CN110501639B - 用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测试风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置及控制方法，包括串联同步补偿单元、晶闸管控制阻抗分压单元、电压互感器PT、控制单元，串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元用于接入测试风电机组和就地升压箱变之间，串联同步补偿单元设置于晶闸管控制阻抗分压单元前端，本发明根据不同的应用场合生产不同的电压跌落曲线，模拟电网电压的台阶式恢复过程，自动化程度高，同时可以实现电压暂降(跌落)、谐波、电压波动、三相不平衡等多种扰动电压波形输出，从而为风电机组并网测试创造条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置及方法，可在风电机组690V并网点产生电压暂降(跌落)、暂升、电压偏差、波形畸变、电压波动与闪变、三相电压不平衡等多种类型的电压质量扰动，属于电能治理分析与控制领域。
背景技术
我国风电发展前景广阔：陆地上可开发的风力资源至少有2.53亿千瓦，未来十年中，西北、东北、内蒙等内陆将建设多个千万千瓦级风电基地。据国家能源局的规划，预计到2020年，我国风力发电装机总量将占全国总装机容量的20％。随着风力发电在电力能源中所占比例越来越大，风电机组对电网的影响已经不能忽略。特别对于我国风电大规模集中并网的方式，一旦风电机组自动脱网可能造成电网电压和频率的崩溃，严重影响电网的安全稳定运行，使风力发电这种清洁能源的应用受到限制。
为此，国家相关部门颁布了相应的标准如：GB/T19963《风电场接入电为系统技术规定》、Q/GDW392-2009《风电场接入电网技术规定》。纵观各个方面规定的内容，都无一例外地明确要求风电场并网需要具备如下能力：第一，低电压穿越(LVRT)能力，即电为系统发生不同类型故障时，电压跌落在一定范围内，风电机组不脱网连续运行；第二，电压偏差、电压波动、谐波、三相不平衡等稳态电能质量指标扰动时风电机组连续运行。
然而，目前国内试验和测试手段匮乏，尚不能研制与技术标准相配套的风电机组并网检测装置，难以为风电机组的并网验收试验提供有效的技术支撑，从而严重制约了我国风力发电的发展。
现有风力发电系统用电压扰动发生装置方案有以下3类：阻抗分压形式、变压器形式和电力电子变换形式。阻抗分压和变压器形式只能实现低电压扰动，功能较为单一；电力电子变换形式能实现多种扰动电压波形的输出，但设备使用了大量电力电子器件，设备复杂，可靠性低，且损耗高、占地面积大，限制了其应用。
发明内容
发明目的：针对现有风电机组并网检测电压扰动发生装置存在的缺点和不足，本发明提供一种用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置及方法，该装置串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元构成，通过这两个单元相互配合使用，可以实现电压暂降(跌落)、谐波、电压波动、三相不平衡等多种扰动电压波形输出，从而为风电机组并网测试创造条件。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置，包括串联同步补偿单元、晶闸管控制阻抗分压单元、电压互感器PT、控制单元，串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元用于接入测试风电机组和就地升压箱变之间，串联同步补偿单元设置于晶闸管控制阻抗分压单元前端，其中：
串联同步补偿单元包括开关一BRK1、可关断器件一IGBT1、可关断器件二IGBT2、可关断器件三IGBT3、可关断器件四IGBT4、二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4、直流电容器一C1、连接电抗器一L1、串联耦合变压器T，所述可关断器件一IGBT1的发射极与二极管一D1的正极连接，所述可关断器件一IGBT1的集电极与二极管一D1的负极连接，所述可关断器件二IGBT2的发射极与二极管二D2的正极连接，所述可关断器件二IGBT2的集电极与二极管二D2的负极连接，所述可关断器件三IGBT3的发射极与二极管三D3的正极连接，所述可关断器件三IGBT3的集电极与二极管三D3的负极连接，所述可关断器件四IGBT4的发射极与二极管四D4的正极连接，所述可关断器件四IGBT4的集电极与二极管四D4的负极连接。