為保證電網(wǎng)低電壓穿越故障下風(fēng)電機(jī)組能正常運(yùn)行，需要在風(fēng)電變流器直流母線接入Chopper裝置進(jìn)行短暫能量控制。本文提出一種利用現(xiàn)有功率測(cè)試平臺(tái)和軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障的方法來測(cè)試Chopper裝置的電氣性能。測(cè)試方法經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有很好的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此方法的可行性。
隨著新能源的快速發(fā)展，風(fēng)電能源在整個(gè)電網(wǎng)所占比例越來越大，因此，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入提出了更高的要求，其中要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備低電壓穿越能力（LVRT）[1-6]，即在所連接電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)電壓跌落后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠通過低電壓穿越保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，從而避免了由于風(fēng)電場(chǎng)的切出而嚴(yán)重影響電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的故障發(fā)生。
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)電壓跌落，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量送不出去，同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的大機(jī)械慣性特性，能量會(huì)持續(xù)送往風(fēng)電變流器，從而導(dǎo)致風(fēng)電變流器能量輸入輸出的短暫不平衡，如果此時(shí)不加以控制，最終就會(huì)損壞風(fēng)電變流器。
為了保護(hù)風(fēng)電變流器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，一般無論是雙饋?zhàn)兞髌鬟€是全功率變流器，都會(huì)在直流母線接入Chopper裝置[7-10]。當(dāng)母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，投入Chopper裝置進(jìn)行能量泄放。
Chopper裝置通常由IGBT功率模塊串聯(lián)泄能電阻組成，通過IGBT的開關(guān)控制Chopper裝置的投入，目前，在Chopper裝置設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)其電氣性能測(cè)試，主要包括：IGBT功率模塊的電流出力短時(shí)過載能力和泄能電阻的熱容能力，Chopper在設(shè)計(jì)時(shí)是利用其短時(shí)的過載能力，一般情況下，如果要對(duì)Chopper裝置極限性能進(jìn)行測(cè)試，就需要專門的低電壓跌落硬件平臺(tái)和變流器拖動(dòng)平臺(tái)。
對(duì)于一般變流器廠家而言，不具備投入以上這些巨大設(shè)備的條件，只能借助風(fēng)電整機(jī)廠家的測(cè)試平臺(tái)或低電壓認(rèn)證測(cè)試機(jī)會(huì)，費(fèi)錢費(fèi)力。
本文提出一種風(fēng)電變流器Chopper裝置的測(cè)試平臺(tái)及方法，能夠利用風(fēng)電變流器廠家現(xiàn)有的功率測(cè)試裝置，通過軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障，對(duì)Chopper裝置電氣性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試靈活方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有良好的應(yīng)用前景。
1 風(fēng)電變流器Chopper裝置的測(cè)試平臺(tái)
圖1為風(fēng)電變流器Chopper裝置測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)包括電網(wǎng)接入接口、網(wǎng)側(cè)隔離變壓器、機(jī)側(cè)隔離變壓器、雙饋?zhàn)兞髌鳌C(jī)側(cè)斷路器。
圖1 風(fēng)電變流器Chopper裝置測(cè)試平臺(tái)
電網(wǎng)接入接口外接電網(wǎng)，并分別與網(wǎng)側(cè)隔離變壓器、機(jī)側(cè)隔離變壓器的一端相連接。網(wǎng)側(cè)隔離變壓器的另一端與雙饋?zhàn)兞髌鞯木W(wǎng)側(cè)斷路器相連接。機(jī)側(cè)隔離變壓器的另一端通過機(jī)側(cè)斷路器與雙饋?zhàn)兞髌鞯臋C(jī)側(cè)相連接。測(cè)試時(shí)，電網(wǎng)接入接口、網(wǎng)側(cè)隔離變壓器、機(jī)側(cè)隔離變壓器、機(jī)側(cè)斷路器構(gòu)成功率測(cè)試回路，通過雙饋?zhàn)兞髌髋cChopper裝置相連接。
