朱振飛，胡 靜，王小紅

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210003)

定制電力技術(shù)是指使用電力電子器件及輔助的控制器，為電能質(zhì)量敏感的配電用戶 （電壓等級1～35 kV）提供滿足其可靠性和電能質(zhì)量參數(shù)要求的技術(shù)[1]。通過定制電力技術(shù)將先進(jìn)控制技術(shù)直接應(yīng)用于電力一次系統(tǒng)，可以顯著提高和實現(xiàn)電網(wǎng)中發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)的可控性，是實現(xiàn)統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要保障和基本條件，也是促進(jìn)電力系統(tǒng)實現(xiàn)整體技術(shù)提升的必要基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)定制電力技術(shù)水平還停留少數(shù)定制電力裝置的試點(diǎn)應(yīng)用，產(chǎn)品的功能、性能和穩(wěn)定性還有待現(xiàn)場長期運(yùn)行的考驗，對定制電力技術(shù)試驗和檢測方面的研究基本缺乏，還沒有一家較為完整及專業(yè)的大容量定制電力技術(shù)產(chǎn)品試驗、研究及檢測實驗室。為了加強(qiáng)定制電力設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)試驗工作，促進(jìn)定制電力技術(shù)進(jìn)步和健康發(fā)展，迫切需要建立相配套的定制電力技術(shù)研究能力與檢測能力，建立試驗標(biāo)準(zhǔn)，以支撐智能電網(wǎng)建設(shè)順利實施。國網(wǎng)電力科學(xué)研究院基于“國家能源智能電網(wǎng)研發(fā)（實驗）中心”的需要，啟動了定制電力實驗室開發(fā)與建設(shè)。通過定制電力實驗室開發(fā)與建設(shè)，構(gòu)建了 690 V（380 V）、10 kV（3.3 kV）多電壓等級大功率物理模擬實驗室、1 kV小功率動態(tài)模擬實驗室、定制電力技術(shù)基礎(chǔ)實驗室、高壓電氣性能實驗室，全面提升了電力電子技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)試驗?zāi)芰秃诵母偁幜Α?/p>

物理模擬實驗室通過實物模擬定制電力設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，提供裝置級、系統(tǒng)級的研究、試驗/檢測能力；動態(tài)模擬實驗室為定制電力技術(shù)產(chǎn)品的控制保護(hù)系統(tǒng)及控制保護(hù)策略提供一個試驗、研究環(huán)境，給閥控系統(tǒng)提供一個長期運(yùn)行、試驗環(huán)境，指導(dǎo)定制電力技術(shù)設(shè)備控制保護(hù)系統(tǒng)工程實用技術(shù)的測試、檢驗等；定制電力技術(shù)基礎(chǔ)實驗室包括水冷設(shè)備閥組溫升試驗系統(tǒng)、雙脈沖測試平臺，建立器件級、閥控設(shè)備的研發(fā)、試驗/檢測能力；高壓電氣性能實驗室具有對定制電力設(shè)備進(jìn)行工頻耐壓試驗、沖擊耐壓試驗和局部放電試驗等電氣性能試驗檢測能力。

1 物理模擬實驗室

1.1 建設(shè)方案

物理模擬實驗室擬通過實物模擬定制電力設(shè)備的實際運(yùn)行環(huán)境，目標(biāo)是具備定制電力設(shè)備整體功能、性能研發(fā)、試驗/檢測能力。最為理想的情況是利用這種方式進(jìn)行設(shè)備的全功率功能、性能試驗，但由于定制電力設(shè)備很多都是安裝于母線處，其容量可能很大，在實驗室實現(xiàn)難度比較大。針對高壓大容量的定制電力設(shè)備，按照IEC標(biāo)準(zhǔn)要求可以分開進(jìn)行，既通過動態(tài)模擬試驗平臺對控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢測和驗證；通過高壓電氣性能試驗平臺對閥組或閥模塊進(jìn)行檢測和驗證；利用物理模擬試驗平臺對整體進(jìn)行全電壓、一定功率整體性能試驗，實際測試裝置的動態(tài)性能，如響應(yīng)時間、穩(wěn)定時間、諧波補(bǔ)償率等。

