CN101846707A - 一种低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法 - Google Patents

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本发明涉及一种低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，包括：输入端与高压电网相连的隔离单元，用于为设备供电并与高压电网隔离；所述隔离单元的输出端与跌落单元相连；所述跌落单元还连有控制单元，所述控制单元用于控制跌落单元中每相输出正常高电压或跌落低电压，以通过设备输出端对变流器进行测试。本发明还相应提供了一种低压侧实现低电压穿越试验平台的方法。本发明的设备和方法可以在低压侧模拟电网故障，以模拟正常状态的高电压输出以及跌落状态的低电压输出，并可以通过对不同相上开关的控制，实现对称与不对称的跌落，同时可以通过调节时间，来模拟各种标准对电网故障的要求。

Description

一种低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法
技术领域
本发明涉及低电压穿越试验平台技术，更具体地说，涉及一种低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法。
背景技术
在风力发电中，由于风力发出的电能具有间歇性，比起传统发电具有不稳定性，因此对电网的故障比较敏感。一旦风力发电的电网发生故障，容易造成风机和电网发生切除。当风力发电在电网份额占到一定比例时，这种短时切除，会对电网造成重大的冲击，因此风力发电整机的低电压穿越能力显得异常重要。
变流器本身的低电压穿越能力决定着整个系统的低电压穿越能力。由于现有风力发电的双馈风力发电系统和直驱风力发电系统都需要具有低电压穿越功能，因此整机厂商也对变流器厂家提出此要求。
然而，目前的低电压穿越试验平台系统，即模拟电网故障以测试变流器低电压穿越功能的系统，主要在电网高压侧实现，其原理主要是采用分压电抗和限流电抗在高压侧造成电网跌落。这种方法能够真实地模拟电网故障，但是由于是在高压侧模拟电网故障需要复杂的控制系统，同时需要电网公司许可，对普通公司如变流器厂家来说成本过高难以实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有低电压穿越试验平台系统的上述低电压穿越试验平台缺陷，提供一种在低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种在低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，包括：输入端与高压电网相连的隔离单元，用于为所述设备供电并使所述设备与高压电网隔离；所述隔离单元的输出端与跌落单元相连；所述跌落单元还连有控制单元，所述控制单元用于控制跌落单元中每相输出正常高电压或跌落低电压，以对变流器进行测试。
在本发明所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备中，所述隔离单元包括：原边侧与电网相连的第一变压器，所述第一变压器的副边侧通过并联的多个不间断电源连接至第二变压器的原边侧，所述第二变压器的副边侧与隔离单元的输出端相连。
在本发明所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备中，所述跌落单元包括限流单元和分压单元；所述控制单元在需要控制某相以跌落低电压输出时，分别控制限流单元和分压单元对隔离单元输出的该相电信号进行限流和分压；所述控制单元在需要控制某相以正常高电压输出时，分别控制限流单元和分压单元直接将隔离单元输出的该相电信号输出给变流器。
在本发明所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备中，所述限流单元包括与每相对应的第一电抗和第一开关；所述第一电抗和第一开关并联在一起，一端连接至隔离单元的输出端，另一端连接至所述设备的输出端；所述分压单元包括与每相对应的第二电抗和第二开关，所述第二电抗和第二开关串联在所述设备输出端和地之间；每相的第一开关和第二开关由所述控制单元控制。
