低壓變頻器及其電壓支撐裝置測(cè)試系統(tǒng)研究開發(fā)

吳跨宇，盧岑岑，陳凱，韓其國(guó)

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.杭州東華電氣設(shè)備有限公司，杭州310014）

低壓變頻器及其電壓支撐裝置測(cè)試系統(tǒng)研究開發(fā)

吳跨宇1，盧岑岑1，陳凱2，韓其國(guó)2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.杭州東華電氣設(shè)備有限公司，杭州310014）

根據(jù)低壓變頻器電壓穿越能力要求和發(fā)電廠一類輔機(jī)低壓變頻器配置特點(diǎn)，提出了基于電力電子技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)電壓暫降、暫升發(fā)生裝置設(shè)計(jì)思路。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的變頻器負(fù)載配置方案進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)不同類型的輔助電壓支撐裝置測(cè)試時(shí)的電源要求進(jìn)行了探討。最后提出低壓變頻器及其在輔助電壓支撐裝置配合下的高、低電壓穿越能力測(cè)試系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配置方案、參數(shù)要求和功能設(shè)置，形成了一整套的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)方案。

低壓變頻器；電壓穿越能力；電壓支撐裝置；測(cè)試系統(tǒng)；研究開發(fā)

0 引言

發(fā)電廠一類輔機(jī)變頻器的高、低電壓穿越能力直接關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)短時(shí)故障和異常運(yùn)行過程中的輔機(jī)持續(xù)在線運(yùn)行能力。為防止上述故障和異常運(yùn)行時(shí)一類輔機(jī)由于變頻器跳閘退出而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)[1]，造成對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步?jīng)_擊甚至失去大量電源支撐后的系統(tǒng)崩潰[2-3]，國(guó)家電網(wǎng)公司明確提出了對(duì)一類輔機(jī)變頻器的高、低電壓穿越要求。近年來，浙江省開展了大量的調(diào)查研究和統(tǒng)計(jì)核查，并于2015年全面開展了低壓輔機(jī)變頻器的高、低電壓穿越能力提升工作。

目前，提升發(fā)電廠一類輔機(jī)低壓變頻器電壓穿越能力采用附加支撐裝置方案，支撐裝置電源來源主要有自身電池儲(chǔ)能、廠用直流、交流殘壓整流升壓等方式。為測(cè)試一類輔機(jī)低壓變頻器經(jīng)附加支撐裝置改造后的高、低電壓穿越能力，評(píng)價(jià)支撐裝置性能和改造效果，適應(yīng)各種不同原理的支撐裝置測(cè)試要求，需開發(fā)一套完整的測(cè)試系統(tǒng)來檢測(cè)低壓變頻器及其附加支撐裝置的電壓穿越能力。同時(shí)，為了模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提高測(cè)試過程的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，變頻器在測(cè)試時(shí)應(yīng)帶有同等功率負(fù)載，電動(dòng)機(jī)負(fù)載應(yīng)能模擬相應(yīng)的負(fù)載特性。為此，在分析了變頻器電壓穿越能力要求和測(cè)試需求的基礎(chǔ)上，提出了一整套的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括大功率電壓暫升暫降發(fā)生裝置、電動(dòng)機(jī)負(fù)載方案、負(fù)載特性模擬方法和相應(yīng)的系統(tǒng)集成方法。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求提出了測(cè)試系統(tǒng)的主要軟件功能和設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)，為后續(xù)的測(cè)試系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)。

1 低壓變頻器和輔助裝置配置及測(cè)試需求

1.1 發(fā)電廠用一類低壓輔機(jī)及其電機(jī)配置

為保證工業(yè)應(yīng)用的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)性，目前國(guó)內(nèi)常規(guī)低壓三相電動(dòng)機(jī)功率采用標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格分檔[4]。

發(fā)電廠一類輔機(jī)是指短時(shí)（小于5 s）中斷供電將會(huì)造成設(shè)備損壞、機(jī)組停機(jī)或機(jī)組輸出功率大量下降，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的輔機(jī)。根據(jù)浙江省內(nèi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用低壓變頻器的發(fā)電廠一類輔機(jī)主要有給煤機(jī)、空預(yù)器和旋轉(zhuǎn)分離器等。

給煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量大都采用2.2 kW和5.5 kW功率等級(jí)，最小為1.5 kW，最大為11 kW；空預(yù)器電動(dòng)機(jī)最小11 kW，最大37 kW，常見的空預(yù)器功率為20 kW；旋轉(zhuǎn)分離器電動(dòng)機(jī)功率主要為45 kW和75 kW。為控制特性和節(jié)能需要，上述一類輔機(jī)均配置變頻器，正常運(yùn)行時(shí)一般采用變頻控制[5]，也有部分空預(yù)器變頻器僅用于輔機(jī)啟動(dòng)過程，啟動(dòng)完成即切換至工頻電源運(yùn)行。

由于多臺(tái)給煤機(jī)跳閘后會(huì)導(dǎo)致鍋爐燃燒不穩(wěn)定，而簡(jiǎn)單的給煤機(jī)跳閘后重啟邏輯可能會(huì)導(dǎo)致鍋爐爆燃，因此給煤機(jī)變頻器跳閘后一般都設(shè)有啟動(dòng)MFT（鍋爐主燃料跳閘）的保護(hù)邏輯。目前，第一輪發(fā)電廠一類輔機(jī)電壓穿越能力的提升改造工作主要針對(duì)給煤機(jī)開展，日后根據(jù)進(jìn)一步調(diào)查研究和給煤機(jī)提升改造情況可能覆蓋至空預(yù)器等相關(guān)輔機(jī)。

1.2 電壓穿越能力規(guī)范要求

綜合相關(guān)規(guī)定和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，一類輔機(jī)低壓變頻器的高、低電壓穿越能力指標(biāo)可以歸納為表1所示。

其中，最為關(guān)鍵的指標(biāo)是20%和130%額定電壓下至少0.5 s持續(xù)在線運(yùn)行的要求。同時(shí)，考慮到廠用電切換和其他故障時(shí)，廠用低壓母線短時(shí)失電會(huì)導(dǎo)致變頻器跳閘，因此，在滿足規(guī)范要求前提下，一般建議采用原理上可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)失壓（即零電壓）下的變頻器在線運(yùn)行能力的輔助電壓支撐裝置，即把表1中的20%指標(biāo)下移至0%。

表1 一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越能力指標(biāo)

1.3 電壓支撐裝置配置方式

浙江省內(nèi)機(jī)組一類輔機(jī)低壓變頻器高、低電壓穿越能力改造時(shí)配套的輔助電壓支撐裝置主要采用以下3種配置方式：

1.3.1 自帶電池儲(chǔ)能方式

自帶電池方式最大優(yōu)點(diǎn)在于支撐裝置給失壓的變頻器提供直流母線電壓支撐時(shí)，能源來自自帶電池儲(chǔ)能，不受外部廠用電的影響。電池充電電源來自變頻器三相交流電壓輸入，不需要額外的電纜布線。但采用該方式存在電池維護(hù)工作要求，電池對(duì)安裝運(yùn)行環(huán)境要求相對(duì)較高，并需要考慮長(zhǎng)期運(yùn)行后的電池更換問題。

1.3.2 廠用直流供電方式

發(fā)電廠都配置有廠用直流電系統(tǒng)，廠用重要負(fù)荷尤其是關(guān)鍵控制器和控制回路電源都采用直流電源或有直流電源作為備用。機(jī)組在嚴(yán)重事故情況下，例如全廠失電時(shí)，直流系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著機(jī)組安全停機(jī)電源保障的重任。由于廠用直流系統(tǒng)在緊急情況下由電池組供電，因此采用廠用直流供電的支撐裝置可以滿足失壓穿越要求，同時(shí)避免了穿越裝置自帶電池組方式的額外維護(hù)更換。廠用直流電壓只需經(jīng)升壓裝置升壓至500 V左右即可接入變頻器直流母線，通過二極管等隔離措施后可實(shí)現(xiàn)失壓時(shí)的無擾切換支撐。

