CN103454521B - 一种风电场电网运行模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风电场电网运行模拟装置，包括降压变压器、电网扰动模拟发生装置与电网故障模拟发生装置；降压变压器的一端连接中高压电网，另一端连接电网扰动模拟发生装置的输入端，电网扰动模拟发生装置的输出端连接电网故障模拟发生装置的输入端，电网故障模拟发生装置的输出端连接中高压电网；电网扰动模拟发生装置的输入端和输出端之间并联断路器。本发明能够实现电网扰动与故障的在线混合模拟，采集和分析风电机组测试期间的实际运行数据，可以对风电机组进行电网适应性测试、低电压穿越能力测试和高电压穿越能力试验与检测，对风电机组的电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力进行综合的试验与评价。
Description
技术领域
本发明属于新能源接入与控制技术领域，具体涉及一种风电场电网运行模拟装置。
背景技术
风电机组作为网内的发电单元之一，其既是风电场扰动与故障问题的制造者之一同时又是问题的承受者之一。高穿透率的风电并网运行给电力系统安全稳定运行带来了巨大的挑战，具备电网扰动抗干扰能力和电网故障穿越能力已成为对风电机组/风电场的必然要求。
世界各主要风电发达国家的并网导则中，均对风电机组/风电场的电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力作出了不同程度的要求。而风资源的波动性、间歇性等自然属性与风电机组的系统复杂性及电网高度敏感性，决定了风电机组电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力试验检测必须在并网运行条件下开展，实验室模拟或工厂试验无法准确全面地反映风电机组的电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力。
为适应并网导则要求，风电机组须进行电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力测试，其主要包括低电压穿越（Low Voltage Ride Through）测试、高电压穿越（High Voltage RideThrough）测试和电网适应性（Grid Adaptability）测试。而目前三个测试项目均有各自不同的测试装置来完成，其测试周期长，且无法一次完成上述的三项电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力测试，经过上述单项电网扰动、低电压穿越与高电压穿越故障的测试风电机组仍然无法正常并网运行。例如2012年我国西北地区某风电场发生电网两相跌落故障，具备风电机组低电压穿越能力的风电机组成功渡过低电压故障连续运行未脱网；而在随后的电网电压恢复过程中，由于电力系统内部分无功补偿装置不具备自投切功能，造成局部电网无功过剩，电网发生了高电压故障，使的部分不具备高电压穿越能力的机组因高电压故障而切除；此外，由于低电压故障、高电压故障造成了大批风电机组脱网，导致了系统内有功功率的不平衡，使得系统电网频率降低，部分风电机组因不具备电网频率适应能力而从电网切除。
为保障大规模风电接入后的电力系统安全稳定运行，须加快风电机组电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力测试，急需研发集风电机组低电压穿越、高电压穿越、电网适应性测试于一体的电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力测试装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种风电场电网运行模拟装置，其可在风电机组升压变压器高压侧在线准确模拟产生真实的电网电压偏差、频率变化、三相电压不平衡、电压闪变与谐波、电网低电压故障与电网高电压故障，实现电网扰动与故障的在线混合模拟，采集和分析风电机组测试期间的实际运行数据，可以对风电机组进行电网适应性测试、低电压穿越能力测试和高电压穿越能力试验与检测，对风电机组的电网扰动抗干扰能力与电网故障穿越能力进行综合的试验与评价。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
