CN106291356A - 一种风电机组并网低电压穿越远端检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组并网低电压穿越远端检测系统及方法，包括低电压穿越检测装置、电力电子开关及其控制电路和测试电缆，测试电缆一端与低电压穿越检测装置连接，另一端与待检测风机连接，低电压穿越检测装置处设置电力电子开关，构成短路开关和旁路开关，利用控制电路控制电力电子开关的动作时序以控制测试装置限流电抗和短路电抗动作时序，迅速衰减海缆投入后的暂态过程。本发明能够在测试装置无法靠近待检测风机的情况下(如海上测试)，能够消除海缆引入对低电压穿越测试的影响，顺利实现风电机组的低电压穿越能力的远端测试。

Description

一种风电机组并网低电压穿越远端检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组并网低电压穿越远端检测系统及方法。

背景技术

随着环境保护与可持续发展意识的不断提高，可再生能源尤其是风电近年来发展十分迅速。截至2015年底，我国并网风电累计装机达1.29亿千瓦，全球风电市场规模在2009～2015年扩大了约250GW。与此同时，全球范围内海上风电并网规模不断增加，对电网的安全、稳定运行带来极大挑战。

近年来我国连续发生多起因风电机组不具备低电压穿越能力导致的大规模脱网事故，对电网安全、稳定运行造成严重影响。这就要求风电机组在电网故障下应具备故障电压穿越能力，为电网恢复提供无功支撑。为此，国家能源局针对风电低电压穿越检测工作印发了《风力发电机组低电压穿越能力测试规程》(以下均简称规程)。目前关于风电机组低电压穿越的研究基本针对陆上风力发电机组，测试点靠近于风机箱变高压出口侧。在进行风力发电机组低电压穿越检测时，扰动发生装置可以按照测试规程要求在风机箱变高压侧产生相应的电压跌落。

因受地理因素等限制，海上风力发电机进行低电压穿越检测时，测试装置往往难以抵达风机箱变出口处进行测量。因此工程上直接将检测设备置于岸上，通过一定长度的海缆将检测设备和风力发电机连接进行低电压穿越检测。由于长距离输电海缆的影响，常常导致低电压穿越检测的失败，甚至危害待检测风机以及检测设备。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种风电机组并网低电压穿越远端检测系统及方法，本发明根据测试要求消除长距离海缆对风电机组低电压穿越测试的影响，检测设备在风机箱变高压侧产生的测试波形与在近端测试时产生的波形基本一致，而且能够有效避免海缆导致的低电压穿越检测失败，以消除风电机组远端检测时长距离电缆的影响，解决低电压穿越远端检测问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风电机组并网低电压穿越远端检测系统，包括低电压穿越检测装置、电力电子开关及其控制电路和测试电缆，测试电缆一端与低电压穿越检测装置连接，另一端与待检测风机连接，低电压穿越检测装置处设置电力电子开关，构成短路开关和旁路开关，利用控制电路控制电力电子开关的动作时序以控制测试装置限流电抗和短路电抗动作时序，迅速衰减海缆投入后的暂态过程。

