CN104678302B - 一种Boost变流器的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Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统，用以进行风电机组的低电压穿越性能测试，包括分别与风场母线连接的模拟电网和被测机组，所述的模拟电网包括多个并联的电网模拟机组，所述的电网模拟机组和被测机组均包括依次连接的风力发电机、二极管整流桥、Boost变流器、全功率网侧变流器、滤波器、升压变压器和风力发电机组并网开关，所述的Boost变流器和全功率网侧变流器的直流母线上并联设有直流电容和crowbar电路，所述的crowbar电路包括并联在直流母线上的内置crowbar电路和外置crowbar电路。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、实现简单、测试成本低、测试条件灵活可设、测试过程不影响电网安全运行等优点。

Description

一种Boost变流器的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Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统及方法。

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。

采用Boost变流器的风电机组是一种常用的风电技术，广泛应用于陆上和海上大型风电场，Boost变流器首先通过二极管不控整流将发电机发出的交流电整流成为直流电，然后通过Boost变换器将波动的直流电压升压到稳定的直流母线电压。机组正常运行时，通过控制Boost电感电流的大小可以调节发电机输出的有功功率，实现风机最大功率点跟踪运行。与PWM变流器相比，Boost变流器具有开关器件少、容量大、成本低、可靠性高的优点，但二极管不控整流会在发电机中产生谐波和转矩脉动，实际系统中往往采用多重化技术进行抑制。随着风电机组单机容量的不断增加，Boost变流器正作为一种可行的大功率(如10MW)风电变流器技术方案，引起大家新的重视。通过适当控制与保护措施，采用Boost变流器的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，目前所有大型风电机组必须经过相关机构对低电压穿越功能进行测试认证，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，其中阻抗模拟法是目前广泛采用的风电机组低电压穿越测试技术。以现场测试为例，现有的车载移动式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，然后将阻抗式故障模拟器串联在电网和风电场母线之间，通过配置各相阻抗的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。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。实际工程中需要更为简便、经济及安全的风电机组低电压穿越测试技术。

现有技术存在测试设备成本高、运输与安装较复杂、测试过程可能威胁电网安全等不足，因此实际工程中需要更为简便、经济及安全的风电机组低电压穿越测试技术。

中国专利CN104215904A公开了一种全功率变流器风电机组低电压穿越测试系统及方法，该测试系统主要针对采用背靠背式全功率变流器的风电机组进行低电压穿越性能测试，由于发电机侧变流器结构不同，该技术无法直接应用于采用Boost变流器的风电机组，并且采用全功率变流器的成本较高、技术操作难度较大。

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可靠性高、实现简单、测试成本低、测试条件灵活可设、测试过程不影响电网安全运行的Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统，用以进行风电机组的低电压穿越性能测试，包括分别与风场母线连接的模拟电网和被测机组，所述的模拟电网包括多个并联的电网模拟机组，所述的电网模拟机组和被测机组均包括依次连接的风力发电机、二极管整流桥、Boost变流器、全功率网侧变流器、滤波器、升压变压器和风力发电机组并网开关，所述的Boost变流器和全功率网侧变流器的直流母线上并联设有直流电容和crowbar电路，所述的crowbar电路包括并联在直流母线上的内置crowbar电路和外置crowbar电路。

每个电网模拟机组中包括一台风力发电机，所述的被测机组中的风力发电机为一台待测风力发电机。

所述的内置crowbar电路和外置crowbar电路均包括相互连接的开关和crowbar电阻。

一种Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统的测试方法，包括以下步骤：

1)测试准备；

2)启动所有电网模拟机组与被测机组并控制其至预定测试转速条件运行；

3)电网模拟机组模拟电网条件运行；

4)对被测机组实施低电压穿越测试；

5)完成测试并安全停机。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)根据被测机组容量及风场条件，确定电网模拟机组并联组数；

12)配置电网模拟机组的crowbar电路；

13)确定被测机组测试运行的工作点，包括转速、有功功率和无功功率。

所述的步骤11)中电网模拟机组并联组数符合以下条件：

其中N_{WT_g}为电网模拟机组并联组数，P_{Test_max}为被测机组最大输出功率，P_grid为电网模拟机组额定功率。

所述的步骤12)中电网模拟机组的crowbar电路容量配置方法包括：

配置内置crowbar电路：采用机组自带的内置crowbar电路，通过多个电网模拟机组并联满足泄能要求，并联电网模拟机组的数量满足：

E_{Test_max}＝P_{Test_max}×T_test；

配置外置crowbar电路：通过外加外置crowbar电路满足泄能要求，外置crowbar电路容量满足：

E_crowbar1≥E_{Test_max}-E_crowbar0×T_test；

其中，E_{Test_max}为被测机组最大输出能量，P_{Test_max}为被测机组最大输出功率，T_test为电气测试时间，E_crowbar0为一台电网模拟机组自带内置crowbar电路的额定容量，N_{WT_g}为电网模拟机组并联组数，E_crowbar1为外加的外置crowbar电路的额定容量。

