吳偉亮 封阿明 簡優(yōu)宗

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一種風電變流器Chopper裝置的測試方法

吳偉亮1,2封阿明1簡優(yōu)宗1,2

（1. 南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

為保證電網(wǎng)低電壓穿越故障下風電機組能正常運行，需要在風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，具有很好的應用前景。實驗結(jié)果驗證了此方法的可行性。

風電變流器；Chopper裝置；低電壓穿越；能量循環(huán)；經(jīng)濟實用

隨著新能源的快速發(fā)展，風電能源在整個電網(wǎng)所占比例越來越大，因此，電網(wǎng)對風力發(fā)電機組接入提出了更高的要求，其中要求風力發(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)生故障導致風電場電壓跌落后，風力發(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。

當電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越故障時，風力發(fā)電機組并網(wǎng)點電網(wǎng)電壓跌落，風力發(fā)電機組的能量送不出去，同時，風力發(fā)電機組本身的大機械慣性特性，能量會持續(xù)送往風電變流器，從而導致風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，最終就會損壞風電變流器。為了保護風電變流器，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。

本文提出一種風電變流器Chopper裝置的測試平臺及方法，能夠利用風電變流器廠家現(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，具有良好的應用前景。

1 風電變流器Chopper裝置的測試平臺

圖1為風電變流器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。

圖1 風電變流器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之間。

2 風電變流器Chopper裝置的測試方法

圖2為風電變流器Chopper裝置測試方法的流程圖。

起動雙饋變流器，閉合網(wǎng)側(cè)斷路器和預充電接觸器，對直流母線預充電，然后分斷預充電接觸器，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)。

圖2 風電變流器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為風力發(fā)電機組低電壓穿越標準曲線。在控制軟件中，通過該風力發(fā)電機組低電壓穿越標準曲線構(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。

LACP協(xié)議、鏈路聚合控制協(xié)議，它是一種鏈路聚合的動態(tài)控制協(xié)議。LACP協(xié)議通過發(fā)送PDU報文相互通告自己的優(yōu)先級、硬件地址、port優(yōu)先級等參數(shù)進行協(xié)商，選舉出主從設(shè)備，匯聚端口、活動端口、備份端口。這個過程是動態(tài)的，是由LACP協(xié)議進行控制的，和手工模式完全相反。靜態(tài)LACP協(xié)議是LACP協(xié)議中的一種應用，特點是端口成員加入時是由網(wǎng)絡(luò)管理人員手工映射的，不是由LACP協(xié)議動態(tài)加入的。它和手工模式的區(qū)別是它能夠由主動方設(shè)備控制活動鏈路的數(shù)量，從而形成備份鏈路。

圖3 風力發(fā)電機組低電壓穿越標準曲線

當電網(wǎng)模擬使能信號為0時，進入網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)觀測器的電網(wǎng)電壓信號為

當電網(wǎng)模擬使能信號為1時，進入網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)觀測器的電網(wǎng)電壓信號為

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。

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雙饋風冷變流器，Chopper裝置由0.8W不銹鋼電阻、2.2mF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。

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。

5 結(jié)論

本文介紹了的風電變流器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，具有很好的應用前景。

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The test method for the Chopper device of wind power converter

Wu Weiliang1,2Feng Aming1Jian Youzong1,2

(1. NARI Group (State Grid Electric Power Research) Co., Ltd, Nanjing 211106; 2. NARI Technology Co., Ltd, Nanjing 211106)

In order to ensure that the wind turbines can normally operate under the low voltage ride through fault of the grid, a Chopper device is necessary to access to the wind power converter DC bus for transient energy control. A method of using the existing power test platform and software to simulate the low voltage ride through fault of the grid is proposed to test the electrical performance of the Chopper device. The test method has a good application prospect because of its economy and practicality. The experimental results verify the feasibility of the proposed method.

wind power converter; Chopper device; low voltage ride through; energy cycle; economical and practical

2018-04-17

吳偉亮（1987-），男，江西省九江市人，碩士研究生，主要從事電力電子和電機控制方面的研究工作。