雙饋?zhàn)兞髌靼ㄗ兞髌骶W(wǎng)側(cè)、變流器機(jī)側(cè)、直流母線、網(wǎng)側(cè)斷路器、網(wǎng)側(cè)接觸器、預(yù)充電接觸器和預(yù)充電電阻。Chopper裝置并聯(lián)在雙饋?zhàn)兞髌鞯闹绷髂妇€之間。
2 風(fēng)電變流器Chopper裝置的測(cè)試方法
圖2為風(fēng)電變流器Chopper裝置測(cè)試方法的流程圖。
起動(dòng)雙饋?zhàn)兞髌鳎]合網(wǎng)側(cè)斷路器和預(yù)充電接觸器，對(duì)直流母線預(yù)充電，然后分?jǐn)囝A(yù)充電接觸器，閉合網(wǎng)側(cè)接觸器，再閉合機(jī)側(cè)斷路器，將變流器網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)，使能電壓電流雙環(huán)控制，控制直流母線的電壓為1050V，將變流器機(jī)側(cè)并網(wǎng)，使能電流內(nèi)環(huán)控制，通過控制內(nèi)環(huán)電流給定方向，使得能量流動(dòng)方向?yàn)殡娋W(wǎng)流向變流器機(jī)側(cè)，變流器機(jī)側(cè)流向直流母線，直流母線流向變流器網(wǎng)側(cè)，變流器網(wǎng)側(cè)流向電網(wǎng)。
圖2 風(fēng)電變流器Chopper裝置測(cè)試方法流程圖
變流器網(wǎng)側(cè)軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障，并設(shè)置故障類型及故障時(shí)間，在故障期間，變流器網(wǎng)側(cè)進(jìn)入低電壓穿越運(yùn)行模式，變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作。變流器機(jī)側(cè)仍然往直流母線灌入能量，直流母線的電壓被抬升。
根據(jù)低電壓穿越控制策略，變流器網(wǎng)側(cè)檢測(cè)到直流母線電壓超過Chopper裝置動(dòng)作上限值為1100V，觸發(fā)Chopper裝置動(dòng)作，泄放直流側(cè)能量。
經(jīng)過泄放能量，直流母線的電壓下降，低于Chopper裝置動(dòng)作下限值為1075V，Chopper裝置退出動(dòng)作。
變流器機(jī)側(cè)一直往直流母線灌入能量，Chopper裝置工作模式為滯環(huán)模式，用于測(cè)試Chopper裝置的電氣性能。Chopper裝置的動(dòng)作頻率可通過變流器機(jī)側(cè)的給定電流大小控制。
當(dāng)雙饋?zhàn)兞髌鬟\(yùn)行超過軟件設(shè)定的電網(wǎng)低電壓穿越故障時(shí)間時(shí)，變流器網(wǎng)側(cè)和變流器機(jī)側(cè)都停止工作，測(cè)試完成。
3 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障流程
圖3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)曲線。在控制軟件中，通過該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)曲線構(gòu)建的網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)觀測(cè)器功能模塊來監(jiān)測(cè)實(shí)際電網(wǎng)電壓或者模擬電網(wǎng)電壓信號(hào)，判斷是否進(jìn)入電網(wǎng)低電壓穿越故障。
圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)曲線
其中最大值、最小值以及時(shí)間段可以通過軟件設(shè)定，從而可以實(shí)現(xiàn)模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障和故障持續(xù)時(shí)間。例如最大值和最小值的標(biāo)幺值設(shè)定在0.2p.u.，且維持時(shí)間在0～0.625s時(shí)，電網(wǎng)觀測(cè)器判斷電網(wǎng)低電壓穿越故障，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行；若超過0.625s，則認(rèn)為電網(wǎng)超低壓故障，允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)。最大值和最小值的標(biāo)幺值設(shè)定在0.9p.u.，且維持時(shí)間在0～3s時(shí)，電網(wǎng)觀測(cè)器判斷電網(wǎng)低電壓穿越故障，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，若超過3s，則認(rèn)為電網(wǎng)超低壓故障，允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)。