所述可关断器件一IGBT1的发射极与所述可关断器件四IGBT4的发射极连接，所述可关断器件二IGBT2的集电极与所述可关断器件三IGBT3的集电极连接。所述可关断器件一IGBT1的集电极与所述可关断器件二IGBT2的发射极连接，所述可关断器件四IGBT4的集电极与所述可关断器件三IGBT3的发射极连接。所述直流电容器一C1一端与所述可关断器件四IGBT4的发射极连接，另一端与可关断器件三IGBT3的集电极连接。所述连接电抗器一L1一端与所述可关断器件一IGBT1的集电极连接，另一端与连接电抗器一L1的引脚一连接，连接电抗器一L1的引脚二分别与可关断器件二IGBT2的发射极、可关断器件三IGBT3的发射极连接。所述连接电抗器一L1的引脚三和引脚四连接在开关一BRK1上。所述可关断器件一IGBT1、可关断器件二IGBT2、可关断器件三IGBT3、可关断器件四IGBT4、直流电容器一C1分别与控制单元连接。
晶闸管控制阻抗分压器单元包括开关二BRK2、开关三BRK3、限流电抗器二L2、短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5、双向晶闸管一SCR1、双向晶闸管一SCR2，所述短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5、开关三BRK3依次连接在一起，所述双向晶闸管一SCR1与短路电抗器三L3并联在一起，所述双向晶闸管一SCR2与短路电抗器四L4并联在一起，所述开关二BRK2一端与开关一BRK1连接，另一端与开关三BRK3连接。所述双向晶闸管一SCR1、双向晶闸管一SCR2分别与控制单元连接。
所述电压互感器PT用于采集测试风电机组并网点的交流电压信号，并将该交流电压信号传送给控制单元。
一种采用用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置的方法，将扰动发生装置串联接入测试风电机组和升压箱变之间。通过晶闸管控制阻抗分压器实现电压深度跌落，而串联同步补偿单元对电压跌落值进行精确补偿控制，电压暂降扰动发生模式下，开关一BRK1、开关二BRK2分开，开关三BRK3闭合。串联同步补偿单元等效为电感值连续可调的电抗器LVSC，和限流电抗器二L2起到限流电抗器的作用，在电压跌落期间减小系统提供的短路电流，进而保证测试过程对电网系统不产生影响。短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5起到短路电抗器的作用，发挥“降低”测试风电机组机端电压的作用。通过各电抗器之间的阻抗关系，达到既使被检测设备机端电压降低的目的，又对系统基本不产生影响的效果，从而模拟电网低电压以检测机组低穿能力的目的。试验电压跌落结束后，控制单元使开关一BRK1、开关二BRK2闭合，开关三BRK3分开，扰动装置恢复初始状态，测试风电机组正常并网发电。
优选的：电压跌落深度U跌落由下式得到：
式中：Us—装置接入点的电源侧电压。
X限流—限流阻抗。
X短路—短路阻抗。
优选的：双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2同时导通时，短路电抗X短路达到最小，测试风电机组机端电压跌落至最低值。双向晶闸管一SCR1导通、双向晶闸管一SCR2关闭时，或者双向晶闸管一SCR1导通、双向晶闸管一SCR2关闭时，短路电抗X短路达到中间值，测试风电机组机端电压跌落至中间值。双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2都断开时，短路电抗X短路达到较大值，测试风电机组机端电压恢复至较高值。测试过程中，首先将双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2同时导通，使测试风电机组机端电压跌落至最低值，然后通过对双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2独立控制，实现三段阶梯式恢复波形。如果在恢复过程中，串联同步补偿单元根据目标电压值动态、连续调节其阻抗值，实现测试风电机组机端电压缓慢、平滑恢复至正常值。
优选的：电压暂升通过感性电流在容性阻抗产生的“负压降”实现，通过控制晶闸管控制阻抗分压单元两组双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的导通关断组合来实现多种感性电流输出，串联同步补偿单元运行于容性阻抗区间，等效为串联电容器。双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的通断和串联同步补偿单元等效容值都可控，因此，电压暂升幅度连续可调，电压暂升扰动发生模式下，开关一BRK1分开，开关二BRK2闭合、开关三BRK3闭合。
