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        一種新型低成本低電壓穿越測試裝置

        2014-12-14 07:40:40劉家樂張永明莊駿陳蘇聲
        電氣自動(dòng)化 2014年4期
        關(guān)鍵詞:低電壓發(fā)電機(jī)組風(fēng)力

        劉家樂,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的戰(zhàn)略選擇。在國家發(fā)展綠色新能源的政策支持下,我國風(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,從而帶來頻率的穩(wěn)定問題。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。為了研究和測試風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力,必須利用具有專門針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的測試裝置。

        國際上,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試裝置[2];德國船級(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,這種測試裝置通過事先根據(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測試。美國電力科學(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試裝置,其測試電壓范圍在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試,最大測試容量可達(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試裝置,其測試容量為5 MW,并且可以根據(jù)不同的測試標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整裝置[5]。國內(nèi)來說,相對(duì)而言,起步較晚,目前測試認(rèn)證單位只有中國電力科學(xué)院的張北實(shí)驗(yàn)基地。中國電力科學(xué)研究院與德國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)組低電壓穿越測試的需求[6],后又自行研制出測試容量達(dá)6 MW的測試裝置。國內(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測試裝置[7]。

        本文提出一種簡易的,低成本的低電壓穿越測試裝置。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)組的低電壓穿越測試監(jiān)控系統(tǒng)。本測試裝置具有操作簡單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。適用于一般風(fēng)電機(jī)組的測試要求。

        1 測試標(biāo)準(zhǔn)

        我國由國家電網(wǎng)科在2009年規(guī)定的《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定(修訂版)》中對(duì)風(fēng)電場的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,其檢測原理如圖2所示。被測發(fā)電機(jī)組接在電壓跌落發(fā)生器(VSG)相連,通過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)

        為了研究和測試風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力,必須利用具有專門模擬電網(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,國內(nèi)外針對(duì)電壓跌落發(fā)生器展開了研究。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,并且通過交流接觸器的開關(guān)配合,來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)在電壓跌落測試期間和測試后,雙饋電機(jī)測試系統(tǒng)的電壓必須在 0.95 p.u.以上;

        (2)測試點(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)組的低電壓穿越測試的動(dòng)態(tài)過程的可視和分析,在本裝置中設(shè)計(jì)了以Labview軟件作為平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的LVRT測試的系統(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)證本低電壓穿越測試裝置的可行性,本文設(shè)計(jì)制作測試容量為11 kW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越(LVRT)測試裝置,通過檢測測試過程中的實(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)檢測系統(tǒng)檢測出波形進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)定的電壓跌落持續(xù)時(shí)間規(guī)定,見表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),電壓在過零點(diǎn)銜接的很好,基本沒有波形的畸變;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),由仿真和測試數(shù)據(jù)分析說明,此種低電壓穿越測試裝置能夠?qū)崿F(xiàn)初期的設(shè)計(jì)目標(biāo),并且通過數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)檢測出電壓跌落的波形,并給予顯示。

        6 結(jié)束語

        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)越來越嚴(yán)格,由此對(duì)低電壓穿越的測試裝置的智能化,自動(dòng)化的要求也越來越高。分析低電壓穿越測試設(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,并研究和開發(fā)了基于Labview軟件平臺(tái)的實(shí)時(shí)測試控制系統(tǒng),通過工控機(jī)的控制指令控制開關(guān)的開合,從而控制電壓跌落的時(shí)間和深度,同時(shí)通過使用NI軟硬件結(jié)合,使得系統(tǒng)具有精度高,操作簡單,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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