移动式低电压穿越测试装置(宣传)

LVRT-6、LVRT-3系列低电压穿越测试装置
LVRT-6M、LVRT-3M系列
移动式低电压穿越测试装置
中国电力科学研究院
中电普瑞科技有限公司
内容摘要
本文介绍了中国电科院中电普瑞科技有限公司的移动式低电压穿越测试装置（现有产品LVRT—6M测试装置和LVRT—3M测试装置两类，从检测点电压等级上可分为35kV/10kV和690V两大类）。

对国内外低电压穿越测试装置的研发情况、各国的低电压穿越标准等进行了简要介绍。

详细阐述了中电普瑞科技有限公司移动式低电压穿越测试装置的适用范围、所符合的标准、整体设计、性能要求、装置配置和主要技术特点。

此外，本文还介绍了中电普瑞科技有限公司研制成功的张北风电研究检测中心35kV/6MV A固定电压跌落装置的主要性能特点。

目录
1前言 (2)
2低电压穿越测试装置的原理及分类 (3)
3国内外研制情况概述 (5)
4装置使用环境和引用标准 (6)
4.1使用环境条件 (6)
4.2所符合的标准 (7)
5移动式低电压穿越测试装置配置 (9)
5.1装置整体设计 (9)
5.2性能要求 (10)
5.2.1总体要求 (10)
5.2.2电压跌落和恢复过程 (10)
5.3装置基本配置 (11)
5.4关键技术简介 (12)
5.5装置主要技术特点 (14)
6移动式与普通固定式结构对比分析 (15)
7总结 (16)
附件1 张北风电检测中心固定式电压跌落装置简介 (17)
附件2 中电普瑞科技有限公司在风机低电压穿越测试装置方面的研制能力简介 (21)
1前言
我国风电发展前景广阔：陆地上可开发的风力资源至少有2.53亿千瓦，未来十年中，西北、东北、内蒙等内陆将建设多个千万千瓦级风电基地；我国近海区域的风力资源可开发储量有7.5亿千瓦，发展海上风电的潜力很大，在上海、江苏、山东等省市近海仅2010年—2011年就将有10多个海上风电场开始建设。

据国家能源局的规划，预计到2020年，我国风力发电装机总量将占全国总装机容量的20%。

随着风力发电在电力能源中所占比例越来越大，风力发电系统对电网的影响已经不能忽略。

特别对于我国风电大规模集中接入的方式，当电网发生故障造成并网点电压跌落时，一旦风电机组自动脱网可能造成电网电压和频率的崩溃，严重影响电网的安全稳定运行，使风力发电这种清洁能源的应用受到限制。

因此，大规模并网运行的风电机组必须具有低电压穿越能力(Low V oltage Ride Through，LVRT)。

风电机组并网必须满足相应的技术标准，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力发电机脱网，当电压在凹陷部分时，发电机应提供无功功率。

目前，丹麦、德国等欧洲国家制定了新的电网运行准则，应用范围较广的风电机组并网标准是《欧洲E.ON并网导则》；在国内，国家电网公司也已发布了《风电场并网技术规定》。

然而，目前国内试验和测试手段匮乏，尚不能研制与技术标准相配套的低电压穿越测试装置（电压跌落发生装置），低电压穿越测试试验无法在现场进行，难以为风电场的并网验收试验提供有效的技术支撑，也严重制约我国风力发电的发展。

为了提高我国风电机组并网运行检测能力，推动风电机组配套设备的自主创新，解决我国风电机组并网运行的瓶颈，中国电科院中电普瑞科技有限公司在成功研制张北风电研究检测中心35kV/6MV A固定电压跌落发生装置的基础上，通过自主创新进一步研制出国内首创的低电压穿越测试装置。

该装置采用阻抗分压式、集中结构、紧凑型设计，具有运输方便、测试灵活、占地面积小等优点。

低电压穿越测试装置根据国内风机的特点分为适用于6MV A及以下风机的低电压穿越测试装置（以下简称LVRT—6M）、适用于3MV A及以下风机用低电
压穿越测试装置（以下简称LVRT—3M）两种类型。

