新能源并网测试一体化试验装置的设计与应用

张 用，王玥娇，于 芃，程 艳，赵 鹏

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

·电网技术·

新能源并网测试一体化试验装置的设计与应用

张 用，王玥娇，于 芃，程 艳，赵 鹏

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

针对目前国内新能源发电大规模并网情况，依据多抽头电源的结构及工作原理和国内风电/光伏并网测试技术规定，研制出一套新能源并网测试一体化试验装置。该装置不仅能够完成风电场/光伏电站的频率适应特性、电能质量指标等通用性能指标的现场检测，而且能实现对光伏电站防孤岛保护特性检测。试验装置解决了新能源并网测试中电压等级繁多、测试过程复杂等问题。最后通过在某风电场、光伏电站的实际并网测试应用，表明该套设备能够完成所有预定测试内容。

新能源发电；并网测试；多抽头电源；电能质量；防孤岛效应

0 引言

随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，世界范围内的能源短缺和环境污染己成为制约人类社会可持续发展的两大重要因素。新能源的应用为缓解世界能源危机做出了巨大贡献，引起了世界各国的高度关注。风电是继火力发电、水力发电之后第三大重要电源，我国的风电装机容量已跃居世界第一位。太阳能也是最具发展前景的清洁能源之一，随着光伏发电成本的降低和各国政府出台相应的支持政策，光伏发电行业也得到快速发展［1］。

自风电／光伏发电大规模并网以来，新能源并网测试装置研究取得巨大进展，为新能源发电能否安全可靠并网提供了有力数据。实际应用中，风电场、光伏电站电压等级分别为690 V、400 V，经升压后集电线路电压等级为35 kV或10 kV，现有并网测试装置技术参数固定，不具备常规电压等级普遍适用，造成实际并网测试中接线复杂、更换装置频繁等不便。为解决此问题，利用多抽头电源的工作原理，结合现代化信息技术成果，开发设计了一体化试验装置。该装置克服了并网测试时地域、天气等不利因素，大大提高了测试效率。经某风电场、光伏电站现场测试，该装置能够完成电网频率适应性指标、电能质量指标、光伏电站的防孤岛保护特性指标以及各项通用性能指标的现场测试。技术水平及精度均能满足国家相关并网测试标准［2］的技术规定。

1 一体化试验装置及多抽头电源

1.1一体化试验装置工作原理及功能

一体化试验装置包括多抽头电源、电网侧高压开关控制柜和发电侧低压开关控制柜。装置的一次接线如图1所示。

图1 一体化试验装置一次接线

图1中，T1为多抽头电源；QF1、QF2分别为高、低压开关柜开关，负责高低压侧设备开通和关断；TA1、TA2为开关柜内电流互感器，用于电气参数的采集和过流时微机保护；TV1、TV2、TV3分别为35 kV、10 kV、低压侧电压互感器，起到电压参数采集和过压时微机保护作用。

多抽头电源高低压侧采用不同的接法时，装置可实现不同电压等级下电气量参数的测量。不同电压等级的接入均配置完善的电气量采集点，实现可靠监测，设备电压等级采用就高原则；设备还加装了气象参数测试仪，可实时监控测试现场的气象状态；在设备平台基础上布置了多台振动监测模块，全程动态采集设备在转场运输过程中的振动参数，保证设备状态的跟踪监测。

作为综合测试平台，该设备可通过车载集控系统，运用Internet网络和无线网络技术将测试设备及测试现场的电气模拟量、气象参数、GPS定位、位移振动参数、监控视频等数据上传至远程新能源数据测试中心，实现测试过程的远程监控、现场监督和远程诊断，大大提高测试效率。一体化试验装置网络架构如图2所示。

1.2 多抽头电源的结构及工作原理

多抽头电源结构设计的主要特点是原边每相有两个线圈，可根据不同电压等级灵活连接。副边固定一个线圈。单相原理如图3所示，U1为原边相电压，U2为副边相电压，由原副边线圈两端电压比值，可计算出原副边线圈匝数比。

图2 并网测试中一体化试验装置网络架构

多抽头电源结构如图4所示。原边每相有两个线圈组成，每个线圈的两端设计有两个独立的接线端子。如A相由线圈1和线圈2组成，其中线圈1的两个端子为A和②，线圈2的两个端子为③和④。通过改变线圈端子间的不同连接方式，可满足现场测试所需的35 kV和10 kV不同电压等级的要求。多抽头电源的副边线圈设计为固定线圈，根据实际需求采用星接或三角接。电源铁芯采用冷轧硅钢片材质，线圈采用实心铜线绕制。结构上的特点使电源装置具有消耗材料少、成本较低、低损耗等优点。

