一种风电变流器Chopper装置的测试方法
摘要
南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司、国电南瑞科技股份有限公司的研究人员吴伟亮、封阿明等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，为保证电网低电压穿越故障下风电机组能正常运行，需要在风电变流器直流母线接入Chopper装置进行短暂能量控制。
本文提出一种利用现有功率测试平台和软件模拟电网低电压穿越故障的方法来测试Chopper装置的电气性能。测试方法经济实用，具有很好的应用前景。实验结果验证了此方法的可行性。
随着新能源的快速发展，风电能源在整个电网所占比例越来越大，因此，电网对风力发电机组接入提出了更高的要求，其中要求风力发电机组具备低电压穿越能力（LVRT）[1-6]，即在所连接电网发生故障导致风电场电压跌落后，风力发电机组能够通过低电压穿越保证不间断并网运行，从而避免了由于风电场的切出而严重影响电网系统运行稳定性的故障发生。
当电网发生低电压穿越故障时，风力发电机组并网点电网电压跌落，风力发电机组的能量送不出去，同时，风力发电机组本身的大机械惯性特性，能量会持续送往风电变流器，从而导致风电变流器能量输入输出的短暂不平衡，如果此时不加以控制，最终就会损坏风电变流器。
为了保护风电变流器，同时实现低电压穿越功能，一般无论是双馈变流器还是全功率变流器，都会在直流母线接入Chopper装置[7-10]。当母线电压高于设定值时，投入Chopper装置进行能量泄放。
Chopper装置通常由IGBT功率模块串联泄能电阻组成，通过IGBT的开关控制Chopper装置的投入，目前，在Chopper装置设计完成后，需要对其电气性能测试，主要包括：IGBT功率模块的电流出力短时过载能力和泄能电阻的热容能力，Chopper在设计时是利用其短时的过载能力，一般情况下，如果要对Chopper装置极限性能进行测试，就需要专门的低电压跌落硬件平台和变流器拖动平台。
对于一般变流器厂家而言，不具备投入以上这些巨大设备的条件，只能借助风电整机厂家的测试平台或低电压认证测试机会，费钱费力。
本文提出一种风电变流器Chopper装置的测试平台及方法，能够利用风电变流器厂家现有的功率测试装置，通过软件模拟电网低电压穿越故障，对Chopper装置电气性能进行测试，测试灵活方便，经济实用，具有良好的应用前景。
1 风电变流器Chopper装置的测试平台
图1为风电变流器Chopper装置测试平台。该平台包括电网接入接口、网侧隔离变压器、机侧隔离变压器、双馈变流器、机侧断路器。
图1 风电变流器Chopper装置测试平台
电网接入接口外接电网，并分别与网侧隔离变压器、机侧隔离变压器的一端相连接。网侧隔离变压器的另一端与双馈变流器的网侧断路器相连接。机侧隔离变压器的另一端通过机侧断路器与双馈变流器的机侧相连接。测试时，电网接入接口、网侧隔离变压器、机侧隔离变压器、机侧断路器构成功率测试回路，通过双馈变流器与Chopper装置相连接。
双馈变流器包括变流器网侧、变流器机侧、直流母线、网侧断路器、网侧接触器、预充电接触器和预充电电阻。Chopper装置并联在双馈变流器的直流母线之间。
2 风电变流器Chopper装置的测试方法
图2为风电变流器Chopper装置测试方法的流程图。
起动双馈变流器，闭合网侧断路器和预充电接触器，对直流母线预充电，然后分断预充电接触器，闭合网侧接触器，再闭合机侧断路器，将变流器网侧并网，使能电压电流双环控制，控制直流母线的电压为1050V，将变流器机侧并网，使能电流内环控制，通过控制内环电流给定方向，使得能量流动方向为电网流向变流器机侧，变流器机侧流向直流母线，直流母线流向变流器网侧，变流器网侧流向电网。
图2 风电变流器Chopper装置测试方法流程图
变流器网侧软件模拟电网低电压穿越故障，并设置故障类型及故障时间，在故障期间，变流器网侧进入低电压穿越运行模式，变流器网侧内三相全桥的开关管关断而停止工作。变流器机侧仍然往直流母线灌入能量，直流母线的电压被抬升。
