CN103472393A - 一种风电机组高电压穿越测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电机组高电压穿越测试系统，包括串接于被测风电机组与电网之间的电网高电压发生装置，该高电压发生装置通过模拟电网过电压测试被测风电机组的高电压穿越能力，包括感抗X1、容抗X2、开关K1和开关K2，感抗X1与开关K1并联后接入被测风电机组与电网之间，高电压发生装置与被测风电机组的连接点处经过串联的开关K2和容抗X2接地；测试过程中开关K1断开，开关K2闭合，容抗X2提供容性无功电流支持，容性无功电流在感抗X1上产生电压降，提高高电压发生装置与被测风电机组的连接点处的电压。本发明提供的一种测试系统，能够真实模拟产生实际的电网过电压特性，电压上升的速率及其电压波形质量均与实际电网过电压特性十分吻合。

Description

一种风电机组高电压穿越测试系统

技术领域

本发明涉及风电场测试领域，具体涉及一种风电机组高电压穿越测试系统。

背景技术

风电产业发展迅速，风电的电网穿透率越来越高，风电与电网相互影响日趋显现。2010年以来，由于风电场/风电机组不具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，发生了多起风电大规模脱网事故，给电力系统的安全稳定运行带来了巨大的挑战。2011年以来，多数风电场/风电机组已具备了低电压穿越能力，然而2012年以来的几起风电脱网事故表明，风电场/风电机组不具备高电压穿越能力（High Voltage Ride Through，HVRT）是风电机组脱网的主要原因之一。例如2012年华北地区某风电场电网发生三相短时短路故障，具备低电压穿越能力的风电机组成功“穿越”低电压穿越故障不脱网连续运行，而在随后的电网电压恢复过程中，由于电力系统内部无功补偿装置不具备快速自投切功能，其在电网电压跌落期间为系统提供了大量无功支撑，然而当故障切除后，系统无功补偿装置未能及时调节或切除，造成局部电网无功过剩，电网发生了过电压短时故障，使的大量成功“穿越”低电压穿越故障因电网短时高电压故障而切除，脱网机组甚至超过了低电压穿越过程中的机组数量。类似事故在2013年已发生了多起，严重影响了电力系统的安全稳定运行。

随着风力发电装机容量的不断扩大和并网准则的进一步完善，具有HRVT能力也会逐渐成为对风电场的必然要求。德国E.ON的风电并网准则已对风电机组的HVRT能力提出了要求,要求当电网电压升至额定电压的120%时，风电机组应能保持长期不脱网运行，且要求风电机组在高电压情况下吸收一定量的无功功率。澳大利亚则率先制定了真正意义上的风电机组HVRT技术规范，要求当电网电压骤升至额定电压的130%时，风电机组应维持60ms不脱网，并提供足够大的故障恢复电流。目前我国相关的风电场/风电机组高电压穿越标准也已启动。

因此，为保障大规模风电接入后的电力系统安全稳定运行，亟需开展风电场/风电机组高电压穿越能力测试，而研制能够真实模拟电网高电压特性的高电压穿越测试装置则是重中之重。实用新型专利《移动式风电机组高低电压穿越测试装置》专利号为：201220255118.5，虽提供了一种电网高电压模拟方案，其通过变压器副边绕组抽头跳变实现风电机组机端电压的上升，但该方法所产生的高电压波形，其电压上升速率过快，且无法模拟实际电网过电压过程中的相角与电能质量变化情况，不适合风电机组高电压能力的测试要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种风电机组高电压穿越测试系统：

包括电网高电压发生装置，所述高电压发生装置串接于被测风电机组与电网之间，模拟电网过电压测试所述被测风电机组的高电压穿越能力，所述高电压发生装置包括感抗X1、容抗X2、开关K1和开关K2，所述感抗X1与所述开关K1并联后接入所述被测风电机组与电网之间，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点处经过串联的所述开关K2和容抗X2接地；

测试过程中所述开关K1断开，所述开关K2闭合，所述容抗X2提供容性无功电流支持，所述容性无功电流在感抗X1上产生电压降，提高所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点处的电压。

本发明提供的第一优选实施例中：所述高电压发生装置投入测试之前，所述开关K1闭合，所述开关K2断开；

启动测试时，先断开所述开关K1，然后闭合所述开关K2；

结束测试时，先断开所述开关K2，然后闭合所述开关K1。

本发明提供的第二优选实施例中：所述感抗X1采用干式空心电抗器、干式铁心电抗器、油浸铁心电抗器、油浸空心电抗器、夹持式干式空心电抗器、绕包式干式空心电抗器或水泥电抗器，品质因数X/R不小于10。

