CN104215904A - 一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统及方法，包括以下步骤：1)根据预定条件启动机组；2)电网模拟机组模拟电网正常和故障运行；3)根据测试条件设定故障前被测机组的电磁转矩或功率状态，被测机组实施低电压穿越测试，并且记录被测机组中各项重要电气与机械变量信号；4)完成测试并安全停机。与现有技术相比，本发明具有简便、经济、安全等优点。

Description

一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电力测试领域，尤其是涉及一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统及其方法。

背景技术

经过近年来的不断发展，风力发电已成为人类解决能源危机与环境问题的重要手段。随着越来越多的风电机组接入电网，为保证电力系统安全稳定运行，世界各国均制订出相应标准要求所有大型并网风电机组具备低电压穿越能力，即在电网故障时仍然保持不脱网并在故障切除后迅速恢复正常运行。

全功率变流器风电机组是一种主流的风电技术，广泛应用于陆上和海上大型风电场。通过适当控制与保护措施，全功率风电机组能够实现低电压穿越运行。

风电机组的低电压穿越测试是验证风电机组关键性能的重要实验。尽管目前所有大型风电机组均经过相关机构认证具备低电压穿越功能，但在工程实际中仍然需要在现场对风电机组进行低电压穿越性能测试。一方面，现场测试比实验室条件更加真实；其次，除个别样机外风场运行商或电网公司可能需要对风场中所有风机的低电压穿越性能进行评估，特别在风机经历重大改造和维护后，有必要通过现场测试对其运行关键性能进行重新评估。

风电机组低电压穿越测试的基本原理是将被测机组与模拟电源相连接(其中模拟电源模拟电网运行)，通过模拟电源人为产生故障条件对风电机组的低电压穿越性能进行测试。为模拟电网故障，目前的测试方法主要包括：变压器模拟、阻抗模拟以及变流器模拟三种方法，其中阻抗模拟法已被应用于风电场现场测试。现有的车载移动式现场测试系统将一系列阻抗构成的故障模拟装置装载在卡车上。现场测试时，驱车前往风电场现场，并将阻抗式故障模拟器串联在电网和风电场母线之间，通过配置各相故障模拟阻抗及其大小模拟各类不同严重程度的电网故障完成被测机组低电压穿越测试。车载移动式低电压穿越测试系统能够完成现场测试，但也存在设备笨重、测试成本较高以及可能威胁电网安全等局限性。受海上特殊环境和低可达性限制，采用现有技术对海上风电场实施低电压穿越测试将更加困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简便、经济、安全的风电机组低电压穿越性能测试的系统及其方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，包括以下步骤：