在本发明所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备中，所述不间断电源与所述第二变压器的原边侧之间在每相上串联有抑制第二变压器上电瞬间产生的浪涌电流的第三电抗。
在本发明所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备中，所述并联的第一电抗和第一开关至设备的输出端之间在每相上串联有控制第二变压器为变流器供电的第三开关。
本发明还提供了一种在低压侧实现低电压穿越试验平台的方法，所述方法包括以下步骤：
通过与高压电网相连的隔离单元为试验设备供电并使试验设备与高压电网相隔离；
通过控制单元控制与隔离单元相连的跌落单元，来控制电网中每相输出正常高电压或跌落低电压，以对变流器进行测试。
实施本发明的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法，具有以下有益效果：本发明通过设计隔离单元来为试验的设备供电并使试验设备与高压电网相隔离，通过控制单元来控制分压单元和限流单元协调工作，使试验设备能够在每相上输出正常高电压或跌落低电压，从而在低压侧模拟电网故障时电压的跌落状态以对变流器进行测试。进一步地，本发明的电路可以通过对不同相上开关的控制，实现对称与不对称的跌落，并且可以通过调节开关导通的时间，来模拟各种标准对电网故障的要求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明优选实施例中低压侧实现低电压穿越试验平台的设备的框图；
图2是本发明优选实施例中低压侧实现低电压穿越试验平台的设备的电路原理图；
图3是本发明优选实施例中低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法的控制时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本发明优选实施例中低压侧实现低电压穿越试验平台的设备的框图。如图1所示，本发明提供了一种低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，包括隔离单元100、跌落单元200和控制单元300，用于模拟电网故障，实现正常高电压输出和跌落低电压输出，从而对变流器400进行测试。
其中，隔离单元100输入端与高压电网相连，用于通过变压器将电网高压转换为低压为设备供电，同时又能起到将试验平台的设备与高压电网隔离的作用。
隔离单元100的输出端与跌落单元200相连。跌落单元200还连有控制单元300。控制单元300用于控制跌落单元200中每相输出正常高电压或跌落低电压，以通过设备输出端对变流器400进行测试。
在本发明的一些优选实施例中，跌落单元200包括限流单元210和分压单元220。控制单元300在需要控制某相以跌落低电压输出时，分别控制限流单元210和分压单元220对隔离单元100输出的该相电信号进行限流和分压。控制单元300在需要控制某相以正常高电压输出时，分别控制限流单元210和分压单元220直接将隔离单元100输出的该相电信号输出给变流器400。通过限流单元210和分压单元220可以实现将电压跌落后输出，并产生瞬间短路电流，以满足模拟电网故障的要求，同时限制短路电流以保护变压器400和不间断电源UPS。
下面对本发明的设备的具体实现与原理进行分析。请参阅图2，为本发明优选实施例中低压侧实现低电压穿越试验平台的设备的电路原理图。如图2所示，隔离单元100包括第一变压器T1、第二变压器T2和不间断电源UPS。第一变压器T1的原边侧与电网相连，副边侧与并联的多个不间断电源UPS连接。不间断电源UPS再连接至第二变压器T2的原边侧，第二变压器T2的副边侧作为隔离单元100的输出端。
隔离单元100的基本原理是通过第一变压器T1(690/380)把电网的高压690V降压到380V(即不间断电源UPS所需的输入电压)，供电给不间断电源UPS，同时起到隔离电网和不间断电源UPS的目的。不间断电源UPS再通过第二变压器T2(380/690)升压后输出。在本发明的一些优选实施例中，在该电路的前端最好再加上可用于整定电路中电流的保护开关。为提高系统模拟电网故障的真实性，同时完成变流器故障期间携带负载和发无功的需求，作为模拟电网电源的不间断电源UPS，可以采用多台并联，以达到提供足够变流器功率等级的容量，且多台不间断电源UPS需是可双向流动能量的，满足发无功的要求。多台不间断电源UPS并联须在电流瞬态变化时能及时响应。在本发明的一些优选实施例中，可以在不间断电源UPS与所述第二变压器T2的原边侧之间在每相上串联第三电抗X3，其作用是在上电瞬间，抑制大容量第二变压器T2瞬间的浪涌电流，防止不间断电源UPS自我保护。