1.3.3 交流殘壓整流升壓方式

交流殘壓整流升壓是將交流殘壓整流成直流電壓后，再通過Boost電路進(jìn)行直流升壓的方式。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面避免了自帶電池組帶來的環(huán)境要求和維護(hù)問題，另一方面避免了對(duì)廠用直流系統(tǒng)容量的要求以及長(zhǎng)路徑直流電纜布線帶來的材料和施工成本。但是采用Boost升壓方式的支撐裝置原理上是通過電路電流過載能力實(shí)現(xiàn)功率傳送，受過載容量限制，一般只能滿足20%電壓下的支撐要求，即配置為5倍電流過載能力。當(dāng)電壓低于20%甚至失壓時(shí)，變頻器無法獲得足額支撐。需要注意的是，這類支撐裝置啟動(dòng)時(shí)會(huì)在交流電源側(cè)帶來數(shù)倍額定電流的過載。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.1 附加支撐裝置后的變頻器及相應(yīng)測(cè)試量

除了裝置的正常投入、退出和自檢報(bào)警等常規(guī)檢查項(xiàng)目外，附加電壓支撐裝置后，在輸入側(cè)三相交流電壓暫升、暫降過程中的變頻器持續(xù)穩(wěn)定在線運(yùn)行能力是性能檢測(cè)的核心內(nèi)容。因此，測(cè)試系統(tǒng)首先應(yīng)提供與變頻器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相一致的運(yùn)行工況條件支持，主要包括負(fù)載電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載2方面。同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)任意幅值和任意持續(xù)時(shí)間的三相交流電源電壓暫升、暫降，實(shí)現(xiàn)對(duì)附加支撐裝置前后變頻器輸入電源電壓暫升、暫降時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試。

常用低壓變頻器均為電壓型交-直-交變頻器，其前置整流均采用交流側(cè)三相不可控整流方式。變頻器低電壓和過電壓的判別參量一般都采用直流母線電壓，因此，工程上常采用支撐裝置輸出直流電壓接入變頻器直流母線的接線方式，通過直流母線電壓支撐來防止變頻器在電壓短時(shí)跌落時(shí)跳閘。對(duì)于變頻器的高電壓抑制功能，不論變頻器自帶模塊還是附加支撐裝置一般都采用快速投切制動(dòng)電阻方式。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到直流母線過電壓時(shí)，可通過電力電子開關(guān)直接在母線上并接分流電阻的方式來抑制直流母線過電壓水平，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的高電壓穿越。附加高、低電壓穿越支撐裝置后的低壓變頻器拓?fù)湓砣鐖D1所示。

圖1 附加電壓支撐裝置后的低壓變頻器拓?fù)湓?/p>

變頻器附加電壓支撐裝置的目的是在變頻器輸入交流電壓暫升、暫降過程中，保持變頻器的穩(wěn)定在線運(yùn)行。支撐裝置的支撐能力與變頻器運(yùn)行負(fù)載狀態(tài)直接相關(guān)，變頻器額定負(fù)載時(shí)應(yīng)能在交流側(cè)輸入電壓暫升、暫降過程中保持穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為提供充分的電壓穿越測(cè)試結(jié)論依據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)至少需要包括以下測(cè)試參量：變頻器交流側(cè)輸入電壓、變頻器直流母線電壓、支撐裝置輸出電流、變頻器輸出功率、負(fù)載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2.1 電壓暫升暫降發(fā)生儀功能實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)變頻器及其附加支撐裝置后對(duì)電源電壓變化的適應(yīng)能力，首先需要測(cè)試系統(tǒng)提供一個(gè)可控的功率電壓源裝置，用于模擬電源電壓波動(dòng)。電壓暫升暫降發(fā)生儀的基本拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電壓暫升暫降發(fā)生儀拓?fù)?/p>

裝置采用三相380 V電源接入，經(jīng)過隔離升壓變壓器后，由三相二極管整流橋整流成直流電壓，再通過基于IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的三相逆變橋控制其輸出電壓幅值。

如前所述，測(cè)試系統(tǒng)需要進(jìn)行變頻器輸入電壓的暫升測(cè)試，但基于IGBT的PWM（脈沖寬度調(diào)制）逆變器在交流升壓技術(shù)上存在困難。因此測(cè)試系統(tǒng)采用升壓變壓器將輸入三相電壓升至690 V，即約1.8倍額定電壓，同時(shí)IGBT逆變器采用690 V電壓，從而使測(cè)試系統(tǒng)最大輸出電壓大于1.4倍額定電壓，以滿足1.3倍0.5 s的高電壓穿越能力測(cè)試要求。

