CN108375730A - 基于变流器结构的低电压穿越测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于变流器结构的低电压穿越测试系统及方法，该系统包括：检测电路、数据采集模块、虚拟分压器模块、变流器控制模块、PWM控制模块，本发明能够准确测试风电设备低电压穿越能力，实现在不对称故障下对故障相电压的线性控制。

Description

基于变流器结构的低电压穿越测试系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种风电控制领域的技术，具体是一种基于变流器结构的低电压穿越测试系统及方法。

背景技术

随着海上风电的不断发展，大量海上风电能源通过HVDC系统汇入电网。由于风电能源的高渗透率，当风电并网点发生交流故障时，传统的切除风电能源的方式导致系统中潮流的重新分布，对电网造成较大的冲击。因此要求并网点发生交流故障时风电系统具备带故障运行能力，即低电压穿越能力。现有的海上风力发电一般经过直流输电系统汇入电网，因此除了风力发电机需要进行低电压穿越测试外，直流输电系统中的电网侧变流器同样需要具备低电压穿越的能力。为了对低电压穿越能力进行试验，需要采用专用的低电压穿越试验平台。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于变流器结构的低电压穿越测试系统及方法，能够准确测试风电设备低电压穿越能力，实现在不对称故障下对故障相电压的线性控制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：检测电路、数据采集模块、虚拟分压器模块、变流器控制模块、PWM控制模块，其中：检测电路接收PWM控制模块传输的变流器驱动信号实现对变流器的控制并生成对应的电压波形，并将电气测量元件测得的电气数据输出至数据采集模块，数据采集模块经过模数转换和解耦处理后输出PCC点采集电压至虚拟分压器模块用于生成参考电压，并将经过正负序解耦的电网序分量数据输出至变流器控制模块用于变流器参考信号的控制，虚拟分压器模块根据用户设置的故障类型与故障波形生成对应的参考电压并输出至变流器控制模块用于变流器参考信号的控制，变流器控制模块接收来自数据采集模块的实时电网数据以及来自虚拟分压器模块的计算出的正、负序参考电压，根据相应的正负序控制框架生成测试平台的检测电路中变流器的参考电压信号并输出至PWM控制模块用于生成变流器驱动信号，PWM控制模块根据参考电压信号生成对应的变流器驱动信号输出至检测电路实现对变流器的控制。

所述的检测电路包括：依次连接的第一并网开关、LC滤波器、背靠背变流器，变压器，第二并网开关以及用于电气测量的电流互感器与电压互感器，第一和第二并网开关用于测试平台在电网中的投切，LC滤波器用于滤除生成电压中的高频谐波，背靠背变流器用于低电压波形的生成，控制被测设备出口电压的幅值、相位及频率，变压器用于提供背靠背变流器的工作电压，电压、电流互感器用于变流器出口各处电压、电流的采样。

所述的数据采集模块包括：数据处理与转换单元和序分量解耦单元，其中：数据处理与转换单元将来自检测电路的PCC点采集电压及变流器出口电流对应的模拟信号转化为数字信号后将所得三相坐标系下的信号量变换至αβ坐标系，序分量解耦单元经过正、负序分量解耦算法获得αβ坐标系下解耦的正序分量与负序分量，并经过变换进一步得到dq坐标系下的正、负序分量。

所述的虚拟分压器模块包括：用户交互单元、参数变换单元、参考电压生成单元，其中：用户交互单元根据用户要求设置低电压穿越测试的故障类型与故障波形，参数变换单元将用户设置的参数变换为参考电压生成单元需要的参数格式、参考电压生成单元生成PCC点电压在正、负网中的d轴参考分量和q轴参考分量并输出至变压器控制模块。

所述的变流器控制模块包括：用于实现对正序分量的控制的正序控制单元、用于实现对负序分量的控制的负序控制单元和参考信号合成单元，其中：正序控制单元经过PI环节生成低电压穿越波形中正序分量，负序控制单元经过PI环节生成低电压穿越波形中负序分量，参考信号合成单元将相连接的正序控制单元和负序控制单元生成的参考电压进行合成，通过变换得到三相坐标系下的合成参考电压并输出至PWM控制模块。

