何亮， 張俊杰

(國電龍源電氣有限公司，北京 100039)

一種低穿現(xiàn)場測試用的電壓跌落發(fā)生器的研制

何亮， 張俊杰

(國電龍源電氣有限公司，北京 100039)

為了測試風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力, 需要專門的電壓跌落模擬裝置。對國內(nèi)外現(xiàn)有三類電壓跌落發(fā)生器的研究進行了總結(jié)。變壓器形式電壓跌落發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的優(yōu)勢?；谧儔浩餍问窖兄频碾妷旱浒l(fā)生器可以實現(xiàn)三相對稱跌落、兩相跌落和單相跌落。三種跌落方式均有五種跌落深度可選，比較適合于風(fēng)機低穿功能的前期驗證，為低電壓穿越能力的正式測試打下基礎(chǔ)。

電壓跌落；電壓跌落發(fā)生器；變壓器；低電壓穿越；風(fēng)力發(fā)電

0 引 言

在電網(wǎng)發(fā)生事故、運行困難的情況下，對待風(fēng)場的傳統(tǒng)做法是將風(fēng)電場切除[1]33。但隨著國內(nèi)風(fēng)電機組安裝容量占電網(wǎng)比重不斷增加，切除風(fēng)電場的做法是不可取的，因此風(fēng)機在電網(wǎng)故障情況下的運行能力顯得極為重要。低電壓穿越能力(LVRT)是指風(fēng)電場在電網(wǎng)發(fā)生故障時機故障后，保持不間斷并網(wǎng)運行的能力[1]34。目前，歐洲一些國家相繼制定了新的電網(wǎng)運行準則，且國標GB/T 19963-2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》同樣要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力[2-3]，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)機脫網(wǎng)。當(dāng)電壓在曲線上方時，風(fēng)機應(yīng)提供無功功率[4-5]，這對風(fēng)電機組低穿測試提出了新的要求。

為提高電網(wǎng)運行的安全可靠性，必須有專門的設(shè)備用于測試風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電壓跌落期間的穿越能力，這種設(shè)備稱為電壓跌落發(fā)生器。電壓跌落是最為常見的電網(wǎng)故障[6]，其在電力系統(tǒng)內(nèi)的故障類型和比例為：單相故障70%，兩相對地故障15%，相間故障10%，三相故障5%。因此，要求電壓跌落發(fā)生器必須能夠產(chǎn)生這些故障類型，且電壓跌落的持續(xù)時間可調(diào)。

現(xiàn)有的電壓跌落發(fā)生器，拓撲結(jié)構(gòu)可以歸結(jié)為阻抗分壓形式，變壓器形式和電力電子變換形式三類[7]：阻抗形式的電壓跌落發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便。現(xiàn)在大多數(shù)電壓跌落發(fā)生器均采用該形式。但阻抗分壓形式由于引入的限流電抗Z1，導(dǎo)致了等效系統(tǒng)阻抗的變化，在驗證風(fēng)機低電壓穿越的無功支撐功能時，會造成機端電壓的顯著提高；電力電子變換形式的電壓跌落發(fā)生器一般采用功率二極管、IGBT 等作為開關(guān)器件。受器件功率的制約，功率等級不能做大，而且器件自身抵抗電網(wǎng)故障時電壓、電流沖擊的能力有限，因此一般局限于實驗室和小功率范圍內(nèi)使用[8]。本文采用變壓器形式拓撲結(jié)構(gòu)，研制了一套可用于低穿現(xiàn)場測試用的電壓跌落發(fā)生器。

1 變壓器形式電壓跌落發(fā)生器拓撲結(jié)構(gòu)

基于變壓器形式實現(xiàn)的電壓跌落發(fā)生器應(yīng)用很廣泛，其中又可分為二類：以單個升壓或降壓變壓器組合形式實現(xiàn)和以中心抽頭變壓器形式實現(xiàn)。

圖1 變壓器形式電壓跌落發(fā)生器

升降壓變壓器組合形式的電壓跌落發(fā)生器拓撲如圖1所示。

正常運行時，S1閉合，S2斷開。跌落發(fā)生時，S1斷開，S2閉合；跌落結(jié)束時，S2斷開，S1閉合。只要調(diào)節(jié)降壓變壓器的變比即可得到任意電壓跌落深度，且S1、S2的動作時間可控。

中心抽頭變壓器形式實現(xiàn)的電壓跌落發(fā)生器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中(a)是單相結(jié)構(gòu)，(b)是三相結(jié)構(gòu)。以單相結(jié)構(gòu)為例說明，正常運行時，開關(guān)S1閉合，S2斷開，此時變壓器的變比為1:1，當(dāng)S1斷開同時S2閉合時，使負載接入變比較小的中間抽頭，從而獲得電壓跌落，當(dāng)斷開S2重新閉合S1時，電壓跌落結(jié)束。

