CN102148501A - 一种风电场扰动发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对风电机组进行入网检测和对大型风电场并网运行进行检测评价的扰动发生装置，该扰动发生装置产生用于风机测试的各种电压，其由低频电压扰动装置和高频电压扰动装置组成，低频电压扰动装置由启动电阻、降压变压器、滤波器、并联电压源换流器模块和升压变压器组成，用于实现低频电压扰动的功能，高频电压扰动装置由启动电阻、整流变压器、PWM整流器模块、级联H桥模块和滤波器组成，用于实现输出2～25次的谐波电压的功能可以实现能量的双向流动，满足风机在电动和发电状态之间的切换要求。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种风电场扰动发生装置。
背景技术
风电作为一种波动性电源具有难以调度的特性，大规模风电并网运行对电力系统安全稳定运行有一定的影响。当电网发生扰动(包括电压波动、频率波动或三相电压不平衡等)时，并网运行的大规模风电场必须具备良好的电网适应能力，其中包括有功功率调节、无功功率调节、频率调节和抗干扰能力等。
由于我国风电产业还处在起步阶段，生产或购买的绝大部分风电机组有功功率、无功功率、频率调节、低电压穿越能力以及抗干扰能力没有经过检测，而且并网运行的风电机组大部分不具备上述性能和能力，对电网的安全稳定运行造成很大的影响。因此，有必要建立相应的检测能力，对风电机组进行入网检测和对大型风电场并网运行进行检测评价，从而保证风电机组性能和风电场运行特性满足电网的要求，提高电网运行的可靠性和安全性。
目前急需一种全功率变频器作为电网电压扰动发生装置，以模拟电网的各种状态，包括电压波动、频率波动、电压畸变和三相电压不平衡，用于对风电机组进行入网检测。作为风电机组检测试验的关键设备之一，风电场扰动发生装置的开发可以弥补常规风电场无法进行风电机组频率、电网适应能力、抗干扰等能力实验和检测工作。
该装置主要用来模拟电网电压波动、频率波动、电压畸变和三相电压不平衡等运行情况，因此装置需要具备在非平衡负载下正常工作的能力，并且保证每相电压可分别调整，用来实现三相电压不平衡电网的模拟。同时，装置应当具有良好的人机交互界面，通过更改控制参数，即可改变运行方式。
该装置必须保证在模拟各种电网运行情况时网侧变频器具有良好的控制能力，不会对风电场内其它风电机组以及电网造成谐波污染。
中国发明200610012018提供了一种串联型电压质量扰动发生装置，属于电能质量分析与控制领域。包括并联换流变压器(1)、三相全桥PWM变流器(2)、直流斩波器及超级电容储能系统(3)、单相全桥PWM变流器组(4)、串联注入变压器组(5)。其发明的优点在于：基于串联补偿模式实现大容量、多扰动类型的电压质量扰动发生装置的方法，较好克服了目前同类装置存在的功能单一、精度较低、价格昂贵、或容量较小的缺点，具有显著的技术经济优越性。扰动装置可在串联调制模式下产生电压暂降、暂升、过电压、欠电压、三相不平衡、电压波动与闪变、波形畸变等多种电压质量扰动类型。但其单相全桥PWM变流器组的直流侧电容接在直流斩波器及超级电容储能系统的同一线端，因此单相PWM变流器组的控制容易互相干扰，控制效果容易受到影响，而本发明的每个H桥的直流侧电容相互隔离，并由独立的单相PWM整流电路供电，因此在控制效果上会有良好的优越性，同时本发明为通过断路器相连的低频电压扰动装置和高频电压扰动装置两个独立的装置，可以降低装置间的干扰，更能满足装置功能的多样性和多选择性。
发明内容
本发明提供了一种对风电机组进行入网检测和对大型风电场并网运行进行检测评价的扰动发生装置，该扰动发生装置产生用于风机测试的各种电压，其由低频电压扰动装置和高频电压扰动装置组成，可以实现能量的双向流动，满足风机在电动和发电状态之间的切换要求。
本发明的一种风电场扰动发生装置，由低频电压扰动装置、高频电压扰动装置和断路器组成，低频电压扰动装置和高频电压扰动装置串联在系统中，实现能量的双向流动，满足风机在电动和发电状态之间的切换要求，通过控制断路器的开断状态控制装置的投入状态。
其中，所述低频电压扰动装置由启动电阻、降压变压器、滤波器、并联电压源换流器模块和升压变压器组成，采用串联连接的方式，启动电阻的一端与降压变压器的原边线圈相连，降压变压器的副边线圈与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端与并联电压源换流器模块的输入端相连，并联电压源换流器模块的输出端与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端再与升压变压器相连，用于实现低频电压扰动的功能。
