趙清松，徐建源，劉勁松，王 剛，戈陽(yáng)陽(yáng)

(1．遼寧省電網(wǎng)安全運(yùn)行與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué))，遼寧 沈陽(yáng) 110870;2．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

隨著我國(guó)政府對(duì)開(kāi)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(shí)施，風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)模化開(kāi)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(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模建設(shè)，給電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)，加之我國(guó)大部分風(fēng)電開(kāi)發(fā)地區(qū)位于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱區(qū)域或電網(wǎng)末端，大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)的電壓、穩(wěn)定性、電能質(zhì)量及運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)巨大的影響，確保大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)展風(fēng)電并網(wǎng)研究以及了解風(fēng)電特性及其與電網(wǎng)的相互作用，在當(dāng)前都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)［2］。

風(fēng)電發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)軸同電網(wǎng)頻率之間建立一種柔性連接。在發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，變流器通過(guò)對(duì)外部電機(jī)變化不間斷地進(jìn)行檢測(cè)，盡量減小機(jī)組切入電網(wǎng)時(shí)的沖擊電流。即便如此，在風(fēng)電變流器啟動(dòng)時(shí)，仍不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電流，如果沖擊電流過(guò)大，將影響傳統(tǒng)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［3］。

風(fēng)電發(fā)電機(jī)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(yùn)行特性是風(fēng)機(jī)低電壓穿越研究的核心。本文通過(guò)對(duì)PWM變流器數(shù)學(xué)模型的分析，得到變流器電流特性數(shù)學(xué)公式，并由測(cè)試數(shù)據(jù)，研究變流器在低電壓情況下的電流特性。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓運(yùn)行規(guī)定

為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電的接入，確保風(fēng)電接入后的電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性與穩(wěn)定性，除了加強(qiáng)相應(yīng)的電網(wǎng)建設(shè)、增加電網(wǎng)的調(diào)控手段，并不斷改善整個(gè)電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)外，還需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的技術(shù)要求做出相應(yīng)規(guī)定，以期不斷提高風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性，降低大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的Q/GDW 392—2009《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的要求，風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越應(yīng)能滿足圖1的要求［4］。

a． 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms的能力。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求

b． 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

對(duì)電網(wǎng)故障期間沒(méi)有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，以至少每秒10%額定功率的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

2 變流器數(shù)學(xué)模型

采用2個(gè)背靠背雙PWM變流器并聯(lián)的變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(xué)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(fù)載，典型的三相PWM整流器的主電路拓?fù)淙鐖D2所示［5］。

圖2 PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假設(shè)Si(i=a，b，c)分別為三相橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)，可定義開(kāi)關(guān)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(xué)模型:

假設(shè)三相電壓平衡，則有:

在三相無(wú)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(xué)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(wú)源負(fù)載，也可以接電壓源，三相電壓型PWM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PWM逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

由圖3和式 (6)可得用開(kāi)關(guān)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(guān)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(biāo)系中數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)方程:

其中:S*=(Su+Sv+Sw)/3

由以上推導(dǎo)的背靠背雙PWM變流器的數(shù)學(xué)模型可見(jiàn)，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落時(shí)，逆變器側(cè)ea、eb、ec突然變小，而整流器側(cè)風(fēng)機(jī)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(guò)的電流將會(huì)變大。

3 電壓跌落測(cè)試方法

3.1 測(cè)試內(nèi)容

電壓跌落試驗(yàn)分為空載試驗(yàn)與帶載試驗(yàn)?？蛰d試驗(yàn)是指低電壓穿越設(shè)備在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)且不并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)下的電壓跌落測(cè)試，該試驗(yàn)為帶載試驗(yàn)的基礎(chǔ)，不同電壓跌落、不同故障類型的帶載跌落試驗(yàn)必須做一次空載試驗(yàn)。在帶載試驗(yàn)正式進(jìn)行前，需要做對(duì)應(yīng)的空載試驗(yàn)，以檢查設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性。

對(duì)于低電壓穿越測(cè)試抽檢測(cè)試，只測(cè)試電壓跌落期間的殘余電壓值為20%Un。測(cè)試風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組出口發(fā)生三相短路、兩相短路和單相短路故障時(shí)的低電壓穿越特性。主要測(cè)試數(shù)據(jù)包括風(fēng)電機(jī)組出口電壓、有功電流、無(wú)功電流、有功功率、無(wú)功功率、風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、并網(wǎng)狀態(tài)以及葉片槳距角信號(hào)。

3.2 測(cè)試原理

為了不影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，低電壓穿越測(cè)試設(shè)備串接在風(fēng)機(jī)出口處變壓器之前的690 V線路上，不做試驗(yàn)時(shí)，打開(kāi)跌落測(cè)試開(kāi)關(guān)Qsc，關(guān)閉旁路開(kāi)關(guān)Qbp，設(shè)備在旁路狀態(tài)運(yùn)行，不影響系統(tǒng)發(fā)電。通過(guò)開(kāi)關(guān)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(guò)不同的阻抗配比分壓來(lái)模擬不同跌落類型及不同深度的電壓跌落，有效補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行方式改變給跌落精度造成的偏差。裝置電壓跌落和恢復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)閉合和斷開(kāi)斷路器Qsc實(shí)現(xiàn)。測(cè)試裝置原理如圖4所示。

