為保證電網(wǎng)低電壓穿越故障下風(fēng)電機組能正常運行，需要在風(fēng)電變流器直流母線(xiàn)接入Chopper裝置進(jìn)行短暫能量控制。本文提出一種利用現有功率測試平臺和軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障的方法來(lái)測試Chopper裝置的電氣性能。測試方法經(jīng)濟實(shí)用，具有很好的應用前景。實(shí)驗結果驗證了此方法的可行性。
隨著(zhù)新能源的快速發(fā)展，風(fēng)電能源在整個(gè)電網(wǎng)所占比例越來(lái)越大，因此，電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電機組接入提出了更高的要求，其中要求風(fēng)力發(fā)電機組具備低電壓穿越能力（LVRT）[1-6]，即在所連接電網(wǎng)發(fā)生故障導致風(fēng)電場(chǎng)電壓跌落后，風(fēng)力發(fā)電機組能夠通過(guò)低電壓穿越保證不間斷并網(wǎng)運行，從而避免了由于風(fēng)電場(chǎng)的切出而嚴重影響電網(wǎng)系統運行穩定性的故障發(fā)生。
當電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)電壓跌落，風(fēng)力發(fā)電機組的能量送不出去，同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機組本身的大機械慣性特性，能量會(huì )持續送往風(fēng)電變流器，從而導致風(fēng)電變流器能量輸入輸出的短暫不平衡，如果此時(shí)不加以控制，最終就會(huì )損壞風(fēng)電變流器。
為了保護風(fēng)電變流器，同時(shí)實(shí)現低電壓穿越功能，一般無(wú)論是雙饋變流器還是全功率變流器，都會(huì )在直流母線(xiàn)接入Chopper裝置[7-10]。當母線(xiàn)電壓高于設定值時(shí)，投入Chopper裝置進(jìn)行能量泄放。
Chopper裝置通常由IGBT功率模塊串聯(lián)泄能電阻組成，通過(guò)IGBT的開(kāi)關(guān)控制Chopper裝置的投入，目前，在Chopper裝置設計完成后，需要對其電氣性能測試，主要包括：IGBT功率模塊的電流出力短時(shí)過(guò)載能力和泄能電阻的熱容能力，Chopper在設計時(shí)是利用其短時(shí)的過(guò)載能力，一般情況下，如果要對Chopper裝置極限性能進(jìn)行測試，就需要專(zhuān)門(mén)的低電壓跌落硬件平臺和變流器拖動(dòng)平臺。
對于一般變流器廠(chǎng)家而言，不具備投入以上這些巨大設備的條件，只能借助風(fēng)電整機廠(chǎng)家的測試平臺或低電壓認證測試機會(huì )，費錢(qián)費力。
本文提出一種風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試平臺及方法，能夠利用風(fēng)電變流器廠(chǎng)家現有的功率測試裝置，通過(guò)軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障，對Chopper裝置電氣性能進(jìn)行測試，測試靈活方便，經(jīng)濟實(shí)用，具有良好的應用前景。
1 風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試平臺
圖1為風(fēng)電變流器Chopper裝置測試平臺。該平臺包括電網(wǎng)接入接口、網(wǎng)側隔離變壓器、機側隔離變壓器、雙饋變流器、機側斷路器。
圖1 風(fēng)電變流器Chopper裝置測試平臺
電網(wǎng)接入接口外接電網(wǎng)，并分別與網(wǎng)側隔離變壓器、機側隔離變壓器的一端相連接。網(wǎng)側隔離變壓器的另一端與雙饋變流器的網(wǎng)側斷路器相連接。機側隔離變壓器的另一端通過(guò)機側斷路器與雙饋變流器的機側相連接。測試時(shí)，電網(wǎng)接入接口、網(wǎng)側隔離變壓器、機側隔離變壓器、機側斷路器構成功率測試回路，通過(guò)雙饋變流器與Chopper裝置相連接。
雙饋變流器包括變流器網(wǎng)側、變流器機側、直流母線(xiàn)、網(wǎng)側斷路器、網(wǎng)側接觸器、預充電接觸器和預充電電阻。Chopper裝置并聯(lián)在雙饋變流器的直流母線(xiàn)之間。
2 風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試方法
