摘要：為了測試風力發(fā)電系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓故障下風電機組的電壓穿越能力，研發(fā)了適用于高校實驗的電壓故障發(fā)生器。該裝置為模擬風電機組電網(wǎng)電壓故障創(chuàng)造了實驗條件，解決高校實驗儀器不足的問題。該裝置與風電機組實驗儀器一起搭建實驗平臺，對分析電壓故障下風電機組的功率協(xié)調(diào)控制方法具有重要作用。詳述了實驗的設(shè)計思路和設(shè)計內(nèi)容，并提出一種基于接觸器邏輯時序控制的實驗方法。

　　關(guān)鍵詞：風力發(fā)電,電壓穿越,電壓故障發(fā)生器,實驗方法

　　隨著風電機組裝機容量占電網(wǎng)比重不斷增加，風電機組在電網(wǎng)故障下的運行能力顯得極為重要[1-2]。電網(wǎng)故障使風電機組端電壓跌落或升高，使風電機組脫網(wǎng)運行、不能向電網(wǎng)輸電。由于電網(wǎng)的有功輸入減少，電網(wǎng)恢復的難度將增加，引起其他風電機組脫網(wǎng)運行，導致大規(guī)模停電。因此，急需一種模擬電網(wǎng)電壓故障的實驗裝置。該裝置應用于風電機組教學中，可以使學生直觀地掌握到電壓跌落或升高情況下風電機組的運行狀況，為提高電壓故障下風電機組并網(wǎng)能力創(chuàng)造實驗條件。

　　1電壓故障發(fā)生器的研制

　　實踐教學是高校培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實踐教學環(huán)節(jié)具有重要的作用[3]。本文設(shè)計的電壓故障發(fā)生器測試風電機組的電壓穿越能力。電壓穿越能力指：電力系統(tǒng)發(fā)生故障而引起并網(wǎng)點電壓跌落或升高，在一定持續(xù)時間內(nèi)風電機組不脫網(wǎng)，并能連續(xù)運行且平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)的一種能力[4-5]。

　　我國規(guī)定的風電機組低電壓穿越標準：風電機組在并網(wǎng)點電壓跌落至20%時持續(xù)625ms并網(wǎng)運行，從跌落開始2s內(nèi)恢復到額定電壓的90%。與低電壓穿越規(guī)范相比，我國規(guī)定高電壓穿越的規(guī)范就顯得更遲。直到2015年，我國對高電壓穿越的標準才有明確的要求，其對高電壓穿越提出了明確的要求。

　　測試點的電壓升得越高，保證不脫網(wǎng)的運行時間就相對較短。電壓分了5個梯級，分別為130%、125%、120%、115%的額定電壓和110%的額定電壓，其對應的保持不脫網(wǎng)的運行時間分別為100、900、1000、800ms和一直連續(xù)。

　　目前各高校對風電機組的電壓穿越技術(shù)僅限于理論教學，由于缺乏相關(guān)的實驗設(shè)備，不能開展實驗。雖然國內(nèi)一些機構(gòu)已經(jīng)掌握了風電機組電壓穿越技術(shù)的實驗條件，但是無法滿足學生的學習需求[6-7]。市場上一些商業(yè)化的電壓故障發(fā)生器價格昂貴，不宜作為實驗器材。本文設(shè)計的電壓故障發(fā)生器性能穩(wěn)定，操作簡單，成本低廉，可解決高校實驗儀器缺乏的困境。

　　1.1設(shè)計思路

　　良好的控制技術(shù)可以有效地提高風電機組的電壓穿越能力[8]。本實驗裝置采用基于接觸器邏輯時序控制的電壓故障發(fā)生方法，其特征：該方法是基于多段自耦變壓器和接觸器投切配合產(chǎn)生電壓梯度變化，即通過電壓故障自耦變壓器和KM1—KM15接觸器的耦合可實現(xiàn)電壓故障深度選擇。考慮到實際每次發(fā)生電壓故障時電壓穿越的深度、持續(xù)時間和電壓穿越相位等參數(shù)可能不同，為了使實驗裝置滿足實驗需求，以上參數(shù)均可設(shè)置。

　　1.2電壓故障發(fā)生器的控制結(jié)構(gòu)與實驗設(shè)計

　　電壓故障發(fā)生器上位機采用北京昆侖通態(tài)觸摸屏TPC1561Hi，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的運行控制和狀態(tài)反饋等功能。下位機采用西門子的可編程序控制器(pro-grammablelogiccontroller，PLC)。PLC與觸摸屏通過RS485實現(xiàn)通信。風電機組實際運行中經(jīng)常發(fā)生不對稱故障，如單相故障、兩相故障。因此設(shè)計電壓故障發(fā)生器時提出電壓的A相、B相、C相皆能實現(xiàn)單相故障，便于模擬電網(wǎng)電壓的不對稱故障。

　　1.3電壓故障發(fā)生器介紹

　　電壓故障發(fā)生器提供兩路電源輸出，每路電源都有輸出正常電壓或故障電壓的選擇功能、單相電壓故障功能。若想取得理想的實驗效果，學生進行實驗時必須正確控制該裝置。當控制電壓故障深度的KM1—KM15接觸器中某個接觸器吸合且與自耦變壓器耦合即可輸出該深度的故障電壓。為了使實驗具有參考性，本文設(shè)計的電壓故障發(fā)生器通過PLC可精確地控制故障電壓持續(xù)時間和恢復時間[9]。