基于上述系统的低电压穿越检测方法，具体步骤包括：

(1)根据测试风机所在的系统，测量待测风机接入电网的等效阻抗，根据待测电压跌落度，计算相应的限流电抗与短路电抗；

(2)低电压测试装置串联接入电网与连接风机的电缆之间，此时风机退出运行，进行空载检测；

(3)调整限流电抗与短路电抗的阻值，利用电力电子开关控制限流电抗与短路电抗的投切顺序，模拟测试点电网故障，按照测试标准产生要求的电压跌落；

(4)将风力发电机组启动接入电网，调节风力发电机的输出功率至额定功率的10％～30％，进行轻负载下的低电压穿越测试；

(5)调节风力发电机的输出功率至额定功率的85-95％，进行重负载下的低电压穿越能力测试，记录测试数据。

所述步骤(1)中，测量待测风机接入电网的等效阻抗，根据待测电压跌落度，计算得到相应的限流电抗与短路电抗，限流电抗X₁与短路电抗X₂关系由如下表达式决定：

$(9-10\mathrm{\θ})X_s\≤X_1\≤\frac{V_{sys}^2}{3S_n}-X_s$

$\mathrm{\θ}=\frac{X_2}{X_s+X_1+X_2}$

其中，V_sys表示系统电压，X_s为系统等效电抗，S_n为风机额定功率，θ表示X₁、X₂满足的关系。

所述步骤(2)中，保持风力发电机组退出运行并且在风机箱变高压侧与海缆断开连接，将低电压穿越检测装置串连接入电网与海缆之间，准备进行空载条件下低电压穿越测试。

所述步骤(3)中，调整限流电抗与短路电抗的阻值，利用电力电子开关控制限流电抗与短路电抗的投切顺序，将短路电抗三相或两相连接在一起模拟测试点电网故障，按照测试标准产生要求的电压跌落，所有测试结束后，将限流电抗与短路电抗退出运行，电网电压恢复正常。

所述步骤(3)中，测试过程中要保证限流电抗投入后，短路电抗在电力电子开关的控制下迅速投入，负载测试与空载测试时的限流电抗与短路电抗应当一致，空载测试过程中记录测试数据，以进行风力发电机组的负载测试。

所述步骤(3)中，在低电压穿越空载测试后，根据电网电压跌落规格记录所对应的限流电抗与短路电抗的值，将风力发电机组启动正常运行后，将风机箱变高压侧与海缆连接，准备进行负载条件下的低电压穿越测试。

所述步骤(4)中，根据空载时确定的限流电抗与短路电抗的值，依据设定的跌落度逐次测试风力发电机的低电压穿越测试，测试中短路电抗的投入应在电流电抗投入后迅速投入，此过程中相同规格测试进行多次并记录相关测试数据、波形。

所述步骤(5)中，根据空载时确定的限流电抗与短路电抗的值，按照测试标准要求的跌落度逐次测试风力发电机的低电压穿越测试，测试中短路电抗的投入应在电流电抗投入后迅速投入，此过程中，相同规格测试进行多次并记录相关测试数据、波形。

本发明的有益效果为：

(1)本发明设计的基于电力电子开关精准动作时序的风电机组低电压穿越远端检测方法，核心创新点在于能够在测试装置无法靠近待检测风机的情景下(如海上测试)，顺利实现接入测试电缆后的远端检测；

(2)本发明设计的基于电力电子开关进精准动作时序的风电机组低电压穿越远端检测方法，能够较好的适应不同电缆型号、不同电缆长度下的低电压穿越检测，具有较强的适应性和调节能力；

(3)本发明设计的基于电力电子开关进精准动作时序的风电机组低电压穿越远端检测方法，通过电力电子开关控制限流电抗与短路电抗的精准投切，可有效避免限流电抗与短路电抗投入时间间隔较长时导致暂态过程引起的风电机组低电压穿越检测失败；

(4)本发明设计的基于电力电子开关进精准动作时序的风电机组低电压穿越远端检测方法，提出改进电抗投入的动作时序和间隔，利用电力电子开关实现上述功能，相比于已有基于传统断路器作为开关的测试系统，仅需更换电力电子开关即可实现低电压穿越远端测试；

(5)本发明设计的基于电力电子开关进精准动作时序的风电机组低电压穿越远端检测方法，相比于将测试装置运送到难以到达或固定的待测风机近端相比，具有很强的可操作性和广泛的使用范围。

附图说明

图1A为低电压穿越远端检测测试系统结构示意图，主要由低电压穿越检测装置，测试电缆以及待检测风机组成，低电压穿越检测装置由电力电子开关控制限流电抗与短路电抗的动作时序；