本发明提供的第三优选实施例中：所述容抗X2采用机械投切电容器组、晶闸管投切电容器组或静止无功发生器；

所述容抗X2采用星型接法或者三角型接法；

所述容抗X2的每相包括串联的阻尼电阻、平波电抗和无功支持电容器，三相中的任意一相与其它两相的连接点处设置隔离开关K3和K4，所述隔离开关K3、K4都闭合或断开时，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点三相电压平衡抬升，所述隔离开关K3、K4一支闭合另外一支断开时，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点三相电压不平衡抬升。

本发明提供的第四优选实施例中：通过不同的感抗与容抗参数匹配实现所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点不同幅度的电压上升，感抗X1与容抗X2的参数选择使所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点电压在107%Un-163%Un范围内有14种不同电压幅度的高电压波形；

所述开关K1、K2为采用电子式开关或者机械式开关，控制所述开关K1、K2实现对所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点的高电压时间长度进行控制。

本发明提供的第五优选实施例中：所述高电压发生装置包括PT柜1、PT柜2、开关柜1、开关柜2、电抗器和电容器；

所述电抗器为感抗X1，所述电容器为容抗X2，所述开关柜2为所述开关K1，所述断路器CB3为所述开关K2，所述高电压发生装置与所述电网侧的连接点经过所述PT柜1和开关柜1与所述电抗器一端连接，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点经过所述PT柜2与所述电抗器的另一端连接；

所述开关柜1和开关柜2选取SF6气体绝缘开关柜。

本发明提供的第六优选实施例中：所述风电机组高电压穿越测试系统包括就地测量系统和就地控制系统；

所述就地测量系统和所述就地控制系统均与所述高电压发生装置连接；

所述就地测量系统测量所述高电压发生装置与电网侧和风电机组侧的连接点的电压的信息并将所述信息上传给外部的远方监控系统；

所述远方监控系统通过所述就地测量系统将控制指令传送给所述就地控制系统控制所述高电压发生装置的运行；

所述高电压发生装置将状态信号发送给所述就地控制系统后，所述就地控制系统将状态信号实时传送给所述远方监控系统。

本发明提供的第七优选实施例中：所述测试系统在标准集装箱内安装；

在集装箱内部，从进线电缆侧到出线电缆侧依次设置有就地系统、开关柜组合、电抗器组合以及电容器组合，所述就地系统包括所述就地测量系统和就地控制系统；所述开关柜组合包括依次排列的PT柜2、开关柜2、开关柜1和PT柜1；所述电抗器组合为所述感抗X1的组合，所述电容器组合为所述电抗X2的组合；所述断路器CB3设置于所述电容器组合的下方。

本发明提供的第八优选实施例中：所述测试系统进行测试时断开所述被测风电机组升压变压器高压侧接线，将所述测试系统串联接入所述被测风电机组升压变压器与所述电网侧之间；

接线完成后，所述测试系统的所有操作均通过所述远方监控系统完成。

本发明针对现有技术的不足，提供的一种风电机组高电压穿越测试系统的有益效果包括：

1、本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统，感抗X1与开关K1并联后接入被测风电机组与电网之间，高电压发生装置与被测风电机组的连接点处通过串联的开关K2和容抗X2接地，测试过程通过控制开关K1和K2按照时序的断开和闭合实现，测试点产生的过电压与实际电网过电压产生的机理相同，电压上升的速率及其电压波形质量均与实际电网过电压特性十分吻合，能够真实模拟产生实际的电网过电压特性，可以实现380V、690V、10KV和35KV电力系统的高电压状态模拟。

2、容抗X2可以采用三角型接法或者星型接法，每相包括串联的阻尼电阻、平波电抗和无功支持电容器，阻尼电阻与平波电抗可二选其一，阻尼电阻可以防止系统电流振荡，减小电容器投切瞬间电流与电压的过渡过程；平波电抗器可以限制电容器的短路电流和合闸涌流；电容器可以提供容性无功电流支持，配合感抗X1抬升测试点的电压。并且在容抗X2的三相中任意一相与其它两相的连接点处可以设置两个隔离开关，控制该隔离开关的闭合与断开可以使该高电压发生装置的测试点电压三相电压平衡抬升或者不平衡抬升。

