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新型風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試方法

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)電變流器直流母線接入Chopper裝置進行短暫能量控制。本文提出一種利用現(xiàn)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測試Chopper裝置的電氣性能。測試方法經(jīng)濟實用,具有很好的應(yīng)用前景。實驗結(jié)果驗證了此方法的可行性。


隨著新能源的快速發(fā)展,風(fēng)電能源在整個電網(wǎng)所占比例越來越大,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(dǎo)致風(fēng)電場電壓跌落后,風(fēng)力發(fā)電機組能夠通過低電壓穿越保證不間斷并網(wǎng)運行,從而避免了由于風(fēng)電場的切出而嚴重影響電網(wǎng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的故障發(fā)生。


當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越故障時,風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)點電網(wǎng)電壓跌落,風(fēng)力發(fā)電機組的能量送不出去,同時,風(fēng)力發(fā)電機組本身的大機械慣性特性,能量會持續(xù)送往風(fēng)電變流器,從而導(dǎo)致風(fēng)電變流器能量輸入輸出的短暫不平衡,如果此時不加以控制,最終就會損壞風(fēng)電變流器。


為了保護風(fēng)電變流器,同時實現(xiàn)低電壓穿越功能,一般無論是雙饋變流器還是全功率變流器,都會在直流母線接入Chopper裝置[7-10]。當(dāng)母線電壓高于設(shè)定值時,投入Chopper裝置進行能量泄放。


Chopper裝置通常由IGBT功率模塊串聯(lián)泄能電阻組成,通過IGBT的開關(guān)控制Chopper裝置的投入,目前,在Chopper裝置設(shè)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過載能力和泄能電阻的熱容能力,Chopper在設(shè)計時是利用其短時的過載能力,一般情況下,如果要對Chopper裝置極限性能進行測試,就需要專門的低電壓跌落硬件平臺和變流器拖動平臺。


對于一般變流器廠家而言,不具備投入以上這些巨大設(shè)備的條件,只能借助風(fēng)電整機廠家的測試平臺或低電壓認證測試機會,費錢費力。


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)電變流器廠家現(xiàn)有的功率測試裝置,通過軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障,對Chopper裝置電氣性能進行測試,測試靈活方便,經(jīng)濟實用,具有良好的應(yīng)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(cè)隔離變壓器、機側(cè)隔離變壓器、雙饋變流器、機側(cè)斷路器。

新型風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試方法

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(cè)隔離變壓器、機側(cè)隔離變壓器的一端相連接。網(wǎng)側(cè)隔離變壓器的另一端與雙饋變流器的網(wǎng)側(cè)斷路器相連接。機側(cè)隔離變壓器的另一端通過機側(cè)斷路器與雙饋變流器的機側(cè)相連接。測試時,電網(wǎng)接入接口、網(wǎng)側(cè)隔離變壓器、機側(cè)隔離變壓器、機側(cè)斷路器構(gòu)成功率測試回路,通過雙饋變流器與Chopper裝置相連接。


雙饋變流器包括變流器網(wǎng)側(cè)、變流器機側(cè)、直流母線、網(wǎng)側(cè)斷路器、網(wǎng)側(cè)接觸器、預(yù)充電接觸器和預(yù)充電電阻。Chopper裝置并聯(lián)在雙饋變流器的直流母線之間。


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。


起動雙饋變流器,閉合網(wǎng)側(cè)斷路器和預(yù)充電接觸器,對直流母線預(yù)充電,然后分斷預(yù)充電接觸器,閉合網(wǎng)側(cè)接觸器,再閉合機側(cè)斷路器,將變流器網(wǎng)側(cè)并網(wǎng),使能電壓電流雙環(huán)控制,控制直流母線的電壓為1050V,將變流器機側(cè)并網(wǎng),使能電流內(nèi)環(huán)控制,通過控制內(nèi)環(huán)電流給定方向,使得能量流動方向為電網(wǎng)流向變流器機側(cè),變流器機側(cè)流向直流母線,直流母線流向變流器網(wǎng)側(cè),變流器網(wǎng)側(cè)流向電網(wǎng)。

新型風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試方法

圖2  風(fēng)電變流器Chopper裝置測試方法流程圖


變流器網(wǎng)側(cè)軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障,并設(shè)置故障類型及故障時間,在故障期間,變流器網(wǎng)側(cè)進入低電壓穿越運行模式,變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作。變流器機側(cè)仍然往直流母線灌入能量,直流母線的電壓被抬升。


根據(jù)低電壓穿越控制策略,變流器網(wǎng)側(cè)檢測到直流母線電壓超過Chopper裝置動作上限值為1100V,觸發(fā)Chopper裝置動作,泄放直流側(cè)能量。