圖2為風(fēng)電變流器Chopper裝置測試方法的流程圖。
起動(dòng)雙饋變流器，閉合網(wǎng)側斷路器和預充電接觸器，對直流母線(xiàn)預充電，然后分斷預充電接觸器，閉合網(wǎng)側接觸器，再閉合機側斷路器，將變流器網(wǎng)側并網(wǎng)，使能電壓電流雙環(huán)控制，控制直流母線(xiàn)的電壓為1050V，將變流器機側并網(wǎng)，使能電流內環(huán)控制，通過(guò)控制內環(huán)電流給定方向，使得能量流動(dòng)方向為電網(wǎng)流向變流器機側，變流器機側流向直流母線(xiàn)，直流母線(xiàn)流向變流器網(wǎng)側，變流器網(wǎng)側流向電網(wǎng)。
圖2 風(fēng)電變流器Chopper裝置測試方法流程圖
變流器網(wǎng)側軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障，并設置故障類(lèi)型及故障時(shí)間，在故障期間，變流器網(wǎng)側進(jìn)入低電壓穿越運行模式，變流器網(wǎng)側內三相全橋的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷而停止工作。變流器機側仍然往直流母線(xiàn)灌入能量，直流母線(xiàn)的電壓被抬升。
根據低電壓穿越控制策略，變流器網(wǎng)側檢測到直流母線(xiàn)電壓超過(guò)Chopper裝置動(dòng)作上限值為1100V，觸發(fā)Chopper裝置動(dòng)作，泄放直流側能量。
經(jīng)過(guò)泄放能量，直流母線(xiàn)的電壓下降，低于Chopper裝置動(dòng)作下限值為1075V，Chopper裝置退出動(dòng)作。
變流器機側一直往直流母線(xiàn)灌入能量，Chopper裝置工作模式為滯環(huán)模式，用于測試Chopper裝置的電氣性能。Chopper裝置的動(dòng)作頻率可通過(guò)變流器機側的給定電流大小控制。
當雙饋變流器運行超過(guò)軟件設定的電網(wǎng)低電壓穿越故障時(shí)間時(shí)，變流器網(wǎng)側和變流器機側都停止工作，測試完成。
3 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障流程
圖3為風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越標準曲線(xiàn)。在控制軟件中，通過(guò)該風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越標準曲線(xiàn)構建的網(wǎng)側電網(wǎng)觀(guān)測器功能模塊來(lái)監測實(shí)際電網(wǎng)電壓或者模擬電網(wǎng)電壓信號，判斷是否進(jìn)入電網(wǎng)低電壓穿越故障。
圖3 風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越標準曲線(xiàn)
其中最大值、最小值以及時(shí)間段可以通過(guò)軟件設定，從而可以實(shí)現模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障和故障持續時(shí)間。例如最大值和最小值的標幺值設定在0.2p.u.，且維持時(shí)間在0～0.625s時(shí)，電網(wǎng)觀(guān)測器判斷電網(wǎng)低電壓穿越故障，風(fēng)力發(fā)電機組繼續運行；若超過(guò)0.625s，則認為電網(wǎng)超低壓故障，允許風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)。最大值和最小值的標幺值設定在0.9p.u.，且維持時(shí)間在0～3s時(shí)，電網(wǎng)觀(guān)測器判斷電網(wǎng)低電壓穿越故障，風(fēng)力發(fā)電機組繼續運行，若超過(guò)3s，則認為電網(wǎng)超低壓故障，允許風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)。
圖4為模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障的流程圖。其實(shí)現方法為電網(wǎng)電壓來(lái)源包括實(shí)際電網(wǎng)電壓和控制軟件中編寫(xiě)的幅值可調的模擬電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)模擬使能信號為0時(shí)，電網(wǎng)電壓等于實(shí)際電網(wǎng)電壓；電網(wǎng)模擬使能信號為1時(shí)，電網(wǎng)電壓等于模擬電網(wǎng)電壓。