图3 多抽头电源单相原理

图4 多抽头电源正面、侧面结构

多抽头电源的工作原理与普通变压器类似。由法拉第电磁感应定律可知：当原边线圈通入交变电流时铁心内产生交变磁场，通过线圈间的磁耦合使得副边线圈感应出电动势。其麦克斯韦方程表达式为

式中：E为线圈电场强度，V／m；B为磁感应强度，T；S为正对面积，m2。

由于原副线圈两端不同接头间匝数比不同，感应出的电动势也不相同，根据电磁感应定律，一、二次线圈中产生感应电动势表达式为

式中：e1、e2分别为一次绕组、二次绕组感漏电动势，V；e1σ为漏磁通在一次侧绕组中感应的电动势瞬时值，V；N1为一次绕组匝数；N2为二次绕组的匝数；Φ为磁通量，Wb。

由式（1）～（4）可求出相应的感应电动势。匝数的不同使每侧比共用线圈少的部分抽头感应出电压低，比共用线圈多的部分抽头感应出电压高［3］。根据实际需求计算出相对应匝数比并引出抽头，结合原副线圈不同的连接方式，可在电源两侧感应出所需要的电压。原副两边的接法有星接和三角接两种形式，一次侧接35 kV高压时，一次侧线圈1、2串接，AB间线电压为35 kV，即每相每个线圈两端电压约为10 kV，这样电源在应用到10 kV高压侧时只需改变一次侧线圈连接方式；低压侧电压等级为690 V／ 400 V，为倍关系，即相、线电压之间关系，改变线圈接线方式可获得两种电压等级。具体接线原理如图5所示。

图5 多抽头电源接线原理图

3 一体化试验装置在新能源并网测试中应用

3.1 一体化试验装置在风电场并网测试中的应用

风电场低压侧为690 V，高压侧电网电压等级一般有10 kV或35 kV，10 kV／690 V采用Dyn11接法，35 kV／690 V采用Yyn0接法两种形式，具体接线原理如图5所示。可利用相关测量仪器在多抽头电源成套装置中高压开关控制柜内的TA或TV上采集电能质量、电网频率适应性等技术参数。装置还能通过车载集控系统运用Internet网络和无线网络技术将测试现场的电气量数据上传至远程新能源数据测试中心，实现测试过程的远程监控、现场监督和远程诊断，极大提高测试效率。

2016年2月，将该一体化试验装置应用于山东省内某风电场的并网测试试验，该风电场一期工程总装机容量为49.5WM，共包括33台额定容量为1 500 kW的风力发电机组。机组均采用一机一变单元制接线方式，经箱变升压至35 kV集电线路，经3回35 kV线路汇集至风电场110 kV升压站的35 kV母线处，经1台升压变压器升压后通过1回110 kV电线接至220 kV变电站，以110 kV电压等级接入山东电网。并网测试内容包括电能质量测试、电网频率适应性测试等。装置并网测试如图6所示，K1、K2分别为高、低压侧开关。多抽头电源采用Yyn0接法。

图6 一体化试验装置在风电场并网测试中应用

3.1.1 电能质量测试

电能质量测试中采用电能质量测量仪在高压开关控制柜中的TA或TV上采集电网电压谐波、电流谐波、闪变、不平衡度等参数。多抽头电源采用Yy0形接法，设备之间连接如图7所示。

图7 电能质量测试设备连接

1）三相谐波电压。

在不同谐波次数下，从高压侧35 kV母线TV上取信号，电能质量测量仪器的电压输入端子直接并联在电压回路上即可。测量的电压谐波次数为2～19，在实际测试中，将实测值按由大到小次序排列，舍弃前面5%的大值，取测量时间段内各项实测值95%概率中的最大值，作为判断谐波是否超过允许值的依据［4］。实测的35 kV侧A、B、C三相谐波电压含有率数据如表1所示。

表1 35 kV侧三相谐波电压含有率测试数据 %

依据GB／T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》技术要求规定，奇次谐波电压含有率标准限值为2.4%，偶次谐波电压标准限值为1.2%。数据表明：A、B、C三相谐波电压含有率均在标准范围内，并网点三相谐波电压满足要求。