根据对于测试地点的要求又分为固定式和移动式两种形式。

本文将对移动式低电压穿越测试装置的整体方案进行介绍。

2低电压穿越测试装置的原理及分类
现有风力发电系统用低电压穿越测试装置方案有以下3类：阻抗分压形式、变压器形式和电力电子变换形式。

（1）基于阻抗分压形式实现的低电压穿越测试装置，通过在主电路中并联或串联电阻／电抗实现电压跌落。

图2-1是阻抗形式低电压穿越测试装置的电路原理，其中又分为并联方式和串联方式。

并联阻抗分压情况下，通过阻抗1、阻抗2以及负载阻抗的适当匹配产生预期的电压跌落；即闭合阻抗2侧的断路器，产生电压跌落；断开阻抗2侧的断路器，则电压恢复。

串联阻抗分压情况下，只通过并联在阻抗两侧的断路器来实现电压的跌落及恢复。

断路器断开时，电压降低；断路器闭合时，电压迅速恢复。

基于阻抗形式实现的低电压穿越测试装置，如果并联或串联可变的阻抗，则可以得到可变的电压跌落深度。

例如图2-1中的开关可以是继电器、接触器或者晶闸管，目前开关采用双向晶闸管的阻抗形式实现低电压穿越测试装置是目前的研究热点。

图2-1 阻抗形式低电压穿越测试装置电路原理图（2）基于变压器形式实现的低电压穿越测试装置可以分为2-2类：以单个升压或降压变压器组合形式实现的低电压穿越测试装置和以中心抽头变压器形式实现的低电压穿越测试装置。

单个升压或降压变压器组合形式实现的低电压穿越测试装置如图2-2所示。

图2-2a是并联方式，其中变压器1是降压变压器，变压器2是升压变压器，电压跌落通过变压器2和开关S1、S2实现；正常运行时，S1闭合，S2断开，负载由电网通过变压器1供电，当需要电压跌落时，闭合S2，即可使负载电压近似降到零，断开S1即可使电压跌落结束。

图2-2b为串联方式，降压变压器和升压变压器的电压比相反，正常运行时开关组1闭合，开关组2断开，电网电压经两级变压器先降压再升压对负载供电，断开开关组1，同时闭合开关组2，令负载电压跌至降压变压器的二次电压，达到电压跌落的过程，断开开关组2同时闭合开关组1，则负载电压恢复正常。

图2-2升降压变压器组合形式的VS G电路原理图以中心抽头变压器形式实现的低电压穿越测试装置，如图2-3所示。

其中图2-3a为单相结构，图2-3b为三相结构。

变压器的变比为1:1，正常运行时S1闭合，负载电压为正常电压；实现电压跌落时，S1断开同时S2闭合，使负载接入电压比较小的中间抽头，从而实现电压跌落过程；当断开S2重新闭合S1时，电压跌落结束。

图2-3中心抽头变压器形式的低电压穿越测试装置电路原理图（3）基于电力电子变换的低电压穿越测试装置方案，形式多样，可以使用交流电力控制电路、交交变频电路以及交直交变换器等，如图2-4。

图2-4a为采用交流调压形式实现的低电压穿越测试装置，由双向开关1对输入电压进行斩波，由双向开关2进行续流，并通过LC构成的低通滤波器，为
负载提供标准的正弦电压。

两组开关状态互补，通过调节占空比可以方便的调节输出电压，从而获得需要的跌落深度。

基于交—直—交变流器实现的低电压穿越测试装置如图2-4b所示，可以实现多种故障波形，包括电压跌落、闪变、过电压、欠电压等，并方便地控制电压跌落深度、持续时间、相位和跌落的类型。

(a) 交流调压形式的VS G
(b) 交直交变换形式的低电压穿越测试装置
图2-4电力电子变换的低电压穿越测试装置电路原理图
3国内外研制情况概述
在风电较为发达的欧美国家，如丹麦、德国、加拿大等，对风机低电压穿越测试装置的研究已有较长的历史。