正常運(yùn)行時(shí)，通過人為設(shè)定逆變器降壓至400 V輸出運(yùn)行作為裝置額定電壓的方式來解決逆變器電壓暫升控制問題，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)0%～140%連續(xù)可調(diào)的電壓暫升、暫降輸出。

2.2.2 被測(cè)變頻器負(fù)載方式選擇

為模擬被測(cè)變頻器及其支撐裝置的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況，需要變頻器帶實(shí)際負(fù)載。根據(jù)測(cè)試負(fù)載功率和負(fù)載特性要求，變頻器負(fù)載電動(dòng)機(jī)可以采用2種可控負(fù)載方式。

（1）采用能耗型測(cè)功機(jī)。

在低功率測(cè)試系統(tǒng)中，變頻器所帶的負(fù)載電機(jī)可以直接采用能耗型測(cè)功機(jī)作為機(jī)械負(fù)載，其原理如圖3所示。

圖3 能耗型測(cè)功機(jī)作負(fù)載

能耗型測(cè)功機(jī)可以通過控制勵(lì)磁電流來控制測(cè)功機(jī)的機(jī)械負(fù)載力矩，與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制后可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電動(dòng)機(jī)的輸出功率控制。這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度可以滿足一般測(cè)試要求，設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、成本低。測(cè)功機(jī)負(fù)載可以通過反饋控制方式為變頻電動(dòng)機(jī)加載給定轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)定功率點(diǎn)、定轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行模式測(cè)試要求。但是能耗型的機(jī)械負(fù)載受散熱能力限制，一般僅限于小功率變頻電動(dòng)機(jī)負(fù)載使用。

（2）變頻器負(fù)載電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)。

當(dāng)用于大功率和精密測(cè)試時(shí)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)所帶的機(jī)械負(fù)荷應(yīng)具有快速的機(jī)械負(fù)載特性模擬能力，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)其相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)設(shè)定機(jī)械負(fù)載特性對(duì)應(yīng)變化，從而提升實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的科學(xué)性。為此，測(cè)試系統(tǒng)采用變頻器負(fù)載電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的基本負(fù)載結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 變頻器電動(dòng)機(jī)測(cè)試負(fù)載配置

變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作頻率一般不是工頻50 Hz，而是根據(jù)實(shí)際控制需要，在一個(gè)接近工頻的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。典型的一類輔機(jī)變頻電動(dòng)機(jī)工作頻率為30～50 Hz，因此同軸發(fā)電機(jī)組發(fā)出的三相交流電頻率也不是工頻，無法實(shí)現(xiàn)直接并網(wǎng)后能量反饋。為此，三相交流發(fā)電機(jī)需要配置一個(gè)三相四象限全控并網(wǎng)逆變器，逆變器拓?fù)湓砣鐖D5所示。并網(wǎng)逆變器主要由IGBT整流橋、阻容穩(wěn)壓濾波、IGBT逆變橋、輸出濾波單元和相應(yīng)的控制保護(hù)電路組成。由于其整流和逆變均采用基于IGBT的全控橋，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的四象限控制。

圖5 四象限逆變器拓?fù)湓?/p>

測(cè)試系統(tǒng)中配套發(fā)電機(jī)機(jī)端逆變器的主要功能包括：

頻率變換。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)任意輸出頻率時(shí)，采用變頻轉(zhuǎn)換后可以并入50 Hz工頻電網(wǎng)。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)端頻率，根據(jù)預(yù)設(shè)負(fù)載特性控制發(fā)電機(jī)輸出電磁功率，進(jìn)而間接實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)在實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速下的快速負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制，模擬輔機(jī)機(jī)械負(fù)載特性。

能量回饋。在大功率負(fù)載下測(cè)試時(shí)，變頻器和負(fù)載電機(jī)消耗大量功率，一方面受散熱能力限制難以持續(xù)采用耗能裝置，另一方面采用能量回饋電網(wǎng)方式可以實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。

