定制電力實驗室的開發與建設

朱振飛，胡 靜，王小紅

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210003)

定制電力技術是指使用電力電子器件及輔助的控制器，為電能質量敏感的配電用戶 （電壓等級1～35 kV）提供滿足其可靠性和電能質量參數要求的技術[1]。通過定制電力技術將先進控制技術直接應用于電力一次系統，可以顯著提高和實現電網中發、輸、配、用各個環節的可控性，是實現統一堅強智能電網的重要保障和基本條件，也是促進電力系統實現整體技術提升的必要基礎。

目前，國內定制電力技術水平還停留少數定制電力裝置的試點應用，產品的功能、性能和穩定性還有待現場長期運行的考驗，對定制電力技術試驗和檢測方面的研究基本缺乏，還沒有一家較為完整及專業的大容量定制電力技術產品試驗、研究及檢測實驗室。為了加強定制電力設備關鍵技術研發試驗工作，促進定制電力技術進步和健康發展，迫切需要建立相配套的定制電力技術研究能力與檢測能力，建立試驗標準，以支撐智能電網建設順利實施。國網電力科學研究院基于“國家能源智能電網研發（實驗）中心”的需要，啟動了定制電力實驗室開發與建設。通過定制電力實驗室開發與建設，構建了 690 V（380 V）、10 kV（3.3 kV）多電壓等級大功率物理模擬實驗室、1 kV小功率動態模擬實驗室、定制電力技術基礎實驗室、高壓電氣性能實驗室，全面提升了電力電子技術領域的產品研發試驗能力和核心競爭力。

物理模擬實驗室通過實物模擬定制電力設備的運行環境，提供裝置級、系統級的研究、試驗/檢測能力；動態模擬實驗室為定制電力技術產品的控制保護系統及控制保護策略提供一個試驗、研究環境，給閥控系統提供一個長期運行、試驗環境，指導定制電力技術設備控制保護系統工程實用技術的測試、檢驗等；定制電力技術基礎實驗室包括水冷設備閥組溫升試驗系統、雙脈沖測試平臺，建立器件級、閥控設備的研發、試驗/檢測能力；高壓電氣性能實驗室具有對定制電力設備進行工頻耐壓試驗、沖擊耐壓試驗和局部放電試驗等電氣性能試驗檢測能力。

1 物理模擬實驗室

1.1 建設方案

物理模擬實驗室擬通過實物模擬定制電力設備的實際運行環境，目標是具備定制電力設備整體功能、性能研發、試驗/檢測能力。最為理想的情況是利用這種方式進行設備的全功率功能、性能試驗，但由于定制電力設備很多都是安裝于母線處，其容量可能很大，在實驗室實現難度比較大。針對高壓大容量的定制電力設備，按照IEC標準要求可以分開進行，既通過動態模擬試驗平臺對控制保護系統進行檢測和驗證；通過高壓電氣性能試驗平臺對閥組或閥模塊進行檢測和驗證；利用物理模擬試驗平臺對整體進行全電壓、一定功率整體性能試驗，實際測試裝置的動態性能，如響應時間、穩定時間、諧波補償率等。

通過深入研究典型定制電力設備的原理、功能及性能指標要求，結合相關的試驗標準，調研相關廠家建立的試驗檢測設施，確定物理模擬試驗平臺建設方案，系統主接線原理圖如圖1所示。供電電源為一條10 kV饋線，為了消除物理模擬平臺對供電系統的干擾和諧波污染，在電源接入點設置隔離變壓器和濾波器。試驗平臺主要由模擬電網干擾的電壓干擾發生器、模擬負載特性（包括干擾）的回饋型智能電子負載、阻感負載，適用于不同試驗對象的配電系統、在線監測控制系統等。

