CN102129036A - 风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置 - Google Patents

风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置 Download PDF

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贾跟卯
武守远
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Abstract

本发明涉及一种风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置。该装置串联在被测风电机组与电网之间，采用阻抗分压形式、车载集装箱结构，通过模拟电压跌落故障实现对风电机组低电压穿越性能的测试。该装置主接线由串联电抗器组、并联电抗器组和断路器组成；串联电抗器组和并联电抗器组均由至少一个可调电抗器构成，通过调节各可调电抗器的阻抗值和/或各可调电抗器的连接方式，可改变阻抗分压比，实现测试点电压跌落深度的改变，根据系统需求还可实现电压跌落的一次恢复或阶梯恢复。该装置可完成额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求。

Description

风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置
技术领域
本发明属于新能源并网测试领域，尤其涉及一种风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置。
背景技术
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15％。
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 Voltage 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，欧美国家制定的风电并网准则中均涉及到了风电机组的低电压穿越能力。我国即将颁布的国标《风电场接入电力系统技术规定》中对并网运行的风电机组的低电压穿越能力也进行了详细规定(附图1)。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移动式低电压穿越测试装置，主要测试设备均依赖进口，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。
本发明提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试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，适用于额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求，打破了国外厂家的技术垄断，填补了国内空白。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，该装置串联在风电机组与电网之间，采用阻抗分压形式、可调电抗器设计、车载集装箱结构，通过改变阻抗分压比实现对被测风电机组不同跌落等级电压跌落故障的模拟，可完成额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，可满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案实现：
一种风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，其特征在于：该装置串联在被测风电机组与电网之间，采用阻抗分压形式、车载集装箱结构，通过模拟电压跌落故障实现对风电机组低电压穿越性能的测试。
其中，该装置的主接线由串联电抗器组、并联电抗器组和断路器组成，上述各设备集成在至少一个车载集装箱内，在该装置的主接线中，所述串联电抗器组、并联电抗器组与被测风电机组的连接点即为该装置的测试点。
其中，所述串联电抗器组和并联电抗器组均由至少一个可调电抗器构成，通过调节串联电抗器组和并联电抗器组中各可调电抗器的组合方式和/或调节各可调电抗器的阻抗值来改变串联电抗器组和并联电抗器组的阻抗分压比，进而改变测试点的电压跌落深度。
其中，当串联电抗器组和并联电抗器组中可调电抗器的数量为一个时，两个可调电抗器与被测风电机组的连接点即为该装置的测试点；当串联电抗器组和并联电抗器组中可调电抗器的数量为两个以上时，每个可调电抗器的参数可设计为相同或不同；串联电抗器组中各可调电抗器的组合方式采用串联、并联或串、并联相结合的方式连接，并联电抗器组中各可调电抗器的组合方式采用串联、并联或串、并联相结合的方式连接。
其中，每个可调电抗器上均设有阻抗值不同的多个端子，调节各可调电抗器阻抗值的方法为：采用短接片直接短接各个端子的方式；或者采用在各个端子间连接晶闸管阀组，通过在线触发晶闸管阀组的方式。
