CN103454584B - 风力发电机组高电压穿越测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组的高电压穿越测试装置，所述高电压穿越测试设备包括：限流电抗器组，包括电抗器和可控断路器；并联电容器组C1，包括多个电容器和与之相连的电容器开关，当电容器开关接通时，与该电容器开关串联的电容器接入电路被启用；可控断路器CB1、CB3，可控断路器CB1连接到变压器10，可控断路器CB3连接到风力发电机组；晶闸管T1，通过控制晶闸管通断来改变并联电容器组C1的投入，从而改变测试点A的电压的变化，实现对被测风电机组高电压穿越的测试。通过根据示例性实施例的高电压穿越测试装置能够逼真地模拟实际电网的高电压故障，能够准确反映风电机组的高电压穿越性能。

Description

风力发电机组高电压穿越测试设备

技术领域

本发明涉及一种高电压穿越测试设备，尤其涉及一种风力发电机组的高电压穿越测试设备。

背景技术

随着风力发电在电力系统中所占比例越来越大，风力发电系统对电网的影响已不能忽略。特别对于中国风电大规模集中接入的方式，一旦电网发生故障造成风机端口电压（机端电压）高于某一限值时，风电机组就会自动脱网，从而造成电网电压和频率的波动，严重影响电网的安全稳定运行。

对于风机制造商来说，必须证明风机完全满足电网标准关于高电压穿越的要求（高电压穿越一般是指当电力系统事故或扰动引起并网点电压升高时，在一定的电压升高和时间范围内，风电机组能够保证不脱网连续运行，并提供相应的故障恢复电流。与高电压穿越相对的是低电压穿越。对于高电压穿越，澳大利亚规定是电压上升至额定电压的130%时，发电设备应维持60ms不脱网）。一种常用的方式是人为地产生高电压来测试风力发电机组，所以必须使用一个特殊的高电压试验设备来测试风电机组的高电压穿越能力，最大限度地减少对电网的影响。

目前已有的一种风电机组高电压穿越测试装置，采用电力电子器件构建的变流器，变流器由整流器、直流环节和逆变器组成，变流器串联在电网和被测风电机组之间，通过控制电力电子器件的通断来改变变流器逆变侧的输出电压，实现对被测风电机组不同电压等级故障的模拟测试。

上述公开的有关高电压穿越能力的测试装置能够满足对风电机组高电压穿越的测试，所采用的方案是变流器型方案。但是该测试装置与电网真实的高电压故障的情况并不是很相同。在现有的风电机组中，如果电网出现高电压故障使得风电机组的机端电压升高，则风电机组会发出感性无功功率（直驱风电机组和双馈风电机组均能够发出感性无功功率，只有早先的直接并网的异步风电机组不能发出感性无功功率），感性无功功率将会降低机端电压 （一般是降低一定程度，但并不能降低到发生高电压故障之前的低电压），从而风电机组在机端电压被降低的情况下继续运行。而如果采用变流器方案去模拟电网中出现的高电压故障，由于是通过控制电力电子器件的通断的方式来提高风电机组的机端电压，风电机组端口电压并不会随着风机发感性无功功率而降低，所以变流器型高电压穿越测试设备，与真实的高电网故障并不相同。

由此可见，现有技术的高电压穿越测试装置不能逼真地模拟实际电网的高电压故障，不能准确反映风电机组的高电压穿越性能。

发明内容

为了解决上面提到的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于限流阻抗和快速控制电容器的方案，该测试装置更能模拟电网真实的高电压故障。

为了实现上述目的，根据本发明的实施例，提供了一种风电机组高电压穿越测试设备，具有分别连接到风电机组的各个相的多个部分，所述多个部分中的每个部分包括：限流电抗器组，包括电抗器和第二可控断路器，其中，第二可控断路器用于投入所述电抗器或者旁路所述电抗器；并联电容器组，包括多个电容器和分别与各个电容器串联连接的多个电容器开关，当某个电容器开关接通时，与该电容器开关串联连接的电容器被投入电路，并与并联电容器组中的其他被投入的电容器并联，并联电容器组能够与所述测试设备的连接到其他相的部分中的并联电容器组以及中性线电连接；第一可控断路器和第三可控断路器，第一可控断路器连接到与电网连接的变压器，第三可控断路器连接到风力发电机组；电力电子开关器件，通过控制电力电子开关器件的通断来控制并联电容器组的投入和切出，从而改变测试点的电压，实现对被测风电机组的测试。