圖2 中心抽頭變壓器形式的電壓跌落發(fā)生器

2 電壓跌落發(fā)生器研制及現(xiàn)場低電壓穿越測試

變壓器形式的電壓跌落發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，基于已有的技術(shù)，研制出的2.0 MW電壓跌落發(fā)生器控制拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制面板如圖4所示。

圖3 2.0 MW電壓跌落發(fā)生器拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 2.0 MW電壓跌落發(fā)生器控制面板

此電壓跌落發(fā)生器可以實現(xiàn)三相對稱跌落、兩相跌落和單相跌落。三種跌落方式均有五種跌落深度可選。根據(jù)國標GB/T 19963-2011要求，各點跌落深度和持續(xù)時間如表1所示。

表1 低穿測試點

電壓跌落發(fā)生器特性參數(shù)如表2所示。

表2 特性參數(shù)

其中電壓跌落發(fā)生器的關(guān)鍵部件變壓器如圖5所示。

為了方便在風(fēng)電現(xiàn)場進行低穿測試，將框斷、變壓器，接觸器等器件裝在一個定制的集裝箱內(nèi)。集裝箱內(nèi)分為操作室、變壓器室和開關(guān)室，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 變壓器結(jié)構(gòu)及接線原理圖

圖6 變壓器結(jié)構(gòu)及接線原理圖

采用此電壓跌落發(fā)生器，在風(fēng)場對單臺風(fēng)機進行了低穿測試，測試示意圖如圖7所示。

具體測試流程如下：

(1)按下控制面板的“框斷QF1開關(guān)”、“框斷QF2開關(guān)”?？驍郠F1、QF2指示燈SD4、SD6點亮，表示兩框斷已閉合。

(2)按下“旁路運行”按鈕。接觸器KM1閉合，指示燈SD5點亮。此時變流器帶電，系統(tǒng)帶電指示燈點亮。

(3)按下“跌落準備”按鈕。接觸器KM2、KM4閉合，指示燈SD7、SD9點亮。上述兩個接觸器閉合后，KM1斷開，SD5熄滅，進變流器的690 V電壓由經(jīng)過變比為1∶1的變壓器提供，跌落準備指示燈點亮。

圖7 現(xiàn)場低電壓穿越測試系統(tǒng)接線圖

(4)按下“跌落開始”按鈕。KM4斷開，KM5閉合，經(jīng)過相應(yīng)的時間后(由SA8選擇得到)，KM5斷開，KM4閉合，跌落完成，“跌落準備”指示燈熄滅，“跌落完成”指示燈點亮。

(5)按下“恢復(fù)”按鈕。KM1閉合，KM4斷開；同時，跌落完成指示燈熄滅，僅有“系統(tǒng)帶電”指示燈亮。

現(xiàn)場測試得到典型的低穿波形如圖8所示。

圖8 滿載20%平衡跌落，持續(xù)時間625 ms

由測試波形可以看出，此電壓跌落發(fā)生器可以產(chǎn)生滿足國標要求的故障電壓，并滿足風(fēng)機低穿功能驗證的需求。

3 結(jié)束語

在總結(jié)現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電用電壓跌落發(fā)生器現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文研制出基于變壓器形式的電壓跌落發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)簡單、移動方便、可靠性高、功率等級高，適用于現(xiàn)場風(fēng)電機組低電壓穿越功能的前期驗證。風(fēng)場實測結(jié)果顯示此電壓跌落發(fā)生器能夠模擬電網(wǎng)規(guī)范規(guī)定的各種電網(wǎng)電壓故障，滿足低穿測試要求。

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Development of a Voltage Sag Generator for LVRT Field Test

HE Liang，ZHANG Jun-jie

(State Grid Longyuan Electric Co., Ltd., Beijing 100039, China)

A special voltage sag simulation device is needed to test the low-voltage ride through of the wind power generator system. In this paper, we summarize the research work on three existing categories of voltage sag generator in China and other countries. The voltage sag generator in the transformer form has such advantages as simple structure, high reliability and low cost. Voltage sag generators developed on the basis of the transformer form can realize three-phase symmetrical sag, two-phase sag and single-phase sag. Each of them has 5 optional drop depth and is quite suitable for preliminary LVRT verification, thus laying a foundation for formal LVRT tests.

voltage sag; voltage sag generator; transformer; low voltage ride through (LVRT); wind power generation

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.036

TM5

A

1000-3886(2015)02-0106-02

何亮(1982- )，男，湖南人，工程師，碩士，主要從事電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計。

定稿日期: 2014-07-14