1)根据预定条件启动机组；

2)电网模拟机组模拟电网运行；

3)根据测试条件设定故障前被测机组的电磁转矩或功率状态，被测机组实施低电压穿越测试，并且记录被测机组中各项重要电气与机械变量信号；

4)完成测试并安全停机。

所述的步骤1)包括以下步骤：

11)变桨控制启动机组；

12)根据测试条件调节被测机组运行在测试转速；

13)根据安全运行限值将电网模拟机组转速控制到相应值。

所述的步骤2)包括以下步骤：

21)通过控制风电机组有功功率保持机侧与全功率网侧变流器有功平衡从而维持直流母线电压始终工作在额定值；

22)将全功率网侧变流器控制为一个带内阻抗的模拟电压源；

23)电压源的内阻抗模拟风电场母线到输电变电站间的网络等效阻抗；

24)全功率网侧变流器按电网故障运行条件模拟产生电网电压。

所述的步骤13)中采用开环转速控制算法实现控制风机转速，包括以下步骤：

131)在风机启动初期，将控制桨距角控制在最佳桨距角；

132)当机组转速达到设定值时，变桨机构开始动作并以最快桨距角变化率将桨距角调节到顺风位置，此时叶轮输出机械转矩减小为零，机组停止加速；

133)在系统摩擦阻尼作用下，机组转速会缓慢下降最终达到设定转速。

所述的步骤13)中的安全运行限值为：其中与分别为电网模拟及被测机组的转速，而N_{WT_q}为并联电网模拟机组的数量。

所述的步骤23)中通过测量电流和设定虚拟阻抗参数控制变流器产生模拟虚拟阻抗特性，网络等效阻抗为虚拟阻抗与滤波器及升压变压器阻抗之和。

所述的步骤24)中电网故障运行包括三相对地故障运行、单相对地故障运行、两相对地故障运行和相间故障运行。

一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统，包括电网模拟机组和被测机组，所述的电网模拟机组和被测机组通过风场母线连接，所述的电网模拟机组包括依次连接的全功率变流器风力发电机组、全功率机侧变流器、直流母线、全功率网侧变流器、滤波器、升压变压器和风场母线开关，所述的风场母线开关与风场母线连接。

所述的电网模拟机组包括一台或多台并联的全功率变流器风力发电机组。

所述的电网模拟机组包括一台测试风电机组。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、实现简单、测试成本低，本发明利用风电场现成的风电机组构成测试系统，无需增加或修改硬件，只需对风电机组控制算法进行适当修改就能完成测试，消除了测试设备及其运输成本。

二、测试条件灵活可设，本发明通过变流器控制模拟电网故障，因此能方便地按测试要求任意设定测试条件，包括故障前发电机转速及功率、风电场网络阻抗、电网故障类型及严重程度。

三、测试过程不影响电网安全运行，本发明利用风电机组自身发电构成孤立电网完成测试实验，因此测试系统无需与电网相连接从而保障了电网安全。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的系统结构示意图；

图3是本发明提出的开环变桨控制框图；

图4是电网模拟机组全功率机侧变流器直流电压控制外环框图；

图5是电网模拟机组全功率机侧变流器发电机电流控制内环框图；

图6是电网模拟机组全功率网侧变流器控制基本原理；

图7是风电机组启动与转速调节仿真结果；

图8是风电场现场低电压穿越测试电气过程仿真结果，其中，(8a)为电网模拟机组风场母线电压v_pcc的波形图，(8b)为电网模拟机组发电机定子线电压v_{s_ab}的波形图，(8c)为电网模拟机组网侧变流器电流i_gc的波形图，(8d)为电网模拟机组定子电流i_s的波形图，(8e)为电网模拟机组直流母线电压V_dc的波形图，(8f)为电网模拟机组转速ω_r的波形图，(8g)为电网模拟机组电磁转矩T_e的波形图，(8h)为电网模拟机组网侧变流器输出有功和无功功率PQ_gc的波形图，(8i)为被测机组风场母线电压C_pcc的波形图，(8j)为被测机组发电机定子线电压v_{s_ab}的波形图，(8k)为被测机组网侧变流器电流i_gc的波形图，(8l)为被测机组定子电流i_s的波形图，(8m)为被测机组直流母线电压V_dc的波形图，(8n)为被测机组转速ω_r的波形图，(8o)为被测机组电磁转矩T_e的波形图，(8p)为被测机组网侧变流器输出有功和无功功率PQ_gc的波形图；

图9是模拟不同故障类型条件下低电压穿越测试仿真结果，其中，(9a)为模拟电网三相对地故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(9b)为模拟电网三相对地故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(9c)为模拟电网三相对地故障前网侧变流器电流i_gc的波形图，(9d)为模拟电网三相对地故障后网侧变流器电流i_gc的波形图，(9e)为模拟电网单相对地故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(9f)为模拟电网单相对地故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(9g)为模拟电网单相对地故障前网侧变流器电流i_gc的波形图，(9h)为模拟电网单相对地故障后网侧变流器电流i_gc的波形图，(9i)为模拟电网两相对地故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(9j)为模拟电网两相对地故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(9k)为模拟电网两相对故障前地网侧变流器电流i_gc的波形图，(91)为模拟电网两相对地故障后网侧变流器电流i_gc的波形图，(9m)为模拟电网相间故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(9n)为模拟电网相间故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(9o)为模拟电网相间故障前网侧变流器电流i_gc的波形图，(9p)为模拟电网相间故障后网侧变流器电流i_gc的波形图；