可完成《欧洲E.ON并网导则》和各国自行制定的风电并网标准规定的所有低电压穿越试验，满足额定容量最大为3MW的风电机组低电压穿越测试的需求。

欧美国家研制的低电压穿越测试装置以阻抗分压式为主，包括移动式和固定式两种类型结构；在欧美等国的一些高校和科研机构，对采用交直交变换形式实现的低电压穿越测试装置也进行了深入研究，并研制了试验室样机。

然而，由于IGBT（绝缘栅双极晶体管）、GTO（门可关断晶闸管）等可关断器件短时承受过电流能力不强，因此采用交直交变换形式的低电压穿越测试装置目前还没有应用于工程实践。

我国研制低电压穿越测试装置的起步较晚，目前移动式低电压穿越测试装置完全依赖进口。

在国内的一些高校和科研机构，近来对采用交直交变换形式实现
的低电压穿越测试装置也进行了研究，但仅限于试验室分析和试验验证，尚无工程应用的报道。

中国电力科学研究院中电普瑞科技有限公司研制成功了世界上首套35kV/6MV A晶闸管控制阻抗分压式固定低电压穿越测试装置，目前在国家风电研究检测中心张北试验基地已完成了现场试验。

该装置采用首创的“晶闸管控制分压式”结构形式，完全自动控制，可满足额定容量范围为6MW的风电机组欧美各国低电压穿越试验标准和国网公司《风电并网技术规定》的低电压穿越测试要求，并能模拟电网电压的台阶式恢复过程，是目前世界上自动化程度最高，控制最灵活的低电压穿越测试装置。

中电普瑞科技有限公司在张北固定式低电压穿越测试装置基础上研制的测试装置分为LVRT—6M测试装置和LVRT—3M测试装置两类（从检测点电压等级上可分为35kV/10kV和690V两大类），能够满足欧美各国风电场并网运行准则和国家电网公司企业标准《风电并网技术规定》中关于低电压穿越测试标准的要求。

该装置通过控制可以实现三相相间对称故障和两相相间不对称故障两种类型的电压跌落，并均可根据实际要求作为移动式和固定式检测装置使用。

其中，LVRT—6M测试装置可以满足最大额定容量为6MW及以下的风电机组的低电压穿越试验要求；LVRT—3M测试装置可以满足最大额定容量为3MW及以下的双馈式和直驱式风机的低电压穿越试验要求。

4装置使用环境和引用标准
4.1使用环境条件
（1）装置允许的环境条件
a)海拔高度：≤2000m。

b)环境温度和冷却介质温度：
1）最高气温：+40℃。

2）最低气温：-40℃（户外）。

c)月平均最高相对湿度：90%（25℃下）。

d)污秽等级：Ⅲ级。

e)抗地震能力
水平分量0.25g
垂直分量0.125g
（2）试验时集装箱内的环境条件
a)温度-5～45ºC
b)相对湿度45%～75%
c)海拔高度小于2000米
4.2所符合的标准
图4-1 国外的低电压穿越测试标准
所设计的移动式低电压穿越测试装置能够满足欧美各国风电场并网运行准则和国家电网公司企业标准《风电并网技术规定》中关于低电压穿越测试标准的
要求。

欧美各国风电场并网运行准则中低电压穿越测试标准详见图4-1。

不同国家的低电压穿越测试标准不同：德国要求电网电压跌落到15%时持续300ms ，澳大利亚要求电网跌落到0%时持续175ms ，丹麦要求电网电压跌落到25%时持续100ms 。

0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
-101
234时间 (s)电网故障引起电压跌落要求风电机组不脱网连续运行风电机组可以从电网切出0.625并网点电压(p u )
图4-2国家电网公司《风电并网技术规定》中风电场低电压穿越要求曲线
我国对低电压穿越试验要求的研究起步较晚，目前尚无正式的国家标准颁布。

2007年国家电网公司出台了企业标准《风电并网技术规定》，其中对风电机组的低电压穿越测试要求进行了规定，详见图4-2，要求电网电压跌落到20%时持续625ms 风机不脱网运行。