所述的步骤3)包括以下步骤：

31)通过Boost变流器控制电网模拟机组直流母线电压，并通过crowbar电路消耗从电网侧馈入的多余电能；

32)电网模拟机组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。

所述的步骤31)中crowbar电路的直流电压控制指令大于Boost变流器的直流电压控制指令一定值。

所述的步骤32)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。

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，本发明利用测试现场现成的风电机组构成测试系统，无需或仅需少量硬件修改并通过适当控制完成测试，大大减少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，并且在直流母线侧配置crowbar电路进行泄能，从而保护系统硬件的安全，从而保障了电网安全。

四、可靠性高：本发明采用了Boost变流器，Boost变流器与常见的PWM变流器相比，具有开关器件少、容量大、成本低、可靠性高的优点，通过适当控制与保护措施，采用Boost变流器的风电机组能够实现低电压穿越运行，此外，随着风电机组单机容量的不断增加，应用Boost变流器可以作为一种可行的大功率(如10MW)风电变流器技术方案，

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是电网模拟机组Boost变流器直流母线电压控制外环框图。

图4是风电场两台电网模拟机组并联现场低电压穿越测试电气过程仿真结果图，其中，(4a)为电网模拟机组风场母线电压v_pcc的波形图，(4b)为电网模拟机组发电机定子线电压v_{s_ab}的波形图，(4c)为电网模拟机组网侧变流器电流i_gc的波形图，(4d)为电网模拟机组定子电流i_s的波形图，(4e)为电网模拟机组Boost变流器电感电流i_L的波形图，(4f)为电网模拟机组crowbar电流i_crowbar的波形图，(4g)为电网模拟机组直流母线电压V_dc的波形图，(4h)为电网模拟机组转速ω_r的波形图，(4i)为电网模拟机组电磁转矩T_e的波形图，(4j)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，(4k)为被测机组风场母线电压v_pcc的波形图，(4l)为被测机组发电机定子线电压v_{s_ab}的波形图，(4m)为被测机组网侧变流器电流i_gc的波形图，(4n)为被测机组定子电流i_s的波形图，(4o)为被测机组Boost变流器电感电流i_L的波形图，(4p)为被测机组直流母线电压V_dc的波形图，(4q)为被测机组转速ω_r的波形图，(4r)为被测机组电磁转矩T_e的波形图，(4s)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5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，(5a)为模拟三相对地故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(5b)为模拟三相对地故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(5c)为电网模拟机组模拟三相对地故障前网侧变流器电流i_gc的波形图，(5d)为电网模拟机组模拟三相对地故障后网侧变流器电流i_gc的波形图，(5e)为模拟单相对地故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(5f)为模拟单相对地故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(5g)为电网模拟机组模拟单相对地故障前网侧变流器电流i_gc的波形图，(5h)为电网模拟机组模拟单相对地故障后网侧变流器电流i_gc的波形图，(5i)为模拟两相对地故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(5j)为模拟两相对地故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(5k)为电网模拟机组模拟两相对地故障前网侧变流器电流i_gc的波形图，(5l)为电网模拟机组模拟两相对地故障后网侧变流器电流i_gc的波形图，(5m)为模拟相间故障前风场母线电压v_pcc的波形图，(5n)为模拟相间故障后风场母线电压v_pcc的波形图，(5o)为电网模拟机组模拟相间故障前网侧变流器电流i_gc的波形图，(5p)为电网模拟机组模拟相间故障后网侧变流器电流i_gc的波形图。

其中，101、电网模拟风力发电机，102、待测风力发电机，2、二极管整流桥，3、Boost变流器，4、直流电容，5、内置crowbar电路，6、外置crowbar电路，7、全功率网侧变流器，8、滤波器，9、升压变压器，10、风力发电机组并网开关，11、风场母线，12、风场母线开关，13、被测机组，14、电网模拟机组，15、模拟电网。

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2所示，一种Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统，用以进行风电机组的低电压穿越性能测试，包括分别与风场母线11连接的模拟电网15和被测机组13，所述的模拟电网15包括多个并联的电网模拟机组14，所述的电网模拟机组14和被测机组13均包括依次连接的风力发电机、二极管整流桥2、Boost变流器3、全功率网侧变流器7、滤波器8、升压变压器9和风力发电机组并网开关10，所述的Boost变流器3和全功率网侧变流器7的直流母线上并联设有直流电容4和crowbar电路，所述的crowbar电路包括并联在直流母线上的内置crowbar电路5和外置crowbar电路6，在风场母线11的电网侧还设有风场母线开关12。

