新能源并網(wǎng)測試一體化試驗裝置的設計與應用

張 用，王玥嬌，于 芃，程 艷，趙 鵬

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

·電網(wǎng)技術·

新能源并網(wǎng)測試一體化試驗裝置的設計與應用

張 用，王玥嬌，于 芃，程 艷，趙 鵬

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

針對目前國內新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)情況，依據(jù)多抽頭電源的結構及工作原理和國內風電/光伏并網(wǎng)測試技術規(guī)定，研制出一套新能源并網(wǎng)測試一體化試驗裝置。該裝置不僅能夠完成風電場/光伏電站的頻率適應特性、電能質量指標等通用性能指標的現(xiàn)場檢測，而且能實現(xiàn)對光伏電站防孤島保護特性檢測。試驗裝置解決了新能源并網(wǎng)測試中電壓等級繁多、測試過程復雜等問題。最后通過在某風電場、光伏電站的實際并網(wǎng)測試應用，表明該套設備能夠完成所有預定測試內容。

新能源發(fā)電；并網(wǎng)測試；多抽頭電源；電能質量；防孤島效應

0 引言

隨著經濟全球化進程的不斷加速和工業(yè)經濟的迅猛發(fā)展，世界范圍內的能源短缺和環(huán)境污染己成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大重要因素。新能源的應用為緩解世界能源危機做出了巨大貢獻，引起了世界各國的高度關注。風電是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電之后第三大重要電源，我國的風電裝機容量已躍居世界第一位。太陽能也是最具發(fā)展前景的清潔能源之一，隨著光伏發(fā)電成本的降低和各國政府出臺相應的支持政策，光伏發(fā)電行業(yè)也得到快速發(fā)展［1］。

自風電／光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)以來，新能源并網(wǎng)測試裝置研究取得巨大進展，為新能源發(fā)電能否安全可靠并網(wǎng)提供了有力數(shù)據(jù)。實際應用中，風電場、光伏電站電壓等級分別為690 V、400 V，經升壓后集電線路電壓等級為35 kV或10 kV，現(xiàn)有并網(wǎng)測試裝置技術參數(shù)固定，不具備常規(guī)電壓等級普遍適用，造成實際并網(wǎng)測試中接線復雜、更換裝置頻繁等不便。為解決此問題，利用多抽頭電源的工作原理，結合現(xiàn)代化信息技術成果，開發(fā)設計了一體化試驗裝置。該裝置克服了并網(wǎng)測試時地域、天氣等不利因素，大大提高了測試效率。經某風電場、光伏電站現(xiàn)場測試，該裝置能夠完成電網(wǎng)頻率適應性指標、電能質量指標、光伏電站的防孤島保護特性指標以及各項通用性能指標的現(xiàn)場測試。技術水平及精度均能滿足國家相關并網(wǎng)測試標準［2］的技術規(guī)定。

1 一體化試驗裝置及多抽頭電源

1.1一體化試驗裝置工作原理及功能

一體化試驗裝置包括多抽頭電源、電網(wǎng)側高壓開關控制柜和發(fā)電側低壓開關控制柜。裝置的一次接線如圖1所示。

圖1 一體化試驗裝置一次接線

圖1中，T1為多抽頭電源；QF1、QF2分別為高、低壓開關柜開關，負責高低壓側設備開通和關斷；TA1、TA2為開關柜內電流互感器，用于電氣參數(shù)的采集和過流時微機保護；TV1、TV2、TV3分別為35 kV、10 kV、低壓側電壓互感器，起到電壓參數(shù)采集和過壓時微機保護作用。

多抽頭電源高低壓側采用不同的接法時，裝置可實現(xiàn)不同電壓等級下電氣量參數(shù)的測量。不同電壓等級的接入均配置完善的電氣量采集點，實現(xiàn)可靠監(jiān)測，設備電壓等級采用就高原則；設備還加裝了氣象參數(shù)測試儀，可實時監(jiān)控測試現(xiàn)場的氣象狀態(tài)；在設備平臺基礎上布置了多臺振動監(jiān)測模塊，全程動態(tài)采集設備在轉場運輸過程中的振動參數(shù)，保證設備狀態(tài)的跟蹤監(jiān)測。