通過深入研究典型定制電力設(shè)備的原理、功能及性能指標(biāo)要求，結(jié)合相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)研相關(guān)廠家建立的試驗檢測設(shè)施，確定物理模擬試驗平臺建設(shè)方案，系統(tǒng)主接線原理圖如圖1所示。供電電源為一條10 kV饋線，為了消除物理模擬平臺對供電系統(tǒng)的干擾和諧波污染，在電源接入點(diǎn)設(shè)置隔離變壓器和濾波器。試驗平臺主要由模擬電網(wǎng)干擾的電壓干擾發(fā)生器、模擬負(fù)載特性（包括干擾）的回饋型智能電子負(fù)載、阻感負(fù)載，適用于不同試驗對象的配電系統(tǒng)、在線監(jiān)測控制系統(tǒng)等。

1.2 試驗檢測功能

圖1 物理模擬實驗室電氣主接線圖

物理模擬試驗平臺設(shè)有380 V，690 V，3.3 kV，10 kV試驗?zāi)妇€，用于進(jìn)行被試設(shè)備的整體功能、性能試驗，可接入并聯(lián)型、串聯(lián)型[2]、串并聯(lián)混合型和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)型定制電力設(shè)備?；镜脑囼灧绞绞峭ㄟ^電壓擾動發(fā)生器模擬電網(wǎng)側(cè)各種干擾，通過智能電子負(fù)載推動測試功率和模擬非線性負(fù)載特性[3]，以考察被試定制電力設(shè)備的整體功能和性能。690 V，3.3 kV，10 kV試驗?zāi)妇€試驗容量為1MV·A，380V試驗?zāi)妇€試驗容量為500 kV·A，可在試驗?zāi)妇€的“并聯(lián)型設(shè)備測試區(qū)”處接入被試設(shè)備，進(jìn)行定制電力設(shè)備及其他電力電子設(shè)備的大功率“對沖”試驗，以驗證其整體和閥組的大功率運(yùn)行能力，同時提供一定的設(shè)備溫升試驗的條件。假設(shè)“對沖”試驗裝置有功損耗為裝置總功率的p%，在試驗過程中，理想情況下2臺被試設(shè)備遵循各相瞬時功率之和恒為0的原則，電源只需要提供運(yùn)行損耗，系統(tǒng)的容量為1MV·A則“對沖”試驗功率可達(dá)。

1.3 試驗方案

根據(jù)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接入配電網(wǎng)的方式，定制電力設(shè)備可以分為并聯(lián)補(bǔ)償型、串聯(lián)補(bǔ)償型和串并聯(lián)混合補(bǔ)償型。物理模擬試驗平臺考慮了以上各種型式定制電力設(shè)備進(jìn)行整體功能、性能試驗的接入方式及相應(yīng)的試驗方案。

1.3.1并聯(lián)補(bǔ)償型

典型的并聯(lián)補(bǔ)償型定制電力設(shè)備包括DSTATCOM（即 SVG）、并聯(lián)型 APF、SVC 等，這類設(shè)備主要對配電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理。對這類設(shè)備進(jìn)行試驗時，模擬實際負(fù)載特性的智能電子負(fù)載可以工作在2種狀態(tài)：一種是功率因數(shù)為0的狀態(tài)，智能電子負(fù)載的負(fù)載模擬換流器只發(fā)出或吸收無功，同時產(chǎn)生諧波干擾。另一種方式是功率因數(shù)不為0，智能電子負(fù)載的負(fù)載模擬換流器推動試驗環(huán)路中的有功、無功交換，同時產(chǎn)生諧波干擾，并網(wǎng)換流器將有功功率回饋到電網(wǎng)，即模擬實際負(fù)載以一定功率因數(shù) （不為0）消耗功率同時產(chǎn)生干擾的情況。在實際應(yīng)用場合可能會出現(xiàn)負(fù)載和電網(wǎng)同時產(chǎn)生干擾的情況，這對定制電力設(shè)備的整體性能考核非常嚴(yán)苛。并聯(lián)補(bǔ)償性定制電力設(shè)備的試驗方案如圖2所示。電壓干擾發(fā)生器模擬電網(wǎng)產(chǎn)生電壓干擾和諧波，智能電子負(fù)載模擬實際負(fù)載產(chǎn)生無功、諧波干擾。

