基于不同測(cè)試環(huán)境的光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越能力驗(yàn)證方法

時(shí)珊珊, 張雙慶, 林小進(jìn), 李紅濤, 包斯嘉(.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海 00437；.中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 0003)

基于不同測(cè)試環(huán)境的光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越能力驗(yàn)證方法

時(shí)珊珊1, 張雙慶2, 林小進(jìn)2, 李紅濤2, 包斯嘉2
(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海 200437；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003)

針對(duì)光伏發(fā)電站可能出現(xiàn)的由于逆變器低電壓穿越問題引起的電網(wǎng)事故，在不同的測(cè)試環(huán)境下，我國(guó)針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器開展了光伏發(fā)電站低電壓穿越性能測(cè)試，包括實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)、光伏電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和人工接地短路試驗(yàn)。研究了以上三種不同測(cè)試環(huán)境下的試驗(yàn)原理，并對(duì)三種模擬短路故障方法進(jìn)行分析。采用三種試驗(yàn)方法對(duì)某型號(hào)500 kW光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明，三種方法有效地驗(yàn)證了光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越能力，并起到了較好的互補(bǔ)作用，有力地保障了我國(guó)光伏電站實(shí)現(xiàn)健康有序的并網(wǎng)。

低電壓穿越；型式試驗(yàn)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；人工短路試驗(yàn)；光伏并網(wǎng)逆變器

0 引 言

為保障電網(wǎng)安全，促進(jìn)光伏發(fā)電站安全并網(wǎng)，國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 617-2011《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》等光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]光伏并網(wǎng)逆變器/光伏發(fā)電站必須具備低電壓穿越能力。對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器/光伏發(fā)電站低電壓穿越能力檢測(cè)的方法將直接影響光伏并網(wǎng)逆變器/光伏發(fā)電站性能的正確評(píng)估。

目前，我國(guó)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越能力測(cè)試的方法主要包括：實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)、光伏電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和人工接地短路試驗(yàn)。本文針對(duì)這三種測(cè)試方法，分析其原理和特點(diǎn)，并對(duì)同一型號(hào)逆變器采用以上三種方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，三種方法可以有效地驗(yàn)證光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越能力，并起到了較好的互補(bǔ)效果，有力地保障了我國(guó)光伏電站實(shí)現(xiàn)健康有序的并網(wǎng)。

1 型式試驗(yàn)

1.1 型式試驗(yàn)原理

低電壓穿越能力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)原理如圖1所示。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括：可控直流電源、被測(cè)光伏逆變器、升壓變壓器以及低電壓穿越檢測(cè)裝置。可控直流電源模擬光伏組件，低電壓穿越檢測(cè)裝置模擬不同類型的短路故障。

測(cè)試時(shí)，將可控直流源為光伏逆變器提供直流，通過調(diào)節(jié)直流電源實(shí)現(xiàn)光伏逆變器在不同功率工況下工作，將低電壓穿越發(fā)生裝置串接在變壓器高壓側(cè)模擬短路故障，測(cè)量點(diǎn)在光伏逆變器交流輸出側(cè)。

1.2 型式試驗(yàn)特點(diǎn)

光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越能力實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)主要有以下特點(diǎn)：

圖1 實(shí)驗(yàn)室低電壓穿越檢測(cè)接線原理圖

(1)型式試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)，不受風(fēng)、雨、光照等氣象條件影響，可以全天候進(jìn)行測(cè)試；

(2)實(shí)驗(yàn)室采用直流源來模擬光伏組件對(duì)逆變器供電，電源穩(wěn)定，不受輻照度影響；

(3)光伏逆變器二次控制電源采用穩(wěn)定的電源，不會(huì)發(fā)生因?yàn)榭刂齐娫床环€(wěn)定而跳機(jī)的現(xiàn)象；

(4)實(shí)驗(yàn)室低電壓穿越試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)選擇在逆變器出口側(cè)，為低壓母線。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)原理

圖2 光伏電站低電壓穿越檢測(cè)接線原理圖

光伏發(fā)電站低電壓穿越能力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)原理如圖2所示，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括：光伏組件、被測(cè)光伏逆變器、升壓變、低電壓穿越檢測(cè)裝置。將低電壓穿越檢測(cè)裝置接在升壓變高壓側(cè)，用來模擬各種短路故障。根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的低電壓穿越檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)在光伏電站10 kV、35 kV電壓等級(jí)的低電壓穿越能力驗(yàn)證測(cè)試。圖2中測(cè)試點(diǎn)1為35 kV電壓等級(jí)測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)2為10 kV電壓等級(jí)測(cè)試。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境較為復(fù)雜，主要特點(diǎn)有以下幾方面：

(1)由于逆變器輸入端采用的是光伏組件發(fā)電，故測(cè)試條件受輻照度影響較大；

(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象是逆變單元，一般兩臺(tái)或多臺(tái)逆變器并聯(lián)設(shè)計(jì)；