提供一种风电场电网运行模拟装置，所述装置包括降压变压器、电网扰动模拟发生装置与电网故障模拟发生装置；所述降压变压器的一端连接中高压电网，另一端连接电网扰动模拟发生装置的输入端，所述电网扰动模拟发生装置的输出端连接电网故障模拟发生装置的输入端，所述电网故障模拟发生装置的输出端连接中高压电网；所述电网扰动模拟发生装置的输入端和输出端之间并联断路器。
通过改变所述降压变压器的一次绕组匝数将该装置接入不同的电压等级；通过改变所述降压变压器的二次绕组匝数选择不同电压等级的背靠背变流器，满足不同电网接入等级的风电场/风电机组的测试需求。
所述电网扰动模拟发生装置包括背靠背变流器，所述背靠背变流器包括整流电路和逆变电路，两者均由电力电子半导体开关器件组成。
所述整流电路采用三相整流桥或单相H桥整流电路，整流电路的电力电子半导体开关器件采用晶闸管、绝缘栅双极型晶体管或集成栅极换流晶闸管；所述逆变电路采用三相全桥逆变、单相H桥或单相H桥级联电路，逆变电路的电力电子半导体开关器件采用绝缘栅双极型晶体管或集成栅极换流晶闸管。
所述背靠背变流器采用的变流拓扑方式包括低压三相AC-DC-AC变流方式、中压三相AC-DC-AC变流方式或三个单相AC-DC-AC变流方式，通过背靠背变流器的并联运行以扩充所述电网扰动模拟发生装置的容量。
所述电网扰动模拟发生装置模拟电网扰动状态，输出电网扰动波形，通过修改背靠背变流器逆变侧的调制波指令，即可在电网扰动模拟发生装置的输出端得到电网扰动波形。
所述电网扰动状态包括电网电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动与闪变及电网谐波电压。
所述电网故障模拟发生装置包括升压变压器、反并联晶闸管阀组和限流电阻；所述升压变压器的副边由多组抽头引出，每个抽头输出端均串联所述晶闸管阀组，每两个相邻抽头的输出端均通过限流电阻短接，同时每个相邻抽头的限流电阻端均并联一组晶闸管阀组。
所述升压变压器抽头调节范围为0%-200%，电压调节的步长为5%；调节升压变压器抽头即可输出额定电压、额定电压以上的高电压和额定电压以下的低电压。
所述限流电阻限制升压变压器副边在抽头调节过程中的短路电流，以保护升压变压器绕组受到过流或过热损伤；所述晶闸管阀组用于调节升压变压器副边抽头。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）该装置可在线模拟50Hz与60Hz电网的全部运行工况，可在线产生电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压闪变与谐波、电压骤升、电压骤降、电压缓慢上升、电压缓慢下降等各种电网扰动，可以满足世界各主要风电并网导则对风电机组低电压穿越、高电压穿越和电网适应性的测试要求；
（2）该装置可以实现各种电网扰动与故障状态的混合模拟，可以准确实现电网扰动与故障过程的真实模拟产生，可全面反映风电机组的电网扰动与故障抗干扰能力；例如，可实现风电场低电压故障过程的真实模拟，首先产生电网电压跌落故障，跌落过程中伴随电压波形畸变与相位突变，电压恢复后立刻出现电网高电压故障，与实际的风电场低电压故障过程波形完全吻合。
附图说明
图1是风电场电网运行模拟装置结构示意图；
图2是基于阀控技术的副边抽头自动调节变压器的A相结构示意图；
图3是电网运行模拟发生装置的测试系统结构图；
图4是电网运行模拟装置现场测试接线示意图；
图5是本发明实施例中电网电压偏差实测波形图；
图6是本发明实施例中电网频率偏差实测波形图；
图7是本发明实施例中三相电压不平衡实测波形图；
图8是本发明实施例中对应时刻三相不平衡度示意图；
图9是本发明实施例中电压波动与闪变实测波形图；
图10是本发明实施例中谐波电压实测波形图；
图11是本发明实施例中形对应的谐波含量图；
图12是本发明实施例中谐波电压缓慢上升实测波形图；
图13是本发明实施例中谐波电压缓慢上升对应的有效值波形图；
图14是本发明实施例中谐波电压缓慢下降实测波形图；
图15是本发明实施例中谐波电压缓慢下降对应的有效值波形图；
图16是本发明实施例中电压骤升实测波形图；
图17是本发明实施例中电压骤降实测波形图；
图18是背靠背变流器采用低压三相AC-DC-AC变流方式拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种风电场电网运行模拟装置，包括降压变压器、电网扰动模拟发生装置与电网故障模拟发生装置；所述降压变压器的一端连接中高压电网，另一端连接电网扰动模拟发生装置的输入端，所述电网扰动模拟发生装置的输出端连接电网故障模拟发生装置的输入端，所述电网故障模拟发生装置的输出端连接中高压电网；所述电网扰动模拟发生装置的输入端和输出端之间并联断路器CB。