5 移动式低电压穿越测试装置配置
5.1 装置整体设计 被测风电机组测试点
限流电抗X1PCC 外部电网短路电抗
X2
移动式LVRT 测试装置
CB2CB1CB4CB3
变压器
110kV/35kV
(110kV/10kV)风电机组出口变压器35kV/690V (10kV/690V)
图 5-1 移动式低电压穿越测试装置原理图
移动式低电压穿越（LVRT ）测试装置的原理图如图5-1所示，采用阻抗分压结构形式。

移动式LVRT 测试装置分为LVRT —6M 测试装置和LVRT —3M 测试装置两类，通过控制可以实现三相相间对称故障和两相相间不对称故障两种类型的电压跌落。

LVRT —6M 测试装置可以满足最大额定容量为6MW 及以下的风电机组低电压穿越试验要求；LVRT —3M 测试装置适用于最大额定容量为3MW 及以下的双馈式和直驱式风机应用。

用户可根据需求选用LVRT —6M 移动式测试装置或LVRT —3M 移动式测试装置。

装置采用车载集装箱的结构。

试验装置串联在风电机组与电网之间，通过改变阻抗分压比实现风电机组出口变压器处电压跌落，完成对风电机组低电压穿越性能的测试。

装置中CB1、CB2、CB3、CB4均为可控断路器。

限流电抗器X1、短路电抗器X2均采用可调电抗器设计，通过改变阻抗分压比可实现上千种跌落深度组合，有效补偿系统运行方式改变给跌落精度造成的偏差。

装置电压跌落和恢复功能的实现通过闭合和断开断路器CB4实现。

成套装置采用高度集成的设计集中在1个集装箱内，集装箱为标准尺寸，满足运输限制要求。

其中：
1) 跌落分压装置集装箱，包含电抗器及配套设备、其他附属设备、高
压电缆、加热和空调设备、连接系统与风机之间的开关、刀闸、真空接触器、高压电缆、高精度测量传感器、控制及保护装置、加热设备等；
2)移动办公室集装箱（选配），可以装载远方工作站，并作为试验人员
工作、休息的场所。

移动式低电压穿越测试装置控制保护系统可有效实现开关的就地操作、所需状态量的采集、控制时序的命令下发以及现场试验时数据采集、分析、波形显示。

低电压穿越测试装置设有远方控制系统，可对控制保护系统进行远方控制，同时接收元件保护和控制器上传的信息。

移动式低电压穿越测试装置提供控制灵活、界面友好人机接口，可方便、快捷地完成各种控制功能。

5.2性能要求
5.2.1总体要求
电压跌落和恢复是通过改变阻抗分压比来实现。

电压跌落设计为一步到位，可实现测试点处电压跌落至90%、80%、75%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0%电压等级上，满足欧美各国风电机组并网标准和国网公司企业标准《风电并网技术规定》中关于低电压穿越测试的技术要求。

电压恢复设计为一次恢复。

此外，通过控制可实现三相相间对称故障和两相相间不对称故障两种类型的电压跌落。

5.2.2电压跌落和恢复过程
装置的电压跌落和恢复过程如图5-2所示（图中以跌至0%电压等级为例）。

进行一次低电压穿越试验的总时间为t6，最大不超过5分钟，具体可以设定；t5为电压跌落持续的时间，最小为200ms，最大5s，具体可以根据不同的低电压穿越测试标准设定；t1为跌落时间，t3为恢复时间，t0为电压跌落前持续时间，t4为电压跌落后持续时间。

对每次低电压穿越测试试验的试验间隔的要求：相邻2次试验间相隔10分钟以上。

U N 0t
t1t3t5t0U 1
U 2
t2
t4U 1
t6
图5-2 电压跌落和恢复过程 5.3 装置基本配置
移动式低电压穿越测试装置LVRT —6M 和LVRT —3M 所需的主设备如表5-1所示。