每个电网模拟机组14中的风力发电机为一台电网模拟风力发电机101，所述的被测机组13中的风力发电机为一台待测风力发电机102，内置crowbar电路5和外置crowbar电路6均包括相互连接的开关和crowbar电阻。

如图1所示，一种Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统的测试方法，包括以下步骤：

1)测试准备，具体包括以下步骤：

11)根据被测机组容量及风场条件，确定电网模拟机组并联组数，电网模拟机组并联组数符合以下条件：

其中N_{WT_g}为电网模拟机组并联组数，P_{Test_max}为被测机组最大输出功率，P_grid为电网模拟机组额定功率。；

12)配置电网模拟机组的crowbar电路，电网模拟机组的crowbar电路容量配置方法包括：

配置内置crowbar电路：采用机组自带的内置crowbar电路，通过多个电网模拟机组并联满足泄能要求，并联电网模拟机组的数量满足：

E_{Test_max}＝P_{Test_max}×T_test；

配置外置crowbar电路：通过外加外置crowbar电路满足泄能要求，外置crowbar电路容量满足：

E_crowbar1≥E_{Test_max}-E_crowbar0×T_test；

其中，E_{Test_max}为被测机组最大输出能量，P_{Test_max}为被测机组最大输出功率，T_test为电气测试时间，E_crowbar0为一台电网模拟机组自带内置crowbar电路的额定容量，N_{WT_g}为电网模拟机组并联组数，E_crowbar1为外加的外置crowbar电路的额定容量；

13)确定被测机组测试运行的工作点，包括转速、有功功率和无功功率；

2)启动所有电网模拟机组与被测机组并控制其至预定测试转速条件运行；

3)电网模拟机组模拟电网条件运行，具体包括以下步骤：

31)通过Boost变流器控制电网模拟机组直流母线电压，并通过crowbar电路消耗从电网侧馈入的多余电能，crowbar电路的直流电压控制指令大于Boost变流器的直流电压控制指令一定值；

32)电网模拟机组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，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；

4)对被测机组实施低电压穿越测试；

5)完成测试并安全停机。

现场测试系统由电网模拟机组14和被测机组13两部分组成，其中电网模拟机组为2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。每台电网模拟机组14包括依次连接的风力发电机、二极管整流桥2、Boost变流器3、母线电容4、内置crowbar电路5、外置crowbar电路6、全功率网侧变流器7、滤波器8、升压变压器9和风力发电机组并网开关10，其中直流母线额定电压为1150V，crowbar电路的直流电压控制指令为1200V，Boost变流器的直流电压控制指令为1150V，crowbar电路的直流电压控制指令比Boost变流器的直流电压控制指令大50V，全功率网侧变流器与Boost变流器的开关频率为2kHz，crowbar容量为1MJ。

如图4a-4s所示，图为2MW采用Boost变流器的风电机组低电压穿越测试电气过程仿真结果。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)，测试时序如表1所示。其中，图4a-4j为电网模拟机组的仿真结果，图4k-4s为被测机组的仿真结果，图中记录的变量包括：图4a中v_pcc为电网模拟机组风场母线电压，图4b中v_{s_ab}为电网模拟机组发电机定子线电压，图4c中i_gc为电网模拟机组网侧变流器电流，图4d中i_s为电网模拟机组定子电流，图4e中i_L为电网模拟机组Boost变流器电感电流，图4f中i_crowbar为电网模拟机组crowbar电流，图4g中V_dc为电网模拟机组直流母线电压，图4h中ω_r为电网模拟机组转速，图4i中T_e为电网模拟机组电磁转矩，图4j中PQ_gc为电网模拟机组网侧变流器输出有功和无功功率，图4k中v_pcc为被测机组风场母线电压，图4l中v_{s_ab}为被测机组发电机定子线电压，图4m中i_gc为被测机组网侧变流器电流，图4n中i_s为被测机组定子电流，图4o中i_L为被测机组Boost变流器电感电流，图4p中V_dc为被测机组直流母线电压，图4q中ω_r为被测机组转速，图4r中T_e为被测机组电磁转矩，图4s中PQ_gc为被测机组网侧变流器输出有功和无功功率。如图4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＝4.6s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Boost变流器的外环控制框图如图3所示，其中外环为直流电压环，图3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，I_L ^*为电感电流给定值。