根据低电压穿越控制策略，变流器网侧检测到直流母线电压超过Chopper装置动作上限值为1100V，触发Chopper装置动作，泄放直流侧能量。
经过泄放能量，直流母线的电压下降，低于Chopper装置动作下限值为1075V，Chopper装置退出动作。
变流器机侧一直往直流母线灌入能量，Chopper装置工作模式为滞环模式，用于测试Chopper装置的电气性能。Chopper装置的动作频率可通过变流器机侧的给定电流大小控制。
当双馈变流器运行超过软件设定的电网低电压穿越故障时间时，变流器网侧和变流器机侧都停止工作，测试完成。
3 模拟电网低电压穿越故障流程
图3为风力发电机组低电压穿越标准曲线。在控制软件中，通过该风力发电机组低电压穿越标准曲线构建的网侧电网观测器功能模块来监测实际电网电压或者模拟电网电压信号，判断是否进入电网低电压穿越故障。
图3 风力发电机组低电压穿越标准曲线
其中最大值、最小值以及时间段可以通过软件设定，从而可以实现模拟电网低电压穿越故障和故障持续时间。例如最大值和最小值的标幺值设定在0.2p.u.，且维持时间在0～0.625s时，电网观测器判断电网低电压穿越故障，风力发电机组继续运行；若超过0.625s，则认为电网超低压故障，允许风力发电机组脱网。最大值和最小值的标幺值设定在0.9p.u.，且维持时间在0～3s时，电网观测器判断电网低电压穿越故障，风力发电机组继续运行，若超过3s，则认为电网超低压故障，允许风力发电机组脱网。
图4为模拟电网低电压穿越故障的流程图。其实现方法为电网电压来源包括实际电网电压和控制软件中编写的幅值可调的模拟电网电压。电网模拟使能信号为0时，电网电压等于实际电网电压；电网模拟使能信号为1时，电网电压等于模拟电网电压。
Chopper装置测试时，电网模拟使能信号设置为1，通过设置模拟电网电压的幅值和时间，从而实现设置故障类型及故障时间，在故障期间，变流器网侧进入低电压穿越运行故障，变流器网侧内三相全桥的开关管关断而停止工作，变流器机侧仍然往直流母线灌入能量，直流母线的电压被抬升。
图4 模拟电网低电压穿越故障的流程图
变流器网侧检测到直流母线的电压超过Chopper装置动作上限值为1100V，触发Chopper装置动作，泄放直流侧能量。经过泄放能量，直流母线的电压下降，低于Chopper装置动作下限值为1075V，Chopper装置退出动作。
4 实验结果
为验证提出测试方法的有效性，本实验在1.5MW双馈风冷变流器上测试Chopper装置的电气性能。实验平台参数为：外接电网为10kV配电网，机网侧隔离变压器电压等级均为10kV/0.69kV，双馈变流器为1.5MW/0.69kV双馈风冷变流器，Chopper装置由0.8不锈钢电阻、2.2F吸收电容、FF1000R17IE4功率开关管等组成。
图5的测试工况为变流器网侧软件模拟电网低电压穿越故障1s，给定电流大小为100A。图6的测试工况为变流器网侧软件模拟电网低电压穿越故障2s，给定电流大小为200A。
图5 模拟电网低电压穿越故障1s，电流给定100A
图6 模拟电网低电压穿越故障2s，电流给定200A
图5和图6中4条曲线说明如下：
1）曲线1为变流器网侧的PWM使能信号，码值与实际值比为1∶1，故障期间，变流器网侧的PWM使能信号为0，使变流器网侧内三相全桥的开关管关断而停止工作。
2）曲线9为Chopper装置动作信号，码值与实际值比为1∶1，图5的动作70次，图6的动作268次。
3）曲线13为变流器网侧的A相电流，码值与实际值比为15∶1，故障期间，变流器网侧内三相全桥的开关管关断，变流器网侧的A相电流为0。
4）曲线16为直流母线的电压，码值与实际值比为20∶1，故障期间，变流器网侧内三相全桥的开关管关断而停止工作，变流器机侧仍然往直流母线灌入能量，直流母线的电压被抬升。直流母线的电压超过Chopper装置动作上限值，触发Chopper装置动作，泄放直流侧能量。经过泄放能量，直流母线的电压下降，低于Chopper装置动作下限值，Chopper装置退出动作。结论
本文介绍了的风电变流器Chopper装置的测试方法，并介绍了该方法的测试流程和模拟低电压穿越故障的流程，然后通过实验验证了测试Chopper装置方法的有效性。此测试方法经济实用，具有很好的应用前景。