表5-1 LVRT —6M 和LVRT —3M 装置所需的主设备
集装箱名称 体积（m ×m ×m ） 备注
跌落分压装置
集装箱 约15×3.5×3.2
包含电抗器及配套设备、其他附
属设备、高压电缆、加热和空调
设备、连接系统与风机之间的开关、刀闸、真空接触器、高压电
缆、高精度测量传感器、控制及
保护装置、加热设备等
移动办公室
集装箱（选配） 约7×3.5×3.2
可以装载远方工作站，作为试验人员移动办公室
图5-3 移动式低电压穿越检测装置
5.4 关键技术简介
1） 电抗器
移动式低电压穿越测试装置LVRT —6M 和LVRT —3M ，其中限流电抗器和
短路电抗器是移动式检测装置的核心设
备。

直接影响到测试装置的测试精度、使
用安全性和设备整体紧凑化程度。

移动式低电压穿越测试装置在低电
压穿越检测实验过程中要求跌落精度小
于±1%；而在实验过程中，限流电抗器
和短路电抗器会产生较强的自感和互感。

如何把电抗器电磁感应的影响降到最小，
提高设备实验精度是需要攻克的关键技
术难点。

中电普瑞科技有限公司在国家风
电研究检测中心张北试验基地大量的现
场低电压穿越试验的基础上，成功的研究
出电抗器分组设计方法，实现了在各个等
级的电压跌落中实验精度在±1%之内。

图5-4 浇注式空心电抗器
由于移动式低电压穿越测试装置采用紧凑结构化设计，在节省空间的同时需要满足35kV绝缘距离的要求，中电普瑞科技有限公司成功开发出的浇注式空心电抗器，可以大大的提高了测试装置的安全性和紧凑化程度。

2）测试过程中对系统侧的影响
根据《GB/T 12325-2008 电能质量供电电压偏差》的规定，35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%。

移动式低电压穿越测试装置的实验阻抗同系统阻抗如匹配不当，将导致公共接入点短路故障事故。

中电普瑞科技有限公司基于多年在电网的工程经验和系统研究技术积累，在实验装置设计上充分考虑了风电场低电压穿越实验对系统的影响，并通过大量的仿真和现场实验验证，确保在测试过程中对系统侧公共连接点电压波动不超过±5%。

3）实验的兼容性
采用可调电抗器设计，通过改变阻抗分压比可实现测试点上千种跌落深度组合，可实现测试点处电压跌落至90%、80%、75%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、15%、10%、0%电压等级。

一方面能够很好的解决因系统运行方式和系统阻抗的改变对电压跌落精度的影响，跌落误差可控制在±1%之内。

另一方面，可以通过电抗器分组设计，满足光伏电厂低电压穿越检测的要求。

图5-5 带风机60%电压跌落试验波形
4）对被测风机的影响
被测风电机组不具备低电压穿越能力，此时进行低电压穿越试验，被测风电机组保护动作，风机退出运行，测试不会损坏风机。

被测风电机组具备较好的低电压穿越能力，电压跌落开始后，限流电抗器接入后将使被测风电机组的输出功率降低，等效系统短路容量减小，可能引起风机并网发电的稳定问题。

为使被测风电机组仍能正常工作，电抗器的正确配置至关重要。

中电普瑞科技有限公司通过对大量的低电压穿越检测试验数据的分析总结，正确的分配限流电抗器和短路电抗器的阻抗值，可以保证被测风电机组正常工作。

5.5装置主要技术特点
中电普瑞科技有限公司研制的移动式低电压穿越测试装置具备如下的技术特点：
1)可满足包括《欧洲E.ON并网导则》在内的欧美各国风电场并网运行准则
和国网公司《风电并网技术规定》中对低电压穿越测试要求；
2)根据国内风机特点分别设计了LVRT—6M（适用于6MW及以下风机）和
LVRT—3M（适用于3MW及以下风机）两种类型产品。

