摘要: 现有全功率变流器试验系统方案的缺点是需要2 台电机，一台是同步发电机和一台是原动机，而且原动机和发电机间需要联轴器。因此，组建一个地面试验台，所需设备多，占地空间大，不但系统运行效率低，而且能耗较高。为了解决上述问题，本文提出一种基于环形功率回馈、运行可靠、能耗低的节能高效数字化风电变流器试验系统。
关键词：风电变流器；故障；波形分析
前言
风力发电机组状态的监测与故障的诊断是保证机组长期安全、稳定运行的关键。目前，国内大型风力发电机组大多采用双馈式感应发电机，该机组通过背靠背的变流器进行并网，但风电机组的运行环境大多比较恶劣，且变流器等相关电子部件因经常遭受高温、高压冲击而发生故障。变流器常见故障为功率管的短路故障和开路故障，短路故障可通过控制系统中的电流环对电流加以抑制，但开路故障很难及时检测，且容易引发二次故障，影响系统的可靠性和稳定性。目前，变流器的故障诊断方法可分为基于模型的故障诊断方法、基于模式识别的故障诊断方法和基于信号处理的故障诊断方法。
1 系统试验项目及主要技术指标
1.1 试验项目
试验系统的变流器按照GB /T 3797—2005《电气控制设备》、GB /T 25387． 2—2010《风力发电机组全功率变流器第2 部分: 试验方法》、NB /T 31015—2011《永磁风力发电机变流器制造技术规范》与NB /T 31051—2014《风电机组低电压穿越能力测试规程》等国家标准进行试验，主要针对一般性结构与电气检查、电气试验项目与低电压穿越能力及功能恢复试验。试验项目包括: 一般性电气检查( 含绝缘耐压测试) 、保护功能试验、通信试验、加载试验、无功功率控制试验、整机效率试验、稳定运行时间试验、温升试验、过载能力试验、机侧du /dt 试验、防护性能试验、电网适应能力试验、电网侧功率因数测定试验、直流母线纹波测试、电能质量测量试验、直流电含量测定试验、低电压穿越能力及有功恢复试验等。
1.2 主要技术指标
变流器运行方式为四象限矢量控制，采用水冷方式; 额定效率≥96．5%; 额定运行条件下稳定运行时间≥72 h; ( 额定工况) 机侧电压变化率du /dt≤1 200 V/μs; 过载能力为每10 min 持续1 min 1．1 倍过载; 无功功率调节能力为±0．95; 额定运行条件下，直流母线纹波不大于50 V。额定运行条件下，被测变流器向电网馈送的直流电流含量不应超过其输出电流额定值的0．5%。电能质量测试中，电流谐波不大于4%。被测变流器额定电气参数如表1 所示。
表1 变流器额定电气参数
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试验站使用环境条件如下: 环境温度－30～40 ℃，环境湿度≤95%，无凝露场合; 海拔高度≤2 000 m; 安装地点为户内。
2 系统整体方案设计
2. 1 系统硬件结构
MW 级风电变流器共直流母线的试验方案如图1 所示。硬件结构包括高压开关及测量柜、隔离降压变压器T1、测控及配电柜1、环形功率回馈单元、无功补偿装置和测试台。环形功率回馈单元包括三绕组变压器T2、测控及配电柜2、机侧滤波电抗电容、测控及配电柜3、网侧滤波电抗电容与变流器。测试台中包括PLC 及通信组件、远程控制按钮、仪表显示与上位机控制界面。
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图1 MW 级风电变流器共直流母线的试验方案
2. 2 系统工作原理
系统中测控及配电单元起到电能分配及测量与显示电量的作用; 隔离降压变压器T1 主要可以把输入的高压降压到试验所需要的低压，所用变压器为10 kV/690 V; 试验用三绕组变压器T2 的二次侧绕组中，机侧一对绕组( 第一绕组) 模拟风电系统中机侧的输入电源，网侧一对绕组( 第二绕组) 模拟风电系统并网电源; 机侧滤波单元和网侧滤波单元主要是滤波和环流系统发生故障时，降低故障对变压器、变流器等试验主设备的冲击; 测控及配电单元中的动作信号可以通过测试台上的PLC 及通信单元、按键单元、上位机操控界面来进行运程控制; 测试台既可以向各测控及配电单元发送信号，也可以采集各测控及配电单元中的信号; 试验用三绕组变压器中电压的输出调节也可通过PLC 远程控制来实现，使试验过程全自动化。在变流器低电压穿越试验时，无功补偿装置可以通过与变流器自身网侧绕组的功率控制运行时输出的功率分配来实现。试验时，先检查试验线路是否接好。线路接好后，给测试单元通入电源，起动PLC 及上位机，通过按键单元或者上位机操控界面起动高压开关及测量单元中的断路器等需要合闸的器件。电源接通到隔离降压变压器T1。远程控制测控及配电柜1 中的开关器件合闸起动，把电网电源接入到环形功率回馈单元。此时，根据变流器的试验项目需要起动上位机对应的操作界面，控制环形功率回馈单元中的各设备组合运行。完成变流器的试验。通过整机效率测试、电能质量测试、电网侧功率因数测试、温升测试、过载能力测试、加载测试、稳定运行时间测试等一系列试验来判断变流器的性能。通过三绕组变压器T2 给环形功率回馈系统通入电源的同时，调节全功率风电变流器机侧与网侧的控制方式，对变流器进行相关试验，观察各个节点电网电压、直流电压、输出功率、频率、电流、电压等参数曲线是否正常。试验过程中变流器的冷却系统要正常工作，监视采集的变流器温度是否在正常范围。通过测试话筒的测量值来检测变流器的电磁噪声是否在正常的范围内; 通过电能质量分析仪、电流互感器、电压互感器、示波器等设备以及上位机采集的数据来记录分析变流器的各种电参数，如端电压、电流、频率等。通过上述试验可以判断变流器的特性以及各种参数是否达到设计要求。环形功率回馈单元的原理: 变流器在进行通电试验时，功率电流可以在环内流动，功率电流沿三绕组变压器→测控及配电柜2→机侧滤波电抗电容→变流器→网侧滤波电抗电容与变流器→测控及配电馈3→三绕组变压 器循环，达到节能的目的。
2.3 系统实现功能
系统通过集中监控软件来实现实时通信，并对各种电能质量参数及温度情况进行长期在线监测和显示，包括电压和电流的有效值、幅值、谐波、不平衡度、有功功率、无功功率、谐波测试的分析与结果、实时测试波形等。同时在后台形成虚拟示波器，实现对测试数据的自动测试、分析与日志报表形成等功能。系统频率、电压和电流系统提供仿真试验界面，包含2 个主界面，用于系统试验的操作和相应的系统设置等。主要包括测试功能区、检测区、数据实时区。检测平台实时监测参数并对参数进行分析，给出显示结果，实现对平台更好的控制和保护。
结束语
整个试验系统采取变流器试验电源柜与控制电源柜分离技术，防止了中高压试验电源的谐波对采集系统的干扰，提高了采集数据的精度，对变流器机侧与网侧也采取独立的配电与采集，试验的可控性与故障排除得到了保障。
参考文献：
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[3]董秀成，高建，张海霞.能源战略与政策[M].北京：科学出版社，2016：170-174.
论文作者:王玲玲
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/10
标签：变流器论文; 绕组论文; 功率论文; 测试论文; 系统论文; 电流论文; 故障论文; 《电力设备》2019年第23期论文;