劉家樂(lè)，張永明，莊駿，陳蘇聲

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072;2.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114)

0 引言

風(fēng)電是可再生、無(wú)污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展清潔能源是世界各國(guó)的戰(zhàn)略選擇。在國(guó)家發(fā)展綠色新能源的政策支持下，我國(guó)風(fēng)電技術(shù)裝備行業(yè)也取得了較快的發(fā)展，但是目前我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)大多還停留在理想電網(wǎng)條件下的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制，而實(shí)際電網(wǎng)中存在有各類對(duì)稱、不對(duì)稱跌落故障。當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)比例較低時(shí)，可以允許風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)發(fā)生故障及擾動(dòng)時(shí)切除，不會(huì)引起嚴(yán)重后果;當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)比例較高時(shí):高風(fēng)速期間，由于輸電網(wǎng)故障引起的大量風(fēng)電切除會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)潮流的大幅變化甚至可能引起大面積的停電，從而帶來(lái)頻率的穩(wěn)定問(wèn)題。同時(shí)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落對(duì)風(fēng)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生以下三個(gè)影響:

(1)機(jī)械、電氣功率的不平衡影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行;

(2)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中出現(xiàn)過(guò)流，可能損壞器件;

(3)出現(xiàn)的附加的轉(zhuǎn)矩、應(yīng)力可能損壞機(jī)械部分。

低電壓穿越是當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)力放電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，從而維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須具備低電壓穿越能力。為了研究和測(cè)試風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，必須利用具有專門(mén)針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的測(cè)試裝置。

國(guó)際上，F(xiàn)GH公司在2000年時(shí)就已設(shè)計(jì)出固定式的基于阻抗型的低電壓穿越的測(cè)試裝置[2];德國(guó)船級(jí)社(GL)制作一種可移動(dòng)型的基于阻抗式的低電壓穿越裝置，這種測(cè)試裝置通過(guò)事先根據(jù)不同的跌落深度計(jì)算出跌落的阻抗值，但需要人工手動(dòng)調(diào)節(jié)阻抗值，適用于移動(dòng)式的 LVRT測(cè)試。美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI)研制出基于三相可調(diào)的變壓器式的電壓跌落測(cè)試裝置，其測(cè)試電壓范圍在100～277 V，精度較高，但是使用范圍較小，價(jià)格較高，不適宜國(guó)內(nèi)使用[3]。ABB公司根據(jù)IEC61400－21的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一種固定式基于阻抗型的低電壓穿越測(cè)試裝置，主要用于ABB公司設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組的變流器的低電壓穿越的測(cè)試，最大測(cè)試容量可達(dá)到3 MW[4]。西班牙的薩拉戈薩大學(xué)在2008年研制出一種固定式的基于阻抗式的低電壓穿越測(cè)試裝置，其測(cè)試容量為5 MW，并且可以根據(jù)不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整裝置[5]。國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，相對(duì)而言，起步較晚，目前測(cè)試認(rèn)證單位只有中國(guó)電力科學(xué)院的張北實(shí)驗(yàn)基地。中國(guó)電力科學(xué)研究院與德國(guó)FGH公司合作，引進(jìn)了一套基于阻抗分壓式結(jié)構(gòu)的低電壓穿越測(cè)試裝置，可滿足額定容量最大為3 MW 的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試的需求[6]，后又自行研制出測(cè)試容量達(dá)6 MW的測(cè)試裝置。國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如上海交通大學(xué)，上海大學(xué)，浙江大學(xué)，華北電力大學(xué)，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，合肥工業(yè)大學(xué)等等，都研制出小型的LVRT測(cè)試裝置[7]。

本文提出一種簡(jiǎn)易的，低成本的低電壓穿越測(cè)試裝置。這個(gè)裝置可以模擬電網(wǎng)單相、兩相及三相電壓跌落，并且電壓跌落的持續(xù)時(shí)間、跌落深度均可調(diào)，同時(shí)結(jié)合Labview軟件平臺(tái)研發(fā)一套風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)。本測(cè)試裝置具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。適用于一般風(fēng)電機(jī)組的測(cè)試要求。

1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)由國(guó)家電網(wǎng)科在2009年規(guī)定的《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定(修訂版)》中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力作了明確的規(guī)定[8]:

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出端電壓跌落至20%額定電壓時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出端電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)能保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

電網(wǎng)發(fā)生故障引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出端電壓跌落，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在圖1中電壓輪廓線及以上區(qū)域內(nèi)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)能保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

圖1 風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)

2 檢測(cè)原理

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。從結(jié)構(gòu)的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成:一是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它是將風(fēng)能變成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成電能;二是交直交變流器，它的功能是將頻率和幅值不一的電能，轉(zhuǎn)換為頻率幅值為標(biāo)準(zhǔn)的電能。風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量的好壞直接影響到輸出電能的質(zhì)量，所以風(fēng)電機(jī)組的整體測(cè)試是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它的可靠運(yùn)行時(shí)保障整個(gè)電力系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[9]。