(3)測(cè)試結(jié)果不僅取決于逆變器本身性能，還受電站其他電力設(shè)備影響，如電站無功補(bǔ)償裝置SVC、SVG、線路阻抗等因素，需綜合考慮；

(4)逆變器控制電源取電方式不同直接影響測(cè)試結(jié)果。若采用廠電供電，在測(cè)試過程中，由于供電電源不穩(wěn)定會(huì)引起逆變器跳機(jī)。

3 人工接地短路試驗(yàn)

3.1 人工接地短路試驗(yàn)原理

圖3 人工短路試驗(yàn)原理圖

現(xiàn)場(chǎng)人工接地短路試驗(yàn)[3-5]多采用人工遙控發(fā)射裝置對(duì)地瞬時(shí)人工接地方式。試驗(yàn)原理圖如圖3所示。其工作原理是發(fā)射臺(tái)彈出發(fā)射彈，將銅線M端彈到金屬管上，形成輸電線對(duì)地短路，此時(shí)變電站保護(hù)裝置啟動(dòng)并迅速跳閘，待彈射彈落地后，設(shè)備自動(dòng)合閘，線路恢復(fù)正常。圖4為人工短路試驗(yàn)?zāi)孀兤鳒y(cè)試接線圖。

圖4 人工短路試驗(yàn)?zāi)孀兤鳒y(cè)試原理圖

3.2 人工接地短路試驗(yàn)特點(diǎn)

(1)人工接地短路試驗(yàn)更接近實(shí)際短路故障，但其涉及線路范圍較大，涉及專業(yè)人員較多，需要短路試驗(yàn)接線人員、數(shù)據(jù)測(cè)試人員、調(diào)度人員等參與，協(xié)調(diào)工作量大。

(2)人工短路試驗(yàn)不僅能夠考察光伏逆變器低電壓穿越能力，還可以考察交流線路保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、斷路器重合閘裝置功能。

(3)在人工短路試驗(yàn)時(shí)，光伏發(fā)電站逆變器與短路點(diǎn)的距離以及網(wǎng)架機(jī)構(gòu)不同，會(huì)造成的電壓跌落深度不同。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)某逆變器生產(chǎn)廠家500 kW逆變器分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及人工接地短路試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

調(diào)節(jié)可控直流源使逆變器有功功率達(dá)到額定功率的80%以上，設(shè)置A相跌落深度為20%U(U為跌落前電壓)。測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試波形如圖5～圖9所示。

表1 型式試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖5 故障發(fā)生時(shí)，相電壓瞬時(shí)值

圖6 故障恢復(fù)時(shí)，相電壓瞬時(shí)值

圖7 故障發(fā)生時(shí)，相電流瞬時(shí)值

圖8 故障恢復(fù)時(shí)，相電流瞬時(shí)值

圖9 故障期間，視在功率

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

設(shè)置A相跌落深度為20%Un(Un為測(cè)試點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行電壓)，待逆變器運(yùn)行至有功功率達(dá)到其額定功率80%后開始測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示，測(cè)試波形如圖10～圖14所示。

測(cè)量參數(shù)電壓跌落前穿越過程電壓恢復(fù)后備注交流側(cè)A相電壓Ua/V20956462720966/交流側(cè)B相電壓Ub/V209582096520954/交流側(cè)C相電壓Uc/V210242101421022/交流側(cè)A相電流Ia/A7．247．547．20/交流側(cè)B相電流Ib/A7．237．897．18/交流側(cè)C相電流Ic/A7．237．267．20/交流側(cè)有功功率P/kW452349440/交流側(cè)無功功率Q/kvar551119/故障持續(xù)時(shí)間T/ms1000．0/功率恢復(fù)時(shí)間R/s0．6/測(cè)試期間波形記錄圖6

圖11 故障恢復(fù)時(shí)，相電壓瞬時(shí)值

圖12 故障發(fā)生時(shí)，相電流瞬時(shí)值

圖13 故障恢復(fù)時(shí)，相電流瞬時(shí)值

圖14 故障期間，視在功率

對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，(1)型式試驗(yàn)過程中，電流有效值在跌落過程一般小于跌落前、后值，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程其值一般大于電壓跌落前、后值。造成這種現(xiàn)象的原因主要是電站的無功補(bǔ)償SVG或SVC在測(cè)試過程提供了無功支撐。(2)型式試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)為逆變器輸出電壓，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)為逆變器升壓變輸出電壓。

4.3 人工短路試驗(yàn)

在新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)750 kV第二通道青海境內(nèi)魚柴線靠近柴達(dá)木變側(cè)進(jìn)行了人工短路試驗(yàn)，并對(duì)某光伏電站上述型號(hào)逆變器進(jìn)行測(cè)試。本次試驗(yàn)為A相對(duì)地瞬時(shí)短路，測(cè)試波形如圖15、圖16所示。