3、不同的感抗值与容抗值的感抗X1和容抗X2共同作用可以在测试点得到不同的电压幅度，实施例中感抗X1与容抗X2的参数选择可在电压107%Un-163%Un范围内有14种不同电压幅度的高电压波形。

4、风电机组高电压穿越测试系统还包括外部相连的远方监控系统，测试系统的所有操作均通过远方监控系统完成。

5、风电机组高电压穿越测试系统可以在标准集装箱内安装，测试接线简单，便于移动，满足位于不同风电场的风电机组的高电压穿越需求。

附图说明

如图1所示为本发明提供的一种高电压发生装置的单相原理图；

如图2所示为本发明提供的一种高电压发生装置的开关动作与阻抗投入情况的时序图；

如图3所示为本发明提供的一种高电压发生装置中容抗X2的基本拓扑结构图；

如图4所示为本发明提供的一种高电压发生装置实际应用中的接线示意图；

如图5所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统的实施例的示意图；

如图6所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统在集装箱内的布局图；

如图7所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统测试接线图；

如图8所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统为三相对称高电压时的实施例的实测线电压实时波形图；

如图9所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统为三相对称高电压时的实施例的线电压有效值波形图；

如图10所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统为三相不对称高电压时的实施例的实测线电压实时波形图；

如图11所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统为三相不对称高电压时的实施例的线电压有效值波形图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供一种风电机组高电压穿越测试系统，包括高电压发生装置，该高电压发生装置的接入点连接电网侧，测试点连接被测风电机组侧，模拟电网过电压测试该被测风电机组的高电压穿越能力，该高电压发生装置的单相原理图如图1所示，由图1可知，该高电压发生电路包括感抗X1、容抗X2、开关K1和开关K2，感抗X1与开关K1一端连接接入点另一端连接测试点，容抗X2与开关K2串联后一端连接测试点另一端接地。

测试过程中开关K1断开，开关K2闭合，容抗X2提供容性无功电流支持，该容性无功电流在感抗X1上产生的电压降，提高测试点的电压幅度，同时减小了对电网侧接入点电压的影响。

进一步的，高电压发生装置投入测试过程中，开关K1和开关K2的开断需按照一定的顺序执行，如图2所示为本发明提供的一种高电压发生装置的开关动作与阻抗投入情况的时序图，由图2可知，高电压发生装置投入测试之前，开关K1闭合，开关K2断开，此时，感抗X1和容抗X2均没有接入电路中；启动测试时，先断开开关K1，使感抗X1先投入测试电路中，然后闭合开关K2，使容抗X2投入测试电路中，产生测试过程中的高电压，高电压持续时间由开关K2闭合的时间决定，即图中的时间T2决定；结束测试时，先断开开关K2，然后再闭合开关K1；整个过程不允许开关K1和K2同时闭合。该高电压发生装置，能够真实模拟产生实际的电网过电压特性，产生的过电压与实际电网过电压产生的机理相同，电压上升的速率及其电压波形质量均与实际电网过电压特性十分吻合，并且该测试系统可以实现380V、690V、10KV和35KV电力系统的高电压状态模拟。

感抗X1与容抗X2共同作用在测试点得到不同电压幅度的电压上升，电压抬升的幅度由感抗值与容抗值共同决定。

感抗X1可采用干式空心电抗器、干式铁心电抗器、油浸铁心电抗器、油浸空心电抗器、夹持式干式空心电抗器、绕包式干式空心电抗器、水泥电抗器等，为满足并网运行条件下的测试要求，减小风电机组有功功率对测试点电压幅值的影响，要求的品质因数X/R（X=ωL）应该越大越好，一般情况下应不小于10。以35kV测试系统为例，感抗X1选取带分接头的干式空心电抗器，电抗器参数如下表1所示。

表1感抗X1用带分接头电抗器参数

外部分接头	内部分接头	电感值（mH）	50Hz等效电阻（Ω）	电阻值（Ω）
					1-2	5-6	214	67.50	0.58
1-2	4-6	195	61.50	0.55
					1-2	4-7	172	54.10	0.52
1-3	5-6	120	37.80	0.37
					1-3	4-6	103	32.50	0.34
1-3	4-7	82	25.80	0.31
					2-3	无分接	50.3	15.80	0.21