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要類型為雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和交直交變流器組成，其檢測(cè)原理如圖2所示。被測(cè)發(fā)電機(jī)組接在電壓跌落發(fā)生器(VSG)相連，通過(guò)電流電壓傳感器同時(shí)監(jiān)控電壓跌落發(fā)生器的電壓跌落的情況，同時(shí)把傳感器采集到的信號(hào)，通過(guò)NI板卡將采集到的電壓電流信號(hào)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上實(shí)時(shí)顯示，并且可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)VSG的控制。

3 電壓跌落發(fā)生器的設(shè)計(jì)

為了研究和測(cè)試風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，必須利用具有專門(mén)模擬電網(wǎng)電壓故障的設(shè)備，此類設(shè)備稱為電壓跌落發(fā)生器(VSG)。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電壓跌落發(fā)生器展開(kāi)了研究。主要有基于阻抗形式、變壓器形式和電力電子變換形式的VSG的實(shí)現(xiàn)方法[10]。本文主要采用基于阻抗式的電壓跌落發(fā)生器VSG[11]。

圖2 LVRT測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

利用斷路器、交流接觸器或者晶閘管將電抗器串聯(lián)或并聯(lián)接入主電路中實(shí)現(xiàn)電壓跌落。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，并且相對(duì)其他兩種形式成本較低，重量輕，方便運(yùn)輸，并且通過(guò)交流接觸器的開(kāi)關(guān)配合，來(lái)控制接入和接出電路中的電抗器的數(shù)量，從而可以模擬出實(shí)際電網(wǎng)中電壓跌落的情況。

圖3 電抗器的參數(shù)計(jì)算示意圖

參考相關(guān)文獻(xiàn)[12]可知，在設(shè)計(jì)阻抗形式的 VSG時(shí)，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則必須在如下條件之下:

(1)在電壓跌落測(cè)試期間和測(cè)試后，雙饋電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的電壓必須在 0.95 p.u.以上;

(2)測(cè)試點(diǎn)的短路容量必須大于五倍的風(fēng)機(jī)的額定功率。

以下給出阻抗L1、L2、L3的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為滿足第一個(gè)條件，圖3中的各阻抗之間必須滿足以下關(guān)系式:

其中Znet為電網(wǎng)的短路阻抗，可以根據(jù)下式計(jì)算:

其中US為電網(wǎng)電壓，SC為測(cè)試點(diǎn)的容量。

而為滿足上面提到的條件二，即:

其中SDFIG為雙饋電機(jī)的額定容量;

結(jié)合式(1－4)，可以根據(jù)不同的跌落深度計(jì)算出串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器的電抗值。

4 測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了可視直觀對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越測(cè)試的動(dòng)態(tài)過(guò)程的可視和分析，在本裝置中設(shè)計(jì)了以Labview軟件作為平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的LVRT測(cè)試的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、保存以及離線數(shù)據(jù)調(diào)用回顯。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本低電壓穿越測(cè)試裝置的可行性，本文設(shè)計(jì)制作測(cè)試容量為11 kW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越(LVRT)測(cè)試裝置，通過(guò)檢測(cè)測(cè)試過(guò)程中的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示電壓跌落的情況。

5.1 波形對(duì)比

本文此處分別給出在MATLAB/Simulink中電壓跌落50%的波形與利用本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出波形進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)定的電壓跌落持續(xù)時(shí)間規(guī)定，見(jiàn)表1，設(shè)定電壓跌落時(shí)間為1 214 ms±20 ms的仿真波形和實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形。

表1 電網(wǎng)電壓跌落規(guī)格

5.2 數(shù)據(jù)分析

圖5是在Simulink中仿真電壓跌落的波形，圖6是在實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)電壓跌落波形。電壓跌落發(fā)生時(shí)，輸出電壓有效值從311 V跌落至155 V(跌落至額定電壓的50%)，同時(shí)可以看到，電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)時(shí)，電壓在過(guò)零點(diǎn)銜接的很好，基本沒(méi)有波形的畸變;并且電壓跌落能夠按照電壓給定的時(shí)間(1 214±20 ms)和給定的類型(三相對(duì)地對(duì)稱跌落)實(shí)現(xiàn)電壓跌落。

圖5 電壓跌落50%仿真波形

圖6 跌落50%實(shí)測(cè)波形

驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)方案的可行性，證明了這種方案結(jié)構(gòu)的合理性。同時(shí)，由仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，此種低電壓穿越測(cè)試裝置能夠?qū)崿F(xiàn)初期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)出電壓跌落的波形，并給予顯示。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越的要求會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格，由此對(duì)低電壓穿越的測(cè)試裝置的智能化，自動(dòng)化的要求也越來(lái)越高。分析低電壓穿越測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)基于電抗器的電壓跌落發(fā)生器，并研究和開(kāi)發(fā)了基于Labview軟件平臺(tái)的實(shí)時(shí)測(cè)試控制系統(tǒng)，通過(guò)工控機(jī)的控制指令控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，從而控制電壓跌落的時(shí)間和深度，同時(shí)通過(guò)使用NI軟硬件結(jié)合，使得系統(tǒng)具有精度高，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能滿足對(duì)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)控，具有極高的使用價(jià)值。

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