其中，根据系统需求，可实现测试点电压跌落的一次恢复或阶梯型恢复，所述电压跌落的一次恢复，通过控制相应的断路器断开实现；所述电压跌落的阶梯恢复，需在可调电抗器的各端子之间连接晶闸管阀组，通过在线触发相应的晶闸管阀组实现。
实现电压跌落的一次恢复时，调节可调电抗器阻抗值的方式可采用短接片直接短接各个端子的方式，也可采用在各个端子之间连接晶闸管阀组，通过在线触发阀的方式。电压跌落的一次恢复通过控制断路器CB4来实现(如附图2所示)；实现电压跌落的阶梯恢复时，可调电抗器的各端子之间要连接晶闸管阀组，通过在线触发相应的晶闸管阀组来实现。
本发明的有益效果如下：
①本发明提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，适用范围广，可适用于额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求；
②所提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置采用阻抗分压的结构形式，每个可调电抗器上有阻抗值不同的多个端子，可通过短接不同的端子方便地改变阻抗值的大小。进一步通过改变多个可调电抗器的组合，实现测试点电压跌落的多种组合方式，能够很好的适应系统运行方式改变对跌落精度的影响。根据需求还可完成电压跌落的一次恢复或阶梯恢复；
③本发明提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置采用集约化设计、集装箱车载运输，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的并网验收试验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；
④所提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置中串联可调电抗器或并联可调电抗器的阻抗值的改变可采用传统的手动连接短接片的方式实现，也可以在各个端子之间连接品闸管阀组、并通过控制实现晶闸管阀控短接方式实现。
技术的新颖性
目前，欧美国家制定的风电并网准则中均涉及到了风电机组的低电压穿越能力。我国即将颁布的国标《风电场接入电力系统技术规定》中对并网运行的风电机组的低电压穿越能力也进行了详细规定。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，主要测试设备均依赖进口，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。
本发明提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试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，适用于额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，可满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求，填补了国内空白。目前，国内制造厂家尚没有研制成功本发明提供的移动式可调电抗器型低电压跌落测试装置。
技术的创造性
装置技术的创造性主要表现在：
①本发明所提出的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，是国内目前容量最大、测试风机容量范围最广的移动式低电压穿越测试装置，可完成额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，可满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求；
②所提出的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，采用集约化设计，可调电抗器和断路器等主要设备均高度集中在集装箱内，并采用车载运输，测试灵活、方便；
③所提出的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，采用阻抗分压原理，通过调节可调电抗器的阻抗值，实现测试点电压跌落深度的变化，并根据需求完成电压跌落的一次恢复或阶梯恢复；
④可调电抗器上有阻抗值不同的多个端子，阻抗值大小的调节通过短接不同的端子实现。除了传统的手动连接短接片实现短接的方式之外，装置还首创了晶闸管阀控短接的方式：在各个端子之间连接晶闸管阀组，通过在线触发阀组实现自动控制短接。
技术的实用性
①所提出的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求，可完成额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，能够满足目前国内绝大多数风电场低电压穿越测试需求。
②所提出的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，采用集约化设计、集装箱车载运输，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。