限流单元210包括设置在每相上的第一电抗X1和第一开关K1。第一电抗X1和第一开关K1并联在一起，一端连接至隔离单元100的输出端，另一端连接至设备的输出端。分压单元220包括设置在每相上的第二电抗X2和第二开关K2。第二电抗X2和第二开关K2串联在设备输出端和地之间。每相的第一开关K1和第二开关K2由控制单元300控制。第一电抗X1为限流电抗器，其感抗值是根据高压侧短路阻抗折算获得的，须满足短路瞬间提供足够大的电流；同时根据不间断电源UPS所能提供的容量来确定，电抗器本身需在短路电流下不能饱和，提供足够大的容量。第二电抗X2为短路电抗，用作控制电压跌落的幅值，跌落幅值主要由第一电抗X1和第二电抗X2分压决定，第二电抗X2可以为电抗器或者利用电机的漏感来实现。第二电抗X2大小的设置主要考虑的因素为与第一电抗X1的分压，以及在短路电流下第二电抗X2是否会饱和。在本发明的优选实施例中，实现控制时序的开关，即第一开关K1和第二开关K2可以分别为晶匝管和并网开关。第一开关K1由6个晶匝管组成，每相电源的线路上设置两个，正反相接。第二开关K2的设置方式与第一开关K1相同。并网开关和晶匝管都需要满足短路电流的要求。此外，第一开关K1和第二开关K2也可以互换，或者采用同一种开关来实现。应该理解的是，第一开关K1和第二开关K2可以采用本领域技术人员熟知的任何开关来实现，且第一开关K1和第一电抗X1之间，以及第二开关K2和第二电抗X2之间也可以根据需要来选择串联或者并联的连接方式。
在本发明的优选实施例中，在并联的第一电抗X1和第一开关K1至设备的输出端之间在每相上串联有第三开关K3。通过第三开关K3就能导通或关断第二变压器T2向变流器供电的通路。
本发明还提供了一种低压侧实现低电压穿越试验平台的方法，包括以下步骤：
首先，通过与高压电网相连的隔离单元为设备供电并与高压电网相隔离。例如，通过变压器把电网的高压690V降压到380V，供电给不间断电源UPS，再通过变压器升压后输出。这样不仅获得了电网电源，又与电网相隔离，使试验平台成为一个独立的子电网系统。
随后，通过控制单元控制与隔离单元相连的跌落单元，来控制电网中每相以正常高电压输出或跌落低电压输出，从而对变流器进行测试。即通过跌落单元的电路，对隔离单元输出的信号进行分压和限流，来模拟电网故障时突然跌落电压的情况。
下面对本发明的方法和设备模拟电网故障的过程进行描述。请参阅图3，为本发明优选实施例中低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法的控制时序图。如图3所示，可把动作时序分成四个阶段，第一阶段为正常工作，第二阶段为死区，第三阶段为跌落时间，第四阶段为死区，最后恢复正常。
当设备处于第一阶段即需要模拟电网正常电压时，第一开关K1导通，第二开关K2关断，第一电抗X1被第一开关K1旁路，电流不经过第一电抗X1，690V直接供给变流器400。
当设备处于第二阶段即开始模拟电压跌落时，第一开关K1先关断，第一电抗X1串入系统，接着导通第二开关K2。然而，考虑到第二开关K2会有几十毫秒的延迟关断，因此从第一开关K1关断至第二开关K2导通之间会有几十毫秒的间隔。这样便构成了第二阶段的死区时间。
当设备处于第三阶段即实现电压跌落时，第二开关K2已实现导通，此时第一开关K1也已关断。因此，第一电抗X1串入系统，第二电抗X2也串入系统，完成跌落时的低电压输出。
当设备处于第四阶段即开始恢复正常工作时，第一开关K1先关断，接着导通第二开关K2。同样考虑到第二开关K2的机械延迟，约有100ms的延迟，这样便构成了第四阶段的死区时间。在完成该阶段后，设备又回复到第一阶段的正常电压状态。
在上述过程中，在跌落时先关断第一开关K1再导通第二开关K2的原因在于，需要保证第一电抗X1串入后才开通第二开关K2，从而限制短路电流，使之在可控范围内，不对系统中的设备造成重大损坏。而在恢复时，需要在第二开关K2关断后再导通第一开关K1，同样也是为了限制短路电流。也就是说，第一开关K1在模拟正常电压输出时始终导通，主要是用于旁路第一电抗X1，若电网正常时串入第一电抗X1，会在第一电抗X1上产生压降，把变流器母线电压冲高，使变流器不能正常工作。
