CN101566672B - 模拟电网跌落的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟电网跌落的实验方法，主要用于模拟电网跌落的情况，以检测风能领域的发电机、变流器等设备在电网跌落情况下的运行情况。本发明采用的实验设备包括第一变压器、第二变压器、开关和交流电源；所述第一变压器的副边包括第一绕组和第二绕组，第二绕组与第二变压器的副边串联；所述第二变压器的原边与开关和交流电源并联。本发明所述的实验方法，包括模拟电网正常的情况和模拟电网跌落的情况。本发明原理正确可行，在检测风能领域的发电机、变流器等设备时，无需运到现场再等电网出现短路、跌落等故障，节省了产品交付的时间。

Description

模拟电网跌落的实验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟电网跌落的实验方法，主要用于模拟电网跌落的情况，以检测风能领域的发电机、变流器等设备在电网跌落情况下的运行情况。

背景技术

在风能发电系统中，变流器控制着发电机的励磁，并将发电机发出电能的频率、幅值控制在恒定，根据上级主控系统的要求调节发出电能的功率因数。但在电网运行过程中，会出现诸如电网操作过电压、电网某点对地短路、电网某点相间短路等故障。由于风能相对于火力、水力发电的不稳定性，在电网出现故障的情况下，风力发电系统由于自身容量限制的原因，容易脱网而不能继续发电支撑电网。随着风力发电装机容量的增大，这一问题也越加明显。因此，各大电网公司对风力发电系统提出了低压穿越、高压穿越的技术要求，要求风力发电机组在电网故障的一段时间内，继续发出无功功率来支撑电网。

目前在电网公司开始普遍强调低压穿越技术要求的背景下，变流器成为整个风力发电机组实现低压穿越的关键。变流器在保护本身不被电网跌落感应形成的转子反灌电流破坏的前提下，给发电机转子提供超前/滞后励磁电流，使发电机发出足够的无功功率来短时间支撑电网。

由于电网的实际容量巨大，造成风力发电机组在开发阶段对样机进行低压穿越实验验证，模拟电网跌落故障非常困难。不少变流器厂商和整机厂商采取了现场试用的方法，但电网出现短路、跌落等故障具有非常大的随机性，现场试用往往占用过多的时间，影响产品的交付。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述缺点，而提供一种结构设计合理、原理正确、实际可行的模拟电网跌落的实验方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种模拟电网跌落的实验方法，其特征在于：采用由第一变压器、第二变压器、开关和交流电源组成的实验装置；所述第一变压器的副边包括第一绕组和第二绕组，所述第二绕组为可变绕组，其与第二变压器的副边串联；所述第二变压器的原边与开关和交流电源并联；

实验装置额定输出电压为U，实际输出电压为U′；第一变压器的第二绕组额定匝数为N₂，额定输出电压为U_N2；U＝U_N2；

所述模拟电网跌落的实验方法包括以下步骤：

a、将第一变压器的原边接入电网，断开开关，打开交流电源；将第一变压器的第二绕组匝数调节为实验匝数N₂′；第一变压器输出电压为U₁，则U₁＝U_N2×N₂′/N₂；第二变压器的输出电压为U₂，调节交流电源，将U₂的值调节为U_N2×(1-N₂′/N₂)，则此时实验装置实际输出电压U′＝U₁+U₂＝U，模拟了电网正常的情况；

b、合上开关，第二变压器原边短路，副边输出的电压为0V，即第二变压器的输出电压U₂＝0V，此时实验装置实际输出电压U′＝U₁，模拟了电网跌落的情况。

本发明在所述步骤b后，经过一段短路持续时间，开关自动断开，交流电源输出结束短路状态，第二变压器的输出电压U₂的值逐渐升高到U_N2×(1-N₂′/N₂)，模拟了电网跌落后逐渐恢复的情况。

本发明所述第一变压器输出电压U₁为实验装置额定输出电压U的20％。

本发明所述实验装置额定输出电压U为690V或者400V的交流电压。

本发明在所述步骤b后，经过150ms的短路持续时间，开关自动断开。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、原理合理；2、使用模拟方法模拟了电网正常、跌落、恢复的过程，可以在需要的情况下随时模拟出上述情况，这样在检测风能领域的发电机、变流器等设备时，无需运到现场再等电网出现短路、跌落等故障，节省了产品交付的时间。