其中，所述低频电压扰动装置中启动电阻限制了较大冲击的预充电电流。
其中，所述低频电压扰动装置中降压变压器原边与启动电阻相连，副边与并联电压源换流器模块的桥臂终端相连，原副边分别为星形和星形接线，连接组别为Y，y0(不接地)，实现电网电压与VSC输出电压相匹配。
其中，所述低频电压扰动装置中滤波器为电感-电容-电容滤波器，连接方式为电阻与电容串联后与电容并联，再与电感串联，可以滤除高次谐波，该滤波器一端与降压变压器相连，另一端与并联电压源换流器的桥臂终端相连。
其中，所述低频电压扰动装置中并联电压源换流器模块由N个三相背靠背电压源换流器(VSC)并联组成，三相背靠背电压源换流器(VSC)由并联在电容器组两端的两个功率模块构成，每个功率模块具有三个桥臂，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，上下两个开关单元分别称为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端，该并联电压源换流器模块两端分别与滤波器相连。
其中，所述低频电压扰动装置中升压变压器，原边与滤波器相连，原副边分别为星形和星形接线，连接组别为Y，y0(不接地)。
其中，所述高频电压扰动装置由启动电阻、整流变压器、PWM(脉冲宽度调制)整流器、级联H桥和滤波器组成，采用串联连接的方式，启动电阻的一端与整流变压器的原边线圈相连，整流变压器的副边线圈与PWM整流器的输入端相连，PWM整流器的输出端与级联H桥模块的输入端相连，级联H桥模块的输出端与滤波器相连，用于实现输出2～25次的谐波电压的功能。
其中，所述高频电压扰动装置中启动电阻限制了较大冲击的预充电电流。
其中，所述高频电压扰动装置中整流变压器，整流变压器由原边线圈和副边线圈组成，原边线圈1A、1B、1C采用三角接法；副边三相相互独立，每相又包括N个独立的线圈，为2A、3A…(N+1)A，2B、3B…(N+1)B，2C、3C…(N+1)C，与PWM整流器的桥臂终端相连，其中N为自然数。
其中，所述高频电压扰动装置中单相PWM整流器采用具有4个功率开关管的H桥结构，每个全桥模块由两个桥臂组成，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，两个桥臂的上桥臂的集电极和下桥臂的发射集分别连接在一起，形成全桥模块的正负极直流母线，集电极连接在一起的为正极直流母线，发射极连接在一起的为负极直流母线，每个单相PWM整流器通过并联电容器组与级联H桥模块中每个H桥相连。
其中，所述高频电压扰动装置中级联H桥是由若干个H桥模块级联组成，每个H模块由两个桥臂组成，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，两个桥臂的上桥臂的集电极和下桥臂的发射集分别连接在一起，形成全桥模块的正负极直流母线，集电极连接在一起的为正极直流母线，发射极连接在一起的为负极直流母线，每个模块的桥臂终端分别与其相邻的两个模块的桥臂终端相连，组成级联H桥模块。
其中，所述高频电压扰动装置中滤波器为LCR(电感-电容-电阻滤波器)，电感、电容与电阻串联构成，可以滤除高次谐波，其输出端与级联H桥模块的最后一个桥臂终端相连。
本发明的风电场扰动发生装置具有以下优点：
●可以实现电压波动、频率波动、电压畸变和三相电压不平衡等多种扰动
●具备在非平衡负载下正常工作的能力
●每相电压可分别调整
●网侧变流器具有良好的控制能力
●扰动装置可以实现能量的双向流动
●满足风机在电动和发电状态之间的切换要求。
附图说明
为了使本发明的内容被更清楚的理解，并便于具体实施方式的描述，下面给出与本发明相关的附图说明如下：
图1是依据本发明的扰动发生装置的总体结构示意图。
图2是依据本发明的低频电压扰动发生装置主电路拓扑示意图。
图3是依据本发明的高频电压扰动发生装置主电路拓扑示意图。
图4是依据本发明的风电场扰动发生装置应用示意图。
图5是依据本发明的高频电压扰动发生装置整流变压器拓扑示意图。
图6是依据本发明的高频电压扰动发生装置中单相PWM整流与H桥拓扑示意图。
图7是依据本发明的高频电压扰动发生装置滤波器示意图。
其中，低频电压扰动装置1，高频电压扰动装置2，低频电压扰动装置启动电阻3，降压变压器4，低频电压扰动装置滤波器5，并联换流器模块6，升压变压器7，高频电压扰动装置启动电阻8，整流变压器9，单相PWM整流电路模块10，H桥级联模块11，高频电压扰动装置滤波器12。
