CN101871997B - 一种风力发电机组电网适应性测试装置 - Google Patents

一种风力发电机组电网适应性测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力发电机组电网适应性测试装置，包括基于功率半导体开关器件构建的变流器，该变流器输入端连接三相电源、输出端连接风力发电机组；变流器包括控制器和依次连接的整流器、直流环节、逆变器，控制器与整流器、逆变器信号连接，整流器连接三相电源，逆变器连接风力发电机组；或变流器包括交流-交流变换器和控制器，交流-交流变换器连接三相电源和风力发电机组，控制器与交流-交流变换器信号连接。本发明能承受电网故障实验期间风力发电机组造成的大部分动态冲击，缓解实验系统对电网容量的要求，可灵活模拟各类电网故障，扩展测试范围，丰富测试数据，缩减实验周期，还能完整测试风力发电机组在电网各种状态下发生故障时的数据。

Description

一种风力发电机组电网适应性测试装置
技术领域
本发明涉及一种测试装置，更具体地说，涉及一种用于测试风力发电机组电网适应性的测试装置。
背景技术
随着风电产业的高速发展以及风电装机容量在国家电力结构的比例不断提升，越来越多的国家对并网型风力发电机组的电网接入条件及电网适应性提出了严格要求。其中包括风力发电机组对电网电压、频率的偏差、波动的适应，及低压穿越性能(Low Voltage Ride Through，简称LVRT)等。低压穿越性能是指在所连接电网发生故障导致风电场电压跌落后，风力发电机组保持不间断并网运行，从而避免风电场的切除严重影响到电网系统运行稳定性的能力。
风力发电机组的电网适应性(特别是低压穿越性能)一般要在电网发生故障时才能展现出来，但电网发生故障，特别是严重故障的机会较少。为了深入测试、比较和改善风力发电机组的电网适应性(含低压穿越性能)，需要构建可反复进行实验的风力发电机组电网适应性测试系统。如图1所示，风力发电机组电网适应性测试系统一般由三相电源1(电网或三相交流发电机等)、电网故障模拟装置2及待测的风力发电机组3(或其关键子系统)组成。
如图2所示，目前，风力发电机组电网适应性测试系统中的电网故障模拟装置一般由电抗网络及开关组成，其中X1为串联限流电抗，X2为可变的短路电抗，X3为线路模拟电抗，而S为受控的开关。开关S闭合，电网故障模拟装置2模拟电网短路，在待测风力发电机组端造成电网电压跌落等故障，即可对待测风力发电机组在电网故障等模拟条件下进行电网适应性测试。
上述现有电网故障模拟装置存在如下缺陷：
1、装置体积庞大，成本高，且对电网容量有较高要求，调节不便，实验周期长；
2、由于需模拟电网的深度跌落，要求电抗网络中的串联限流电抗X1相对较大，对风力发电机组的初始运行状态及电网故障模拟过程中的测试参数影响较大；
3、电网故障测试前的电网电压初始状态基本不能调节，故难以测试风力发电机组在电网各种状态下发生故障时的完整数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，克服现有电网故障模拟装置的上述缺陷，提供一种风力发电机组电网适应性测试装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，包括基于功率半导体开关器件构建的变流器，该变流器输入端连接三相电源、输出端连接风力发电机组。
所述变流器包括控制器和依次连接的整流器、直流环节、逆变器，所述控制器与所述整流器、所述逆变器信号连接，所述整流器连接三相电源，所述逆变器连接风力发电机组。
或所述变流器包括交流-交流变换器和控制器，所述交流-交流变换器连接三相电源和风力发电机组，所述控制器与所述交流-交流变换器信号连接。
在本发明的风力发电机组电网适应性测试装置中，所述整流器包括由功率半导体开关器件组成的第一桥式电路、串接在该第一桥式电路输入端各相上的电抗；所述直流环节包括串接在所述桥式电路输出端的直流电容；所述逆变器包括由功率半导体开关器件组成的第二桥式电路、串接在该第二桥式电路输出端各相上的电抗；所述第二桥式电路输入端连接所述第一桥式电路输出端。
在本发明的风力发电机组电网适应性测试装置中，所述整流器包括输入电容组，所述逆变器包括输出电容组，所述输入电容组的电容对应连接在所述变流器输入端两相之间，所述输出电容组的电容对应连接在所述变流器输出端两相之间。