其中，LVRT—6M是世界上目前容量最大、测试风机容量范围最广的移动式低电压穿越测试装置；
3)通过控制可以实现三相电压跌落故障模拟和两相电压跌路故障模拟，装
置可靠性高；
4)限流电抗器和短路电抗器均采用可调电抗器设计，通过改变阻抗分压比可
实现上千种跌落深度组合，能够很好的适应系统运行方式改变对跌落精度的影响；
5)成套装置采用集约化设计、集装箱车载运输，运输方便、测试灵活、占地
面积小；
6)免吊装设计，采用四脚支撑结构（支撑机构可伸长或缩回箱体内），不需
要额外的吊装设备即可灵活运输。

7)工作状态稳定可靠的微机保护系统，确保装置的安全、可靠运行；
8)控制方式灵活，具备多种控制方式和运行模式，具备多功能自动化接口、
远方操作功能，可以实现远程控制和操作；
9)控制灵活、界面友好的人机接口，可方便、快捷地完成各种控制功能；
10)设计严谨的五防逻辑，保证试验人员和试验装置的安全。

6移动式与普通固定式结构对比分析
目前，根据测试地点的要求可以分为移动式和固定式两种方案。

固定式低电压穿越测试装置与移动式装置功能基本相同，也采用控制阻抗分压比的方式实现测试点的电压跌落，只是固定安装于风电场的某处。

试验前，通过专门的运输设备将被测风电机组运输到普通固定式低电压穿越装置附近，而后连好相应的电缆，即可进行低电压穿越试验。

普通固定式低电压穿越测试装置也分为LVRT-6M 测试装置（满足额定容量最大为6MW的风电机组低电压穿越试验需求）和LVRT-3M测试装置（满足额定容量最大为3MW的风电机组低电压穿越试验需求）。

本章对移动式低电压穿越测试装置和普通固定式低电压穿越装置进行专门的对比，详见表6-1。

表6-1 移动式LVRT装置与普通固定式LVRT装置主要性能对比
比较项目普通固定式LVRT装置移动式LVRT装置
功能
能够按照各国风电场
并网准则实现对风电
机组的低电压穿越测
试
能够按照各国风电场并
网准则实现对风电机组
的低电压穿越测试
占地面积
LVRT-6测试装置约
20m×6m，LVRT-3测
试装置约18m×5m
采用集装箱车载形式，
无需占地
适合场所适合于地域范围较小
的风电场以及正在建
设中的风电场
适用于地域较大且位置
比较偏远的风电场以及
已经建成的风电场需要
补充进行的低电压穿越
测试试验
运行维护
固定安装于风电场某
处，运行维护工作量小
采用集装箱车载形式，运
行维护的工作量略大于
普通固定式结构
根据表6-1，可以得到下面的结论：
无论是普通固定式低电压穿越测试装置还是移动式低电压穿越测试装置，都
能够根据各国风电场并网准则实现对风电机组的低电压穿越测试。

✓移动式低电压穿越测试装置采用车载集装箱的形式，运输方便，测试灵活，特别适用于地域较大且位置比较偏远的风电场，对于已经建成的风电场补充进行的低电压穿越测试试验也很适用。

✓普通固定式低电压穿越测试装置试验前需通过专门的运输设备将被测风电机组运输到固定式低电压穿越装置附近，适合应用于地域范围较小的风电场以及正在建设中的风电场。

✓移动式低电压穿越测试装置采用车载集装箱的形式，无需固定的占地。

✓移动式低电压穿越测试装置由于采用车载集装箱的形式，运行维护工作量略大于普通固定式低电压穿越测试装置。

综上所述，移动式低电压穿越测试装置和普通固定式低电压穿越测试装置各有特点，也各有适用的场合，用户可以根据实际的需求具体进行选择。

7总结
本文介绍了移动式低电压穿越测试装置的总体设计方案，对移动式低电压穿越测试装置和普通固定式低电压穿越测试装置的性能特点和适用场合进行了对比分析。

最后，在附件中将介绍中国电科院中电普瑞科技有限公司研制成功的张北风电研究检测中心35kV/6MV A固定电压跌落装置的主要性能特点以及中电普瑞科技有限公司在风机低电压穿越测试装置方面的研制能力。