如图5a-5p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，其中，其中，图5a-5d为模拟电网三相对地故障条件下的仿真结果，图5e-5h为模拟电网单相对地故障条件下的仿真结果，图5i-5l为模拟电网两相对地故障条件下的仿真结果，图5m-5p为模拟电网相间故障条件下的仿真结果，其中，图5a中v_pcc为三相对地故障前风场母线电压，图5b中v_pcc为三相对地故障后风场母线电压，图5c中v_pcc为电网模拟机组模拟三相对地故障前网侧变流器电流，图5d中v_pcc为电网模拟机组模拟三相对地故障后网侧变流器电流，图5e中v_pcc为模拟单相对地故障前风场母线电压，图5f中v_pcc为模拟单相对地故障后风场母线电压，图5g中i_gc为电网模拟机组模拟单相对地故障前网侧变流器电流，图5h中i_gc为电网模拟机组模拟单相对地故障后网侧变流器电流，图5i中v_pcc为模拟两相对地故障前风场母线电压，图5j中v_pcc为模拟两相对地故障后风场母线电压，图5k中i_gc为电网模拟机组模拟两相对地故障前网侧变流器电流，图5l中i_gc为电网模拟机组模拟两相对地故障后网侧变流器电流，图5m中v_pcc为模拟相间故障前风场母线电压，图5n中v_pcc为模拟相间故障后风场母线电压，图5o中i_gc为电网模拟机组模拟相间故障前网侧变流器电流，图5p中i_gc为电网模拟机组模拟相间故障后网侧变流器电流。

图中记录的变量包括风场母线电压v_pcc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＝4.1s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。

Claims (10)

1.一种Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统，用以进行风电机组的低电压穿越性能测试，包括分别与风场母线(11)连接的模拟电网(15)和被测机组(13)，其特征在于，所述的模拟电网(15)包括多个并联的电网模拟机组(14)，所述的电网模拟机组(14)和被测机组(13)均包括依次连接的风力发电机、二极管整流桥(2)、Boost变流器(3)、全功率网侧变流器(7)、滤波器(8)、升压变压器(9)和风力发电机组并网开关(10)，所述的Boost变流器(3)和全功率网侧变流器(7)的直流母线上并联设有直流电容(4)和crowbar电路，所述的crowbar电路包括并联在直流母线上的内置crowbar电路(5)和外置crowbar电路(6)。

2.根据权利要求1所述的一种Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统，其特征在于，每个电网模拟机组(14)中的风力发电机为一台电网模拟风力发电机(101)，所述的被测机组(13)中的风力发电机为一台待测风力发电机(102)。

3.根据权利要求1所述的一种Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统，所述的内置crowbar电路(5)和外置crowbar电路(6)均包括相互连接的开关和crowbar电阻。

4.一种应用如权利要求1所述的Boost变流器的风电机组低电压穿越测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测试准备；

2)启动所有电网模拟机组与被测机组并控制其至预定测试转速条件运行；

3)电网模拟机组模拟电网条件运行；

4)对被测机组实施低电压穿越测试；

5)完成测试并安全停机。

5.根据权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)根据被测机组容量及风场条件，确定电网模拟机组并联组数；

12)配置电网模拟机组的crowbar电路；

13)确定被测机组测试运行的工作点，包括转速、有功功率和无功功率。

6.根据权利要求5所述的一种测试方法，其特征在于，所述的步骤11)中电网模拟机组并联组数符合以下条件：

$N_{WT\_g}\≥\frac{P_{Test\_max}}{P_{grid}}$

其中N_{WT_g}为电网模拟机组并联组数，P_{Test_max}为被测机组最大输出功率，P_grid为电网模拟机组额定功率。

7.根据权利要求5所述的一种测试方法，其特征在于，所述的步骤12)中电网模拟机组的crowbar电路容量配置方法包括：

配置内置crowbar电路：采用机组自带的内置crowbar电路，通过多个电网模拟机组并联满足泄能要求，并联电网模拟机组的数量满足：

$N_{WT\_g}\≥\frac{E_{Test\_max}}{E_{crowbar0}}$

E_{Test_max}＝P_{Test_max}×T_test；

配置外置crowbar电路：通过外加外置crowbar电路满足泄能要求，外置crowbar电路容量满足：

E_crowbar1≥E_{Test_max}-E_crowbar0×T_test；

其中，E_{Test_max}为被测机组最大输出能量，P_{Test_max}为被测机组最大输出功率，T_test为电气测试时间，E_crowbar0为一台电网模拟机组自带内置crowbar电路的额定容量，N_{WT_g}为电网模拟机组并联组数，E_crowbar1为外加的外置crowbar电路的额定容量。

8.根据权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于，所述的步骤3)包括以下步骤：

31)通过Boost变流器控制电网模拟机组直流母线电压，并通过crowbar电路消耗从电网侧馈入的多余电能；

32)电网模拟机组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。

9.根据权利要求8所述的一种测试方法，其特征在于，所述的步骤31)中crowbar电路的直流电压控制指令大于Boost变流器的直流电压控制指令一定值。

10.根据权利要求8所述的一种测试方法，其特征在于，所述的步骤32)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。