良好的实验装置是提高学生实践能力的重要保障。本文以实际问题为依据设计了电压故障发生器，并搭建了电压故障测试的实验平台,该平台具有较强的实践性和创新性。该电压故障发生器除了应用于风力发电领域外,还可应用于多种领域,具有一定的通用性。