风力发电机低电压穿越测试变流器中电流特性分析

赵清松，徐建源，刘劲松，王 刚，戈阳阳

(1．辽宁省电网安全运行与监测重点实验室 (沈阳工业大学)，辽宁 沈阳 110870;2．辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

随着我国政府对开发利用可再生能源的高度重视及《可再生能源法》的颁布实施，风力发电作为技术最成熟、最具规模化开发和商业化发展的新能源发电方式之一，得到了快速发展［1］。

风电场的大规模建设，给电网规划和运行带来了挑战，加之我国大部分风电开发地区位于电网结构相对薄弱区域或电网末端，大规模风电接入对电网的电压、稳定性、电能质量及运行调度带来巨大的影响，确保大规模风电并网后整个电网的安全稳定运行，开展风电并网研究以及了解风电特性及其与电网的相互作用，在当前都是一个巨大的挑战［2］。

风电发电机组大多采用软并网方式，即采用电力电子装置在发电机转轴同电网频率之间建立一种柔性连接。在发电机组启动时，变流器通过对外部电机变化不间断地进行检测，尽量减小机组切入电网时的冲击电流。即便如此，在风电变流器启动时，仍不可避免会产生一定的冲击电流，如果冲击电流过大，将影响传统电网安全稳定运行［3］。

风电发电机低电压穿越能力是其并网的前提，而变流器在低电压情况下的运行特性是风机低电压穿越研究的核心。本文通过对PWM变流器数学模型的分析，得到变流器电流特性数学公式，并由测试数据，研究变流器在低电压情况下的电流特性。

1 风力发电机组低电压运行规定

为了应对大规模风电的接入，确保风电接入后的电力系统运行的可靠性、安全性与稳定性，除了加强相应的电网建设、增加电网的调控手段，并不断改善整个电力系统的电源结构外，还需要对风电场接入电力系统的技术要求做出相应规定，以期不断提高风电机组和风电场运行特性，降低大规模风电接入对电网带来的不利影响。

根据国家电网公司发布的Q/GDW 392—2009《风电场接入电网技术规定》企业标准中的要求，风电场的低电压穿越应能满足图1的要求［4］。

a． 风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625 ms的能力。

图1 风电场低电压穿越要求

b． 风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到额定电压的90%，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清除后应快速恢复，以至少每秒10%额定功率的功率变化率恢复至故障前的值。

2 变流器数学模型

采用2个背靠背双PWM变流器并联的变流系统结构，背靠背双PWM变由PWM整流器和PWM逆变器组成。

2.1 PWM整流器数学模型

PWM整流器的交流侧与交流电压源相接，直流侧为直流负载，典型的三相PWM整流器的主电路拓扑如图2所示［5］。

图2 PWM整流器主电路拓扑结构

假设Si(i=a，b，c)分别为三相桥臂的开关函数，可定义开关函数Si如下:

根据图2，结合电压、电流定律，可得电压型PWM整流器的一般数学模型:

假设三相电压平衡，则有:

在三相无中线系统中，三相电流之和始终为0，即有:

将式 (2)、 (3)、 (4)代入式 (1)中，可得到:

2.2 PWM逆变器数学模型

电压型PWM逆变器的直流侧接一稳定的直流电压源，交流侧可以接无源负载，也可以接电压源，三相电压型PWM逆变器的拓扑结构如图3所示。

图3 PWM逆变器主电路拓扑结构

假设Si(i=u，v，w)分别为三相桥臂的开关函数，可定义开关函数Si如下:

由图3和式 (6)可得用开关函数Si表示的逆变器交流侧输出的相电压和直流电压udc关系式:

图3所示的逆变电路交流侧电压平衡方程:

将式 (7)代入式 (8)中，可得到PWM逆变器在静止坐标系中数学模型的状态方程:

其中:S*=(Su+Sv+Sw)/3

由以上推导的背靠背双PWM变流器的数学模型可见，当电网侧电压发生跌落时，逆变器侧ea、eb、ec突然变小，而整流器侧风机输出电压 ua、ub、uc不能突变，要维持PWM变流器电压平衡，变流器中流过的电流将会变大。

3 电压跌落测试方法

3.1 测试内容

电压跌落试验分为空载试验与带载试验。空载试验是指低电压穿越设备在风机启动且不并网发电状态下的电压跌落测试，该试验为带载试验的基础，不同电压跌落、不同故障类型的带载跌落试验必须做一次空载试验。在带载试验正式进行前，需要做对应的空载试验，以检查设备的可靠性和准确性。

对于低电压穿越测试抽检测试，只测试电压跌落期间的残余电压值为20%Un。测试风电机组分别在小功率输出 (0.1Pn≤P≤0.3Pn)和大功率输出 (P≥0.9Pn)2种工况下，在风电机组出口发生三相短路、两相短路和单相短路故障时的低电压穿越特性。主要测试数据包括风电机组出口电压、有功电流、无功电流、有功功率、无功功率、风速、发电机转速、并网状态以及叶片桨距角信号。

3.2 测试原理

为了不影响电网安全稳定运行，低电压穿越测试设备串接在风机出口处变压器之前的690 V线路上，不做试验时，打开跌落测试开关Qsc，关闭旁路开关Qbp，设备在旁路状态运行，不影响系统发电。通过开关调节串联电抗值和并联电抗值，可以产生多种不同的配置，通过不同的阻抗配比分压来模拟不同跌落类型及不同深度的电压跌落，有效补偿系统运行方式改变给跌落精度造成的偏差。装置电压跌落和恢复功能的实现通过闭合和断开断路器Qsc实现。测试装置原理如图4所示。