所述的PWM控制模块中设有具有PWM功能的微处理器。

本发明涉及上述系统的测试方法，包括以下步骤：

S1：闭合并网开关K2为检测电路供电，在LC滤波器末端建立正常工作电压；

S2：当LC滤波器末端电压达到被测设备的额定电压时，闭合并网开关K1实现与被测设备的连接，被测设备零负荷正常启动；

S3：被测设备带负荷运行，达到稳定运行状态；

S4：低电压测试开始，通过虚拟分压器模块实现故障类型和故障波形的设置，由变流器控制模块来控制被测设备出口生成对应的故障电压；

S5：当前测试完成，如果需要进行另一项测试则跳转至S3，如果停止测试则进入S6；

S6：被测设备停机，断开并网开关K1、K2，测试平台运行结束。

技术效果

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1、本发明通过基于变流器结构的电压测试平台可以广泛适用于双馈型风力发电机、直驱型风力发电机、并网变流器等风电设备并准确测试其低电压穿越能力，本发明具有可封装的特点，可以用于相关设备的出厂测试，也可以用于设备的实地测试。

2、本发明可以提供三相短路、单相接地、两相短路、两相接地短路这四种短路故障波形，通过硬件部分中背靠背变流器实现测试过程中对主电网的隔离，通过虚拟分压器模块实现在不对称故障下对故障相电压的线性控制。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明检测电路示意图；

图3为本发明检测电路中变流器示意图；

图4为本发明虚拟分压器模块示意图；

图5为本发明变流器控制模块示意图；

图6为实施例流程图；

图中：检测电路1、数据采集模块2、虚拟分压器模块3、变流器控制模块4、PWM控制模块5、并网开关K1、变压器T、并网开关K2、数据处理与转换单元21、序分量解耦单元22、用户交互单元31、参数变换单元32、参考电压生成单元33、正序控制单元41、负序控制单元42、参考信号合成单元43。

具体实施方式

如图1所示，本实施例所涉及的基于变流器结构的低电压穿越测试系统，包括：检测电路1、数据采集模块2、虚拟分压器模块3、变流器控制模块4、PWM控制模块5，其中：检测电路1一端与PWM控制模块5相连接构成变流器驱动信号的输入通道，通过输入通道接收的变流器驱动信号可以实现对变流器的控制并生成对应的电压波形；检测电路1另一端与数据采集模块2连接构成测量所得电气数据的输出通道，传输至数据采集模块2。

如图2所示，所述的检测电路1包括：依次连接的并网开关K1、LC滤波器、背靠背变流器、变压器T、并网开关K2以及用于电气测量的电流互感器与电压互感器(未画出)，并网开关K1、K2用于测试平台在电网中的投切，LC滤波器用于滤除生成电压中的高频谐波，背靠背变流器用于低电压波形的生成。

如图3所示，为背靠背变流器的基本结构，在运行过程中电网侧变流器主要控制直流母线电压恒定，本实施例所描述的变流器控制方法是对滤波器侧(被测设备侧)变流器的控制方法。控制被测设备出口电压的幅值、相位及频率，变压器用于提供背靠背变流器的工作电压，电压、电流互感器用于变流器出口各处电压、电流的采样。

所述的数据采集模块2的输入端与检测电路1相连接，低电压测试开始瞬间，数据处理与转换单元21将接收的故障前稳态电气数据经过处理输出至虚拟分压器模块3用于生成参考电压；序分量解耦单元22接收经过数据处理与转换单元21预处理的数据，将数据变换至两相旋转坐标系并实现正负序分量的解耦，具体为：其中：e_α表示电气数据的α轴分量，e_β表示电气数据的β轴分量，表示电气数据的正序α轴分量，表示电气数据的正序β轴分量，表示电气数据的负序α轴分量，表示电气数据的负序β轴分量，q＝e^j90°。将经过正负序解耦的电网序分量数据进一步变换至两相静止坐标系，并输出至变流器控制模块4用于变流器参考信号的控制。