　　電壓跌落發(fā)生器可以進行10%～90%的低電壓穿越實驗和110%～130%的高電壓穿越實驗。電力系統(tǒng)中高電壓故障并不常見，因此高電壓穿越技術(shù)不成熟，該平臺可以更好地研究高電壓穿越特性。風電機組的工作電源為交流電，其電壓波形為正弦波，所以電壓穿越的相位角范圍為0°～360°。

　　2教學應用

　　由電壓故障發(fā)生器和風力發(fā)電教學儀器搭建的實驗平臺，為學生清晰地演示了電壓穿越過程和電壓故障情況下風電機組的運行情況。學生利用該實驗平臺圍繞以下問題進行研究：(1)電壓對稱故障和不對稱故障對風電機組的影響有何區(qū)別，如何提高電壓穿越能力。(2)此外電網(wǎng)電壓故障時，風電機組端電壓下降或升高，風電機組將為電網(wǎng)提供無功功率支持電網(wǎng)電壓，減小電壓故障對風電機組的沖擊。無功補償策略的研究對穩(wěn)定電網(wǎng)電壓有重要的作用。永磁式風力發(fā)電機因其運行可靠成為主流機型，已經(jīng)廣泛應用于風電場[10-11]。

　　風力發(fā)電的電壓故障測試性實驗平臺主要由風力機、風力發(fā)電機、拖動電機、電壓故障發(fā)生器、變流器、主控制器、變頻器等構(gòu)成。因此電網(wǎng)電壓故障時全功率變流器的運行特性就直接關(guān)系到發(fā)電系統(tǒng)的電壓穿越運行能力。基于本實驗平臺開設(shè)的電壓跌落和電壓升高實驗，不僅完善了電氣專業(yè)學生的理論課程教學，還為實踐教學打好基礎(chǔ)[12-13]。由于各國的電壓穿越標準不同，所以電壓故障發(fā)生的相位、故障深度的持續(xù)時間和故障恢復時間可以調(diào)節(jié)，以便模擬不同情況的電壓故障。

　　3實驗操作

　　永磁式風電機組實驗平臺并網(wǎng)發(fā)電時電網(wǎng)電壓發(fā)生故障可以調(diào)節(jié)的參數(shù)包括：電壓跌落或升高的持續(xù)時間;電壓跌落或升高的初始相位角范圍為0°～360°;電壓跌落或升高恢復到正常電壓時的時間。

　　本文利用本實驗平臺模擬電網(wǎng)電壓跌落，要求風電機組的端電壓跌落至額定電壓的90%，且單相跌落，625ms后恢復到額定電壓輸出，檢測電壓跌落期間風電機組的運行情況。實驗操作如下：(1)該實驗平臺的儀器上電以后將電壓故障發(fā)生器操作面板上電源輸出旋鈕撥到跌落檔位。(2)其次在觸摸屏上設(shè)置電壓跌落保持時間為625ms。(3)電壓跌落相位角在0°～360°范圍內(nèi)任意設(shè)置。(4)電壓跌落的啟動由操作面板上啟動按鈕控制，按下啟動按鈕，電壓開始跌落，電壓從正常電壓的100%開始跌落到90%，電壓在90%的跌落檔位持續(xù)時間625ms結(jié)束后電壓開始爬升，最后保持額定電壓輸出。電壓故障發(fā)生器與永磁發(fā)電機的定子側(cè)相連，永磁發(fā)電機的定子側(cè)電壓跌落即實現(xiàn)了風電機組電壓跌落，此時檢測風電機組是否不間斷并網(wǎng)發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電情況下的變化。

　　4結(jié)語

　　良好的實驗裝置是提高學生實踐能力的重要保障。本文以實際問題為依據(jù)設(shè)計了電壓故障發(fā)生器，并搭建了電壓故障測試的實驗平臺，該平臺具有較強的實踐性和創(chuàng)新性。該電壓故障發(fā)生器除了應用于風力發(fā)電領(lǐng)域外，還可應用于多種領(lǐng)域，具有一定的通用性。

　　參考文獻(References)

　　[1]趙洪，曾嶸，年珩，等.用于低電壓穿越測試的電壓跌落發(fā)生器研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45(1)：27-29.

　　[2]劉忠義，劉崇茹，李庚銀.提高直驅(qū)永磁風機低電壓穿越能力的功率協(xié)調(diào)控制方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39(3)：23-29.

　　[3]譚平.地方高校應用型人才工程實踐能力的培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2009，28(5)：93-96.

　　[4]劉新宇，袁鵬，李光普.直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機并網(wǎng)低電壓穿越控制技術(shù)的研究[J].科技展望，2016，26(17)：119.

　　[5]陳亞愛，劉勁東，周京華，等.新能源并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越技術(shù)[J].電機與控制應用，2014，41(8)：51-57.

　　[6]楊偉新，宋鵬，白愷，等.風電機組低電壓穿越能力影響因素分析與實例[J].可再生能源，2016，34(2)：220-225.

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