為保證電網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。測試方法經濟實用，具有很好的應用前景。實驗結果驗證了此方法的可行性。
隨著新能源的快速發(fā)展，風電能源在整個電網所占比例越來越大，因此，電網對風力發(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運行，從而避免了由于風電場的切出而嚴重影響電網系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的故障發(fā)生。
當電網發(fā)生低電壓穿越故障時，風力發(fā)電機組并網點電網電壓跌落，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的開關控制Chopper裝置的投入，目前，在Chopper裝置設計完成后，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。該平臺包括電網接入接口、網側隔離變壓器、機側隔離變壓器、雙饋變流器、機側斷路器。
圖1 風電變流器Chopper裝置測試平臺
電網接入接口外接電網，并分別與網側隔離變壓器、機側隔離變壓器的一端相連接。網側隔離變壓器的另一端與雙饋變流器的網側斷路器相連接。機側隔離變壓器的另一端通過機側斷路器與雙饋變流器的機側相連接。測試時，電網接入接口、網側隔離變壓器、機側隔離變壓器、機側斷路器構成功率測試回路，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側、變流器機側、直流母線、網側斷路器、網側接觸器、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，閉合網側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，閉合網側接觸器，再閉合機側斷路器，將變流器網側并網，使能電壓電流雙環(huán)控制，控制直流母線的電壓為1050V，將變流器機側并網，使能電流內環(huán)控制，通過控制內環(huán)電流給定方向，使得能量流動方向為電網流向變流器機側，變流器機側流向直流母線，直流母線流向變流器網側，變流器網側流向電網。
圖2 風電變流器Chopper裝置測試方法流程圖
變流器網側軟件模擬電網低電壓穿越故障，并設置故障類型及故障時間，在故障期間，變流器網側進入低電壓穿越運行模式，變流器網側內三相全橋的開關管關斷而停止工作。變流器機側仍然往直流母線灌入能量，直流母線的電壓被抬升。
根據低電壓穿越控制策略，變流器網側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，泄放直流側能量。
經過泄放能量，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的給定電流大小控制。
當雙饋變流器運行超過軟件設定的電網低電壓穿越故障時間時，變流器網側和變流器機側都停止工作，測試完成。
3 模擬電網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建的網側電網觀測器功能模塊來監(jiān)測實際電網電壓或者模擬電網電壓信號，判斷是否進入電網低電壓穿越故障。
圖3 風力發(fā)電機組低電壓穿越標準曲線
其中最大值、最小值以及時間段可以通過軟件設定，從而可以實現(xiàn)模擬電網低電壓穿越故障和故障持續(xù)時間。例如最大值和最小值的標幺值設定在0.2p.u.，且維持時間在0～0.625s時，電網觀測器判斷電網低電壓穿越故障，風力發(fā)電機組繼續(xù)運行；若超過0.625s，則認為電網超低壓故障，允許風力發(fā)電機組脫網。最大值和最小值的標幺值設定在0.9p.u.，且維持時間在0～3s時，電網觀測器判斷電網低電壓穿越故障，風力發(fā)電機組繼續(xù)運行，若超過3s，則認為電網超低壓故障，允許風力發(fā)電機組脫網。
圖4為模擬電網低電壓穿越故障的流程圖。其實現(xiàn)方法為電網電壓來源包括實際電網電壓和控制軟件中編寫的幅值可調的模擬電網電壓。電網模擬使能信號為0時，電網電壓等于實際電網電壓；電網模擬使能信號為1時，電網電壓等于模擬電網電壓。
Chopper裝置測試時，電網模擬使能信號設置為1，通過設置模擬電網電壓的幅值和時間，從而實現(xiàn)設置故障類型及故障時間，在故障期間，變流器網側進入低電壓穿越運行故障，變流器網側內三相全橋的開關管關斷而停止工作，變流器機側仍然往直流母線灌入能量，直流母線的電壓被抬升。
圖4 模擬電網低電壓穿越故障的流程圖
變流器網側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，泄放直流側能量。經過泄放能量，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：外接電網為10kV配電網，機網側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0.8?不銹鋼電阻、2.2?F吸收電容、FF1000R17IE4功率開關管等組成。
圖5的測試工況為變流器網側軟件模擬電網低電壓穿越故障1s，給定電流大小為100A。圖6的測試工況為變流器網側軟件模擬電網低電壓穿越故障2s，給定電流大小為200A。
圖5 模擬電網低電壓穿越故障1s，電流給定100A
圖6 模擬電網低電壓穿越故障2s，電流給定200A
圖5和圖6中4條曲線說明如下：
1）曲線1為變流器網側的PWM使能信號，碼值與實際值比為1∶1，故障期間，變流器網側的PWM使能信號為0，使變流器網側內三相全橋的開關管關斷而停止工作。
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為變流器網側的A相電流，碼值與實際值比為15∶1，故障期間，變流器網側內三相全橋的開關管關斷，變流器網側的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，變流器網側內三相全橋的開關管關斷而停止工作，變流器機側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，泄放直流側能量。經過泄放能量，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。
結論
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。此測試方法經濟實用，具有很好的應用前景。
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