③通过多个可调电抗器的组合方式的变化和调节每个可调电抗器的阻抗实现测试点电压跌落的多种组合方式，能够很好的适应系统运行方式改变对跌落精度的影响。根据需求可完成电压跌落的一次恢复或阶梯恢复。即满足风电场验收试验的需求，又可用于风电机组低电压穿越过程中的科学研究。
附图说明
图1国家标准《风电场接入电力系统技术规定》中对风电场低电压穿越要求曲线；
图2是本发明所述的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置的典型结构原理示意图；
图3可调电抗器一种典型接线示意图；
图4可调电抗器各端子间连接晶闸管阀的一种典型接线示意图；
图5是电压跌落和一次恢复的曲线图；
图6是电压跌落和阶梯恢复的曲线图。
具体实施方式
(1)装置的构成和工作原理
所提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置串联在风电机组与电网之间，采用阻抗分压形式、可调电抗器设计、车载集装箱结构，通过改变阻抗分压比模拟不同跌落等级电压跌落故障，实现对被测风电机组低电压穿越性能的测试。该装置可完成额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，可满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对低电压穿越测试试验的要求。
图2示出了本发明所提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置的典型结构原理示意图。如图2所示，该装置的主接线包括串联电抗器组、并联电抗器组、断路器。整个装置采用车载集装箱结构、紧凑化设计，所有主设备高度集成在1个或多个集装箱之内，运输方便、测试灵活。主接线中，串联电抗器组、并联电抗器组与被测风电机组的连接点即为该装置的测试点。通过断开断路器CB2和闭合断路器CB4分别将串联电抗器组和并联电抗器组投入(附图2)；通过调节串联电抗器组和并联电抗器组的阻抗值来改变阻抗分压比，进而改变测试点的电压跌落深度，并实现电压跌落的阶梯型恢复；通过断开断路器CB4实现测试点电压的一次恢复。
装置的串联电抗器组由多个可调电抗器组成，每个可调电抗器的参数可设计为相同或不同，各可调电抗器间可采用串联、并联组合方式以及串并联相结合的组合方式；并联电抗器组由多个可调电抗器组成，每个可调电抗器的参数可设计为相同或不同，各可调电抗器间可采用串联、并联组合方式以及串并联相结合的组合方式。
每个可调电抗器上均有阻抗值不同的多个端子(图3中以4个端子的可调电抗器为例，1、2、3、4为可调电抗器的外接端子)，阻抗值大小的调节通过短接不同的端子实现。具体的短接方式可通过短接片直接短接，以图3中的端子1和2为例，将端子1和2通过短接片短接后，端子1和2之间的阻抗被短接；阻抗值大小的调节也可以通过在各个端子之间连接晶闸管阀组(图4中以4个端子的可调电抗器为例，1、2、3、4为可调电抗器的外接端子，各端子间连接晶闸管阀)，通过在线触发阀组实现短接。以触发图4中的端子1和2之间的连接晶闸管阀，通过触发该阀，使端子1和2之间的阻抗被短接。
以串联电抗器组为例，通过对每个可调电抗器阻抗值的调节以及多个可调电抗器的组合，可以获得许多个等效电抗值X1；同理，通过对每个可调电抗器阻抗值的调节以及多个可调电抗器的组合，也可以获得许多个等效电抗值X2。利用公式X2/(X1+X2+Xc)(Xc为电网侧的系统阻抗值)，选用不同的X1和X2值，即可实现测试点电压跌落的很多种组合方式，可有效适应系统运行方式变化(系统阻抗Xc改变)对跌落精度的影响。
该装置中的断路器包括：
●系统侧断路器CB1，其与串联电抗器组相串联且位于电网一侧，用于控制装置的接入系统；
●旁路断路器CB2，其与串联电抗器组相并联，作为风电机组正常发电过程中的通路。通过断开或闭合CB2，可实现串联电抗器组投入或退出；
●风电侧断路器CB3，其与串联电抗器组相串联且位于风电机组一侧，用于控制装置与被测风电机组的连接，串联电抗器组与风电侧断路器CB3之间连接有并联可调电抗器组；
●分压侧断路器CB4，其与并联电抗器组相串联，用于控制并联电抗器组的投入与推出，从而实现测试点电压的跌落。
(2)装置的电压跌落和恢复过程
装置的电压跌落过程通过控制旁路断路器CB2、分压侧断路器CB4实现，电压恢复可根据需要采用一次恢复或阶梯恢复。
①电压跌落和一次恢复
采用电压跌落和一次恢复时，可调电抗器阻抗调节的方式可采用短接片直接短接方式(典型接线图见图3)，也可采用在各个端子之间连接晶闸管阀组，通过在线触发阀组实现阻抗调节(典型接线图见图4)。电压跌落和一次恢复过程示意图如图5所示，具体描述如下：