所述测试设备的连接到风电机组的各个相的各个部分还包括：第四可控断路器，第四可控断路器与该部分中的其他元器件并联，当第四可控断路器闭合且第一可控断路器和第三可控断路器断开时，所述测试设备被完全旁路，从而能够被检修；在使用所述测试设备进行测试时，断开第四可控断路器。

所述的测试设备还包括：第五可控断路器，第五可控断路器用于将所述测试设备的连接到各个相的各个部分中的并联电容器组与中性线电连接。

可控断路器具有过流保护模块，用于在测试时保护所述测试设备和风机。

测试点在限流电抗器组与所述电力电子开关器件之间。

所述测试设备能够在测试点A产生大小为额定电压的1倍到1.35倍之间的电压。

第二断路器在测试前闭合，在测试时断开。

所述电抗器的阻抗值X₁满足：

其中，X_grid为电网总阻抗，u_{sys_c}是所述变压器的低压侧的额定电压，S_WT为风机容量。

限流电抗器组中的电抗器在变压器的高压侧的阻抗值X^* ₁满足：

其中，X^* _grid为电网总阻抗，将X^* ₁转化到变压器的低压侧，得到测试设备的电抗器的阻抗值X₁的下限。

通过控制第五可控断路器以及所述测试设备的各个部分中的电力电子开关器件的通断，来模拟三相相间高电压故障、三相对地高电压故障、两相相间高电压故障、两相对地高电压故障和单相对地高电压故障。

所述电力电子开关器件是晶闸管或者IGBT。

根据本发明的另一实施例，提供一种利用如前所述的风电机组高电压穿越测试设备对风电机组进行高电压穿越测试的方法，包括：闭合第一断路器、第二断路器、第三断路器，将所述测试设备串入被测风电机组和变压器之间；根据所需的电网短路容量选择合适的电抗器阻抗值；断开第二断路器，以将所述电抗器接入；控制第五可控断路器以及所述测试设备的各个部分中的电力电子开关器件的通断来投入相应的并联电容器组，抬升机端电压并模拟不同的故障情况，持续规定的时间，看风电机组能否在所述规定时间内正常地不脱网工作，经过规定时间之后，关断所述测试设备的各个部分中的电力电子开关器件，将并联电容器组切出；经过预定时间后，闭合第二断路器，将电抗器切出。

其中，所述预定时间保证测试设备不会出现暂态。

其中，当风电机组在规定时间内并在三相相间故障、三相对地故障、两相相间故障、两相对地故障和单相对地故障这五种故障情况下均能正常地不脱网运行，则表明风电机组具备高电压穿越能力。

通过根据示例性实施例的高电压穿越测试装置能够逼真地模拟实际电网的高电压故障，能够准确反映风电机组的高电压穿越性能。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示意性示出了根据本发明的实施例的风电机组的高电压穿越测试设备。

图2A-2E示意性示出了根据本发明的实施例的电容器组的主电路拓扑结构，图2F示意性示出了根据本发明的实施例的包括多个可控开关的电容器组的电路连接图。

图3示意性示出了根据本发明的实施例的高电压穿越测试过程。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