圖4為模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障的流程圖。其實(shí)現(xiàn)方法為電網(wǎng)電壓來源包括實(shí)際電網(wǎng)電壓和控制軟件中編寫的幅值可調(diào)的模擬電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)模擬使能信號(hào)為0時(shí)，電網(wǎng)電壓等于實(shí)際電網(wǎng)電壓；電網(wǎng)模擬使能信號(hào)為1時(shí)，電網(wǎng)電壓等于模擬電網(wǎng)電壓。
Chopper裝置測(cè)試時(shí)，電網(wǎng)模擬使能信號(hào)設(shè)置為1，通過設(shè)置模擬電網(wǎng)電壓的幅值和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)置故障類型及故障時(shí)間，在故障期間，變流器網(wǎng)側(cè)進(jìn)入低電壓穿越運(yùn)行故障，變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作，變流器機(jī)側(cè)仍然往直流母線灌入能量，直流母線的電壓被抬升。
圖4 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障的流程圖
變流器網(wǎng)側(cè)檢測(cè)到直流母線的電壓超過Chopper裝置動(dòng)作上限值為1100V，觸發(fā)Chopper裝置動(dòng)作，泄放直流側(cè)能量。經(jīng)過泄放能量，直流母線的電壓下降，低于Chopper裝置動(dòng)作下限值為1075V，Chopper裝置退出動(dòng)作。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證提出測(cè)試方法的有效性，本實(shí)驗(yàn)在1.5MW雙饋風(fēng)冷變流器上測(cè)試Chopper裝置的電氣性能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)為：外接電網(wǎng)為10kV配電網(wǎng)，機(jī)網(wǎng)側(cè)隔離變壓器電壓等級(jí)均為10kV/0.69kV，雙饋?zhàn)兞髌鳛?.5MW/0.69kV雙饋風(fēng)冷變流器，Chopper裝置由0.8?不銹鋼電阻、2.2?F吸收電容、FF1000R17IE4功率開關(guān)管等組成。
圖5的測(cè)試工況為變流器網(wǎng)側(cè)軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障1s，給定電流大小為100A。圖6的測(cè)試工況為變流器網(wǎng)側(cè)軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障2s，給定電流大小為200A。
圖5 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障1s，電流給定100A
圖6 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障2s，電流給定200A
圖5和圖6中4條曲線說明如下：
1）曲線1為變流器網(wǎng)側(cè)的PWM使能信號(hào)，碼值與實(shí)際值比為1∶1，故障期間，變流器網(wǎng)側(cè)的PWM使能信號(hào)為0，使變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作。
2）曲線9為Chopper裝置動(dòng)作信號(hào)，碼值與實(shí)際值比為1∶1，圖5的動(dòng)作70次，圖6的動(dòng)作268次。
3）曲線13為變流器網(wǎng)側(cè)的A相電流，碼值與實(shí)際值比為15∶1，故障期間，變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷，變流器網(wǎng)側(cè)的A相電流為0。
4）曲線16為直流母線的電壓，碼值與實(shí)際值比為20∶1，故障期間，變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作，變流器機(jī)側(cè)仍然往直流母線灌入能量，直流母線的電壓被抬升。直流母線的電壓超過Chopper裝置動(dòng)作上限值，觸發(fā)Chopper裝置動(dòng)作，泄放直流側(cè)能量。經(jīng)過泄放能量，直流母線的電壓下降，低于Chopper裝置動(dòng)作下限值，Chopper裝置退出動(dòng)作。
結(jié)論
本文介紹了的風(fēng)電變流器Chopper裝置的測(cè)試方法，并介紹了該方法的測(cè)試流程和模擬低電壓穿越故障的流程，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)試Chopper裝置方法的有效性。此測(cè)試方法經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有很好的應(yīng)用前景。
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