1.2 試驗檢測功能

圖1 物理模擬實驗室電氣主接線圖

物理模擬試驗平臺設有380 V，690 V，3.3 kV，10 kV試驗母線，用于進行被試設備的整體功能、性能試驗，可接入并聯型、串聯型[2]、串并聯混合型和網絡重構型定制電力設備。基本的試驗方式是通過電壓擾動發生器模擬電網側各種干擾，通過智能電子負載推動測試功率和模擬非線性負載特性[3]，以考察被試定制電力設備的整體功能和性能。690 V，3.3 kV，10 kV試驗母線試驗容量為1MV·A，380V試驗母線試驗容量為500 kV·A，可在試驗母線的“并聯型設備測試區”處接入被試設備，進行定制電力設備及其他電力電子設備的大功率“對沖”試驗，以驗證其整體和閥組的大功率運行能力，同時提供一定的設備溫升試驗的條件。假設“對沖”試驗裝置有功損耗為裝置總功率的p%，在試驗過程中，理想情況下2臺被試設備遵循各相瞬時功率之和恒為0的原則，電源只需要提供運行損耗，系統的容量為1MV·A則“對沖”試驗功率可達。

1.3 試驗方案

根據主電路拓撲結構和接入配電網的方式，定制電力設備可以分為并聯補償型、串聯補償型和串并聯混合補償型。物理模擬試驗平臺考慮了以上各種型式定制電力設備進行整體功能、性能試驗的接入方式及相應的試驗方案。

1.3.1并聯補償型

典型的并聯補償型定制電力設備包括DSTATCOM（即 SVG）、并聯型 APF、SVC 等，這類設備主要對配電系統進行無功補償和諧波治理。對這類設備進行試驗時，模擬實際負載特性的智能電子負載可以工作在2種狀態：一種是功率因數為0的狀態，智能電子負載的負載模擬換流器只發出或吸收無功，同時產生諧波干擾。另一種方式是功率因數不為0，智能電子負載的負載模擬換流器推動試驗環路中的有功、無功交換，同時產生諧波干擾，并網換流器將有功功率回饋到電網，即模擬實際負載以一定功率因數 （不為0）消耗功率同時產生干擾的情況。在實際應用場合可能會出現負載和電網同時產生干擾的情況，這對定制電力設備的整體性能考核非常嚴苛。并聯補償性定制電力設備的試驗方案如圖2所示。電壓干擾發生器模擬電網產生電壓干擾和諧波，智能電子負載模擬實際負載產生無功、諧波干擾。

圖2 并聯補償性定制電力設備的試驗方案

1.3.2串聯補償型

串聯補償型定制電力設備一般用于補償系統電壓暫降，將敏感設備和干擾源隔離以保障其正常運行。典型的串聯型定制電力設備包括動態電壓恢復器DVR、動態不間斷電源DUPS、串聯型有源濾波器等。其中串聯型有源濾波器除了具有前述功能外，還可以接在供電系統與非線性負荷之間將系統與非線性負荷隔離開，同時在負荷側并聯無源濾波器，防止非線性負荷的諧波電流流入系統。針對帶大容量儲能部件的串聯型定制電力設備，如果采用有功功率回送的試驗方案，試驗過程中可能會出現向配電網單向饋出電能的情況，如圖3所示。在這種情況下選擇采用常規負載的試驗方案，由常規無源負載消耗有功功率，智能電子負載模擬無功和諧波干擾。

圖3 串聯補償性定制電力設備的試驗方案

1.3.3串并聯混合補償型

串并聯混合補償型定制電力設備為統一電能質量調 節 器 UPQC （Unified Power Quality Conditioner）。UPQC由串聯型和并聯型有源濾波器結合而成，將并聯電流補償原理和串聯電壓補償原理結合在了一個裝置中，可同時對電壓和電流進行補償。UPQC一般連接在諧波源附近，其不但能夠補償非線性負載的不對稱和諧波，而且能夠補償電源電壓的不對稱和諧波，因此它提高了供給接在同一條交流母線上其他諧波敏感負載的電能質量。實驗方案如圖4所示。電壓干擾發生器模擬電源側的干擾，智能電子負載模擬非線性負載的干擾，UPQC同時進行補償。通過檢測常規無源負載側的電能質量對UPQC的整體功能進行評估。

圖4 串并聯混合補償性定制電力設備的試驗方案

1.4 試驗波形

物理模擬試驗平臺針對不同的被測設備，要求電壓擾動源和智能電子負載模擬電網產生的各種電能質量干擾。這里不針對某種定制電力設備開展相關試驗研究，只檢測電壓擾動源設備的輸出指標，根據國標要求進行功能性試驗。