所述的虚拟分压器模块3与变流器控制模块相连接构成变流器参考信号的输出通道，其中的用户交互单元31实现与用户的交互，设置低电压穿越测试的故障类型与故障波形。用户在选定故障类型后，通过输入参数k控制故障相电压的幅值，通过输入参数α控制故障电压的相位。参数变换单元32将用户输入的控制参数k变化为参考电压生成单元33可控的输入参数λ，表1给出了当输入参数α＝0时，参数k与参数λ的变换关系。

表1

参考电压生成单元33根据虚拟分压器的基本原理生成被测设备出口的正、负序参考电压。虚拟分压器的基本结构如图4所示，图中1为低电压测试前瞬间的被测设备出口电压V_s0，由于风电系统正常运行时采用单位功率因数控制，因此出口电压V_s0为d轴分量。图中上拉电阻2模拟系统阻抗Z_s，图中下拉电阻3模拟接地阻抗Z_f，图中输出电压4为生成的参考电压信号。定义系统的等效短路阻抗比为：该等效短路阻抗比用来表征系统阻抗和接地阻抗的相对关系，幅值λ反映了故障点到并网点的相对距离，λ越大表示故障点与并网点距离越近，反之亦然；短路阻抗角α反映了系统阻抗与接地阻抗的相位差。根据对称分量法可以计算出的在低电压测试波形中的正序参考电压和负序参考电压，表2给出了不同故障条件下正、负序参考电压计算公式。

表2

生成对应的参考电压，并输出至变流器控制模块4用于变流器参考信号的控制。

所述的变流器控制模块4接收来自数据采集模块2的实时电网数据，与虚拟分压器模块3相连接的输入通道接收用于生成低电压测试波形所需要被测设备出口的正、负序参考电压。

如图5所示，为所述的变流器控制模块，其中：分别对应变流器测试模块通过与数据采集模块2连接的输入通道采集的被测设备出口实时电压、电流以及逆变器出口实时电流在dq坐标系下的正序分量和负序分量，是虚拟分压器模块3生成的正序参考电压与负序参考电压在dq坐标系下对应的正序分量和负序分量，基于变流器结构的电压测试平台能够通过对变流器的控制实时调节被测设备出口电压的幅值相位和频率，从而构建出低电压测试所需要的电压框架。

当系统发生对称故障时，系统中仅存在正序分量，通过正序控制单元41可以生成控制变流器所需要的参考电压。而当系统发生不对称故障时系统中将同时出现正、负序分量，需要根据相应的正负序控制框架生成测试波形，正序控制单元41和负序控制单元42分别实现对正序分量和负序分量的控制，并通过参考信号合成单元43将各自生成的dq坐标系下参考信号变换至三相坐标系，并得到合成的三相合成参考电压。最后将合成参考电压输出至PWM控制模块5用于生成变流器驱动信号。

所述的PWM控制模块5获取来自于变流器控制模块4的合成参考电压，通过PWM控制原理生成检测电路1中变流器的驱动信号，生成的变流器驱动信号通过与检测电路1相连接的信号输出通道实现对变流器的控制。

如图6所示，上述系统通过以下方式实现基于变流器结构的低电压穿越测试平台的测试：

S1：闭合并网开关K2为检测电路供电，在LC滤波器末端建立正常工作电压；

S2：当LC滤波器末端电压达到被测设备的额定电压时，闭合并网开关K1实现与被测设备的连接，被测设备零负荷正常启动；

S3：被测设备带负荷运行，达到稳定运行状态；

S4：低电压测试开始，通过虚拟分压器模块实现故障类型和故障波形的设置，由变流器控制模块来控制被测设备出口生成对应的故障电压；

S5：当前测试完成，如果需要进行另一项测试则跳转至S3，如果停止测试则进入S6；

S6：被测设备停机，断开并网开关K1、K2，测试平台运行结束。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实施例原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实施例的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实施例之约束。