优选的：电压暂升幅度U暂升由下式得到：
式中：Us—装置接入点的电源侧电压，X等值容抗—串联同步补偿单元等效电容的阻抗，X短路—短路阻抗。
优选的：晶闸管控制阻抗分压器单元的双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2采用不同的控制组合，实现晶闸管控制阻抗分压器单元不同的阻抗输出，产生不同的感性电流。串联同步补偿单元工作于可调电容模式，感性电流在串联同步补偿单元产生电压提升，从而使风电机组并网点产生电压提升。
优选的：通过串联同步补偿单元注入的高频电压源实现电压谐波畸变，晶闸管控制阻抗分压单元不参与工作。电压谐波畸变扰动发生模式下，开关一BRK1分开，开关二BRK2闭合、开关三BRK3打开。串联同步补偿单元通过产生幅值占系统相电压一定比例的谐波电压叠加到系统电压上，实现电压波形畸变的扰动。
优选的：通过晶闸管控制阻抗分压器实现电压波动和闪变的扰动发生，串联同步补偿单元不参与工作。电压波动和闪变扰动发生模式下，开关一BRK1闭合，开关二BRK2打开、开关三BRK3闭合。
通过控制双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2，则使测试风电机组并网点电压产生周期性波动。电压波动模式下，电压有效值根据双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的控制模式不同有如下输出：
从上式可以看出，只要对双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2进行控制，就能实现电压波动扰动输出，每个电压波动周期最多可实现四个电压有效值输出，即U1、U2、U3、U4。
优选的：采用三相独立控制模式，通过串联同步补偿单元对外输出不同的等效阻抗来产生不平衡的电压，实现三相不平衡扰动。三相电压不平衡扰动发生模式下，开关一BRK1打开、开关二BRK2闭合，开关三BRK3闭合。
串联同步补偿单元A、B、C三相独立控制，如A相电压提升一定百分比，B相采用零电压注入模式，C相电压产生一定电压降，采用如下控制方法来实现三相不平衡扰动电压波形输出。
式中：Us—装置接入点的电源侧电压，X等值容抗—串联同步补偿单元等效电容的阻抗值，X等值感抗—串联同步补偿单元等效电感的阻抗值，X短路—短路阻抗，UA-升高相表示A相电压提升，UB-基准相表示B相采用零电压，UC-降低相表示C相电压降。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明提出的用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置充分发挥了串联同步补偿单元、晶闸管控制阻抗分压单元各自的特长，实现了优势互补、协调运行的目的，具有如下技术优势：
1)风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置可以完成电压暂降(跌落)、暂升、电压偏差、电压波形畸变、三相不平衡、电压波动和闪变等多种电压质量扰动类型，较好克服了目前同类装置存在的功能单一、精度较低、价格昂贵、或容量较小的缺点，具有显著的技术经济经济性。
2)风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置串联在系统电源与风电机组之间，试验过程中的基波有功功率由系统电源提供，串联同步补偿单元仅提供扰动无功功率，晶闸管控制阻抗分压单元的阻抗回路全部采用电抗器，不会消耗有功功率，这使得装置能够通过较小的功率输出，得到大功率电压扰动输出的能力。
3)晶闸管控制阻抗分压单元能够产生深度电压跌落，串联同步补偿单元能够对电压跌落幅度进行精细调节，串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元组合使用，能够产生跌落幅度和变换趋势符合要求的电压跌落波形，便于根据不同的应用场合生产不同的电压跌落曲线，模拟电网电压的台阶式恢复过程，自动化程度高，控制灵活。
4)采用闭环调节方式，串联同步补偿单元动态跟踪采样点的电压有效值，消除稳态误差以及风电机组因处于不同功率区间而使并网点电压发生偏移，因此，该装置可适用于各种系统条件以及风机运行工况，尤其是对电压控制精度较高的场合。