图1示意性示出了根据本发明的实施例的风电机组的高电压穿越测试设备。

参照图1，根据本发明的实施例的风电机组高电压穿越测试设备串联在风电机组与电网之间，风电机组通常采用三相四线制或三相三线制，为了清楚简洁起见，图1仅仅示出了风电机组其中一相的高电压穿越测试设备，其余两相的与该相相同，在进行测试时，三相中各相的电容器组C1之间可能有连接关系。高电压穿越测试设备包括：限流电抗器组，包括电抗器X1和可控断路器CB2，其中，可控断路器CB2是用来投入和旁路串联电抗器X1的；并联电容器组C1，包括多个电容器和与各个电容器串联连接的电容器开关（为清楚起见，图1中没有示出），当电容器开关接通时，与该电容器开关串联连接的电容器接入电路以被启用（即“投入”），并与其他接入电路（投入）的电容器并联，并联电容器组C1可以与其余两相的并联电容器组C2和C3电连接；可控断路器CB1、CB3分别是电网侧断路器和风机侧断路器，可控断路器CB1连接到变压器10，可控断路器CB3连接到风力发电机组；电力电子开关器件T1（例如晶闸管T1），通过控制晶闸管T1的通断来控制并联电容器组C1的投入和切出，从而改变测试点A的电压（如果有三相，就有 三个测试点，如果做三相高电压测试，三相电压被抬升的情况相同；如果做两相高电压测试，测试相电压抬升情况相同，另外一相没有被抬升；如果做单相高电压测试，测试相电压抬升情况相同，另外两相没有被抬升），实现对被测风电机组高电压穿越的测试。

其中，可控断路器具有过流保护模块，测试时起到保护测试设备和风机的作用。其中，测试点A在限流电抗器组与晶闸管T1之间，可控断路器CB3直接连接到被测风电机组。

根据本发明的实施例的风电机组高电压穿越测试设备还可以包括可控断路器CB4。可控断路器CB1、CB2、CB3、电抗器X1、晶闸管组T1和并联电容器组C1构成的电路部分与可控断路器CB4并联，在CB4闭合，CB1和CB3断开时，可以完全旁路高电压穿越测试设备，从而可以非常方便地检修高电压穿越测试设备。在使用高电压穿越测试设备进行测试时，断开可控断路器CB4。可控断路器CB4不是必须有的，仅仅是为了方便检修测试设备。

高电压穿越测试设备可以在测试点A产生例如1.35倍额定电压，例如，测试点处电压可实现在额定电压在135%、130%、125%、120%、115%、110%、105%之间的变换。

限流电抗器组包括电抗器X1和断路器CB2，可控断路器CB2是用来投入和旁路串联电抗器X1的，测试前将断路器CB2闭合，电抗器X1被旁路，测试时，将断路器CB2断开，电抗器X1被接入电路。高电压穿越测试时：需要配置合适的串联电抗，改变电网的短路容量，一般电网的短路容量要大于风机容量的3倍，即S_{sys_sc}>3*S_WT，S_WT为风机容量，单位为兆伏安，

而

其中，X_grid为电网总阻抗，X₁为串联电抗器的阻抗值，u_{sys_c}是变压器10低压侧的额定电压，根据上述两个公式可得出从而可以选出合适的串联阻抗值；另外，为了保证在测试时，不要影响到其他风机的正常运行，要保证风机箱变高压侧的电压降限流电抗 X^* _grid为电网总阻抗，X^* ₁为串联电抗器在箱变高压侧的阻抗值，将X^* ₁转化到箱变低压侧，得到测试设备串联电抗的下限值。

串入电抗器X1后，减弱了电网的短路容量，从而使得电容器C1只要增加并不是很多的无功功率，就能较多地提高机端电压（即，测试点A的电压）。

在根据普通的电磁学和电路原理计算得到为升高到目标电压所需的电容后，接通所需数目的电容器开关使相应数目的电容器以相互并联的方式接入电路，然后可用晶闸管T1来实现对并联电容器组C1的快速控制（其余两相的电容器组C2和C3可用相应的晶闸管T2和T3来控制），晶闸管T1可以用其他可控开关器件代替。下面详细描述对电容器组的控制。