降压变压器决定了该装置的电网电压接入等级，同时决定了电网扰动模拟发生装置与电网故障模拟发生装置的运行电压水平。通过改变所述降压变压器的一次绕组匝数将该装置接入690V、10kV、35kV、110kV或220kV的电压等级；降压变压器的二次绕组特性决定了电网扰动模拟发生装置和电网故障模拟装置的运行电压水平，特别是电网扰动模拟发生装置用背靠背变流器的运行电压水平，通过改变所述降压变压器的二次绕组匝数选择低压380V、690V，中压3.3kV、6.6kV、10kV背靠背变流器，满足不同电网接入等级的风电场/风电机组的测试需求。
所述电网扰动模拟发生装置包括背靠背变流器，所述背靠背变流器包括整流电路和逆变电路，两者均由电力电子半导体开关器件组成。
所述整流电路采用三相整流桥或单相H桥整流电路，整流电路的电力电子半导体开关器件采用晶闸管（Thyristor）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或集成栅极换流晶闸管（IGCT）；所述逆变电路采用三相全桥逆变、单相H桥或单相H桥级联电路，逆变电路的电力电子半导体开关器件采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或集成栅极换流晶闸管（IGCT）。
所述背靠背变流器采用的变流拓扑方式包括低压三相AC-DC-AC变流方式（如图18）、中压三相AC-DC-AC变流方式或三个单相AC-DC-AC变流方式，同时装置通过AC-DC-AC变流技术与电网接入点完全隔离，避免了装置对接入电网的影响。电网扰动模拟发生装置的电压运行水平主要取决于降压变压器的变比，其运行容量主要取决于AC-DC-AC变流器的容量和并联数量。
所述电网扰动模拟发生装置模拟电网扰动状态，输出电网扰动波形，通过修改背靠背变流器逆变侧的调制波指令，即可在电网扰动模拟发生装置的输出端得到电网扰动波形。
所述电网扰动状态包括电网电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动与闪变及电网谐波电压。
电网故障模拟发生装置主要基于阀控技术的变压器副边抽头自动调节技术，其可以模拟产生电网低电压短路故障及电网过电压故障。如图2，电网故障模拟发生装置包括升压变压器、反并联晶闸管阀组和限流电阻；所述升压变压器的副边由多组抽头引出，每个抽头输出端均串联所述晶闸管阀组，每两个相邻抽头的输出端均通过限流电阻短接，同时每个相邻抽头的限流电阻端均并联一组晶闸管阀组。
所述升压变压器抽头调节范围为0%-200%，电压调节的步长为5%；调节升压变压器抽头即可输出额定电压、额定电压以上的高电压和额定电压以下的低电压。
所述限流电阻限制升压变压器副边在抽头调节过程中的短路电流，以保护升压变压器绕组受到过流或过热损伤；所述晶闸管阀组用于调节升压变压器副边抽头。
下面简述电网故障模拟发生装置发生电网高电压与低电压的过程（调节10%Un）：
假设调节的初始状态新型变压器工作在额定电压输出状态，此时变压器副边的晶闸管阀组开关状态如下：晶闸管阀组X2(n+1)到X2(n+i)处于开通状态，X2(n)到X2(n-j)处于关断状态，X1(n-j)到X1(n+i)仅X1(n)处于开通状态，其余均处于关断状态。
低电压发生过程晶闸管阀组开断顺序如下：X2(n+1)与X2(n+2)关断，晶闸管阀组X1(n+2)开通，X1(n)关断。
高电压发生过程晶闸管阀组开断顺序如下：晶闸管阀组X1(n-2)开通，X1(n)关断，X2(n)与X2(n-1)开通。
电网运行模拟发生装置的测试系统主要由电网运行模拟装置、就地测量系统、远方监控系统和就地控制系统组成，如图3。电网运行模拟装置将状态信号传给就地控制系统，就地控制系统根据所述状态信号进行判断，对就地控制系统发出控制指令，远方监控系统和就地控制系统通过与就地测量系统之间进行信息交互，就地测量系统将所测数据传输给远方监控系统，远方监控系统对就地测量系统发出控制指令。
实施例
测试时断开风电机组升压变压器高压侧接线，将电网故障模拟发生装置的串联接入风电机组升压变压器与接入电网之间，测试接线图如图4。一旦接线完成，测试装置的所有操作均通过远方测控系统完成。