無功平衡。測(cè)試系統(tǒng)采用了變頻器、變頻電機(jī)等大量感性負(fù)載，消耗的大量無功功率影響實(shí)驗(yàn)室所在配電網(wǎng)電壓水平。通過負(fù)載全控逆變器可以實(shí)現(xiàn)無功功率平衡控制，降低成套測(cè)試系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)的無功需求。

2.2.3 輔助直流電源配置

采用交流整流后Boost升壓方式和采用蓄電池等儲(chǔ)能方式的支撐裝置，其工作電源一般來自與變頻器同源的三相交流電源，因此測(cè)試系統(tǒng)無需提供額外的電源支撐。采用發(fā)電廠廠用直流系統(tǒng)供電的電壓穿越輔助支撐裝置，利用廠用直流蓄電池電能實(shí)現(xiàn)交流失電時(shí)的變頻器電壓穿越，因此，測(cè)試此類支撐裝置時(shí)，需要提供220 V直流電源，且電源容量應(yīng)滿足測(cè)試時(shí)最大的變頻器負(fù)載功率要求。

測(cè)試系統(tǒng)采用成熟的廠用直流變換裝置組屏，單個(gè)變換裝置額定電壓220 V，額定輸出電流20 A，采用3個(gè)模塊并聯(lián)輸出60 A，對(duì)應(yīng)功率13 kW，可以滿足給煤機(jī)類變頻器最多一拖三配置方式的支撐裝置測(cè)試需求。直流電源屏工作電源來自實(shí)驗(yàn)室三相380 V供電。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)總體框架

測(cè)試系統(tǒng)以工控機(jī)為主控平臺(tái)，采用數(shù)據(jù)采集卡作為與測(cè)試系統(tǒng)各組件的數(shù)據(jù)交互載體，負(fù)責(zé)所有相關(guān)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)界面。

測(cè)試系統(tǒng)主要包括三相380 V交流電源、測(cè)試電源裝置、變頻器及其電壓支撐裝置、負(fù)載電機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)、同軸發(fā)電機(jī)、逆變器及反饋輸出等部分，總體布局如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)采用暫升暫降發(fā)生儀輸出作為變頻器及其電壓支撐裝置的測(cè)試電源；負(fù)載電機(jī)根據(jù)不同功率等級(jí)采用同軸的發(fā)電機(jī)或磁滯測(cè)功機(jī)作為機(jī)械負(fù)載。測(cè)試系統(tǒng)的輸入和輸出側(cè)均配置有三相交流斷路器，緊急情況下可通過內(nèi)部保護(hù)或急停按鈕將測(cè)試系統(tǒng)與外部電源徹底隔離。電壓支撐裝置帶有旁路隔離開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)變頻器帶電壓支撐裝置和不帶電壓支撐裝置2種情況下的高、低電壓穿越測(cè)試。

2.4 測(cè)試系統(tǒng)主要硬件指標(biāo)設(shè)計(jì)

2.4.1 測(cè)試系統(tǒng)功率指標(biāo)

目前，發(fā)電廠一類輔機(jī)低壓變頻器最大功率為75 kW的旋轉(zhuǎn)分離器電機(jī)，空預(yù)器電機(jī)典型的功率為20 kW，而給煤機(jī)類電機(jī)則以2～5.5 kW為主。由于變頻器及負(fù)載電機(jī)的允許工作范圍一般穩(wěn)定在其額定功率的20%以上，因此，測(cè)試系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)功率以覆蓋所有一類輔機(jī)低壓變頻器測(cè)試要求為原則，設(shè)定為75 kW。

2.4.2 測(cè)試系統(tǒng)電壓指標(biāo)

重新爬上床，卻橫豎睡不著了，身子翻來覆去，心情也變得煩躁起來。越不想去聽客廳的動(dòng)靜，耳朵卻偏偏側(cè)起來聽。于是又聽見小母雞說，咯咯咯，他們可真逗。老母雞忙不迭地回應(yīng)，咯咯答，誰說不是呢？