附图说明

图1为本发明用于检测风能发电机和风能变流器时的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

参见图1，本发明采用的实验设备包括第一变压器T₁、第二变压器T₂、开关K和交流电源AC。第一变压器T₁的副边包括第一绕组W₁和第二绕组W₂，第二绕组W₂为可变绕组，其与第二变压器T₂的副边N₂串联，第二变压器T₂的原边N₁与开关K和交流电源AC并联。

在本实施例中，本发明用来检测新出产的风能发电机和风能变流器在电网跌落过程中的运行情况。

将第一变压器T₁的原边W接入中高压电网，电网经过第一变压器T₁降低为690V或者400V的交流电。第一变压器T₁的第一绕组W₁给风能变流器B、原动机M、拖动变频器C供电，第二绕组W₂将双馈异步发电机G发出的690V或者400V的交流电经过升压送入中高压电网。因为双馈异步发电机G在运行发电时需要助力，因此设置了原动机M，原动机M与双馈异步发电机G用传动轴1连接。拖动变频器C的作用是平稳驱动原动机M。

通过调节第二变压器T₂串入的交流电源AC的输出电压和改变第一变压器T₁的第二绕组W₂的匝数，可以在不影响电网电压的情况下改变双馈异步发电机G定子端口的电压，模拟电网电压跌落。从能量流动的角度来看，因为交流电源AC具有能量双向流动的能力，使得一部分双馈异步发电机G发出的电能通过交流电源AC回馈入电网，另一部分双馈异步发电机G输出的能量通过第一变压器T₁的第二绕组W2回馈入电网。

实验过程中，设实验装置额定输出电压为U，实际输出电压为U′；设第一变压器T₁的第二绕组W₂额定匝数为N₂，额定输出电压为U_N2；则U＝U_N2。实验装置额定输出电压U为690V或者400V的交流电压，即U_N2为690V或者400V的交流电压。

实验开始，使开关K处于断开状态，打开交流电源AC。将第一变压器T₁的第二绕组W₂匝数调节为实验匝数，设该实验匝数为N₂′；设第一变压器T₁输出电压为U₁，U₁即为第一变压器T₁的第二绕组W₂的实际输出电压，则U₁＝U_N2×N₂′/N₂，在本实施例中，第一变压器T₁输出电压U₁为实验装置额定输出电压U的20％。第二变压器T₂的输出电压为U₂，U₂即为第二变压器T₂的副边N₂的实际输出电压，调节交流电源AC，将U₂的值调节为U_N2×(1-N₂′/N₂)，即U₂为实验装置额定输出电压U的80％，则此时实验装置实际输出电压U′＝U₁+U₂＝U，此时双馈异步发电机G定子端口电压即为额定的交流输出电压690V或者400V，模拟了电网正常的情况。

闭合开关K，则此时第二变压器T₂的原边N₁被短路，副边N₂的电压输出为0V，即第二变压器T₂的输出电压U₂＝0V，此时实验装置实际输出电压U′＝U₁，双馈异步发电机G定子端口电压瞬间变为U₁，此时从双馈异步发电机G定子端口上看，定子连接处的电压跌落至正常额定值的20％，即模拟出了电网电压跌落的故障。交流电源AC此时由于输出短路，进入逐波限流的工作方式。经过大约150ms的短路持续时间，开关K断开，交流电源AC输出结束短路状态，但是由于第二变压器T₂励磁、交流电源AC仍工作在逐波限流工作方式而输出电流恒定等原因，第二变压器T₂的输出电压U₂逐渐升高到U_N2×(1-N₂′/N₂)。在双馈异步发电机G定子端口上看，定子连接处的电压(即实际应用环境中的电网电压)逐渐升高到额定值，即模拟出了电网电压跌落后恢复的整个过程。对于电网电压跌落后，电压恢复的时间和速度要求，可以通过匹配交流电源AC的输出负载来实现。如果交流电源AC为数字控制的电源，则可以通过事先设定逐波限流的工作方式的输出电流来实现模拟电网恢复的时间和速度的要求。