Chopper裝置測試時(shí)，電網(wǎng)模擬使能信號設置為1，通過(guò)設置模擬電網(wǎng)電壓的幅值和時(shí)間，從而實(shí)現設置故障類(lèi)型及故障時(shí)間，在故障期間，變流器網(wǎng)側進(jìn)入低電壓穿越運行故障，變流器網(wǎng)側內三相全橋的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷而停止工作，變流器機側仍然往直流母線(xiàn)灌入能量，直流母線(xiàn)的電壓被抬升。
圖4 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障的流程圖
變流器網(wǎng)側檢測到直流母線(xiàn)的電壓超過(guò)Chopper裝置動(dòng)作上限值為1100V，觸發(fā)Chopper裝置動(dòng)作，泄放直流側能量。經(jīng)過(guò)泄放能量，直流母線(xiàn)的電壓下降，低于Chopper裝置動(dòng)作下限值為1075V，Chopper裝置退出動(dòng)作。
4 實(shí)驗結果
為驗證提出測試方法的有效性，本實(shí)驗在1.5MW雙饋風(fēng)冷變流器上測試Chopper裝置的電氣性能。實(shí)驗平臺參數為：外接電網(wǎng)為10kV配電網(wǎng)，機網(wǎng)側隔離變壓器電壓等級均為10kV/0.69kV，雙饋變流器為1.5MW/0.69kV雙饋風(fēng)冷變流器，Chopper裝置由0.8?不銹鋼電阻、2.2?F吸收電容、FF1000R17IE4功率開(kāi)關(guān)管等組成。
圖5的測試工況為變流器網(wǎng)側軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障1s，給定電流大小為100A。圖6的測試工況為變流器網(wǎng)側軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障2s，給定電流大小為200A。
圖5 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障1s，電流給定100A
圖6 模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障2s，電流給定200A
圖5和圖6中4條曲線(xiàn)說(shuō)明如下：
1）曲線(xiàn)1為變流器網(wǎng)側的PWM使能信號，碼值與實(shí)際值比為1∶1，故障期間，變流器網(wǎng)側的PWM使能信號為0，使變流器網(wǎng)側內三相全橋的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷而停止工作。
2）曲線(xiàn)9為Chopper裝置動(dòng)作信號，碼值與實(shí)際值比為1∶1，圖5的動(dòng)作70次，圖6的動(dòng)作268次。
3）曲線(xiàn)13為變流器網(wǎng)側的A相電流，碼值與實(shí)際值比為15∶1，故障期間，變流器網(wǎng)側內三相全橋的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，變流器網(wǎng)側的A相電流為0。
4）曲線(xiàn)16為直流母線(xiàn)的電壓，碼值與實(shí)際值比為20∶1，故障期間，變流器網(wǎng)側內三相全橋的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷而停止工作，變流器機側仍然往直流母線(xiàn)灌入能量，直流母線(xiàn)的電壓被抬升。直流母線(xiàn)的電壓超過(guò)Chopper裝置動(dòng)作上限值，觸發(fā)Chopper裝置動(dòng)作，泄放直流側能量。經(jīng)過(guò)泄放能量，直流母線(xiàn)的電壓下降，低于Chopper裝置動(dòng)作下限值，Chopper裝置退出動(dòng)作。
結論
本文介紹了的風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試方法，并介紹了該方法的測試流程和模擬低電壓穿越故障的流程，然后通過(guò)實(shí)驗驗證了測試Chopper裝置方法的有效性。此測試方法經(jīng)濟實(shí)用，具有很好的應用前景。
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