在本发明的风力发电机组电网适应性测试装置中，所述整流器包括由功率半导体开关器件组成的第三桥式电路、串接在该第三桥式电路输入端各相上的电抗；所述直流环节包括串接在所述桥式电路输出端的串接第一直流电容和第二直流电容，该第一直流电容和第二直流电容的串接端连接三相电源中线；所述变流器包括由功率半导体开关器件组成的第四桥式电路、串接在该第四桥式电路输出端各相上的电抗；所述第四桥式电路输入端连接所述第三桥式电路输出端。
在本发明的风力发电机组电网适应性测试装置中，所述整流器包括输入电容组，所述逆流器包括输出电容组，所述输入电容组的电容对应连接在所述变流器输入端各相与三相电源中线之间，所述输出电容组的电容对应连接在所述变流器输出端与三相电源中线之间。
在本发明的风力发电机组电网适应性测试装置中，所述交流-交流变换器包括矩阵变换器、输入电抗组和输出电抗组，所述输入电抗组的电抗分别对应串接在该矩阵变换器的各相输入端，所述输出电抗组的电抗分别对应串接在该矩阵变换器的各相输出端。
在本发明的风力发电机组电网适应性测试装置中，所述变流器包括输入电容组和输出电容组，所述输入电容组的电容连接在所述交流-交流变换器的输入端两相之间，所述输出电容组的电容连接在所述交流-交流变换器的输出端两相之间。
在本发明的风力发电机组电网适应性测试装置中，所述功率半导体开关器件为绝缘栅双极晶体管，门极可关断晶闸管，集成门极换流晶闸管之一或其组合。
实施本发明的风力发电机组电网适应性测试装置，与现有技术比较，其有益效果是：
1.采用基于功率半导体开关器件构建的变流器，功率密度大，体积小、成本低，并且能够承受电网适应性实验期间风力发电机组造成的大部分动态冲击，从而缓解实验系统对电网容量的要求；
2.能够实现电压、频率的无级调节，从而可方便、灵活地模拟各类电网偏差及故障，扩展测试范围，丰富测试数据，缩减实验周期；
3.还能够在电网适应性测试前模拟电网电压的各种初始状态，从而实现完整测试风力发电机组在电网各种状态下发生故障时的数据。
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是现有采用电网故障模拟装置测试风力发电机组电网适应性的测试系统示意图。
图2是现有风力发电机组电网适应性测试系统中，电网故障模拟装置的结构图。
图3是运用本发明风力发电机组电网适应性测试装置测试风力发电机组电网适应性的测试系统示意图。
图4是在风力发电机组电网适应性测试系统，本发明风力发电机组电网适应性测试装置的结构图一。
图5是本发明风力发电机组电网适应性测试装置的实施例一的电路图。
图6是本发明风力发电机组电网适应性测试装置的实施例二的电路图。
图7是在风力发电机组电网适应性测试系统，本发明风力发电机组电网适应性测试装置的结构图二。
图8是本发明风力发电机组电网适应性测试装置的实施例三的电路图。
具体实施方式
实施例一
如图3所示，本发明的风力发电机组电网适应性测试装置采用基于功率半导体开关器件构建的变流器20来实现，变流器20输入端连接三相电源1、输出端连接风力发电机组2。根据需要，风力发电机组电网适应性测试装置可以在变流器20的基础上增加其他结构。
如图4所示，变流器20包括控制器500、整流器200、直流环节300和逆变器400，整流器200、直流环节300、逆变器400依次连接，控制器500与整流器200、逆变器400信号连接，整流器连接三相电源1，逆变器400连接风力发电机组3，向待测风力发电机组提供测试电压。
用户通过控制器500向整流器200和逆变器400发送控制指令，通过控制整流器200、直流环节300、逆变器400，向待测风力发电机组提供测试所需的模拟电网电压。
如图5所示，变流器20的实施电路如下：变流器20采用三相三线的输入、输出方式(三角形接法)，其中输入端子In1、In2、In3连接三相电源，输出端子Out1、Out2、Out3连接待测风力发电机组。变流器20包括整流器200、直流环节300、逆变器400和控制器500。
整流器200包括输入电容组C1～C3、输入电抗L1～L3和由功率半导体开关器件Q1～Q6构成的桥式电路，输入电抗L1～L3串接在该桥式电路输入端各相上，输入电容组C1～C3分别连接在变流器的输入端两相之间。