經(jīng)過泄放能量,直流母線的電壓下降,低于Chopper裝置動作下限值為1075V,Chopper裝置退出動作。

變流器機側(cè)一直往直流母線灌入能量,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裝置的動作頻率可通過變流器機側(cè)的給定電流大小控制。


當(dāng)雙饋變流器運行超過軟件設(shè)定的電網(wǎng)低電壓穿越故障時間時,變流器網(wǎng)側(cè)和變流器機側(cè)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(biāo)準曲線。在控制軟件中,通過該風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越標(biāo)準曲線構(gòu)建的網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)觀測器功能模塊來監(jiān)測實際電網(wǎng)電壓或者模擬電網(wǎng)電壓信號,判斷是否進入電網(wǎng)低電壓穿越故障。


圖3  風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越標(biāo)準曲線

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新型風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試方法


其中最大值、最小值以及時間段可以通過軟件設(shè)定,從而可以實現(xiàn)模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障和故障持續(xù)時間。例如最大值和最小值的標(biāo)幺值設(shè)定在0.2p.u.,且維持時間在0~0.625s時,電網(wǎng)觀測器判斷電網(wǎng)低電壓穿越故障,風(fēng)力發(fā)電機組繼續(xù)運行;若超過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(biāo)幺值設(shè)定在0.9p.u.,且維持時間在0~3s時,電網(wǎng)觀測器判斷電網(wǎng)低電壓穿越故障,風(fēng)力發(fā)電機組繼續(xù)運行,若超過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。其實現(xiàn)方法為電網(wǎng)電壓來源包括實際電網(wǎng)電壓和控制軟件中編寫的幅值可調(diào)的模擬電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)模擬使能信號為0時,電網(wǎng)電壓等于實際電網(wǎng)電壓;電網(wǎng)模擬使能信號為1時,電網(wǎng)電壓等于模擬電網(wǎng)電壓。


Chopper裝置測試時,電網(wǎng)模擬使能信號設(shè)置為1,通過設(shè)置模擬電網(wǎng)電壓的幅值和時間,從而實現(xiàn)設(shè)置故障類型及故障時間,在故障期間,變流器網(wǎng)側(cè)進入低電壓穿越運行故障,變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作,變流器機側(cè)仍然往直流母線灌入能量,直流母線的電壓被抬升。

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圖4  模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障的流程圖


變流器網(wǎng)側(cè)檢測到直流母線的電壓超過Chopper裝置動作上限值為1100V,觸發(fā)Chopper裝置動作,泄放直流側(cè)能量。經(jīng)過泄放能量,直流母線的電壓下降,低于Chopper裝置動作下限值為1075V,Chopper裝置退出動作。


4  實驗結(jié)果


為驗證提出測試方法的有效性,本實驗在1.5MW雙饋風(fēng)冷變流器上測試Chopper裝置的電氣性能。實驗平臺參數(shù)為:外接電網(wǎng)為10kV配電網(wǎng),機網(wǎng)側(cè)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功率開關(guān)管等組成。


圖5的測試工況為變流器網(wǎng)側(cè)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(cè)軟件模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障2s,給定電流大小為200A。

新型風(fēng)電變流器Chopper裝置的測試方法

圖5  模擬電網(wǎng)低電壓穿越故障1s,電流給定100A

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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條曲線說明如下:


1)曲線1為變流器網(wǎng)側(cè)的PWM使能信號,碼值與實際值比為1∶1,故障期間,變流器網(wǎng)側(cè)的PWM使能信號為0,使變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作。


2)曲線9為Chopper裝置動作信號,碼值與實際值比為1∶1,圖5的動作70次,圖6的動作268次。


3)曲線13為變流器網(wǎng)側(cè)的A相電流,碼值與實際值比為15∶1,故障期間,變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷,變流器網(wǎng)側(cè)的A相電流為0。


4)曲線16為直流母線的電壓,碼值與實際值比為20∶1,故障期間,變流器網(wǎng)側(cè)內(nèi)三相全橋的開關(guān)管關(guān)斷而停止工作,變流器機側(cè)仍然往直流母線灌入能量,直流母線的電壓被抬升。直流母線的電壓超過Chopper裝置動作上限值,觸發(fā)Chopper裝置動作,泄放直流側(cè)能量。經(jīng)過泄放能量,直流母線的電壓下降,低于Chopper裝置動作下限值,Chopper裝置退出動作。


結(jié)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,然后通過實驗驗證了測試Chopper裝置方法的有效性。此測試方法經(jīng)濟實用,具有很好的應(yīng)用前景。

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