待风电机组输出有功功率达到测试要求时，打开电压跌落设备旁路开关Qbp，按下跌落测试开关Q

图4 侧压侧低电压穿越测试装置原理图

sc，开始跌落试验。测试设备可准确测量电流和电压并计算有功、无功、视在功率和其它参量。

3.3 短路阻抗的选择

依据短路容量大于3倍的风电机组额定容量，为风电机额定容量的5～10倍比较适宜，初步选择限流电抗X1，选择适当的系统连接点 (PCC)。

故障期间电压跌落:

式中 Ssc——短路容量;

Ssys——系统容量。允许的电压跌落取决于系统的公共连接点。限流阻抗X1的最终选择，系统阻抗配比如图5所示。

图5 系统阻抗配比图

适当的系统公共连接点 (PCC)确定后由下式计算X1:

因此，限流阻抗X1取决于:系统电压的平方;风电机组额定容量;公共连接点的短路容量。

3.4 测试过程对系统和风机的影响

a． 对系统侧的影响

根据GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》的规定，35 kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%。

移动式低电压穿越测试装置的试验阻抗同系统阻抗如匹配不当，将导致公共接入点短路故障。试验装置设计上充分考虑了风电场低电压穿越试验对系统的影响，并通过大量的仿真和现场试验验证，确保在测试过程中对系统侧公共连接点电压波动不超过±5%。

b． 对被测风机的影响

被测风电机组不具备低电压穿越能力，此时进行低电压穿越试验，被测风电机组保护动作，风机退出运行，测试不会损坏风机。

被测风电机组具备较好的低电压穿越能力，电压跌落开始后，限流电抗器接入后将使被测风电机组的输出功率降低，等效系统短路容量减小，可能引起风机并网发电不稳定。为使被测风电机组仍能正常工作，电抗器的正确配置至关重要。通过对大量的低电压穿越检测试验数据的分析总结，正确分配限流电抗器和短路电抗器的阻抗值，可以保证被测风电机组正常工作。

4 测试结果分析

4.1 测试方法模式

风机出口变压器采用DYn11接线方式，风机并网及变压器接线图如图6所示。

高压侧输电线路最长，发生故障的概率也最大，电网实际运行中发生的电压跌落故障也大多发生在高压侧输电线路上。在低电压穿越测试时，若在高压侧设置电压跌落点将会对整个风电场甚至电网产生重大影响，高电压等级对设备绝缘及安全也有更高的要求，因此从实际情况考虑，一般在低压侧或高压侧设置电压跌落点来模拟高压侧电压跌落的实际情况。

图6 风机并网及变压器接线图

经过2台变压器接线方式的△/Y变换后，低压侧和高压侧接线方式相同，电压跌落模式和深度也一致，不同的是零序分量经过变压器时被滤除，这对电压跌落测试无特别影响，因此，在低压侧设置电压跌落点可全面模拟高压侧电压跌落故障的实际情况。

不同跌落模式下电压相量图如图7所示。

4.2 电压跌落测试结果

在大风工况下 (风机输出功率P≥0.9Pn)，在低压侧 (690 V)设置电压跌落点，对被测风机进行低电压穿越测试。测试期间，流过变流器的电流有效值波形如图8～图10所示。

单相电压跌落:4.30 s开始跌落，4.44 s和5.01 s时电流有效值达到最大 (1.59 p.u.)，跌落持续时间为620 ms，跌落深度为0.32 p.u.，跌落期间电流有效值在1.5 p.u.以上。

两相电压跌落:4.04 s开始跌落，4.12 s时电流有效值达到最大 (1.67 p.u.)，跌落持续时间为621 ms，跌落深度为0.21 p.u.，跌落期间电流有效值在1.55 p.u.以上。

三相电压跌落:2.91 s开始跌落，3.08 s时电流有效值达到最大 (1.53 p.u.)，跌落持续时间为621 ms，跌落深度为0.20 p.u.，跌落期间电流有效值在1.48 p.u.以上。

可见，电压跌落期间变流器中流过电流有效值较大，两相电压跌落时电流有效值最大达到1.67 p.u.，高于三相和单相跌落时的1.53 p.u.和1.59 p.u.，电压跌落时的大电流会对风力发电机变流器产生威胁，低电压穿越测试就是考核风机是否能够承受这种冲击，主要体现在风机变流器耐流性能上。由测试可知，两相跌落流过变流器的电流有效值是最大的。

5 结束语

电压跌落期间风机变流器中将会流过较大的电流，并且在电压跌落开始和结束时会有峰值出现;两相跌落时流过变流器的不平衡电流平均值和最大值均高于三相和单相跌落，对风机变流器的威胁最大。从实际运行角度考虑，风机应完善变流器耐流性能，承受电压跌落期间产生的大电流，保证电压跌落期间能够不脱网运行，满足电网安全、稳定运行要求。

［1］ 刘 岱，庞松岭．风电集中接入对电网影响分析［J］．电力系统及其自动化学报，2011，23(3):156－160．

［2］ 胡书举，李建林，许洪华．永磁直驱风电系统低电压运行特性的分析 ［J］．电力系统自动化，2007，31(17):73－77．

［3］ 李亚萍，张红超．双馈风力发电机变流器并网试验方法研究［J］．电力系统保护与控制，2012，40(15):122－126．

［4］ Q/GDW 392—2009，风电场接入电网技术规定［S］．

［5］ 李举成，易灵芝，李 明，等．永磁风力机并网逆变器的研究 ［J］．计量与测试技术，2008，35(10):19－21．