图1B为风力发电机组低电压穿越能力要求，为保证风力发电机组并网可靠性，在电网发生故障时，风力发电机组在图1B所示的范围内应当保持并网运行；

图2A为空载条件下风力发电机组低电压穿越远端检测测试系统结构示意图；

图2B为图2A对应的空载条件下低电压穿越远端检测时电压跌落容许误差；

图2C为限流开关和短路开关的动作时序；

图2D为低电压穿越空载检测的流程；

图3为基于电力电子开关精准动作时序的风电机组低电压穿越远端检测方法流程图，以空载测试条件为依据，按照测试流程在远端进行检测。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1A所示，本发明提供一种风电机组低电压穿越远端检测方法，实际完整的测试系统包括低电压穿越测试装置，长距离测试电缆以及待检测风机。测试电缆一端与低电压穿越检测装置连接，另一端与待检测风机连接。

具体包括低电压穿越扰动发生装置、电力电子开关及其精准控制电路和测试电缆。所述低电压穿越测试装置能够测试电压跌落值为0.2～0.9时风力发电机组的低电压穿越能力，并且根据测试标准的要求能够维持标准要求的电压跌落时间。

基于上述系统的一种基于电力电子开关精准动作时序的风电机组低电压穿越远端检测方法，通过建立测试系统等效电路，通过采用电力电子开关精准动作时序控制测试装置限流电抗和短路电抗动作时序，迅速衰减海缆投入后的暂态过程，保证远端检测顺利实施。

本测试装置用于低电压穿越的远端检测，实际测试时该装置串接入海缆与陆上电网连接点处，可参见图2A中的A点处。

图1B给出了风机应当具有的低电压穿越能力，当电网发生的故障在图1B曲线包围范围内时，风机应当保持并网运行而不脱网，低电压穿越检测就是检测风机是否具有这种能力。

如图2A所示为风电机组低电压穿越远端空载检测等效电路图，其中L_s，L₁，L₂分别为系统等效电感、限流电感和短路电感。图2B为空载条件下低电压穿越检测时电压跌落容许误差，考虑到系统等效电感的变化以及短路电抗的调节精度问题，电压跌落必然存在一定的误差，图2B给出了误差范围。