作為綜合測試平臺，該設備可通過車載集控系統(tǒng)，運用Internet網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡技術將測試設備及測試現(xiàn)場的電氣模擬量、氣象參數(shù)、GPS定位、位移振動參數(shù)、監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù)上傳至遠程新能源數(shù)據(jù)測試中心，實現(xiàn)測試過程的遠程監(jiān)控、現(xiàn)場監(jiān)督和遠程診斷，大大提高測試效率。一體化試驗裝置網(wǎng)絡架構如圖2所示。

1.2 多抽頭電源的結構及工作原理

多抽頭電源結構設計的主要特點是原邊每相有兩個線圈，可根據(jù)不同電壓等級靈活連接。副邊固定一個線圈。單相原理如圖3所示，U1為原邊相電壓，U2為副邊相電壓，由原副邊線圈兩端電壓比值，可計算出原副邊線圈匝數(shù)比。

圖2 并網(wǎng)測試中一體化試驗裝置網(wǎng)絡架構

多抽頭電源結構如圖4所示。原邊每相有兩個線圈組成，每個線圈的兩端設計有兩個獨立的接線端子。如A相由線圈1和線圈2組成，其中線圈1的兩個端子為A和②，線圈2的兩個端子為③和④。通過改變線圈端子間的不同連接方式，可滿足現(xiàn)場測試所需的35 kV和10 kV不同電壓等級的要求。多抽頭電源的副邊線圈設計為固定線圈，根據(jù)實際需求采用星接或三角接。電源鐵芯采用冷軋硅鋼片材質，線圈采用實心銅線繞制。結構上的特點使電源裝置具有消耗材料少、成本較低、低損耗等優(yōu)點。

圖3 多抽頭電源單相原理

圖4 多抽頭電源正面、側面結構

多抽頭電源的工作原理與普通變壓器類似。由法拉第電磁感應定律可知：當原邊線圈通入交變電流時鐵心內產生交變磁場，通過線圈間的磁耦合使得副邊線圈感應出電動勢。其麥克斯韋方程表達式為

式中：E為線圈電場強度，V／m；B為磁感應強度，T；S為正對面積，m2。

由于原副線圈兩端不同接頭間匝數(shù)比不同，感應出的電動勢也不相同，根據(jù)電磁感應定律，一、二次線圈中產生感應電動勢表達式為

式中：e1、e2分別為一次繞組、二次繞組感漏電動勢，V；e1σ為漏磁通在一次側繞組中感應的電動勢瞬時值，V；N1為一次繞組匝數(shù)；N2為二次繞組的匝數(shù)；Φ為磁通量，Wb。

由式（1）～（4）可求出相應的感應電動勢。匝數(shù)的不同使每側比共用線圈少的部分抽頭感應出電壓低，比共用線圈多的部分抽頭感應出電壓高［3］。根據(jù)實際需求計算出相對應匝數(shù)比并引出抽頭，結合原副線圈不同的連接方式，可在電源兩側感應出所需要的電壓。原副兩邊的接法有星接和三角接兩種形式，一次側接35 kV高壓時，一次側線圈1、2串接，AB間線電壓為35 kV，即每相每個線圈兩端電壓約為10 kV，這樣電源在應用到10 kV高壓側時只需改變一次側線圈連接方式；低壓側電壓等級為690 V／ 400 V，為倍關系，即相、線電壓之間關系，改變線圈接線方式可獲得兩種電壓等級。具體接線原理如圖5所示。