1.4.1電壓暫降試驗

電壓擾動發生器輸出電壓暫降范圍：下降深度10%～95%，在額定電壓范圍內可調，持續時間按國標要求連續可調。輸出電壓為690 V，電壓暫降深度為95%時，持續時間設置在1000ms時的三相電壓波形如圖 5（a）所示；從圖 5（b）中能明顯看出，電壓擾動源能很好地模擬電網的暫降輸出，能有效地考核其他設備的運行狀態。

圖5 暫降深度95%暫降時間1000 m s

1.4.2三相不平衡試驗

電壓擾動發生器輸出三相不平衡電壓在0%～20%可調。此處不平衡度是指在維持單元輸出基波正序線電壓為690V時，疊加一定比例的基波負序分量構成的不平衡。圖6（a）為系統設置不平衡度為20%時，通過電能質量監測儀測得的相電壓實際波形及實測的不平衡度；圖6（b）是實測的不平衡度為19.88%，誤差為-0.12。

1.4.3三相不平衡試驗

電壓擾動發生器輸出電壓諧波：2～50次，可單次發也可隨機組合，幅值且相位可調。電壓基波和25次諧波組合的輸出波形如圖7所示。其中，測量出的基波電壓為687.8 V，25次諧波電壓為182.8 V。

1.4.4輸出電壓變頻試驗

電壓擾動發生器輸出電壓變頻范圍：45～66 Hz，頻率分辨率≤0.1Hz。圖8中設定系統頻率45Hz，用儀器測量到的頻率為44.963Hz，相對誤差為-0.08，滿足要求。

1.4.5電壓波動試驗

圖6 三相不平衡的電壓輸出波形與相位

圖7 基波+25次諧波

圖8 基波頻率為45 Hz輸出電壓波形圖

電壓擾動發生器輸出電壓在工頻基波上疊加幅度范圍為0%～20%額定電壓，頻率范圍0.5～25Hz的調制波形，調制波包括正弦波和方波2種形式。在2.618 kV的單元輸出線電壓正序基波上疊加一定比例的25Hz或0.5 Hz的正弦波模擬得到的電壓波形，如圖9、圖10所示。

圖9 波動幅度20%正弦且波動頻率25 Hz輸出電壓波形圖

圖10 波動范圍20%方波且波動頻率0.5 Hz輸出電壓波形圖

2 定制電力技術基礎實驗室

定制電力技術基礎實驗室擬建立器件級、閥控制級的研發試驗能力，為研究定制電力的關鍵技術和工藝提供基礎條件。定制電力技術基礎試驗平臺包括水冷系統閥組溫升試驗系統、雙脈沖測試系統等。

2.1 水冷設備閥組溫升試驗系統

電力設備運行時，由于功率損耗的存在使各功率部件和某些結構件內部發熱，引起設備的溫升提高。溫升太高會損壞絕緣材料，使之失去絕緣性能或縮短使用壽命；溫升較低說明所用絕緣材料沒有被充分利用，不經濟。為了使電力設備既能安全可靠地運行，又能得到合理經濟運行，必須要進行設備的溫升試驗，以驗證電力設備的溫升設計與結構設計是否合理[4]，驗證各部分的溫升能否滿足溫升限值的要求。對于定制電力設備，閥組溫升試驗旨在檢查在嚴酷的重復性最大負荷條件下閥中的功率器件和相關電路是否能正常工作。大功率高壓閥溫升試驗系統如圖11所示。

圖11 大功率高壓閥溫升試驗系統

試驗系統中包括水冷卻單元、水加熱單元、就地控制單元，電加熱裝置設置在水冷卻單元與高壓閥之間，溫升試驗時給冷卻水加熱，使升溫后的水通過高壓閥散熱器將功率開關器件加溫，使得試品閥進水口溫度通過恒溫控制達到并維持在發生最大暫態過電壓過電流前可能的最大溫度。