圖2 并聯(lián)補(bǔ)償性定制電力設(shè)備的試驗方案

1.3.2串聯(lián)補(bǔ)償型

串聯(lián)補(bǔ)償型定制電力設(shè)備一般用于補(bǔ)償系統(tǒng)電壓暫降，將敏感設(shè)備和干擾源隔離以保障其正常運(yùn)行。典型的串聯(lián)型定制電力設(shè)備包括動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR、動態(tài)不間斷電源DUPS、串聯(lián)型有源濾波器等。其中串聯(lián)型有源濾波器除了具有前述功能外，還可以接在供電系統(tǒng)與非線性負(fù)荷之間將系統(tǒng)與非線性負(fù)荷隔離開，同時在負(fù)荷側(cè)并聯(lián)無源濾波器，防止非線性負(fù)荷的諧波電流流入系統(tǒng)。針對帶大容量儲能部件的串聯(lián)型定制電力設(shè)備，如果采用有功功率回送的試驗方案，試驗過程中可能會出現(xiàn)向配電網(wǎng)單向饋出電能的情況，如圖3所示。在這種情況下選擇采用常規(guī)負(fù)載的試驗方案，由常規(guī)無源負(fù)載消耗有功功率，智能電子負(fù)載模擬無功和諧波干擾。

圖3 串聯(lián)補(bǔ)償性定制電力設(shè)備的試驗方案

1.3.3串并聯(lián)混合補(bǔ)償型

串并聯(lián)混合補(bǔ)償型定制電力設(shè)備為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào) 節(jié) 器 UPQC （Unified Power Quality Conditioner）。UPQC由串聯(lián)型和并聯(lián)型有源濾波器結(jié)合而成，將并聯(lián)電流補(bǔ)償原理和串聯(lián)電壓補(bǔ)償原理結(jié)合在了一個裝置中，可同時對電壓和電流進(jìn)行補(bǔ)償。UPQC一般連接在諧波源附近，其不但能夠補(bǔ)償非線性負(fù)載的不對稱和諧波，而且能夠補(bǔ)償電源電壓的不對稱和諧波，因此它提高了供給接在同一條交流母線上其他諧波敏感負(fù)載的電能質(zhì)量。實驗方案如圖4所示。電壓干擾發(fā)生器模擬電源側(cè)的干擾，智能電子負(fù)載模擬非線性負(fù)載的干擾，UPQC同時進(jìn)行補(bǔ)償。通過檢測常規(guī)無源負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量對UPQC的整體功能進(jìn)行評估。

圖4 串并聯(lián)混合補(bǔ)償性定制電力設(shè)備的試驗方案

1.4 試驗波形

物理模擬試驗平臺針對不同的被測設(shè)備，要求電壓擾動源和智能電子負(fù)載模擬電網(wǎng)產(chǎn)生的各種電能質(zhì)量干擾。這里不針對某種定制電力設(shè)備開展相關(guān)試驗研究，只檢測電壓擾動源設(shè)備的輸出指標(biāo)，根據(jù)國標(biāo)要求進(jìn)行功能性試驗。

1.4.1電壓暫降試驗

電壓擾動發(fā)生器輸出電壓暫降范圍：下降深度10%～95%，在額定電壓范圍內(nèi)可調(diào)，持續(xù)時間按國標(biāo)要求連續(xù)可調(diào)。輸出電壓為690 V，電壓暫降深度為95%時，持續(xù)時間設(shè)置在1000ms時的三相電壓波形如圖 5（a）所示；從圖 5（b）中能明顯看出，電壓擾動源能很好地模擬電網(wǎng)的暫降輸出，能有效地考核其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 暫降深度95%暫降時間1000 m s

1.4.2三相不平衡試驗

電壓擾動發(fā)生器輸出三相不平衡電壓在0%～20%可調(diào)。此處不平衡度是指在維持單元輸出基波正序線電壓為690V時，疊加一定比例的基波負(fù)序分量構(gòu)成的不平衡。圖6（a）為系統(tǒng)設(shè)置不平衡度為20%時，通過電能質(zhì)量監(jiān)測儀測得的相電壓實際波形及實測的不平衡度；圖6（b）是實測的不平衡度為19.88%，誤差為-0.12。

1.4.3三相不平衡試驗

電壓擾動發(fā)生器輸出電壓諧波：2～50次，可單次發(fā)也可隨機(jī)組合，幅值且相位可調(diào)。電壓基波和25次諧波組合的輸出波形如圖7所示。其中，測量出的基波電壓為687.8 V，25次諧波電壓為182.8 V。