圖5 多抽頭電源接線原理圖

3 一體化試驗裝置在新能源并網(wǎng)測試中應用

3.1 一體化試驗裝置在風電場并網(wǎng)測試中的應用

風電場低壓側為690 V，高壓側電網(wǎng)電壓等級一般有10 kV或35 kV，10 kV／690 V采用Dyn11接法，35 kV／690 V采用Yyn0接法兩種形式，具體接線原理如圖5所示?？衫孟嚓P測量儀器在多抽頭電源成套裝置中高壓開關控制柜內的TA或TV上采集電能質量、電網(wǎng)頻率適應性等技術參數(shù)。裝置還能通過車載集控系統(tǒng)運用Internet網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡技術將測試現(xiàn)場的電氣量數(shù)據(jù)上傳至遠程新能源數(shù)據(jù)測試中心，實現(xiàn)測試過程的遠程監(jiān)控、現(xiàn)場監(jiān)督和遠程診斷，極大提高測試效率。

2016年2月，將該一體化試驗裝置應用于山東省內某風電場的并網(wǎng)測試試驗，該風電場一期工程總裝機容量為49.5WM，共包括33臺額定容量為1 500 kW的風力發(fā)電機組。機組均采用一機一變單元制接線方式，經箱變升壓至35 kV集電線路，經3回35 kV線路匯集至風電場110 kV升壓站的35 kV母線處，經1臺升壓變壓器升壓后通過1回110 kV電線接至220 kV變電站，以110 kV電壓等級接入山東電網(wǎng)。并網(wǎng)測試內容包括電能質量測試、電網(wǎng)頻率適應性測試等。裝置并網(wǎng)測試如圖6所示，K1、K2分別為高、低壓側開關。多抽頭電源采用Yyn0接法。

圖6 一體化試驗裝置在風電場并網(wǎng)測試中應用

3.1.1 電能質量測試

電能質量測試中采用電能質量測量儀在高壓開關控制柜中的TA或TV上采集電網(wǎng)電壓諧波、電流諧波、閃變、不平衡度等參數(shù)。多抽頭電源采用Yy0形接法，設備之間連接如圖7所示。

圖7 電能質量測試設備連接

1）三相諧波電壓。

在不同諧波次數(shù)下，從高壓側35 kV母線TV上取信號，電能質量測量儀器的電壓輸入端子直接并聯(lián)在電壓回路上即可。測量的電壓諧波次數(shù)為2～19，在實際測試中，將實測值按由大到小次序排列，舍棄前面5%的大值，取測量時間段內各項實測值95%概率中的最大值，作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)［4］。實測的35 kV側A、B、C三相諧波電壓含有率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 35 kV側三相諧波電壓含有率測試數(shù)據(jù) %

依據(jù)GB／T 14549—1993《電能質量公用電網(wǎng)諧波》技術要求規(guī)定，奇次諧波電壓含有率標準限值為2.4%，偶次諧波電壓標準限值為1.2%。數(shù)據(jù)表明：A、B、C三相諧波電壓含有率均在標準范圍內，并網(wǎng)點三相諧波電壓滿足要求。

2）三相諧波電流。

35 kV側A、B、C三相諧波電流測量由高壓開關控制柜中串聯(lián)在三相線路中TA完成，監(jiān)測一段時間后，取諧波電流分量（方均根值）記錄。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 35 kV側三相諧波電流測試數(shù)據(jù) A

表3 并網(wǎng)點三相閃變、電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)

該風電場接入電網(wǎng)，注入并網(wǎng)點的各次諧波電流分量 （方均根值）均在表2中所列出的標準限值內，符合并網(wǎng)電能質量的要求。

3）三相電壓閃變、電壓不平衡度。

風電場接入電網(wǎng)后，公共節(jié)點的電壓偏差、閃變、電壓不平衡度應滿足GB／T 12326—2008《電能質量電壓波動和閃變》、GB／T 15543—2008《電能質量電壓不平衡度》的要求。測試時利用閃變儀和不平衡度測量儀器，分別記錄短、長時間內閃變最大、最小值和電壓不平衡度，并計算出95%概率值。測試數(shù)據(jù)如表3所示。