5)采用双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管二SCR2控制电抗器的优点，一是采用电压峰值时刻触发晶闸管，避免投入电抗器产生的非周期分量电流，减轻设备操作对系统的冲击；二是投切速度快，能够模拟快速的电压波动，且设备寿命基本不受限制，这是采用机械开关所不能实现的。
附图说明
图1用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置组成示意图
图2风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置接入位置示意图
图3电压跌落(暂降)实现方案及控制方法示意图
图4电压暂降(跌落)扰动波形示意图
图5电压暂升实现方案及控制方法示意图
图6电压谐波畸变实现方案及控制方法示意图
图7电压波动和闪变扰动实现方案及控制方法示意图
图8电压波动变动曲线
图9电压波动变动曲线
图10三相电压不平衡扰动实现方案及控制方法示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置，如图1所示，包括串联同步补偿单元、晶闸管控制阻抗分压单元、电压互感器PT、控制单元，串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元与待测试风电机组串联，串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元用于接入测试风电机组和就地升压箱变之间，串联同步补偿单元设置于晶闸管控制阻抗分压单元前端，通过可变阻抗分压原理产生预期的受控电压来形成电压暂升、暂降(跌落)、电压偏差、电压波动等稳态、暂态电压有效值扰动，通过在系统电压上叠加高频扰动电压来产生电压谐波畸变扰动，通过三相阻抗独立控制来产生三相电压不平衡扰动。串联同步补偿单元作为连续可调阻抗和高频扰动串联电压源使用，晶闸管控制阻抗分压器作为分级阻抗和感性电流源使用。上述两个功能单元配合使用，可以完成电压暂降(跌落)、暂升、电压偏差、电压波形畸变、三相不平衡、电压波动和闪变等多种电压质量扰动类型，较好克服了目前同类装置存在的功能单一、精度较低、价格昂贵、或容量较小的缺点，具有显著的技术经济性。
用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置串联在系统电源与风电机组之间，装置的基波有功功率由系统电源提供，串联同步补偿单元仅提供扰动无功功率，晶闸管控制阻抗分压单元的阻抗回路全部采用电抗器，不会消耗有功功率，这使得装置能够通过较小的功率输出，得到大功率电压扰动输出的能力。
串联同步补偿单元包括开关一BRK1、可关断器件一IGBT1、可关断器件二IGBT2、可关断器件三IGBT3、可关断器件四IGBT4、二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4、直流电容器一C1、连接电抗器一L1、串联耦合变压器T，所述可关断器件一IGBT1的发射极与二极管一D1的正极连接，所述可关断器件一IGBT1的集电极与二极管一D1的负极连接，所述可关断器件二IGBT2的发射极与二极管二D2的正极连接，所述可关断器件二IGBT2的集电极与二极管二D2的负极连接，所述可关断器件三IGBT3的发射极与二极管三D3的正极连接，所述可关断器件三IGBT3的集电极与二极管三D3的负极连接，所述可关断器件四IGBT4的发射极与二极管四D4的正极连接，所述可关断器件四IGBT4的集电极与二极管四D4的负极连接。所述可关断器件一IGBT1的发射极与所述可关断器件四IGBT4的发射极连接，所述可关断器件二IGBT2的集电极与所述可关断器件三IGBT3的集电极连接。所述可关断器件一IGBT1的集电极与所述可关断器件二IGBT2的发射极连接，所述可关断器件四IGBT4的集电极与所述可关断器件三IGBT3的发射极连接。所述直流电容器一C1一端与所述可关断器件四IGBT4的发射极连接，另一端与可关断器件三IGBT3的集电极连接。所述连接电抗器一L1一端与所述可关断器件一IGBT1的集电极连接，另一端与连接电抗器一L1的引脚一连接，连接电抗器一L1的引脚二分别与可关断器件二IGBT2的发射极、可关断器件三IGBT3的发射极连接。所述连接电抗器一L1的引脚三和引脚四连接在开关一BRK1上。所述可关断器件一IGBT1、可关断器件二IGBT2、可关断器件三IGBT3、可关断器件四IGBT4、直流电容器一C1分别与控制单元连接。其中可关断器件IGBT1～IGBT4、二极管D1～D4、连接电抗器L1和直流电容器C1组成单相四象限电压源型逆变器(VSC)。通过控制开关器件IGBT1～IGBT4的通断，来实现对其交流侧、直流侧的控制，可实现四象限的运行。VSC具有能量双向流动、谐波含量小、有功无功可解耦控制等优点。串联耦合变压器T起到电压变换和隔离的双重作用，采用单相双绕组变压器。电压变比根据电压缺口和VSC输出电压来决定，可使用1：1变比、只起隔离作用的串联变压器。串联同步补偿单元向电网注入与电流始终正交的电压分量，可等效为串联接入电网的阻抗连续可调的电容(电抗)。