现以设备接入35kV中压电网为例对设备的实际输出性能进行说明。测试装置所产生的电网电压偏差实测波形如图5，其中实线为测试装置接入点电压，虚线为测试装置在风电机组升压变压器高压侧产生的电网电压；测试装置所产生的电网频率偏差实测波形如图6，其中实线为测试装置接入点频率，虚线为测试装置在风电机组升压变压器高压侧产生的电网频率；测试装置所产生的三相电压不平衡实测波形如图7，图8表示对应时刻三相电压不平衡度；测试装置所产生的电压波动与闪变实测波形如图9，其中实线为测试装置接入点电压，虚线为测试装置在风电机组升压变压器高压侧产生的电网电压；测试装置所产生的谐波电压实测波形如图10，图11为对应的谐波含量图；测试装置所产生的谐波电压缓慢上升实测波形如图12，图13为对应的有效值波形图；测试装置所产生的谐波电压缓慢下降实测波形如图14，图15为对应的有效值波形图；测试装置所产生的电压骤升实测波形如图16，测试装置所产生的电压骤降实测波形如图17。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述装置包括降压变压器、电网扰动模拟发生装置与电网故障模拟发生装置；所述降压变压器的一端连接中高压电网，另一端连接电网扰动模拟发生装置的输入端，所述电网扰动模拟发生装置的输出端连接电网故障模拟发生装置的输入端，所述电网故障模拟发生装置的输出端连接中高压电网；所述电网扰动模拟发生装置的输入端和输出端之间并联断路器；
所述电网故障模拟发生装置包括升压变压器、反并联晶闸管阀组和限流电阻；所述升压变压器的副边由多组抽头引出，每个抽头输出端均串联所述反并联晶闸管阀组，每两个相邻抽头的输出端均通过限流电阻短接，同时每个相邻抽头的限流电阻端均并联一组反并联晶闸管阀组。
2.根据权利要求1所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：通过改变所述降压变压器的一次绕组匝数将该装置接入不同的电压等级；通过改变所述降压变压器的二次绕组匝数选择不同电压等级的背靠背变流器，满足不同电网接入等级的风电场/风电机组的测试需求。
3.根据权利要求1所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述电网扰动模拟发生装置包括背靠背变流器，所述背靠背变流器包括整流电路和逆变电路，两者均由电力电子半导体开关器件组成。
4.根据权利要求3所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述整流电路采用三相整流桥或单相H桥整流电路，整流电路的电力电子半导体开关器件采用晶闸管、绝缘栅双极型晶体管或集成栅极换流晶闸管；所述逆变电路采用三相全桥逆变、单相H桥或单相H桥级联电路，逆变电路的电力电子半导体开关器件采用绝缘栅双极型晶体管或集成栅极换流晶闸管。
5.根据权利要求3所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述背靠背变流器采用的变流拓扑方式包括低压三相AC‐DC‐AC变流方式、中压三相AC‐DC‐AC变流方式或三个单相AC‐DC‐AC变流方式，通过背靠背变流器的并联运行以扩充所述电网扰动模拟发生装置的容量。
6.根据权利要求3所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述电网扰动模拟发生装置模拟电网扰动状态，输出电网扰动波形，通过修改背靠背变流器逆变侧的调制波指令，即可在电网扰动模拟发生装置的输出端得到电网扰动波形。
7.根据权利要求6所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述电网扰动状态包括电网电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动与闪变及电网谐波电压。
8.根据权利要求1所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述升压变压器抽头调节范围为0％‐200％，电压调节的步长为5％；调节升压变压器抽头即可输出额定电压、额定电压以上的高电压和额定电压以下的低电压。
9.根据权利要求1所述的风电场电网运行模拟装置，其特征在于：所述限流电阻限制升压变压器副边在抽头调节过程中的短路电流，以保护升压变压器绕组受到过流或过热损伤；所述反并联晶闸管阀组用于调节升压变压器副边抽头。
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- 2013-08-02 CN CN201310334718.XA patent/CN103454521B/zh active Active
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