結果表明：每相測試點的短閃變、長閃變和電壓不平衡度數(shù)值均落在表3中所列出的標準限值范圍內，該風電場的電能質量符合并網(wǎng)要求。

3.1.2 風電場電網(wǎng)頻率適應性檢測試驗

電網(wǎng)頻率適應性測試在裝置中高壓開關控制柜內TV上完成，設備之間連接如圖8所示。

圖8 頻率適應性測試設備連接

當測試點的供電頻率在48～50.2 Hz的范圍內時，風電機組應能在要求時間內正常運行［5］。分別設定不同的頻率值進行負載測試，根據(jù)風電場在此頻率下實際運行時間，與要求運行時間比較，即可得出風電機組是否能可靠并網(wǎng)。測試數(shù)據(jù)如表4所示。

分析測試數(shù)據(jù)可知，在設定的頻率范圍內，風電機組實際運行時間均在要求運行時間內，并在電網(wǎng)頻率高于50.2 Hz時，機組在停機狀態(tài)下啟動，測試機組不能并網(wǎng)。即該風電場電網(wǎng)頻率適應性滿足技術要求。

表4 頻率偏差適應性測試數(shù)據(jù)

一體化試驗裝置電壓配比符合某風電場電壓等級，可直接并網(wǎng)測試，簡化了實際測試中設備選型、頻繁接線等過程，大大提高測試效率。電能質量、頻率適應性是風電場并網(wǎng)測試中關鍵內容［6］，由以上測量數(shù)據(jù)可知，一體化試驗裝置能夠滿足相關測試應用要求。

3.2 一體化試驗裝置在光伏電站并網(wǎng)測試中應用

光伏發(fā)電站低壓側為400 V，多抽頭電源低壓側采用三角型接法，高壓側根據(jù)電網(wǎng)電壓35 kV、10 kV等級不同分別采用星型和三角型接法?；谝惑w化試驗裝置為綜合平臺，對光伏電站并網(wǎng)點電能質量、電壓閃變、不平衡度以及逆變器防孤島效應進行測試。

測試選用某18.6MW光伏電站，該電站分18個光伏發(fā)電單元，分別經逆變器、35 kV升壓變接至35 kV集電線匯接入光伏電站35 kV母線，經35 kV聯(lián)接線送至110 kV變電站，以35 kV電壓等級接入山東電網(wǎng)。多抽頭電源采用Yd11形接法，如圖6所示。裝置應用示意圖如圖9所示，K1、K2分別為高、低壓側開關。

圖9 一體化試驗裝置在光伏電站并網(wǎng)測試中應用

3.2.1 電能質量測試

在光伏電站電能質量測試中測量設備采用電能質量測量儀，在高壓開關控制柜內TA或TV上采集數(shù)據(jù)，設備之間連接示意圖與上述風電場電能質量測試中類似。

1）并網(wǎng)三相電流諧波測試。

35 kV側并網(wǎng)電流諧波數(shù)據(jù)采集在高壓開關控制柜中TA上完成，由于電流諧波為隨機量，監(jiān)測一段時間后，取諧波電流分量（方均根值）記錄。測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 35 kV側三相電流諧波測試數(shù)據(jù) A

數(shù)據(jù)表明，A、B、C三相電流諧波分量測試數(shù)據(jù)均在表5中所列出的標準限值范圍內，該光伏電站電能質量符合并網(wǎng)要求。

2）閃變、電壓不平衡度測試。

該項測試利用閃變儀和電壓不平衡度測量儀在高壓開關控制柜內的TV上完成，分別記錄了三相電壓短時間閃變、長時間閃變的最大值和最小值，并計算出95%概率值，結合GB 12325—1990《電能質量供電電壓允許偏差》，GB／T 15543—1995《電能質量三相電壓允許不平衡度》及 GB／T 15945—1995《電能質量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》技術規(guī)定，測試結果如表6所示。

表6 并網(wǎng)點三相閃變、電壓不平衡度測試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明，并網(wǎng)點三相電壓短時間閃變、長時間閃變及電壓不平衡度的95%概率值均在表6中所列出的標準限值內，該光伏電站閃變及不平衡度指標符合并網(wǎng)要求。