图4为本发明风电场扰动装置示意图，本发明风电场扰动装置置于电网与风电场之间，用来模拟电网电压波动、频率波动、电压畸变和三相电压不平衡等运行情况，装置两侧接有变压器来满足和电网以及风电场电压一致性的要求。
具体实施方式
本发明的技术方案是：扰动装置放于电网与风场之间，由扰动装置产生用于风机测试的各种电压，其由低频电压扰动装置和高频电压扰动装置两部分组成，见图1所示。图1中QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6为主电路中的断路器，可以根据实际要求通过控制断路器的开断投入所需要的扰动装置。
在正常情况下风机输出额定功率较大，考虑到在风机测试中伴有电压波动、负序等工况，低频电压扰动装置的主电路结构如图2所示，由启动电阻3、降压变压器4、滤波器5、并联换流器模块6、升压变压器7组成。启动电阻3可以限制较大冲击的预充电电流。降压变压器4原副边分别为星形和星形接线，连接组别为Y，y0(不接地)，实现电网电压与VSC输出电压相匹配。滤波器5为LCC滤波器，连接方式为电容与电阻串联，再与电容并联，再串接电感，可以滤除高次谐波。并联换流器模块6是由N台背靠背电压源换流器并联组成，其中每台三相背靠背电压源换流器(VSC)由并联在电容器组两端的两个功率模块构成，每个功率模块有三个桥臂，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，上下两个开关单元分别称为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端。升压变压器7原副边分别为星形和星形接线，连接组别为Y，y0(不接地)。
高频电压扰动装置的主电路结构如图3所示，由启动电阻8、整流变压器9、单相PWM整流电路10、若干个H桥级联模块11以及滤波器12组成。用于实现输出2～25次的谐波电压的功能，可以通过滤波器滤除高次谐波，通过启动电阻限制了较大冲击的预充电电流。启动电阻8可以限制较大冲击的预充电电流。整流变压器9，如图5所示，原边线圈1A、1B、1C采用三角接法；副边三相相互独立，每相又包括N个独立的线圈，与PWM整流器的桥臂终端相连。单相PWM整流器10，如图6，采用具有4个功率开关管的H桥结构。H桥为每个全桥模块由两个桥臂组成，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，每个单相PWM整流器通过直流电容器组分别与每个H桥相连。H桥级联模块11，如图6，由若干个H桥模块级联组成，每个全桥模块由两个桥臂组成，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，两个桥臂的上桥臂的集电极和下桥臂的发射集分别连接在一起，形成全桥模块的正负极直流母线，集电极连接在一起的为正极直流母线，发射极连接在一起的为负极直流母线，每个模块的桥臂终端分别与其相邻的两个模块的桥臂终端相连，组成级联H桥模块，每个H桥的直流侧电容相互隔离，并由独立的单相PWM整流电路供电。滤波器12，如图7，为LCR(电感-电容-电阻滤波器)，电感、电容和电阻串联构成，可以滤除高次谐波。
风电场扰动发生装置安装位置如图4所示。装置模拟电网的各种状态，包括电压波动、频率波动、电压畸变和三相电压不平衡，用于对风电机组进行入网检测。
上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的发明权利要求书及其同等物限制。
Claims (13)
1.一种风电场扰动发生装置，其特征在于该装置由低频电压扰动装置(1)、高频电压扰动装置(2)和断路器组成，低频电压扰动装置和高频电压扰动装置串联在系统中，实现能量的双向流动，满足风机在电动和发电状态之间的切换要求，通过控制断路器的开断状态控制装置的投入状态。
2.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述低频电压扰动装置(1)由启动电阻(3)、降压变压器(4)、滤波器(5)、并联电压源换流器模块(6)和升压变压器(7)组成，采用串联连接的方式，启动电阻(3)的一端与降压变压器(4)的原边线圈相连，降压变压器(4)的副边线圈与滤波器(5)的输入端相连，滤波器(5)的输出端与并联电压源换流器模块(6)的输入端相连，并联电压源换流器模块(6)的输出端与滤波器(5)的输入端相连，滤波器(5)的输出端再与升压变压器(7)相连，用于实现低频电压扰动的功能。
3.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述低频电压扰动装置(1)中启动电阻(3)限制了较大冲击的预充电电流。