容抗X2可采用机械投切电容器组（MSC）、晶闸管投切电容器组（TSC）、静止无功发生器（SVG）等无功发生与补偿装置。

容抗X2的基本拓扑结构图如图3所示，三相容抗支路接线方式可以采用三角型或者星型接法，三相中的任意一相与其它两相的连接点处设置隔离开关K3和K4，该隔离开关K3、K4都闭合或者断开时，测试点三相电压平衡抬升，该隔离开关K3、K4一支闭合另外一支断开时，测试点三相电压不平衡抬升。

每条容抗支路由阻尼电阻、平波电抗和无功支持电容器三大部分组成，阻尼电阻与平波电抗可二选其一，以A相电路为例对各个部分的作用作以说明，其中阻尼电阻R1的主要作用是防止系统电流振荡，减小电容器投切瞬间电流与电压的过渡过程；平波电抗器L1的作用主要是限制电容器的短路电流和合闸涌流，其电抗率取值一般≤0.5%；电容器的作用是提供容性无功电流支持，配合感抗X1抬升测试点的电压，在测试点模拟产生高电压过程，由于感抗X1的电压抬升作用，电容器C1的端电压有所提高，应选电容器的额定电压高于测试点的最高电压10%左右。

开关K1、K2可以采用电子式开关亦可采用机械式开关。

通过不同的感抗X1与容抗X2的取值，可以在测试点得到不同规格的电网电压上升幅度，且对测试系统电网接入点的影响达到最小。为了更加真实的模拟电网高电压过程，其感抗X1的取值不能过大，应保证测试点的短路容量至少是被测机组容量3倍以上。以35kV电网为例，假设电网35kV母线的短路容量为200MVA，测试风电机组的额定容量为5MVA，其等效感抗值不应大于75.5Ω，不同感抗X1与不同容抗X2参数的不同组合所得高电压参数如表2所示，通过不同的感抗与容抗参数匹配，可实现不同幅度的电压上升，上述感抗X1与容抗X2的参数选择可在电压107%U_n-163%U_n范围内有14种不同电压幅度的高电压波形。开关K1、K2的精确控制可以对高电压时间长度进行精确控制。

表2不同感抗与容抗参数组合高电压参数表

在实际应用中，该高电压发生装置可以包括PT柜1、PT柜2、开关柜1、开关柜2、电抗器和电容器，如图4所示为该高电压发生装置实际应用中的接线示意图，由图4可知，电抗器为感抗X1，电容器为容抗X2，开关柜2为开关K1，断路器CB3为开关K2，与电网侧连接的接入点经过PT柜1和开关柜1与电抗器一端连接，测试点经过PT柜2与电抗器的另一端连接。优选的，开关柜1和2可以选取SF6气体绝缘开关柜，此类型开关柜体积小，适合集装箱安装，适合长距离运输，开断可靠，所有一次带电部分均为密闭绝缘处理，保证测试系统带电时可以安全地进行就地操作。

进一步的，如图5所示为本发明提供的风电机组高电压穿越测试系统的实施例的示意图，由图5可知，风电机组高电压穿越测试系统还可以包括就地测量系统和就地控制系统，就地测量系统和就地控制系统均与高电压发生装置连接。就地测量系统测量高电压发生装置测试点和接入点的电压等信息并将该信息上传给外部的远方监控系统。远方监控系统通过就地测量系统将控制指令传送给就地控制系统控制高电压发生装置的运行，并且高电压发生装置将状态信号发送给就地控制系统后，该就地控制系统将状态信号实时传送给远方监控系统。

本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统可以在标准集装箱内安装，测试接线简单，便于移动，满足位于不同风电场的风电机组的高电压穿越需求。系统主要设备开关柜组合、电抗器组合、电容器组合和就地系统集成安装于同一集装箱的布局图如图6所示，由图6可知，在集装箱内部，从进线电缆侧到出线电缆侧依次设置有就地系统、开关柜组合、电抗器组合以及电容器组合，就地系统包括就地测量系统和就地控制系统，开关柜组合为从左往右依次排列的PT柜2、开关柜2、开关柜1和PT柜1，电抗器组合为感抗X1的组合，电容器组合为电抗X2的组合，其中断路器CB3设置于电容器组合的下方。

如图7所示为本发明提供的一种风电机组高电压穿越测试系统测试接线图，由图7可知，测试时断开风电机组升压变压器高压侧接线，将该风电机组高电压穿越测试系统串联接入风电机组升压变压器与接入电网之间，一旦接线完成，测试系统的所有操作均通过远方监控系统完成。