图10是模拟单相对地故障时不同故障距离条件下低电压穿越测试仿真结果；

图11是模拟单相对地故障时不同网络阻抗条件下低电压穿越测试仿真结果，其中，(11a)为风场母线电压的波形图，(11b)为风场母线电流的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明

实施例：

如图1所示，一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，包括以下步骤：

1)根据预定条件启动机组，包括以下步骤：

11)变桨控制启动机组；

12)根据测试条件调节被测机组运行在测试转速；

13)根据安全运行限值将电网模拟机组转速控制到相应值；

如图7所示，图为风电机组启动与转速调节仿真结果。

2)电网模拟机组模拟电网正常和故障运行，包括以下步骤：

21)通过机侧变流器控制风力发电机有功功率，保持机侧与全功率网侧变流器有功平衡从而维持直流母线电压始终工作在额定值；

22)将全功率网侧变流器控制为一个带内阻抗的模拟电压源；

23)电压源的内阻抗模拟风电场母线到输电变电站间的网络等效阻抗；

24)全功率网侧变流器按电网正常与故障运行条件模拟产生电网电压；

3)根据测试条件设定故障前被测机组的电磁转矩或功率状态，被测机组实施低电压穿越测试，并且记录被测机组中各项重要电气与机械变量信号；

4)完成测试并安全停机。

步骤13)中采用开环转速控制算法实现控制风机转速，包括以下步骤：

131)在风机启动初期，将控制桨距角控制在最佳桨距角；

132)当机组转速达到设定值时，变桨机构开始动作并以最快桨距角变化率将桨距角调节到顺风位置，此时叶轮输出机械转矩减小为零，机组停止加速；

133)在系统摩擦阻尼作用下，机组转速会缓慢下降最终达到设定转速。

如图3所示为开环变桨控制框图，图中β_off为顺风位置桨距角，β_optimal为最佳桨距角，ω_r为机组转速，ω_r ^*为设定转速，dβ/dt为桨距角变化率，β为桨距角。在起动初期，桨距角控制在最佳桨距角(此例为0°)以便捕获风能产生机械转矩让机组旋转起来。当机组转速达到转速指令(此例为1pu)时，变桨机构开始动作并以最大桨距角变化率(此例为7°/s)将桨距角调节到完全顺风位置，此时叶轮输出机械转矩减小为零，机组停止加速。在系统摩擦阻尼作用下，机组转速会缓慢下降最终达到设定转速。

步骤13)中的安全运行限值为：其中与分别为电网模拟及被测机组的转速，而N_{WT_q}为并联电网模拟机组的数量。

步骤23)中通过测量电流和设定虚拟阻抗参数控制变流器产生模拟虚拟阻抗特性，网络等效阻抗为虚拟阻抗与滤波器及升压变压器阻抗之和。

步骤24)中电网正常与故障运行条件包括电网正常运行、三相对地故障、单相对地故障、两相对地故障和相间故障，如图8所示，图为风电场现场低电压穿越测试电气过程仿真结果，测试时序如表1所示，测试条件为三相对地故障、阻抗角α＝0、故障距离λ＝0、风电场网络等效阻抗为Z_eq＝0.2pu(其中阻抗-电阻比X/R＝4)。测试条件为三相对地故障、阻抗角α＝0、故障距离λ＝0、风电场网络等效阻抗为Z_eq＝0.2pu(其中阻抗-电阻比X/R＝4)，图8中由上至下分别为电网模拟机组和被测机组的仿真结果，图中记录的变量包括：风场母线电压v_pcc，网侧变流器电流i_gc，直流母线电压V_dc，网侧变流器输出有功和无功功率PQ_gc，发电机定子线电压v_{s_ab}，定子电流i_s，转速ω_r以及电磁转矩T_e。如图8所示，t＝2.5s～3.5s是被测发电机电磁转矩调节过程，被测机组的功率状态可根据测试条件任意设定，电网故障从t＝3.5s开始，持续600ms后于t＝4.1s恢复。故障过程中被测机组的控制目标是在保证自身安全运行的前提下输出感性无功电流(此例为1pu)为电网故障电压提供支持，故障切除后被测机组快速恢复到故障前功率状态正常运行，测试过程于t＝4.5s结束，此后各台机组立刻进入电气和机械停机流程。