直流环节300包含直流电容组Cdc1，该直流电容组Cdc1串接在上述桥式电路输出端。
逆变器400包括输出电抗L4～L6、输出电容组C4～C6和由功率半导体开关器件Q7～Q12构成的桥式电路，输出电抗L4～L6串接在该桥式电路输出端各相上，输出电容组C4～C6分别连接在变流器输出端两相之间。
由功率半导体开关器件Q7～Q12构成的桥式电路输入端连接由功率半导体开关器件Q1～Q6构成的桥式电路输出端。
控制器500与整流器200、逆变器400信号连接。
整流器200将来自三相电源的三相交流电压转换为直流环节300上的直流电压，逆变器400再将直流环节300上的直流电压转换为所需的三相交流电压，并输出至待测风力发电机组。用户通过控制器500向整流器200和逆变器400发送控制指令，向待测风力发电机组提供测试所需的模拟电网电压。
输入电容组C1～C3、输出电容组C4～C6起吸收电网负载冲击、保证风力发电机组电网适应性测试装置输出的模拟电网电压信号稳定的作用。在其他实施例中，不设置输入电容组C1～C3、输出电容组C4～C6，不影响本发明目的的实现。
实施例二
如图6所示，本发明的风力发电机组电网适应性测试装置的变流器20的实施电路如下：变流器采用三相四线的输入、输出方式(星形接法)，其中输入端子In1、In2、In3及InN(中线输入端)连接三相电源及中线，输出端子Out1、Out2、Out3及OutN(中线输出端)连接待测风力发电机组三相及中线。变流器20包括整流器800、直流环节900、逆变器1000和控制器1100。
整流器800包括输入电容组C11～C13、输入电抗L11～L13和由功率半导体开关器件Q13～Q18构成的桥式电路，输入电抗L11～L13串接在该桥式电路输入端各相上，输入电容组C11～C13分别连接在变流器输入端各相与三相电源中线之间。
所述直流环节900包括串联的直流电容组Cdc11、Cdc12，直流电容组Cdc11、Cdc12串接在由功率半导体开关器件Q13～Q18构成的桥式电路输出端。其中直流电容组Cdc11、Cdc12的串接端DcN同时连接至三相电源中线InN。
逆变器1000包括输出电抗L14～L16、输出电容组C14～C16和由功率半导体开关器件Q19～Q24构成的桥式电路。输出电抗L14～L16串接在该桥式电路输出端各相上，输出电容组C14～C16分别连接在变流器输出端与三相电源中线之间。
由功率半导体开关器件Q13～Q18构成的桥式电路输入端连接由功率半导体开关器件Q13～Q18构成的桥式电路输出端。
控制器1100与整流器800、逆变器1000信号连接。
整流器800将来自三相电源的三相交流电压转换为直流环节900上的直流电压，逆变器1000再将直流环节900上的直流电压转换为所需的三相交流电压，并输出至待测风力发电机组。用户通过控制器1100向整流器800和逆变器1000发送控制指令，向待测风力发电机组提供测试所需的模拟电网电压。
本实施例采用三相四线电路，可更便于对各相电压Vout1(Vout1N＝Vout1-VoutN)，Vout2(Vout2N＝Vout2-VoutN)，Vout3(Vout3N＝Vout3-VoutN)实施独立的故障模拟。
输入电容组C11～C13、输出电容组C14～C16起吸收电网负载冲击、保证风力发电机组电网适应性测试装置输出的模拟电网电压信号稳定的作用。在其他实施例中，不设置输入电容组C11～C13、输出电容组C14～C16，不影响本发明目的的实现。
实施例三
如图7所示，变流器20包括交流-交流变换器2000和控制器2100，控制器2100与交流-交流变换器2000信号连接。
如图8所示，本发明的风力发电机组电网适应性测试装置的变流器20的实施电路如下：
本实施例的变流器采用三相三线的输入、输出方式，其中输入端子In1～In3连接三相电源，输出端子Out1～Out3连接待测风力发电机组。
变流器20包括交流-交流变换器2000和控制器2100，交流-交流变换器2000连接三相电源和风力发电机组。交流-交流变换器2000将来自三相电源的三相交流电压直接转换为测试所需的三相交流电压，并输出至待测风力发电机组。控制器2100与交流-交流变换器2000信号连接。用户通过控制器2100向交流-交流变换器2000发送控制指令，向待测风力发电机组提供测试所需的模拟电网电压。