2）三相谐波电流。

35 kV侧A、B、C三相谐波电流测量由高压开关控制柜中串联在三相线路中TA完成，监测一段时间后，取谐波电流分量（方均根值）记录。测试数据如表2所示。

表2 35 kV侧三相谐波电流测试数据 A

表3 并网点三相闪变、电压不平衡度测试数据

该风电场接入电网，注入并网点的各次谐波电流分量 （方均根值）均在表2中所列出的标准限值内，符合并网电能质量的要求。

3）三相电压闪变、电压不平衡度。

风电场接入电网后，公共节点的电压偏差、闪变、电压不平衡度应满足GB／T 12326—2008《电能质量电压波动和闪变》、GB／T 15543—2008《电能质量电压不平衡度》的要求。测试时利用闪变仪和不平衡度测量仪器，分别记录短、长时间内闪变最大、最小值和电压不平衡度，并计算出95%概率值。测试数据如表3所示。

结果表明：每相测试点的短闪变、长闪变和电压不平衡度数值均落在表3中所列出的标准限值范围内，该风电场的电能质量符合并网要求。

3.1.2 风电场电网频率适应性检测试验

电网频率适应性测试在装置中高压开关控制柜内TV上完成，设备之间连接如图8所示。

图8 频率适应性测试设备连接

当测试点的供电频率在48～50.2 Hz的范围内时，风电机组应能在要求时间内正常运行［5］。分别设定不同的频率值进行负载测试，根据风电场在此频率下实际运行时间，与要求运行时间比较，即可得出风电机组是否能可靠并网。测试数据如表4所示。

分析测试数据可知，在设定的频率范围内，风电机组实际运行时间均在要求运行时间内，并在电网频率高于50.2 Hz时，机组在停机状态下启动，测试机组不能并网。即该风电场电网频率适应性满足技术要求。

表4 频率偏差适应性测试数据

一体化试验装置电压配比符合某风电场电压等级，可直接并网测试，简化了实际测试中设备选型、频繁接线等过程，大大提高测试效率。电能质量、频率适应性是风电场并网测试中关键内容［6］，由以上测量数据可知，一体化试验装置能够满足相关测试应用要求。

3.2 一体化试验装置在光伏电站并网测试中应用

光伏发电站低压侧为400 V，多抽头电源低压侧采用三角型接法，高压侧根据电网电压35 kV、10 kV等级不同分别采用星型和三角型接法。基于一体化试验装置为综合平台，对光伏电站并网点电能质量、电压闪变、不平衡度以及逆变器防孤岛效应进行测试。

测试选用某18.6MW光伏电站，该电站分18个光伏发电单元，分别经逆变器、35 kV升压变接至35 kV集电线汇接入光伏电站35 kV母线，经35 kV联接线送至110 kV变电站，以35 kV电压等级接入山东电网。多抽头电源采用Yd11形接法，如图6所示。装置应用示意图如图9所示，K1、K2分别为高、低压侧开关。

图9 一体化试验装置在光伏电站并网测试中应用

3.2.1 电能质量测试

在光伏电站电能质量测试中测量设备采用电能质量测量仪，在高压开关控制柜内TA或TV上采集数据，设备之间连接示意图与上述风电场电能质量测试中类似。

1）并网三相电流谐波测试。

35 kV侧并网电流谐波数据采集在高压开关控制柜中TA上完成，由于电流谐波为随机量，监测一段时间后，取谐波电流分量（方均根值）记录。测试数据如表5所示。

表5 35 kV侧三相电流谐波测试数据 A

数据表明，A、B、C三相电流谐波分量测试数据均在表5中所列出的标准限值范围内，该光伏电站电能质量符合并网要求。

2）闪变、电压不平衡度测试。

该项测试利用闪变仪和电压不平衡度测量仪在高压开关控制柜内的TV上完成，分别记录了三相电压短时间闪变、长时间闪变的最大值和最小值，并计算出95%概率值，结合GB 12325—1990《电能质量供电电压允许偏差》，GB／T 15543—1995《电能质量三相电压允许不平衡度》及 GB／T 15945—1995《电能质量 电力系统频率允许偏差》技术规定，测试结果如表6所示。

表6 并网点三相闪变、电压不平衡度测试数据

数据表明，并网点三相电压短时间闪变、长时间闪变及电压不平衡度的95%概率值均在表6中所列出的标准限值内，该光伏电站闪变及不平衡度指标符合并网要求。

3.2.2 防孤岛效应保护检测

对光伏电站进行防孤岛效应检测，多抽头电源采用Yd11型接法，接线原理如图6所示。设备连接如图10所示。

在30%、60%、100%3种逆变器负载率下利用并网逆变器检测装置进行测验，分别记录了有功、无功偏差和动作时间。检测数据如表7所示。

图10 防孤岛效应测试中设备连接

逆变器具有防孤岛效应保护功能，若逆变器并入的电网供电中断，逆变器停止向电网供电时间不超过926ms，同时能够发出警示信号［7-8］。测试结果表明：基于一体化试验装置为平台，该型号光伏逆变器满足并网要求。