測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備電壓暫升、暫降功能，可模擬系統(tǒng)和廠用電內(nèi)部最嚴(yán)重的三相短路故障。暫升、暫降電壓范圍設(shè)定為額定電壓的0%～140%，即0～532 V，電壓暫升通過前置升壓隔離變壓器升壓后人為降至額定運(yùn)行點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)，由于測(cè)試系統(tǒng)采用純電力電子裝置，因此電壓暫升、暫降的幅度和持續(xù)時(shí)間可任意設(shè)定。

2.4.3 測(cè)試系統(tǒng)負(fù)載功率指標(biāo)

考慮到測(cè)試系統(tǒng)負(fù)載變頻器分為高、低功率，高功率為75 kW，低功率為15 kW。低功率測(cè)試系統(tǒng)采用變頻電機(jī)帶能耗型磁滯測(cè)功機(jī)負(fù)載方式，實(shí)現(xiàn)15 kW以下功率的測(cè)試。高功率測(cè)試系統(tǒng)采用負(fù)載發(fā)電機(jī)配置并網(wǎng)逆變器的能量回饋測(cè)試方式，負(fù)責(zé)15～75 kW功率的測(cè)試。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件功能配置

3.1 測(cè)試系統(tǒng)控制界面

測(cè)試系統(tǒng)測(cè)控軟件基于工控機(jī)Windows平臺(tái)，主要分為測(cè)試功能設(shè)置和數(shù)據(jù)波形顯示2部分，其主界面如圖7所示。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)主界面（60%額定電壓5 s暫降測(cè)試波形）

測(cè)試設(shè)置區(qū)主要包括電壓升降測(cè)試儀的升降幅度、升降時(shí)間和升降周期的設(shè)置，調(diào)整控制負(fù)載變頻器的轉(zhuǎn)速和功率等運(yùn)行工況設(shè)置以及系統(tǒng)采樣設(shè)置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)置等。

測(cè)試系統(tǒng)用于界面顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要參量包括：變頻器三相進(jìn)線電壓、變頻器直流母線電壓、輔助穿越裝置輸出電流、變頻器輸出轉(zhuǎn)速和變頻器輸出功率，這5個(gè)數(shù)據(jù)可以任意選擇且依次與縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，顯示在測(cè)試軟件界面右側(cè)。

3.2 測(cè)試項(xiàng)目設(shè)置

常規(guī)低壓變頻器均采用交-直-交方式，前置整流橋一般采用不可控二極管三相整流。系統(tǒng)單相接地和相間短路時(shí)，其不可控整流橋輸出電壓均高于等幅度的三相短路。變頻器低電壓跳閘主要受限于電壓降低后為維持輸出功率而產(chǎn)生的回路過流，其過流水平與不可控整流橋輸出直流電壓幅值直接相關(guān)。因此，對(duì)于變頻器的低電壓穿越能力測(cè)試，僅需采用三相同時(shí)暫降來模擬系統(tǒng)三相短路，即采用三相電壓同時(shí)暫升、暫降至對(duì)應(yīng)電壓幅值并維持設(shè)定時(shí)間，進(jìn)而對(duì)變頻器及其電壓支撐裝置的低電壓穿越能力進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于采用Boost電路的支撐裝置，由于支撐裝置啟動(dòng)時(shí)會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生數(shù)倍過載電流，一方面電壓暫升、暫降發(fā)生裝置在元器件選型時(shí)已考慮到數(shù)倍過載電流的測(cè)試需要，另一方面還應(yīng)適當(dāng)限制其測(cè)試時(shí)間，防止測(cè)試系統(tǒng)過熱。對(duì)于采用電池等儲(chǔ)能方式和外接直流電壓供電的支撐裝置，則可以根據(jù)需求延長(zhǎng)電壓暫降時(shí)間，以檢測(cè)支撐裝置儲(chǔ)能部分的極限支撐時(shí)間。例如，可以將采用電池儲(chǔ)能支撐方式的變頻器進(jìn)線電壓暫降至20%額定電壓并維持600 s，觀察變頻器直流母線電壓的跌落幅度，即電池組的放電情況。