待風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率達(dá)到測(cè)試要求時(shí)，打開(kāi)電壓跌落設(shè)備旁路開(kāi)關(guān)Qbp，按下跌落測(cè)試開(kāi)關(guān)Q

圖4 側(cè)壓側(cè)低電壓穿越測(cè)試裝置原理圖

sc，開(kāi)始跌落試驗(yàn)。測(cè)試設(shè)備可準(zhǔn)確測(cè)量電流和電壓并計(jì)算有功、無(wú)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(fēng)電機(jī)組額定容量，為風(fēng)電機(jī)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(dāng)?shù)南到y(tǒng)連接點(diǎn) (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(diǎn)。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(dāng)?shù)南到y(tǒng)公共連接點(diǎn) (PCC)確定后由下式計(jì)算X1:

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

3.4 測(cè)試過(guò)程對(duì)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)的影響

a． 對(duì)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(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)標(biāo)稱電壓的10%。

移動(dòng)式低電壓穿越測(cè)試裝置的試驗(yàn)阻抗同系統(tǒng)阻抗如匹配不當(dāng)，將導(dǎo)致公共接入點(diǎn)短路故障。試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上充分考慮了風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的影響，并通過(guò)大量的仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，確保在測(cè)試過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)側(cè)公共連接點(diǎn)電壓波動(dòng)不超過(guò)±5%。

b． 對(duì)被測(cè)風(fēng)機(jī)的影響

被測(cè)風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，此時(shí)進(jìn)行低電壓穿越試驗(yàn)，被測(cè)風(fēng)電機(jī)組保護(hù)動(dòng)作，風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行，測(cè)試不會(huì)損壞風(fēng)機(jī)。

被測(cè)風(fēng)電機(jī)組具備較好的低電壓穿越能力，電壓跌落開(kāi)始后，限流電抗器接入后將使被測(cè)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率降低，等效系統(tǒng)短路容量減小，可能引起風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電不穩(wěn)定。為使被測(cè)風(fēng)電機(jī)組仍能正常工作，電抗器的正確配置至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)大量的低電壓穿越檢測(cè)試驗(yàn)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(cè)風(fēng)電機(jī)組正常工作。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 測(cè)試方法模式

風(fēng)機(jī)出口變壓器采用DYn11接線方式，風(fēng)機(jī)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(zhǎng)，發(fā)生故障的概率也最大，電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)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(cè)試時(shí)，若在高壓側(cè)設(shè)置電壓跌落點(diǎn)將會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)甚至電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響，高電壓等級(jí)對(duì)設(shè)備絕緣及安全也有更高的要求，因此從實(shí)際情況考慮，一般在低壓側(cè)或高壓側(cè)設(shè)置電壓跌落點(diǎn)來(lái)模擬高壓側(cè)電壓跌落的實(shí)際情況。

圖6 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)及變壓器接線圖

經(jīng)過(guò)2臺(tái)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(guò)變壓器時(shí)被濾除，這對(duì)電壓跌落測(cè)試無(wú)特別影響，因此，在低壓側(cè)設(shè)置電壓跌落點(diǎn)可全面模擬高壓側(cè)電壓跌落故障的實(shí)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(cè)試結(jié)果

在大風(fēng)工況下 (風(fēng)機(jī)輸出功率P≥0.9Pn)，在低壓側(cè) (690 V)設(shè)置電壓跌落點(diǎn)，對(duì)被測(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行低電壓穿越測(cè)試。測(cè)試期間，流過(guò)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(kāi)始跌落，4.44 s和5.01 s時(shí)電流有效值達(dá)到最大 (1.59 p.u.)，跌落持續(xù)時(shí)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(kāi)始跌落，4.12 s時(shí)電流有效值達(dá)到最大 (1.67 p.u.)，跌落持續(xù)時(shí)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(kāi)始跌落，3.08 s時(shí)電流有效值達(dá)到最大 (1.53 p.u.)，跌落持續(xù)時(shí)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(jiàn)，電壓跌落期間變流器中流過(guò)電流有效值較大，兩相電壓跌落時(shí)電流有效值最大達(dá)到1.67 p.u.，高于三相和單相跌落時(shí)的1.53 p.u.和1.59 p.u.，電壓跌落時(shí)的大電流會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器產(chǎn)生威脅，低電壓穿越測(cè)試就是考核風(fēng)機(jī)是否能夠承受這種沖擊，主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)變流器耐流性能上。由測(cè)試可知，兩相跌落流過(guò)變流器的電流有效值是最大的。

5 結(jié)束語(yǔ)

電壓跌落期間風(fēng)機(jī)變流器中將會(huì)流過(guò)較大的電流，并且在電壓跌落開(kāi)始和結(jié)束時(shí)會(huì)有峰值出現(xiàn);兩相跌落時(shí)流過(guò)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(duì)風(fēng)機(jī)變流器的威脅最大。從實(shí)際運(yùn)行角度考慮，風(fēng)機(jī)應(yīng)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(yùn)行，滿足電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求。

［1］ 劉 岱，龐松嶺．風(fēng)電集中接入對(duì)電網(wǎng)影響分析［J］．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，23(3):156－160．

［2］ 胡書(shū)舉，李建林，許洪華．永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行特性的分析 ［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(17):73－77．

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

［4］ Q/GDW 392—2009，風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］．

［5］ 李舉成，易靈芝，李 明，等．永磁風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)逆變器的研究 ［J］．計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2008，35(10):19－21．