现有设备接入35kV中压电网为例对设备的实际输出性能进行说明：

（1）测试系统设定为三相对称高电压，高电压幅度设定值为130%Un，持续时间60ms。实测线电压实时波形如图8所示，图9为对应时刻的线电压有效值。

（2）测试系统设定为三相不对称高电压，高电压幅度设定值为116%Un，持续时间200ms。实测线电压实时波形如图10所示，图11为对应时刻的线电压有效值。

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)

1.一种风电机组高电压穿越测试系统，包括电网高电压发生装置，所述高电压发生装置串接于被测风电机组与电网之间，模拟电网过电压测试所述被测风电机组的高电压穿越能力，其特征在于，所述高电压发生装置包括感抗X1、容抗X2、开关K1和开关K2，所述感抗X1与所述开关K1并联后接入所述被测风电机组与电网之间，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点处经过串联的所述开关K2和容抗X2接地；

测试过程中所述开关K1断开，所述开关K2闭合，所述容抗X2提供容性无功电流支持，所述容性无功电流在感抗X1上产生电压降，提高所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点处的电压。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，

所述高电压发生装置投入测试之前，所述开关K1闭合，所述开关K2断开；

启动测试时，先断开所述开关K1，然后闭合所述开关K2；

结束测试时，先断开所述开关K2，然后闭合所述开关K1。

3.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述感抗X1采用干式空心电抗器、干式铁心电抗器、油浸铁心电抗器、油浸空心电抗器、夹持式干式空心电抗器、绕包式干式空心电抗器或水泥电抗器，品质因数X/R不小于10。

4.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述容抗X2采用机械投切电容器组、晶闸管投切电容器组或静止无功发生器；

所述容抗X2采用星型接法或者三角型接法；

所述容抗X2的每相包括串联的阻尼电阻、平波电抗和无功支持电容器，三相中的任意一相与其它两相的连接点处设置隔离开关K3和K4，所述隔离开关K3、K4都闭合或断开时，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点三相电压平衡抬升，所述隔离开关K3、K4一支闭合另外一支断开时，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点三相电压不平衡抬升。

5.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，通过设置不同的感抗与容抗参数匹配实现所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点不同幅度的电压上升，感抗X1与容抗X2的参数选择使所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点电压在107%Un-163%Un范围内有14种不同电压幅度的高电压波形；

所述开关K1、K2为采用电子式开关或者机械式开关，控制所述开关K1、K2实现对所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点的高电压时间长度进行控制。

6.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述高电压发生装置包括PT柜1、PT柜2、开关柜1、开关柜2、电抗器和电容器；

所述电抗器为感抗X1，所述电容器为容抗X2，所述开关柜2为所述开关K1，所述断路器CB3为所述开关K2，所述高电压发生装置与所述电网侧的连接点经过所述PT柜1和开关柜1与所述电抗器一端连接，所述高电压发生装置与所述被测风电机组的连接点经过所述PT柜2与所述电抗器的另一端连接；

所述开关柜1和开关柜2选取SF6气体绝缘开关柜。

7.如权利要求6所述的测试系统，其特征在于，所述风电机组高电压穿越测试系统包括就地测量系统和就地控制系统；

所述就地测量系统和所述就地控制系统均与所述高电压发生装置连接；

所述就地测量系统测量所述高电压发生装置与电网侧和风电机组侧的连接点的电压的信息并将所述信息上传给外部的远方监控系统；

所述远方监控系统通过所述就地测量系统将控制指令传送给所述就地控制系统控制所述高电压发生装置的运行；

所述高电压发生装置将状态信号发送给所述就地控制系统后，所述就地控制系统将状态信号实时传送给所述远方监控系统。

8.如权利要求7所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统在标准集装箱内安装；

在集装箱内部，从进线电缆侧到出线电缆侧依次设置有就地系统、开关柜组合、电抗器组合以及电容器组合，所述就地系统包括所述就地测量系统和就地控制系统；所述开关柜组合包括依次排列的PT柜2、开关柜2、开关柜1和PT柜1；所述电抗器组合为所述感抗X1的组合，所述电容器组合为所述电抗X2的组合；所述断路器CB3设置于所述电容器组合的下方。

9.如权利要求7所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统进行测试时断开所述被测风电机组升压变压器高压侧接线，将所述测试系统串联接入所述被测风电机组升压变压器与所述电网侧之间；

接线完成后，所述测试系统的所有操作均通过所述远方监控系统完成。

Images