如图2C和图2D所示给出了本发明所对应的基于电力电子开关精准动作时序的低电压穿越远端检测空载测试的方法和步骤。

如图2D所示为低电压穿越远端检测流程图，对应于本发明提供的基于电力电子开关精准动作时序低电压穿越检测的前4个步骤。

分别为：

1、在t₀时刻断开旁路开关S1，投入限流电抗；

2、在t₀+Δt(Δt趋近于0)时，闭合短路开关S2，投入短路电抗，产生电压跌落；

3、在t₄时刻断开短路开关，使电压恢复正常；

4、在t₄+Δt(Δt趋近于0)时，迅速闭合旁路开关，限流电抗退出运行。

本发明的具体过程，如图3所示，具体步骤如下：

S1:根据测试风机所在的系统，测量待测风机接入电网的等效阻抗，根据待测电压跌落度，由公式计算得到相应的限流电抗与短路电抗。

本步骤中，限流电抗X₁与短路电抗X₂关系由如下表达式决定：

$(9-10\mathrm{\θ})X_s\≤X_1\≤\frac{V_{sys}^2}{3S_n}-X_s$

$\mathrm{\θ}=\frac{X_2}{X_s+X_1+X_2}$

其中，V_sys表示系统电压，X_s为系统等效电抗，S_n为风机额定功率，θ表示X₁、X₂满足的关系。这些值需要由测量以及公式计算获得。

S2:保持风力发电机组退出运行并且在风机箱变高压侧与海缆断开连接，按照测试规程要求将低电压穿越测试设备串连接入电网与海缆之间，准备进行空载条件下低电压穿越测试。

S3:考虑到实际测试情况，结合现有的低电压穿越测试装置的性能，当风力发电机组有功功率输出分别在以下范围内是，测试风力发电机自在电网电压跌落时的响应特性：

(a)大功率输出，P>0.9P_n；

(b)小功率输出，0.1P_n<P<0.3P_n。

本步骤中只进行风电机组空载的低电压穿越检测，考虑到测试规程的如下要求：

按照陆上风机近端测试规程，利用低电压穿越测试装置产生测试标准要求的电压跌落幅值、对应的故障持续时间以及要求的电压跌落波形，分别在三相电压跌落和两相电压跌落故障下进行测试。以电压跌落度0.9为例，电压跌落幅值应在0.85～0.9范围内，故障持续时间为2000±20ms，电压跌落波形为方波。相应电压跌落参见下表。

电网电压跌落规格

以规格1空载电压跌落为例，电压跌落幅值为0.9倍额定电压。首先根据测量的实际系统的阻抗值X_s以及短路容量，选择合适的电流电抗值，根据电压跌落度和公式(1)选择电流电抗的值，使得电压跌落幅值为0.9倍额定电压并保证电压跌落在误差允许范围内。根据图2C所示的限流和短路电力电子开关的动作时序，在t₀时刻触发限流电力电子开关投入限流电抗，在t₁＝t₀+Δt(Δt→0,设定为电力电子开关的固有开关时间)时刻投入短路电抗产生相应的电压跌落，t₄时刻断开短路开关，此次空载测试结束。相同规格测试进行2次。

S4:在低电压穿越空载测试后，根据电网电压跌落规格记录所对应的限流电抗与短路电抗的值。将风力发电机组启动正常运行后，将风机箱变高压侧与海缆连接，准备进行负载条件下的低电压穿越测试。

S5:将风力发电机组启动接入电网，调节风力发电机的输出功率至额定功率的10％～30％，进行轻负载下的低电压穿越测试。根据S3空载时确定的限流电抗与短路电抗的值，按照测试标准要求的跌落度逐次测试风力发电机的低电压穿越测试，测试中短路电抗的投入应在电流电抗投入后迅速投入，此过程中相同规格测试进行2次并记录相关测试数据、波形。

S6：调节风力发电机的输出功率至额定功率的90％左右，进行重负载下的低电压穿越能力测试。根据S3空载时确定的限流电抗与短路电抗的值，按照测试标准要求的跌落度逐次测试风力发电机的低电压穿越测试，测试中短路电抗的投入应在电流电抗投入后迅速投入。此过程中，相同规格测试进行2次并记录相关测试数据、波形。

S7：实际测试结束后，将设备退出。根据记录的数据，对风力发电机的低电压穿越能力做出基本评价。

至此，针对风电机组的低电压穿越远端检测完成。

所述步骤S4中，在低电压穿越空载测试后，根据电网电压跌落规格记录所对应的限流电抗与短路电抗的值。将风力发电机组启动正常运行后，将风机箱变高压侧与海缆连接，准备进行负载条件下的低电压穿越测试。

所述步骤S5中，根据测试规程的要求，调整风力发电机组输出有功功率至轻载状态，也即风力发电机组的输出功率为0.1P_n<P<0.3P_n，进行低电压穿越测试，各规格测试进行2次，测试结束后短路电抗、限流电抗退出运行，电网恢复原来的电压。

本步骤中，电压跌落规格如步骤S3中所示，各电压跌落规格下对应的电流电抗与短路电抗的值采用步骤S4中记录的数据。

所述步骤S6中，根据测试规程的要求，调整风力发电机组输出有功功率至轻载状态，也即风力发电机组的输出功率为P>0.9P_n，进行低电压穿越测试，各规格测试进行2次，测试结束后短路电抗、限流电抗退出运行，电网恢复原来的电压。