试验前，根据所需的跌落深度组合查表获得X1、X2的具体值。可采用手动连接短接片的形式获得串联电抗器组X1以及并联可调电抗器组X2的参数；当各可调电抗器端子间并联晶闸管阀组时，也可采用控制相应的晶闸管阀组导通的方式从而得到串联可调电抗器组X1以及并联电抗器组X2的参数。通过闭合断路器CB1、CB2和CB3使风电机组并网运行。接下来开始低电压穿越试验，首先断开CB2将X1接入，X1接入时间t0可设定。电压跌落通过控制断路器CB4闭合实现，跌落时间t1由断路器CB4触头合闸建立电压时间决定；测试点处电压跌落可实现跌至额定电压的90％、80％、75％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、0％的电压等级。电压跌落后持续的时间t5，即断路器CB4闭合后的时间，最小为200ms，最大可设定；接下来开始电压的一次恢复，一次恢复时间t3由断路器CB4触头分闸建立电压时间决定；断路器CB4断开后经一定时间t4后闭合CB2，风电机组重新并网运行，一次低电压穿越测试试验结束；一次测试试验持续的时间，从断开CB2开始到闭合CB2结束的时间为t6，具体可以设定。
②电压跌落和阶梯恢复
采用电压跌落和阶梯恢复时，可调电抗器各端子之间要连接晶闸管阀组(典型接线图见图4)，通过在线触发阀组实现阻抗调节。电压跌落和阶梯恢复过程示意图如图6所示，具体描述如下：
试验前，根据所需的跌落深度组合查表获得X1、X2的具体值，并采用控制相应的晶闸管阀组导通的方式从而得到串联电抗器组X1以及并联电抗器组X2的参数。通过闭合断路器CB1、CB2和CB3使风电机组并网运行。接下来开始低电压穿越试验，首先断开CB2将X1接入，X1接入时间t0可设定。电压跌落通过控制断路器CB4闭合实现，跌落时间t1由断路器CB4触头合闸建立电压时间决定；测试点处电压跌落可实现跌至额定电压Un的90％、80％、75％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、0％的电压等级。电压跌落后持续的时间t6，即断路器CB4闭合后的时间，最小为200ms，最大可设定；接下来开始电压的恢复过程，通过在线触发相应的晶闸管阀实现电压的阶梯型恢复。相邻两阶梯间电压差为10％Un或其整数倍，时间最小为40ms，最大可设置；电压恢复过程结束后，控制断路器CB4断开，而后经一定时间t5后闭合CB2，风电机组重新并网运行，一次低电压穿越测试试验结束；一次测试试验持续的时间，从断开CB2开始到闭合CB2结束的时间，最大可设定。
本发明所提供的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置能够实现测试点电压跌落后的一次恢复和阶梯恢复，可有效适应系统运行方式变化对跌落精度的影响，适用于额定容量最大为6MW的各种风电机组低电压穿越测试试验，满足欧美各国风电并网准则和国标《风电场接入电力系统技术规定》中对风电机组低电压穿越测试试验的要求。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，结合上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (6)

1.一种风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，其特征在于：该装置串联在被测风电机组与电网之间，采用阻抗分压形式、车载集装箱结构，通过模拟电压跌落故障实现对风电机组低电压穿越性能的测试。
2.如权利要求1所述的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，其特征在于：该装置的主接线由串联电抗器组、并联电抗器组和断路器组成，上述各设备集成在至少一个车载集装箱内，在该装置的主接线中，所述串联电抗器组、并联电抗器组与被测风电机组的连接点即为该装置的测试点。
3.如权利要求2所述的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，其特征在于：所述串联电抗器组和并联电抗器组均由至少一个可调电抗器构成，通过调节串联电抗器组和并联电抗器组中各可调电抗器的组合方式和/或调节各可调电抗器的阻抗值来改变串联电抗器组和并联电抗器组的阻抗分压比，进而改变测试点的电压跌落深度。
4.如权利要求3所述的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，其特征在于：当串联电抗器组和并联电抗器组中可调电抗器的数量为一个时，两个可调电抗器与被测风电机组的连接点即为该装置的测试点；当串联电抗器组和并联电抗器组中可调电抗器的数量为两个以上时，每个可调电抗器的参数可设计为相同或不同；串联电抗器组中各可调电抗器的组合方式采用串联、并联或串、并联相结合的方式连接，并联电抗器组中各可调电抗器的组合方式采用串联、并联或串、并联相结合的方式连接。
5.如权利要求3所述的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，其特征在于：每个可调电抗器上均设有阻抗值不同的多个端子，调节各可调电抗器阻抗值的方法为：采用短接片直接短接各个端子的方式；或者采用在各个端子间连接晶闸管阀组，通过在线触发晶闸管阀组的方式。
6.如权利要求1-5任一所述的风力发电机组用移动式低电压穿越测试装置，其特征在于：根据系统需求，可实现测试点电压跌落的一次恢复或阶梯型恢复，所述电压跌落的一次恢复，通过控制相应的断路器断开实现；所述电压跌落的阶梯恢复，需在可调电抗器的各端子之间连接晶闸管阀组，通过在线触发相应的晶闸管阀组实现。
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