交流-交流变换器2000包括矩阵式电路2200、输入电容组C21～C23、输入电抗L21～L23、输出电抗L24～L26和输出电容组C24～C26，输入电抗L21～L23分别串接在矩阵式电路2200的各相输入端，输入电容组C21～C23分别连接在交流-交流变换器2000的输入端两相之间，输出电抗L24～L26分别串接在矩阵式电路2200的各相输出端，输出电容组C24～C26分别连接在交流-交流变换器2000的输出端两相之间。矩阵式电路2200由反向串接可作为双向可控开关的功率半导体开关器件Q31～Q39构成。
上述各实施例中的功率半导体开关器件包括但不限于绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)之一，也可以采用它们的组合来构建变流器20。

Claims (8)

1.一种风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，包括基于功率半导体开关器件构建的变流器，该变流器输入端连接三相电源、输出端连接风力发电机组；
所述变流器包括控制器和依次连接的整流器、直流环节、逆变器，所述控制器与所述整流器、所述逆变器信号连接，所述整流器连接三相电源，所述逆变器连接风力发电机组；
或所述变流器包括交流-交流变换器和控制器，所述交流-交流变换器连接三相电源和风力发电机组，所述控制器与所述交流-交流变换器信号连接。
2.如权利要求1所述的风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述整流器包括由功率半导体开关器件组成的第一桥式电路、串接在该第一桥式电路输入端各相上的电抗；所述直流环节包括串接在所述桥式电路输出端的直流电容；所述逆变器包括由功率半导体开关器件组成的第二桥式电路、串接在该第二桥式电路输出端各相上的电抗；所述第二桥式电路输入端连接所述第一桥式电路输出端。
3.如权利要求2所述的风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述整流器包括输入电容组，所述逆变器包括输出电容组，所述输入电容组的电容对应连接在所述变流器输入端两相之间，所述输出电容组的电容对应连接在所述变流器输出端两相之间。
4.如权利要求1所述的风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述整流器包括由功率半导体开关器件组成的第三桥式电路、串接在该第三桥式电路输入端各相上的电抗；所述直流环节包括串接在所述桥式电路输出端的串接第一直流电容和第二直流电容，该第一直流电容和第二直流电容的串接端连接三相电源中线；所述变流器包括由功率半导体开关器件组成的第四桥式电路、串接在该第四桥式电路输出端各相上的电抗；所述第四桥式电路输入端连接所述第三桥式电路输出端。
5.如权利要求4所述的风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述整流器包括输入电容组，所述逆流器包括输出电容组，所述输入电容组的电容对应连接在所述变流器输入端各相与三相电源中线之间，所述输出电容组的电容对应连接在所述变流器输出端与三相电源中线之间。
6.如权利要求1所述的风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述交流-交流变换器包括矩阵变换器、输入电抗组和输出电抗组，所述输入电抗组的电抗分别对应串接在该矩阵变换器的各相输入端，所述输出电抗组的电抗分别对应串接在该矩阵变换器的各相输出端。
7.如权利要求6所述的风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述变流器包括输入电容组和输出电容组，所述输入电容组的电容连接在所述交流-交流变换器的输入端两相之间，所述输出电容组的电容连接在所述交流-交流变换器的输出端两相之间。
8.如权利要求1至7之一所述的风力发电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述功率半导体开关器件为绝缘栅双极晶体管，门极可关断晶闸管，集成门极换流晶闸管之一或其组合。
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