一种分布式发电并网变流器测试装置设计方案及实现

西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室、许继集团有限公司的研究人员李宇飞、王跃等，在2015年第3期《电工技术学报》上撰文，提出了一种用于分布式发电并网变流器测试的波动电压发生装置方案，解决了分布式发电并网变流器在实际电网中不易测试的难题。该装置基于级联H 桥拓扑，其电压等级可拓展，可高精度地输出频率为0.5~25Hz 和波动幅值为0~10%基波电压幅值的波动电压，可模拟不平衡度可调节的三相不平衡电网，不平衡度范围为0~10%。它可以完成并网变流器对电网电压幅值和频率偏差，波动电压以及电网不平衡的适应能力等多种测试。 　　本文分析了装置的工作原理，并以基于本文所提出装置拓扑的“35kV-6MW 风机变流器低频扰动测试装置”上进行的现场实验为例，充分证明了这种波动电压发生装置用于分布式发电并网变流器测试的可行性和有效性。 　　基于光伏、风能以及生物能等新能源的分布式发电近年来在电力工业领域受到越来越多的关注。大多数分布式发电系统与电网之间的接口是通过电力电子并网变流器实现的，因此，要保证分布式发电系统的稳定运行，并网变流器的稳定性和抗扰动性就显得至关重要。 　　国家标准“风电场接入电力系统技术规定”以及“光伏发电站接入电力系统技术规定”不仅提出了对新能源分布式发电系统低电压穿越能力的要求，也提出了对电压和频率适应能力的要求，包括电压和频率偏差适应能力、非对称故障适应能力、电网谐波适应能力以及电压波动和闪变适应能力。 　　如果能在并网变流器并网运行之前对并网变流器进行电网适应性测试、并网运行评估，将大大提高分布式发电系统的稳定性。然而，在分布式发电系统实际并网运行时，很难在大电网中直接对变流器进行测试，原因有两点：首先，电网无法按照需求模拟各种非正常工况；其次，直挂电网的测试方式会对电网稳定造成影响。如果使用可编程电源在较低电压等级下对样机进行测试，也只能部分反映真实工况，无法完整复现正常并网运行时高电压、大功率工况带来的问题。 　　因此，设计一种分布式发电并网变流器测试装置是非常必要的，图1所示为测试系统与分布式发电系统连接示意图，虚线表示不经测试装置的并网运行模式，测试系统以电压源方式运行，模拟不同的电网工况，分布式发电系统对于测试系统来说，可以看作是一个电流源。 　　本文设计的基于级联H 桥[3-10]拓扑的波动电压发生装置是开创性的，目前还没有同类型的测试装置可以同时达到以下标准：电压等级可拓展，输出电压幅值频率可调，可高精度地输出频率为0.5~25Hz 和波动幅值为0~10%基波电压幅值的波动电压，可模拟不平衡度可调节的三相不平衡电网，不平衡度范围为0～10%。 　　而移动式和固定式低电压穿越测试装置已经是一种成熟的工业产品，因此这种测试装置不仅解决了实际电网中并网变流器不易测试的难题，而且填补了分布式发电并网变流器测试的空白，并且输出的测试电压精度很高。此文有望为分布式发电并网变流器测试装置的设计提供一个可参照的标准。 　　本文讨论了测试装置的工作原理，并以在基于所提出测试装置拓扑的“35kV-6MW 风机变流器低频扰动测试装置”上进行的现场实验为例，充分证明了这种波动电压发生装置用于分布式发电并网变流器测试的可行性和有效性。此35kV-6MW 风机变流器测试装置安装在河北省张家口市“国家能源大型风电并网系统研发（实验）中心”。 　　结论 　　本文提出了一种用于分布式发电并网变流器测试的波动电压发生装置设计方案。测试装置电压等级可拓展，可匹配不同电压等级的分布式发电系统，同时在本文所提出的控制方案下，装置达到了以下性能指标：输出频率为45～66Hz 的额定电压，精度达到0.01Hz，输出幅值为20%~120%额定幅值的电压，误差小于0.1%；输出频率为0.5~25Hz和波动幅值为0~10%基波电压幅值的波动电压，并且误差小于0.1%；输出不平衡度范围为0~10%的三相不平衡电压，精度达到0.1%，并且输出三相不平衡电压时，负序电压幅值相位可调；输出额定电压的THD 可以达到2%以下。 　　该方案有望为分布式发电并网变流器测试装置的设计提供一个可参考的标准。最后，本文以在基于所提出拓扑的“35kV-6MW 风机变流器低频扰动测试装置”上进行的现场实验为例，充分证明了这种波动电压发生装置用于分布式发电并网变流器适应能力测试的可行性和有效性。