2.2 雙脈沖檢測平臺

2.2.1設計方案

對于全控器件的可靠性測試關鍵在于能建設出能適應各種全控器件IGBT的測試平臺，這個測試平臺能夠可靠真實地反映出全控器件在連續開斷過程中的動、靜態特性[5]。該測試技術的主要測試參數包括：

（1）對比不同的IGBT的參數；

（2）獲取IGBT開關過程的主要參數，例如Ron和Roff是否合適，是否需要配吸收電路等；

（3）考量IGBT在變換器中工作時的實際表現。例如二極管的反向恢復電流是否合適，關斷時的電壓尖峰是否合適，開關過程是否有不合適的震蕩等。

雙脈沖測試平臺[6]是能夠檢驗控制監視設備的性能是否正常，比如Ron和Roff是否滿足要求，軟關斷特性是否能夠符合全控器件的保護要求。

2.2.2試驗波形

通過雙脈沖測試平臺對全控器件IGBT進行測試時，全控器件的反并續流二極管作為一個非常重要的元件，往往容易被忽視。全控器件反并二極管反向恢復時，實測的電壓、電流及損耗功率波形如圖12所示。

圖12 實測電壓/電流/損耗功率的波形

從圖12中可以看出，全控器件反并二極管的反向恢復電流上升時，雜散電感上產生的電壓是與母線電壓相抵的。反向恢復電流下降時，雜散電感電壓與母線電壓同向，電壓落在全控器件的反并二極管上，全控器件的反并二極管出現電壓尖峰，風險加大。如果雜散電感比較大，全控器件的反并二極管就更加危險了，容易跑出安全工作區。全控器件反并二極管的電壓尖峰是由于雜散電感與全控器件反并二極管反向恢復電流的后沿相作用而產生的。所以減小直流母排的雜散電感及優化反向恢復電流的后半沿斜率都可以有效提高全控器件的反并二極管的安全裕量。

通過本雙脈沖測試平臺也可以在開通過程觀察并聯的動態均流水平。在IGBT開通時，Rgon的影響很大，它可以影響d i/d t的速度、反向恢復電流的峰值，進而決定開通損耗。所以確定Rg最好的方法還是通過本測試平臺進行雙脈沖測試法動態調試該參數。圖13為3個IGBT并聯的情況下測試的開通波形，外部提供一個電壓，測量出3個IGBT的導通電流Ic1，Ic2和Ic3。用此方法可以很準確地測試出動態均流的情況，從而進行動態均流調試。

圖13 全控器件并聯的測試圖

3 動態模擬實驗室

動態模擬試驗平臺為SVC，STATCOM的控制保護系統及控制保護策略[7]提供一個試驗、研究環境，給VCU和TCU等閥控系統提供一個長期運行、試驗環境；同時針對SVC[8]，STATCOM[9]等設備研究控制保護系統試驗方法并形成試驗規范；并按照IEC標準進行試驗研究；指導SVC，STATCOM控制保護系統工程實用技術的測試、檢驗等。動態模擬實驗室搭建SVC，SVG兩大平臺的一次結構如圖14所示。

4 高壓電氣性能實驗室

高壓電氣性能實驗室目的在于研究各類閥組的取能技術、觸發技術、冷卻技術以及控制保護技術；同時針對STATCOM，SVC等定制電力設備研究其高壓試驗方法并形成試驗規范；并且按照IEC標準進行型式試驗和例行試驗的研究；指導工程實用技術的測試、檢驗等。

具備工頻耐壓試驗、雷電波全波試驗和雷電波截波試驗、局部放電試驗等定制電力設備高壓閥組（35 kV及以下）的電氣性能試驗檢測能力。

圖14 動模試驗模型主接線圖

5 結束語

定制電力實驗室的開發與建設是涉及到多個學科和行業的一項系統工程，不僅對技術研究、產品研發的有效協調和優化使用，有效促進定制電力設備的安全運行，還大大增強了定制電力技術領域的檢測研究能力。在深入研究定制電力設備技術特性的基礎上，結合先進實用的試驗方法，建立定制電力設備檢測和整體性能驗證平臺，按照各類試驗標準要求，建立完善的實驗室產品檢測服務體系，為國家提供全方位的定制電力設備檢測環境和產業化生產服務機制。

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