如果考虑串入第二绕组W₂回馈回路中的第二变压器T₂与第一变压器T₁第二绕组W₂变比的变化，理论上可以模拟电网电压跌倒0的极端情况。此时，第一变压器T₁的第二绕组W₂相当于短路，第二变压器T₂和交流电源AC完全提供双馈异步发电机G定子的功率变换，这样就要求第二变压器T₂和交流电源AC的容量足够大，并且交流电源AC具有电能双向流动的能力。因为中高压电网的电压一定、双馈异步发电机G定子输出的电压一定，第一变压器T₁的第二绕组W₂的变比越低，则第二变压器T₂的变比越高。第二变压器T₂与双馈异步发电机G、第一变压器T₁的第二绕组W₂是串联的关系，内部通过的电流一致，则功率的分配由电压的分配来决定。双馈异步发电机G作为回馈支路的电源，提供一定的功率，通过第一变压器T₁的第二绕组W₂回馈的功率越少，则通过第二变压器T₂回馈的功率越多，对交流电源AC和变压器第二变压器T₂的容量要求越大。

另外，在第二变压器T₂短路期间，短路的电流非常大，高达几万安培，此时开关K如果用传统的机械式开关器件的话，如框架式断路器，其价格昂贵，安装使用较繁琐。机械式开关的动作延迟时间最大为50～70ms，动作延迟时间差异对短路时间的影响不能忽略，也成为用机械式开关控制短时间短路的一个难点。而使用电力电子器件来作为开关K，如SCR、晶闸管等，则会相应简单的解决这一问题，因为SCR、晶闸管的开通延迟时间一般为微秒级，与短路时间相比可以忽略不计。SCR、晶闸管的短时间过流承受能力很强，额定电流为800A的晶闸管在150ms内承受的最大峰值电流可以达到6000A。关断需要通过触发脉冲的结束，电流自然过零关断。关断造成的延迟最大为半个周期，50Hz电网频率下为10ms，相比机械式开关的开关动作延迟可以接受。采用晶闸管等电力电子器件来实现短路的开关还在成本上相对于机械式开关具有相当大的优势。如果需要完全满足150ms的跌落时间的话，需要对晶闸管进行关断控制，需要增加一定复杂程度的关断换流电路，并且对关断过压进行吸收抑制；或者使用全控型的IGCT来实现。电力电子器件中承受过电流能力最强的器件为晶闸管和IGCT，在此短路控制的应用环境中，两者的性能特性较为适合。

如果双馈异步发电机G为1.5MW级别，则满功率输出情况下，电网跌落到20％所需要的交流电源AC功率为1.2MW；75％输出功率，电网跌落到20％所需要的交流电源AC功率为900KVA。设进行电网跌落实验的发电系统的功率为P_total，交流电源AC的功率为P_ac-source，跌落百分比为K，输出负载百分比为J，则：P_ac-source＝P_total·K·J。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种模拟电网跌落的实验方法，其特征在于：采用由第一变压器、第二变压器、开关和交流电源组成的实验装置；所述第一变压器的副边包括第一绕组和第二绕组，所述第二绕组为可变绕组，其与第二变压器的副边串联；所述第二变压器的原边与开关和交流电源并联；

实验装置额定输出电压为U，实际输出电压为U′；第一变压器的第二绕组额定匝数为N₂，额定输出电压为U_N2；U＝U_N2；

所述模拟电网跌落的实验方法包括以下步骤：

a、将第一变压器的原边接入电网，断开开关，打开交流电源；将第一变压器的第二绕组匝数调节为实验匝数N₂′；第一变压器输出电压为U₁，则U₁＝U_N2×N₂′/N₂；第二变压器的输出电压为U₂，调节交流电源，将U₂的值调节为U_N2×(1-N₂′/N₂)，则此时实验装置实际输出电压U′＝U₁+U₂＝U，模拟了电网正常的情况；

b、合上开关，第二变压器原边短路，副边输出的电压为0V，即第二变压器的输出电压U₂＝0V，此时实验装置实际输出电压U′＝U₁，模拟了电网跌落的情况；

在所述步骤b后，经过一段短路持续时间，开关自动断开，交流电源输出结束短路状态，第二变压器的输出电压U₂的值逐渐升高到U_N2×(1-N₂′/N₂)，模拟了电网跌落后逐渐恢复的情况。

2.根据权利要求1所述的模拟电网跌落的实验方法，其特征在于：所述第一变压器输出电压U₁为实验装置额定输出电压U的20％。

3.根据权利要求1所述的模拟电网跌落的实验方法，其特征在于：所述实验装置额定输出电压U为690V或者400V的交流电压。

4.根据权利要求1所述的模拟电网跌落的实验方法，其特征在于：在所述步骤b后，经过150ms的短路持续时间，开关自动断开。

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