4.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述低频电压扰动装置(1)中降压变压器(4)原边与启动电阻(3)相连，副边与并联电压源换流器模块的桥臂终端相连，原副边分别为星形和星形接线，连接组别为Y，y0(不接地)，实现电网电压与VSC输出电压相匹配。
5.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述低频电压扰动装置(1)中滤波器(5)为电感-电容-电容滤波器，连接方式为电阻与电容串联后与电容并联，再与电感串联，可以滤除高次谐波，该滤波器一端与降压变压器相连，另一端与并联电压源换流器的桥臂终端相连。
6.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述低频电压扰动装置(1)中并联电压源换流器模块(6)由N个三相背靠背电压源换流器(VSC)并联组成，三相背靠背电压源换流器(VSC)由并联在电容器组两端的两个功率模块构成，每个功率模块具有三个桥臂，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，上下两个开关单元分别称为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端，该并联电压源换流器模块两端分别与滤波器相连。
7.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述低频电压扰动装置(1)中升压变压器(7)，原边与滤波器相连，原副边分别为星形和星形接线，连接组别为Y，y0(不接地)。
8.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述高频电压扰动装置(2)由启动电阻(8)、整流变压器(9)、PWM整流器(10)、级联H桥(11)和滤波器(12)组成，采用串联连接的方式，启动电阻的一端与整流变压器的原边线圈相连，整流变压器的副边线圈与PWM整流器的输入端相连，PWM整流器的输出端与级联H桥模块的输入端相连，级联H桥模块的输出端与滤波器相连，用于实现输出2～25次的谐波电压的功能。
9.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述高频电压扰动装置(2)中启动电阻(8)限制了较大冲击的预充电电流。
10.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述高频电压扰动装置(2)中整流变压器(9)，整流变压器由原边线圈和副边线圈组成，原边线圈1A、1B、1C采用三角接法；副边三相相互独立，每相又包括N个独立的线圈，为2A、3A…(N+1)A，2B、3B…(N+1)B，2C、3C…(N+1)C，与PWM整流器的桥臂终端相连，其中N为自然数。
11.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述高频电压扰动装置(2)中单相PWM整流器(10)采用具有4个功率开关管的H桥结构，每个全桥模块由两个桥臂组成，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，两个桥臂的上桥臂的集电极和下桥臂的发射集分别连接在一起，形成全桥模块的正负极直流母线，集电极连接在一起的为正极直流母线，发射极连接在一起的为负极直流母线，每个单相PWM整流器通过并联电容器组与级联H桥模块中每个H桥相连。
12.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述高频电压扰动装置(2)中级联H桥(11)是由若干个H桥模块级联组成，每个H模块由两个桥臂组成，上桥臂和下桥臂的连接点引出作为该桥臂终端，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管组成的开关单元串联而成，两个桥臂的上桥臂的集电极和下桥臂的发射集分别连接在一起，形成全桥模块的正负极直流母线，集电极连接在一起的为正极直流母线，发射极连接在一起的为负极直流母线，每个模块的桥臂终端分别与其相邻的两个模块的桥臂终端相连，组成级联H桥模块。
13.根据权利要求1所述的风电场扰动发生装置，其特征在于所述高频电压扰动装置(2)中滤波器(12)为电感-电容-电阻滤波器LCR，电感、电容与电阻串联构成，可以滤除高次谐波，其输出端与级联H桥模块的最后一个桥臂终端相连。
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