表7 防孤岛效应检测数据

一体化试验装置电压配比符合某光伏电站35 kV／400 V电压等级，实际并网测试中简化了设备选型、频繁接线等过程，并可作为光伏电站孤岛效应测试平台。电能质量和防孤岛效应是检验光伏电站能否并网运行的两个重要指标［9-10］，该装置也同样适用于光伏电站频率适应性测试。以上测试数据表明，该装置能够提供可靠数据，满足光伏电站相关并网测试要求。

4 结语

在新能源并网测试一体化试验装置中，应用多抽头电源的结构设计解决了现场测试中面临的电压等级繁多、接线复杂等问题，满足了风电场／光伏电站并网测试中对电能质量指标、电网频率适应性、防孤岛保护特性以及通用性能指标测试的要求。同时，一体化试验装置作为一个综合测试平台，具备完善的网络架构，运用Internet网络和无线网络技术将测试设备及测试现场的电气模拟量、气象参数、GPS定位、位移振动参数、监控视频等数据上传至远程新能源数据测试中心，实现了测试过程的远程监控、现场监督和远程诊断，提高了测试效率。整套装置具有集成度高、性能可靠稳定、使用维护方便、现场配置灵活等优点。该装置的设计与成功应用将为国内新能源发电现场测试提供技术支撑，保障电网安全可靠运行，为客观评价国内新能源并网性能，保障新能源的安全并网提供重要的测试手段，并将极大加快中国新能源发电并网测试与研究能力的快速提升。

［1］高泽，杨建华，冯语晴，等.新能源发电现状概述与分析［J］.中外能源，2014，19（10）：31-36.

［2］王继东，张小静，杜旭浩，等.光伏发电与风力发电的并网技术标准［J］.电力自动化设备，2011，31（11）：1-7.

［3］杨勇.自耦变压器工作原理及电气特性分析［J］.现代工业经济和信息化，2014，4（22）：42-43.

［3］国家电网公司.国家电网风电场接入电网技术规定（试行）［J］.山西能源与节能，2009（5）：14-16.

［4］全国电力监管标准化技术委员会.风电场接入电力系统技术规定：GB／T 19963—2011［S］．北京：中国标准出版社，2012：2-8.

［5］全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电能质量公用电网谐波：GB／T 14549—1993［S］.北京：中国标准出版社，1994：2-6.

［6］张丽英，叶廷路，辛耀中，等.大规模风电接入电网的相关问题及措施［J］.中国电机工程学报，2010，30（25）：1-9.

［7］国家电网公司科技部.光伏电站接入电网技术规定：Q／GDW 617—2011［S］．北京：中国电力出版社，2011：3-12.

［8］吴盛军，徐青山，袁晓冬，等.光伏防孤岛保护检测标准及试验影响因素分析［J］.电网技术，2015，39（4）：924-931.

［9］胡文平，王磊，段晓波，等.光伏电站防孤岛测试方法［J］.电气应用，2015，34（18）：125-128.

［10］CHENW，YAN X，PEN J，et al.Investigation of the stability of the anti-islandingdetection inmulti-DGssystem［J］.Tehnicki Vjesnik，2015，22（5）：1 117-1 126.

Design and App lication of an Integrated Test Device for New Energy Grid-connected Testing

ZHANG Yong，WANG Yuejiao，YU Peng，CHENG Yan，ZHAO Peng
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

In view of the current situation of large-scale grid-connected power generation in China，according to the structure and working principle of multi－tap power supply and the domestic wind power／p hotovoltaic（PV）grid test technology regulations，a new energy and grid test integrated test device is developed.The device can not only complete the wind frequency field/PV power station frequency adaptation characteristics，power quality indicators and other common performance indicators of the field detection，but also to achieve the protection of photovoltaic power plant anti-island protection characteristics.The test device solves the problems such as the voltage level and the complicated testing process in the new energy grid connection test.Finally，through a wind farm，the actual power grid test application of the PV plant，indicating that the equipment can complete all the scheduled test content.

new energy generation；grid-connected test；multi-tap power source；power quality；anti-islanding

TM619

A

1007－9904（2017）06－0001－07

2017-01-23

张 用（1983），男，高级工程师，从事新能源发电并网、电力电子技术方面的研究工作。

国家科技支撑计划资助项目（2015BAA07B01）海上风电机组试验检测关键技术研究及设备研制