表1  低电压穿越测试电气过程时序表

电网模拟机组机侧变流器的外内环控制框图分别如图4和图5所示，其中外环直流电压环负责控制直流母线电压，而内环是基于矢量控制算法的电流环，实现风力发电机单位电流最大转矩控制，图4中V_dc ^*为直流母线电压给定值，V_dc为直流母线电压反馈值，PI为PI调节器，T_e ^*为电磁转矩给定值。图5中T_e ^*为电磁转矩给定值，i_q ^*为定子电流q轴分量给定值，i_q为定子电流q轴分量实测值，L为发电机同步电感，ω_r为机组转速，λ为转子磁链，i_d ^*为定子电流d轴分量给定值，i_d为定子电流d轴分量值实测值，u_q ^*为定子电压q轴分量给定值，u_d ^*为定子电压d轴分量给定值，θ_r为发电机转子位置角，u_{r_abc} ^*为变流器输出三相电压。

电网模拟机组网侧变流器控制原理如图6所示，图中v_PCC为风场母线电压，i_g为滤波器输出电流，v_gc为网侧变流器输出电压，v_gcp为电网连接点电压，Z_F为滤波器阻抗，Z_V为变流器虚拟阻抗，Z_eq为电网连接点与风场母线之间的等效网络阻抗，WT_Grid为电网模拟机组，电压源内阻抗由虚拟阻抗、滤波器阻抗以及变压器阻抗组成，通过改变虚拟阻抗可以任意设定内阻抗参数，其中虚拟阻抗是根据电流测量信号和虚拟阻抗参数控制变流器产生相应电压模拟得到，电压源模拟电网正常和故障运行条件：正常运行时电压源电压设定为其中为电网额定三相对称电压空间矢量；故障运行时根据故障类型和严重程度分别按以下公式设定电压源电压：

三相对地故障：

单相对地故障：

两相对地故障：

相间故障：

其中λ_e ^jc＝Z_f/Z_s为故障阻抗与电网等效阻抗之比。这反映了故障严重程度，λ代表了故障发生的相对距离而a为阻抗角。本方法可任意设定低电压穿越测试中电网故障的类型和严重程度。

如图9所示，图为模拟不同故障类型条件下低电压穿越测试仿真结果，图中由上至下依次为模拟电网三相对地、单相对地、两相对地以及相间故障条件下的仿真结果。图中记录的变量包括风场母线电压vp_cc与电网模拟机组网侧变流器电流i_gc，故障发生在t＝3.5s并于t＝3.5s恢复，相关结果验证了本发明提出的方法能模拟所有类型的电网故障条件，现场实施低电压穿越测试。

如图10所示，图为以单相对地故障为例模拟不同故障距离条件下低电压穿越测试的仿真结果，随着故障距离更加接近风电场，电压跌落的深度加大，故障严重程度随之增加，仿真结果验证了本发明提出的方法能任意模拟故障的严重程度。

如图11所示，图为以单相对地故障为例模拟不同风电场网络等效阻抗条件下低电压穿越测试的仿真结果，随着风场阻抗增加，风场母线电压和电流均一定程度有所增加。其中电压增加的原因是由于阻抗压降随阻抗而增大，另一方面，电流增大的原因是由于更大的阻抗压降可能超出被测风机全功率网侧变流器输出电压的极限，造成电流部分失控。