图2A-2E示意性示出了根据本发明的实施例的电容器组的主电路拓扑结构，图2F示意性示出了根据本发明的实施例的包括多个可控开关的电容器组的电路连接图。

如图2F所示，该电路部分具有A、B、C三相以及中性线N，可通过电力电子开关器件（在图中以符号来表示，具体地说，它们可以是上面提到的晶闸管T1、T2和T3）控制电容器组C1、C2、C3的通断，可控断路器CB5可以控制电容器组与中性线N的连接。通过对T1、T2、T3和CB5的控制，可以模拟三相相间高电压故障（图2A）、三相对地高电压故障（图2B）、两相相间高电压故障（图2C）、两相对地高电压故障（图2D）和单相对地高电压故障（图2E），电压的抬高的幅值和持续时间均能够通过人机界面实现远程自动控制。电力电子开关器件可以是半控型开关器件晶闸管，也可以是全控型开关器件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。

电容器组主电路拓扑结构采用星型接法，如图2A-2E所示分别为三相相间故障、三相对地故障、两相相间故障、两相对地故障和单相对地故障，当然，图中描述的仅是示例，例如，单相对地故障不一定是利用B相对地故障进行测试，也可以是利用A相对地故障进行测试。

高电压穿越测试过程如下：闭合断路器CB1、CB2、CB3，将高电压穿越测试设备串入被测风电机组和变压器之间，根据所需的电网短路容量以及电网总阻抗，选择合适的串联电抗器值（X1的值），断开断路器CB2将限流电抗器X1接入（这里要先闭合CB2然后断开CB2，先闭合CB2使得风电机组风电机组与电网连接，保证风电机组正常运行），控制晶闸管T1、T2、T3和可控断路器CB5的导通来投入相应的并联电容器组，抬升机端电压并模拟例如图2所示的不同情况的高电压故障，持续规定的时间（关于持续多长时间，各国目前没有统一的电网标准，具体持续多长时间要根据测试时依据的 电网来确定），看风电机组能否在这段时间内在各种故障情况下都能正常地不脱网工作，经过规定时间之后，关断晶闸管T1、T2、T3，并联电容器组被切出，一段时间后，闭合断路器CB2，限流电抗器X1被切出，高电压穿越测试结束。整个过程如图3所示，在T1导通与T1关断这段时间内（不一定是T1，可能是T2和/或T3），如果风电机组不脱网运行，则说明该风电机组具有高电压穿越能力。上面电容器C1被切出一段时间之后才切出电抗器X1，是因为如果电抗器X1和电容器同时切出，可能会造成测试设备很大的暂态。

风电机组正常运行时，机端电压为额定电压，当串联电抗投入后，电网的短路容量变小，然后投入并联电容器组，机端电压被抬高，抬高的值和投入的并联电容器的容量有关系。高电压穿越测试的目的就是，机端电压被抬高后（抬高的时间在各国的电网标准里有规定，不同的电网标准对抬高的时间是不同的），看风电机组能否正常运行（具体地说，由于风电机组有三个相，所以有三个测试点，需要看风电机组能否在三相相间故障、三相对地故障、两相相间故障、两相对地故障和单相对地故障这五种故障情况下正常运行），如果机组能够在规定的时间内在各种故障情况下正常运行，说明机组具备在高电压情况下运行的能力，即风机具有高电压穿越能力；如果不能正常运行，说明机组不具备在高电压情况下运行的能力，即风机不具备高电压穿越能力。

图3中的纵坐标的pu是标幺值，如果设定额定电压为690V为1pu，则，1.3pu为1.3*690V=897V。

该测试装置能够模拟电网真实的高电压故障，测试方案符合实际的电网故障情况。这是因为并联电容器使得系统无功功率过剩从而提高测试点电压，最终使得风电机组的机端电压升高，这种电网电压升高的方式和真实的电网故障造成电网电压升高的情况很类似，例如，在风力发电系统中，当电网电压故障造成大量风电机组脱网后，因风电场的无功补偿装置电容器组（在变压器10与电网之间，图1中没有示出）不具备自动切出功能，无功补偿装置电容器组仍然补充无功功率，系统无功过剩，电网电压迅速升高，从而引起风电机组机端电压升高，其与本申请的测试装置一样，都是通过增加无功功率来提升电压，因此通过根据本发明的示例性实施例的高电压穿越测试装置能够逼真地模拟实际电网的高电压故障，能够准确反映风电机组的高电压穿越性能。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本发明所属技术领 域中具有公知常识者在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改、润饰和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改、润饰和变型仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。