1.4.4輸出電壓變頻試驗

電壓擾動發(fā)生器輸出電壓變頻范圍：45～66 Hz，頻率分辨率≤0.1Hz。圖8中設(shè)定系統(tǒng)頻率45Hz，用儀器測量到的頻率為44.963Hz，相對誤差為-0.08，滿足要求。

1.4.5電壓波動試驗

圖6 三相不平衡的電壓輸出波形與相位

圖7 基波+25次諧波

圖8 基波頻率為45 Hz輸出電壓波形圖

電壓擾動發(fā)生器輸出電壓在工頻基波上疊加幅度范圍為0%～20%額定電壓，頻率范圍0.5～25Hz的調(diào)制波形，調(diào)制波包括正弦波和方波2種形式。在2.618 kV的單元輸出線電壓正序基波上疊加一定比例的25Hz或0.5 Hz的正弦波模擬得到的電壓波形，如圖9、圖10所示。

圖9 波動幅度20%正弦且波動頻率25 Hz輸出電壓波形圖

圖10 波動范圍20%方波且波動頻率0.5 Hz輸出電壓波形圖

2 定制電力技術(shù)基礎(chǔ)實驗室

定制電力技術(shù)基礎(chǔ)實驗室擬建立器件級、閥控制級的研發(fā)試驗?zāi)芰Γ瑸檠芯慷ㄖ齐娏Φ年P(guān)鍵技術(shù)和工藝提供基礎(chǔ)條件。定制電力技術(shù)基礎(chǔ)試驗平臺包括水冷系統(tǒng)閥組溫升試驗系統(tǒng)、雙脈沖測試系統(tǒng)等。

2.1 水冷設(shè)備閥組溫升試驗系統(tǒng)

電力設(shè)備運(yùn)行時，由于功率損耗的存在使各功率部件和某些結(jié)構(gòu)件內(nèi)部發(fā)熱，引起設(shè)備的溫升提高。溫升太高會損壞絕緣材料，使之失去絕緣性能或縮短使用壽命；溫升較低說明所用絕緣材料沒有被充分利用，不經(jīng)濟(jì)。為了使電力設(shè)備既能安全可靠地運(yùn)行，又能得到合理經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須要進(jìn)行設(shè)備的溫升試驗，以驗證電力設(shè)備的溫升設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理[4]，驗證各部分的溫升能否滿足溫升限值的要求。對于定制電力設(shè)備，閥組溫升試驗旨在檢查在嚴(yán)酷的重復(fù)性最大負(fù)荷條件下閥中的功率器件和相關(guān)電路是否能正常工作。大功率高壓閥溫升試驗系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 大功率高壓閥溫升試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)中包括水冷卻單元、水加熱單元、就地控制單元，電加熱裝置設(shè)置在水冷卻單元與高壓閥之間，溫升試驗時給冷卻水加熱，使升溫后的水通過高壓閥散熱器將功率開關(guān)器件加溫，使得試品閥進(jìn)水口溫度通過恒溫控制達(dá)到并維持在發(fā)生最大暫態(tài)過電壓過電流前可能的最大溫度。

2.2 雙脈沖檢測平臺

2.2.1設(shè)計方案

對于全控器件的可靠性測試關(guān)鍵在于能建設(shè)出能適應(yīng)各種全控器件IGBT的測試平臺，這個測試平臺能夠可靠真實地反映出全控器件在連續(xù)開斷過程中的動、靜態(tài)特性[5]。該測試技術(shù)的主要測試參數(shù)包括：

（1）對比不同的IGBT的參數(shù)；

（2）獲取IGBT開關(guān)過程的主要參數(shù)，例如Ron和Roff是否合適，是否需要配吸收電路等；

（3）考量IGBT在變換器中工作時的實際表現(xiàn)。例如二極管的反向恢復(fù)電流是否合適，關(guān)斷時的電壓尖峰是否合適，開關(guān)過程是否有不合適的震蕩等。

雙脈沖測試平臺[6]是能夠檢驗控制監(jiān)視設(shè)備的性能是否正常，比如Ron和Roff是否滿足要求，軟關(guān)斷特性是否能夠符合全控器件的保護(hù)要求。