Claims (7)

1.一种基于变流器结构的低电压穿越测试系统，其特征在于，包括：检测电路、数据采集模块、虚拟分压器模块、变流器控制模块、PWM控制模块，其中：检测电路接收PWM控制模块传输的变流器驱动信号实现对变流器的控制并生成对应的电压波形，并将电气测量元件测得的电气数据输出至数据采集模块，数据采集模块经过模数转换和解耦处理后输出PCC点采集电压至虚拟分压器模块用于生成参考电压，并将经过正负序解耦的电网序分量数据输出至变流器控制模块用于变流器参考信号的控制，虚拟分压器模块根据用户设置的故障类型与故障波形生成对应的参考电压并输出至变流器控制模块用于变流器参考信号的控制，变流器控制模块接收来自数据采集模块的实时电网数据以及来自虚拟分压器模块的计算出的正、负序参考电压，根据相应的正负序控制框架生成测试平台的检测电路中变流器的参考电压信号并输出至PWM控制模块用于生成变流器驱动信号，PWM控制模块根据参考电压信号生成对应的变流器驱动信号输出至检测电路实现对变流器的控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的检测电路包括：依次连接的用于测试平台在电网中的投切的第一并网开关、用于滤除生成电压中的高频谐波的LC滤波器、用于低电压波形的生成、控制被测设备出口电压的幅值、相位及频率的背靠背变流器、用于提供背靠背变流器的工作电压的变压器、用于测试平台在电网中的投切的第二并网开关以及用于电气测量的电流互感器与电压互感器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的数据采集模块包括：数据处理与转换单元和序分量解耦单元，其中：数据处理与转换单元将来自检测电路的PCC点采集电压及变流器出口电流对应的模拟信号转化为数字信号后将所得三相坐标系下的信号量变换至αβ坐标系，序分量解耦单元经过正、负序分量解耦算法获得αβ坐标系下解耦的正序分量与负序分量，并经过变换进一步得到dq坐标系下的正、负序分量。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的解耦，具体为：其中：e_α表示电气数据的α轴分量，e_β表示电气数据的β轴分量，表示电气数据的正序α轴分量，表示电气数据的正序β轴分量，表示电气数据的负序α轴分量，表示电气数据的负序β轴分量，q＝e^j90°。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的虚拟分压器模块包括：用户交互单元、参数变换单元、参考电压生成单元，其中：用户交互单元根据用户要求设置低电压穿越测试的故障类型与故障波形，参数变换单元将用户设置的参数变换为参考电压生成单元需要的参数格式、参考电压生成单元生成PCC点电压在正、负网中的d轴参考分量和q轴参考分量并输出至变压器控制模块。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的变流器控制模块包括：用于实现对正序分量的控制的正序控制单元、用于实现对负序分量的控制的负序控制单元和参考信号合成单元，其中：正序控制单元经过PI环节生成低电压穿越波形中正序分量，负序控制单元经过PI环节生成低电压穿越波形中负序分量，参考信号合成单元将相连接的正序控制单元和负序控制单元生成的参考电压进行合成，通过变换得到三相坐标系下的合成参考电压并输出至PWM控制模块。

7.一种基于上述任一权利要求所述系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：闭合第二并网开关为检测电路供电，在LC滤波器末端建立正常工作电压；

S2：当LC滤波器末端电压达到被测设备的额定电压时，闭合第一并网开关实现与被测设备的连接，被测设备零负荷正常启动；

S3：被测设备带负荷运行，达到稳定运行状态；

S4：低电压测试开始，通过虚拟分压器模块实现故障类型和故障波形的设置，由变流器控制模块来控制被测设备出口生成对应的故障电压；

S5：当前测试完成，如果需要进行另一项测试则跳转至S3，如果停止测试则进入S6；

S6：被测设备停机，断开第一并网开关、第二并网开关，测试平台运行结束。