對(duì)于高電壓穿越測(cè)試，受制于制動(dòng)電阻的功率容量，高電壓持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)電阻過載過熱，因此需要進(jìn)行快速測(cè)試?；陔娏﹄娮雍臀C(jī)控制的測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)于手動(dòng)調(diào)壓器測(cè)試方式在控制精度和控制速度方面有著天然優(yōu)勢(shì)，測(cè)試系統(tǒng)可以通過設(shè)置130%～140%額定電壓下持續(xù)0.5～1 s的電壓暫升過程，來檢查變頻器運(yùn)行情況，具體測(cè)試內(nèi)容可以參考被測(cè)對(duì)象的性能參數(shù)說明書來設(shè)定。

4 結(jié)語

在梳理發(fā)電廠一類輔機(jī)低壓變頻器及常用電壓穿越輔助裝置的基礎(chǔ)上，提出了變頻器及其電壓支撐裝置測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和基本方案，以及測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵的三相電壓暫升、暫降裝置的設(shè)計(jì)方法和基本電氣拓?fù)洹Ｖ攸c(diǎn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的變頻器負(fù)載電機(jī)及電動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)載配置方式、測(cè)試系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)、電氣性能參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和軟件功能配置進(jìn)行了探討。

測(cè)試系統(tǒng)的研究開發(fā)可以解決目前缺乏變頻器及其在配套各型電壓支撐裝置后的實(shí)際高、低電壓穿越能力測(cè)試設(shè)備的問題?；陔娏﹄娮拥碾妷喊l(fā)生儀可任意設(shè)定電壓瞬變幅值和瞬變維持時(shí)間，測(cè)試系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓和低電壓穿越能力測(cè)試，并且控制變頻器在各種運(yùn)行工況下進(jìn)行測(cè)試，以提升測(cè)試結(jié)果的科學(xué)性、全面性和可信度。

研究工作為目前廣泛開展的發(fā)電廠一類輔機(jī)變頻器電壓穿越能力實(shí)測(cè)提供了手段，為大量新入網(wǎng)的電壓輔助支撐穿越裝置的性能檢測(cè)提供平臺(tái)，使得下一步深入開展變頻器及其在附加支撐裝置后的電壓穿越能力測(cè)試具備了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件，從而有力提升當(dāng)前變頻器電壓穿越特性整改工作水平，提高發(fā)電廠一類輔機(jī)變頻器網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力。

[1]陳善國(guó)．兩起典型引風(fēng)機(jī)變頻器故障的分析[J]．浙江電力，2010，29（4）∶44-46．

[2]龔愷愷．凝泵變頻器運(yùn)行故障分析及應(yīng)對(duì)措施[J]．浙江電力，2015，34（3）∶48-51．

[3]武利俊，林雪欣，劉劍，等．低電壓穿越裝置在火電廠的應(yīng)用[J]．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014，24∶97-100．

[4]GB/T 4772.1-1999旋轉(zhuǎn)電機(jī)尺寸和輸出功率等級(jí)第一部分：機(jī)座號(hào)56～400和凸緣號(hào)55～1080[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[5]劉剛，郭揮鋼，胡國(guó)剛．變頻器在橋式卸煤機(jī)上的應(yīng)用[J]．浙江電力，2001，20（5）∶55-57．

（本文編輯：方明霞）

Research and Development of Testing System for Low Voltage Frequency Converter and its Voltage Support Device

WU Kuayu1，LU Cencen1，CHEN Kai2，HAN Qiguo2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；
2.Hangzhou Donghua Electrical Equipment Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China）

According to the requirements on voltage ride through capacity（LVRT）of low voltage frequency converter and the current configuration characteristics of low voltage frequency converter of power plant auxiliary machinery，the paper proposes design idea of test system voltage sag and swell generator based on power electronic technology.Frequency converter load configuration scheme of test system is contrasted and analyzed；besides，power requirements of different types of auxiliary voltage support device are discussed.Finally，this paper proposes topology，configuration scheme，parameter requirements and function setting of low voltage frequency converter and its high/low voltage ride through capacity test system with the coordination of voltage support device，forming a complete design and development scheme of test system.

low voltage frequency converter；voltage ride through capacity；voltage support device；test system；research and development

TM712.1+2

：A

：1007-1881（2016）02-0001-06

2015-09-07

吳跨宇（1979），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)和電力系統(tǒng)分析。