如图2所示，一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统，包括电网模拟机组7和被测机组8，电网模拟机组7和被测机组8通过风场母线6连接，电网模拟机组7包括依次连接的全功率变流器风力发电机组1、全功率机侧变流器2、直流母线3、全功率网侧变流器4、滤波器5、升压变压器和风场母线开关，电网模拟机组包括一台或多台并联的全功率变流器风力发电机组，电网模拟机组包括一台测试风电机组。

每台永磁直驱式风力发电机通过全功率背靠背变流器经滤波器和变压器连接到风电场母线(PCC)，变流器直流母线额定电压为1150V，全功率网侧变流器与全功率机侧变流器开关频率分别为2kHz和1.62kHz，现场测试系统由电网模拟机组和被测机组两部分组成，其中电网模拟机组为一台，用于模拟电网正常与故障运行条件。被测机组则为现场任选的需要测试低电压穿越性能的风电机组。

Claims (10)

1.一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据预定条件启动机组；

2)电网模拟机组模拟电网运行；

3)根据测试条件设定故障前被测机组的电磁转矩或功率状态，被测机组实施低电压穿越测试，并且记录被测机组中各项重要电气与机械变量信号；

4)完成测试并安全停机。

2.根据权利要求1所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，其特征在于，所述的步骤1)包括以下步骤：

11)变桨控制启动机组；

12)根据测试条件调节被测机组运行在测试转速；

13)根据安全运行限值将电网模拟机组转速控制到相应值。

3.根据权利要求1所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，其特征在于，所述的步骤2)包括以下步骤：

21)通过控制风电机组有功功率保持机侧与全功率网侧变流器有功平衡从而维持直流母线电压始终工作在额定值；

22)将全功率网侧变流器控制为一个带内阻抗的模拟电压源；

23)电压源的内阻抗模拟风电场母线到输电变电站间的网络等效阻抗；

24)全功率网侧变流器按电网故障运行条件模拟产生电网电压。

4.根据权利要求2所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，其特征在于，所述的步骤13)中采用开环转速控制算法实现控制风机转速，包括以下步骤：

131)在风机启动初期，将控制桨距角控制在最佳桨距角；

132)当机组转速达到设定值时，变桨机构开始动作并以最快桨距角变化率将桨距角调节到顺风位置，此时叶轮输出机械转矩减小为零，机组停止加速；

133)在系统摩擦阻尼作用下，机组转速会缓慢下降最终达到设定转速。

5.根据权利要求4所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，其特征在于，所述的步骤13)中的安全运行限值为：其中与分别为电网模拟及被测机组的转速，而N_{WT_q}为并联电网模拟机组的数量。

6.根据权利要求3所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试方法，其特征在于，所述的步骤23)中通过测量电流和设定虚拟阻抗参数控制变流器产生模拟虚拟阻抗特性，网络等效阻抗为虚拟阻抗与滤波器及升压变压器阻抗之和。

7.根据权利要求3所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试的方法，其特征在于，所述的步骤24)中电网故障运行包括三相对地故障运行、单相对地故障运行、两相对地故障运行和相间故障运行。

8.一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统，其特征在于，包括电网模拟机组(7)和被测机组(8)，所述的电网模拟机组(7)和被测机组(8)通过风场母线(6)连接，所述的电网模拟机组(7)包括依次连接的全功率变流器风力发电机组(1)、全功率机侧变流器(2)、直流母线(3)、全功率网侧变流器(4)、滤波器(5)、升压变压器和风场母线开关，所述的风场母线开关与风场母线(6)连接。

9.根据权利要求8所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统，其特征在于，所述的电网模拟机组(7)包括一台或多台并联的全功率变流器风力发电机组(1)。

10.根据权利要求8所述的一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统，其特征在于，所述的电网模拟机组(8)包括一台测试风电机组。