圖15 逆變器輸出電壓波形

分析結(jié)果顯示，短路時(shí)刻光伏逆變器交流側(cè)A、B、C三相電壓分別跌落至故障前的90%、38%、75.1%，持續(xù)時(shí)間約為2個(gè)周波；跌落期間B相、C相電流最高增至跌落前的1.56倍與1.44倍。光伏逆變器輸出功率為額定功率的約84.4%。由測(cè)試結(jié)果看出，人工短路試驗(yàn)短路時(shí)間較短，三相電壓出現(xiàn)不同深度跌落，電流瞬時(shí)增大。

人工短路試驗(yàn)時(shí)被監(jiān)測(cè)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)額定容量300 MW，額定線電壓330 kV。并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)試波形如圖17、圖18所示,短路時(shí)刻光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)處A、B、C三相電壓分別跌落至故障前的87.6%、96.9%、85.2%。跌落期間A、B、C三相電流最高分別增

圖17 并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流波形

至跌落前的1.22倍、1.05倍、1.10倍，短路發(fā)生時(shí)有功功率迅速下降，電站總有功出力從218.82 MW迅速跌至106.39 MW。短路恢復(fù)后有功恢復(fù)至216.66 MW，短路期間，電站SVG提供無功補(bǔ)償，最大無功支撐約為105 Mvar。

圖18 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率、無功功率輸出曲線

5 結(jié)束語

通過對(duì)比研究三種測(cè)試方法，總結(jié)如下：

(1)三種方法的實(shí)質(zhì)都是模擬短路故障，而三種方法從不同角度進(jìn)行低電壓穿越能力驗(yàn)證。

(2)型式試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境較為理想，是驗(yàn)證低電壓穿越能力的首要環(huán)節(jié)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在型式試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展，可以進(jìn)一步驗(yàn)證低電壓穿越能力；通過在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開展前后開展人工短路試驗(yàn)，可以有效驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果。

(3)型式試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是針對(duì)單臺(tái)逆變器進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)性強(qiáng)；而人工短路試驗(yàn)可以同時(shí)驗(yàn)證多臺(tái)逆變器；涉及面廣。

(4)三種方法從不同角度展開測(cè)試，起到較好的互補(bǔ)作用。通過對(duì)比研究三種方法測(cè)試結(jié)果，有助于深入理解光伏電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與光伏并網(wǎng)逆變器之間的相互作用，有助于及時(shí)獲知光伏電站運(yùn)行情況，為光伏電站順利并網(wǎng)提供了寶貴的參考依據(jù)。

[1] Q/GDW617-2011,《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[S].

[2] GB/T 19964-2012，《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[S].

[3] MA JIN，HE RENMU，DAVID HILL．Load modeling by finding support vectors of load data from field measurements[J]．IEEE Trans on Power Systems，2006，21(2):726-735．

[4] 王鋼，陶家琪，徐興偉，等.東北電網(wǎng)500 kV人工三相接地短路試驗(yàn)總結(jié)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007,31(4)：42-48.

[5] 賀仁睦，徐衍會(huì)，馬進(jìn)，等.人工三相短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的負(fù)荷實(shí)測(cè)建模方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007,31(4)：59-64.

Validation of LVRT Capability of PV Grid-connected Inverters in Different Test Environments

SHI Shan-shan1, ZHANG Shuang-qing2, LIN Xiao-Jin2, LI Hong-tao2, BAO Si-jia2
(1.Electric Power Research Academy of State Grid Shanghai Electric Power Co., Ltd., Shanghai 200437 China; 2. China Electric Power Research Academy, Nanjing Jiangsu 210003, China)

Perspective to possible grid accidents in photovoltaic (PV) power stations caused by low-voltage ride through (LVRT), China has made tests on the LVRT performance of PV grid-connected inverters of PV power stations under different test environments, including laboratory type test, field test on the site of PV power stations, and artificial grounding short-circuit test. This paper studies the test principles in these three different test environments, analyses three methods for simulating short-circuit fault. Furthermore, a 500 kW PV grid-connected inverter is tested in three test methods. The test results show that these three methods verify the LVRT capability of the PV grid-connected inverter and produce good complementary effects, thus providing a strong guarantee for healthy orderly grid connection of China’s PV power stations.

low-voltage ride through(LVRT);type test, field test; artificial short circuit tes; photovoltaic grid connected inverter

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.014

TM615

A

1000-3886(2015)05-0043-04

時(shí)珊珊(1986-)，女，安徽人，工程師，主要從事光伏發(fā)電野外檢測(cè)技術(shù)研究。 張雙慶(1986-)男，山東人，工程師，主要從事太陽能檢測(cè)技術(shù)研究。 林小進(jìn)(1984-)男，江蘇人，工程師，主要從事太陽能檢測(cè)技術(shù)研究。 李紅濤(1982-)男，河南人，工程師，主要從事太陽能檢測(cè)技術(shù)研究。 包斯嘉(1982-)男，江蘇人，工程師，主要從事太陽能檢測(cè)技術(shù)研究。

定稿日期: 2014-07-18