在上述设备中，可以通过选择不同阻值的第二电抗X2，来实现不同幅值的跌落。当电压值需要跌落至零时，可直接把第二开关K2短接到地。当跌落到较小幅值时，会产生大的短路电流，需考虑第二电抗X2是否饱和。
值得一提的是，本发明还可以模拟电网故障的不对称跌落情况。上述设备和方法中，每个单元及器件都对应于每相设置，从而可以单独对各个相位的电源进行控制，实现跌落。例如，在各个相位的电源线路上，设置有相应的开关及电抗，如图2所示，该电源为三相电源，即在每一相的电源线路上设有相应的第一开关K1、第二开关K2、第一电抗X1和第二电抗X2。当在第二开关K2处，断开多相中的其中一相或两相，或者短路两相之间就可以实现不对称跌落。
综上所述，本发明的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备及方法，可以在低压侧模拟电网故障，以模拟正常状态的高电压输出以及跌落状态的低电压输出，并可以通过对不同相上开关的控制，实现对称与不对称的跌落，同时可以通过调节时间，来模拟各种标准对电网故障的要求。
本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (7)

1.一种低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，其特征在于，包括：输入端与高压电网相连的隔离单元(100)，用于为所述设备供电并使所述设备与高压电网隔离；所述隔离单元(100)的输出端与跌落单元(200)相连；所述跌落单元(200)还连有控制单元(300)，所述控制单元(300)用于控制跌落单元(200)中每相输出正常高电压或跌落低电压，以对变流器(400)进行测试。
2.根据权利要求1所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，其特征在于，所述隔离单元(100)包括：原边侧与电网相连的第一变压器(T1)，所述第一变压器(T1)的副边侧通过并联的多个不间断电源(UPS)连接至第二变压器(T2)的原边侧，所述第二变压器(T2)的副边侧与隔离单元(100)的输出端相连。
3.根据权利要求1所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，其特征在于，所述跌落单元(200)包括限流单元(210)和分压单元(220)；所述控制单元(300)在需要控制某相以跌落低电压输出时，分别控制限流单元(210)和分压单元(220)对隔离单元(100)输出的该相电信号进行限流和分压；所述控制单元(300)在需要控制某相以正常高电压输出时，分别控制限流单元(210)和分压单元(220)直接将隔离单元(100)输出的该相电信号输出给变流器(400)。
4.根据权利要求3所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，其特征在于，所述限流单元(210)包括与每相对应的第一电抗(X1)和第一开关(K1)；所述第一电抗(X1)和第一开关(K1)并联在一起，一端连接至隔离单元(100)的输出端，另一端连接至所述设备的输出端；所述分压单元(220)包括与每相对应的第二电抗(X2)和第二开关(K2)，所述第二电抗(X2)和第二开关(K2)串联在所述设备输出端和地之间；每相的第一开关(K1)和第二开关(K2)由所述控制单元(300)控制。
5.根据权利要求2所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，其特征在于，所述不间断电源(UPS)与所述第二变压器(T2)的原边侧之间在每相上串联有抑制第二变压器(T2)上电瞬间产生的浪涌电流的第三电抗(X3)。
6.根据权利要求4所述的低压侧实现低电压穿越试验平台的设备，其特征在于，所述并联的第一电抗(X1)和第一开关(K1)至设备的输出端之间在每相上串联有控制第二变压器(T2)为变流器供电的第三开关(K3)。
7.一种低压侧实现低电压穿越试验平台的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
通过与高压电网相连的隔离单元为试验设备供电，并使试验设备与高压电网相隔离；
通过控制单元控制与隔离单元相连的跌落单元，来控制电网中每相输出正常高电压或跌落低电压，以对变流器进行测试。
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