3.2.2 防孤島效應保護檢測

對光伏電站進行防孤島效應檢測，多抽頭電源采用Yd11型接法，接線原理如圖6所示。設備連接如圖10所示。

在30%、60%、100%3種逆變器負載率下利用并網(wǎng)逆變器檢測裝置進行測驗，分別記錄了有功、無功偏差和動作時間。檢測數(shù)據(jù)如表7所示。

圖10 防孤島效應測試中設備連接

逆變器具有防孤島效應保護功能，若逆變器并入的電網(wǎng)供電中斷，逆變器停止向電網(wǎng)供電時間不超過926ms，同時能夠發(fā)出警示信號［7-8］。測試結果表明：基于一體化試驗裝置為平臺，該型號光伏逆變器滿足并網(wǎng)要求。

表7 防孤島效應檢測數(shù)據(jù)

一體化試驗裝置電壓配比符合某光伏電站35 kV／400 V電壓等級，實際并網(wǎng)測試中簡化了設備選型、頻繁接線等過程，并可作為光伏電站孤島效應測試平臺。電能質量和防孤島效應是檢驗光伏電站能否并網(wǎng)運行的兩個重要指標［9-10］，該裝置也同樣適用于光伏電站頻率適應性測試。以上測試數(shù)據(jù)表明，該裝置能夠提供可靠數(shù)據(jù)，滿足光伏電站相關并網(wǎng)測試要求。

4 結語

在新能源并網(wǎng)測試一體化試驗裝置中，應用多抽頭電源的結構設計解決了現(xiàn)場測試中面臨的電壓等級繁多、接線復雜等問題，滿足了風電場／光伏電站并網(wǎng)測試中對電能質量指標、電網(wǎng)頻率適應性、防孤島保護特性以及通用性能指標測試的要求。同時，一體化試驗裝置作為一個綜合測試平臺，具備完善的網(wǎng)絡架構，運用Internet網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡技術將測試設備及測試現(xiàn)場的電氣模擬量、氣象參數(shù)、GPS定位、位移振動參數(shù)、監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù)上傳至遠程新能源數(shù)據(jù)測試中心，實現(xiàn)了測試過程的遠程監(jiān)控、現(xiàn)場監(jiān)督和遠程診斷，提高了測試效率。整套裝置具有集成度高、性能可靠穩(wěn)定、使用維護方便、現(xiàn)場配置靈活等優(yōu)點。該裝置的設計與成功應用將為國內新能源發(fā)電現(xiàn)場測試提供技術支撐，保障電網(wǎng)安全可靠運行，為客觀評價國內新能源并網(wǎng)性能，保障新能源的安全并網(wǎng)提供重要的測試手段，并將極大加快中國新能源發(fā)電并網(wǎng)測試與研究能力的快速提升。

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Design and App lication of an Integrated Test Device for New Energy Grid-connected Testing

ZHANG Yong，WANG Yuejiao，YU Peng，CHENG Yan，ZHAO Peng
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

In view of the current situation of large-scale grid-connected power generation in China，according to the structure and working principle of multi－tap power supply and the domestic wind power／p hotovoltaic（PV）grid test technology regulations，a new energy and grid test integrated test device is developed.The device can not only complete the wind frequency field/PV power station frequency adaptation characteristics，power quality indicators and other common performance indicators of the field detection，but also to achieve the protection of photovoltaic power plant anti-island protection characteristics.The test device solves the problems such as the voltage level and the complicated testing process in the new energy grid connection test.Finally，through a wind farm，the actual power grid test application of the PV plant，indicating that the equipment can complete all the scheduled test content.

new energy generation；grid-connected test；multi-tap power source；power quality；anti-islanding

TM619

A

1007－9904（2017）06－0001－07

2017-01-23

張 用（1983），男，高級工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)、電力電子技術方面的研究工作。

國家科技支撐計劃資助項目（2015BAA07B01）海上風電機組試驗檢測關鍵技術研究及設備研制