最后，除非这里指出或者另外与上下文明显矛盾，否则这里描述的所有方法的步骤可以以任意合适的顺序执行。

Claims (10)

1.一种风力发电机组高电压穿越测试设备，具有分别连接到风力发电机组的各个相的多个部分，所述多个部分中的每个部分包括：

限流电抗器组，包括电抗器和第二可控断路器，其中，第二可控断路器用于投入所述电抗器或者旁路所述电抗器；

并联电容器组，包括多个电容器和分别与各个电容器串联连接的多个电容器开关，当某个电容器开关接通时，与该电容器开关串联连接的电容器被投入电路，并与并联电容器组中的其他被投入的电容器并联，并联电容器组能够与所述测试设备的连接到其他相的部分中的并联电容器组以及中性线电连接；

第一可控断路器和第三可控断路器，第一可控断路器连接到与电网连接的变压器，第三可控断路器连接到风力发电机组；

电力电子开关器件，通过控制电力电子开关器件的通断来控制并联电容器组的投入和切出，从而改变测试点的电压，实现对被测风力发电机组的测试，

第五可控断路器，第五可控断路器用于将所述测试设备的连接到各个相的各个部分中的并联电容器组与中性线电连接，

其中，通过控制第五可控断路器以及所述测试设备的各个部分中的电力电子开关器件的通断，来模拟三相相间高电压故障、三相对地高电压故障、两相相间高电压故障、两相对地高电压故障和单相对地高电压故障，其中，限流电抗器组连接在第一可控断路器与第三可控断路器之间，电力电子开关器件与限流电抗器组和第三可控断路器的连接点相连，

其中，限流电抗器组中的电抗器在变压器的高压侧的阻抗值X^* ₁满足：

$X_1^{*}>9X_{grid}^{*},$

其中，X^* _grid为电网总阻抗，将X^* ₁转化到变压器的低压侧，得到测试设备的电抗器的阻抗值的下限。

2.根据权利要求1所述的测试设备，所述测试设备的连接到风力发电机组的各个相的各个部分还包括：

第四可控断路器，第四可控断路器与该部分中的其他元器件并联，当第四可控断路器闭合且第一可控断路器和第三可控断路器断开时，所述测试设备被完全旁路，从而能够被检修；在使用所述测试设备进行测试时，断开第四可控断路器。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的测试设备，其中，

可控断路器具有过流保护模块，用于在测试时保护所述测试设备和风力发电机组。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的测试设备，其中，

测试点在限流电抗器组与所述电力电子开关器件之间。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的测试设备，其中，

所述测试设备能够在测试点A产生大小为额定电压的1倍到1.35倍之间的电压。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的测试设备，其中，

第二断路器在测试前闭合，在测试时断开。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的测试设备，其中，

所述电力电子开关器件是晶闸管或者IGBT。

8.一种利用如权利要求1-7中任一项所述的风力发电机组高电压穿越测试设备对风力发电机组进行高电压穿越测试的方法，包括：

闭合第一可控断路器、第二可控断路器、第三可控断路器，将所述测试设备串入被测风力发电机组和变压器之间；

根据所需的电网短路容量选择合适的电抗器阻抗值；

断开第二断路器，以将所述电抗器接入；

控制第五可控断路器以及所述测试设备的各个部分中的电力电子开关器件的通断来投入相应的并联电容器组，抬升机端电压并模拟不同的故障情况，持续规定的时间，看风力发电机组能否在所述规定时间内正常地运行不脱网工作，

经过规定时间之后，关断所述测试设备的各个部分中的电力电子开关器件，将并联电容器组切出；

经过预定时间后，闭合第二断路器，将电抗器切出。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，

所述预定时间保证测试设备不会出现暂态。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，

当风力发电机组在规定时间内并在三相相间故障、三相对地故障、两相相间故障、两相对地故障和单相对地故障这五种故障情况下均能正常地不脱网运行，则表明风力发电机组具备各种故障情况下的高电压穿越能力。