2.2.2試驗波形

通過雙脈沖測試平臺對全控器件IGBT進(jìn)行測試時，全控器件的反并續(xù)流二極管作為一個非常重要的元件，往往容易被忽視。全控器件反并二極管反向恢復(fù)時，實測的電壓、電流及損耗功率波形如圖12所示。

圖12 實測電壓/電流/損耗功率的波形

從圖12中可以看出，全控器件反并二極管的反向恢復(fù)電流上升時，雜散電感上產(chǎn)生的電壓是與母線電壓相抵的。反向恢復(fù)電流下降時，雜散電感電壓與母線電壓同向，電壓落在全控器件的反并二極管上，全控器件的反并二極管出現(xiàn)電壓尖峰，風(fēng)險加大。如果雜散電感比較大，全控器件的反并二極管就更加危險了，容易跑出安全工作區(qū)。全控器件反并二極管的電壓尖峰是由于雜散電感與全控器件反并二極管反向恢復(fù)電流的后沿相作用而產(chǎn)生的。所以減小直流母排的雜散電感及優(yōu)化反向恢復(fù)電流的后半沿斜率都可以有效提高全控器件的反并二極管的安全裕量。

通過本雙脈沖測試平臺也可以在開通過程觀察并聯(lián)的動態(tài)均流水平。在IGBT開通時，Rgon的影響很大，它可以影響d i/d t的速度、反向恢復(fù)電流的峰值，進(jìn)而決定開通損耗。所以確定Rg最好的方法還是通過本測試平臺進(jìn)行雙脈沖測試法動態(tài)調(diào)試該參數(shù)。圖13為3個IGBT并聯(lián)的情況下測試的開通波形，外部提供一個電壓，測量出3個IGBT的導(dǎo)通電流Ic1，Ic2和Ic3。用此方法可以很準(zhǔn)確地測試出動態(tài)均流的情況，從而進(jìn)行動態(tài)均流調(diào)試。

圖13 全控器件并聯(lián)的測試圖

3 動態(tài)模擬實驗室

動態(tài)模擬試驗平臺為SVC，STATCOM的控制保護(hù)系統(tǒng)及控制保護(hù)策略[7]提供一個試驗、研究環(huán)境，給VCU和TCU等閥控系統(tǒng)提供一個長期運(yùn)行、試驗環(huán)境；同時針對SVC[8]，STATCOM[9]等設(shè)備研究控制保護(hù)系統(tǒng)試驗方法并形成試驗規(guī)范；并按照IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗研究；指導(dǎo)SVC，STATCOM控制保護(hù)系統(tǒng)工程實用技術(shù)的測試、檢驗等。動態(tài)模擬實驗室搭建SVC，SVG兩大平臺的一次結(jié)構(gòu)如圖14所示。

4 高壓電氣性能實驗室

高壓電氣性能實驗室目的在于研究各類閥組的取能技術(shù)、觸發(fā)技術(shù)、冷卻技術(shù)以及控制保護(hù)技術(shù)；同時針對STATCOM，SVC等定制電力設(shè)備研究其高壓試驗方法并形成試驗規(guī)范；并且按照IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行型式試驗和例行試驗的研究；指導(dǎo)工程實用技術(shù)的測試、檢驗等。

具備工頻耐壓試驗、雷電波全波試驗和雷電波截波試驗、局部放電試驗等定制電力設(shè)備高壓閥組（35 kV及以下）的電氣性能試驗檢測能力。

圖14 動模試驗?zāi)Ｐ椭鹘泳€圖

5 結(jié)束語

定制電力實驗室的開發(fā)與建設(shè)是涉及到多個學(xué)科和行業(yè)的一項系統(tǒng)工程，不僅對技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)的有效協(xié)調(diào)和優(yōu)化使用，有效促進(jìn)定制電力設(shè)備的安全運(yùn)行，還大大增強(qiáng)了定制電力技術(shù)領(lǐng)域的檢測研究能力。在深入研究定制電力設(shè)備技術(shù)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)實用的試驗方法，建立定制電力設(shè)備檢測和整體性能驗證平臺，按照各類試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，建立完善的實驗室產(chǎn)品檢測服務(wù)體系，為國家提供全方位的定制電力設(shè)備檢測環(huán)境和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)服務(wù)機(jī)制。

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