本步骤中，电压跌落规格如步骤S3中所示，各电压跌落规格下对应的电流电抗与短路电抗的值采用步骤S4中记录的数据。

所述步骤S7中，根据S5和S6中的低电压穿越测试记录的数据以及有关的波形，对风力发电机的低电压穿越能力做出基本评价。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种风电机组并网低电压穿越远端检测系统，其特征是：包括低电压穿越检测装置、电力电子开关及其控制电路和测试电缆，测试电缆一端与低电压穿越检测装置连接，另一端与待检测风机连接，低电压穿越检测装置处设置电力电子开关，构成短路开关和旁路开关，利用控制电路控制电力电子开关的动作时序以控制测试装置限流电抗和短路电抗动作时序，迅速衰减海缆投入后的暂态过程。

2.基于权利要求1所述的系统的低电压穿越检测方法，其特征是：具体步骤包括：

(1)根据测试风机所在的系统，测量待测风机接入电网的等效阻抗，根据待测电压跌落度，计算相应的限流电抗与短路电抗；

(2)低电压测试装置串联接入电网与连接风机的电缆之间，此时风机退出运行，进行空载检测；

(3)调整限流电抗与短路电抗的阻值，利用电力电子开关控制限流电抗与短路电抗的投切顺序，模拟测试点电网故障，按照测试标准产生要求的电压跌落；

(4)将风力发电机组启动接入电网，调节风力发电机的输出功率至额定功率的10％～30％，进行轻负载下的低电压穿越测试；

(5)调节风力发电机的输出功率至额定功率的85-95％，进行重负载下的低电压穿越能力测试，记录测试数据。

3.如权利要求2所述的低电压穿越检测方法，其特征是：所述步骤(1)中，测量待测风机接入电网的等效阻抗，根据待测电压跌落度，计算得到相应的限流电抗与短路电抗，限流电抗X₁与短路电抗X₂关系由如下表达式决定：

$(9-10\mathrm{\&theta;})X_s\&le;X_1\&le;\frac{V_{sys}^2}{3S_n}-X_s$

$\mathrm{\&theta;}=\frac{X_2}{X_s+X_1+X_2}$

其中，V_sys表示系统电压，X_s为系统等效电抗，S_n为风机额定功率，θ表示X₁、X₂满足的关系。

4.如权利要求2所述的低电压穿越检测方法，其特征是：所述步骤(2)中，保持风力发电机组退出运行并且在风机箱变高压侧与海缆断开连接，将低电压穿越检测装置串连接入电网与海缆之间，准备进行空载条件下低电压穿越测试。

5.如权利要求2所述的低电压穿越检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，调整限流电抗与短路电抗的阻值，利用电力电子开关控制限流电抗与短路电抗的投切顺序，将短路电抗三相或两相连接在一起模拟测试点电网故障，按照测试标准产生要求的电压跌落，所有测试结束后，将限流电抗与短路电抗退出运行，电网电压恢复正常。

6.如权利要求2所述的低电压穿越检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，测试过程中要保证限流电抗投入后，短路电抗在电力电子开关的控制下迅速投入，负载测试与空载测试时的限流电抗与短路电抗应当一致，空载测试过程中记录测试数据，以进行风力发电机组的负载测试。

7.如权利要求2所述的低电压穿越检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，在低电压穿越空载测试后，根据电网电压跌落规格记录所对应的限流电抗与短路电抗的值，将风力发电机组启动正常运行后，将风机箱变高压侧与海缆连接，准备进行负载条件下的低电压穿越测试。

8.如权利要求2所述的低电压穿越检测方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据空载时确定的限流电抗与短路电抗的值，依据设定的跌落度逐次测试风力发电机的低电压穿越测试，测试中短路电抗的投入应在电流电抗投入后迅速投入，此过程中相同规格测试进行多次并记录相关测试数据、波形。

9.如权利要求2所述的低电压穿越检测方法，其特征是：所述步骤(5)中，根据空载时确定的限流电抗与短路电抗的值，按照测试标准要求的跌落度逐次测试风力发电机的低电压穿越测试，测试中短路电抗的投入应在电流电抗投入后迅速投入，此过程中，相同规格测试进行多次并记录相关测试数据、波形。