晶闸管控制阻抗分压器单元包括开关二BRK2、开关三BRK3、限流电抗器二L2、短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5、双向晶闸管一SCR1、双向晶闸管一SCR2，所述短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5、开关三BRK3依次连接在一起，所述双向晶闸管一SCR1与短路电抗器三L3并联在一起，所述双向晶闸管一SCR2与短路电抗器四L4并联在一起，所述开关二BRK2一端与开关一BRK1连接，另一端与开关三BRK3连接。所述双向晶闸管一SCR1、双向晶闸管一SCR2分别与控制单元连接。短路电抗器采用三台电抗器串联形式，两组双向晶闸管和其中两台电抗器并联，通过晶闸管的触发控制使短路电抗器组等效输出四个电感值，即L5(SCR1触发导通、SCR2触发导通)、L4+L5(SCR1触发导通、SCR2关断)、L3+L5(SCR1关断、SCR2触发导通)、L3+L4+L5(SCR1关断、SCR2关断)。采用双向晶闸管一SCR1、双向晶闸管一SCR2控制电抗器的优点，一是采用电压峰值时刻触发晶闸管，避免投入电抗器产生的非周期分量电流，减轻设备操作对系统的冲击；二是响应速度快，能够模拟快速的电压波动，且设备寿命基本不受限制，这是采用机械开关所不能实现的。
所述电压互感器PT用于采集测试风电机组并网点的交流电压信号，并将该交流电压信号传送给控制单元。
控制单元通过电压互感器PT采集得到风机并网点的交流电压信号、通过直流霍尔电压传感器采集得到VSC换流器直流侧电压信号后，进行内部状态分析和判断，按照既定策略完成IGBT1～IGBT4、双向晶闸管SCR1～SCR2的触发控制以及相应开关BRK1～BRK3的分合控制。
本发明的通过串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元与待测试风电机组串联，且串联同步补偿单元设置于晶闸管控制阻抗分压单元前端。成套装置采用闭环调节方式，实时跟踪风电机组机端电压有效值，以消除稳态误差以及风电机组因处于不同功率区间而使并网点电压发生偏移，因此，该装置可适用于各种系统条件以及多种风机运行工况。
一种用用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生方法，包括以下步骤：
(1)设备安装点及系统接入方案
风电机组采用“一机一变”并网方案，每台风电机组通过一台箱式变压器从690V升压至35kV后，通过汇集线路(电缆或架空线路)接入风电场升压站。本发明所述的用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置直接接入690V电压等级，串联接入风电机组和升压箱变之间，如图2所示。
(2)电压暂降(跌落)实现方案及控制方法
多指标电压扰动发生装置主要通过晶闸管控制阻抗分压器实现电压深度跌落，而串联同步补偿单元对电压跌落值进行精确补偿控制，两者相互配合，既可以实现深度电压跌落，又能够对电压跌落值进行连续调节、精确控制。电压暂降(跌落)扰动发生模式下，开关一BRK1、开关二BRK2分开，开关三BRK3闭合，功能设备如图3所示。串联同步补偿单元等效为电感值连续可调的电抗器LVSC，和限流电抗器二L2起到限流电抗器的作用，在电压跌落期间减小系统提供的短路电流，进而保证测试过程对电网系统不产生影响。短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5起到短路电抗器的作用，发挥“降低”测试风电机组机端电压的作用。通过合理匹配各电抗器之间的阻抗关系，可以达到既使被检测设备机端电压降低的目的，又对系统基本不产生影响的效果，从而模拟电网低电压以检测机组低穿能力的目的。试验电压跌落结束后，控制单元使开关一BRK1、开关二BRK2闭合，开关三BRK3分开，扰动装置恢复初始状态，测试风电机组正常并网发电。
电压跌落深度U跌落由下式得到：
式中：Us—装置接入点的电源侧电压，V；
X限流—限流阻抗，由串联同步补偿单元等效电抗LVSC和L2两部分组成。
X短路—短路阻抗，由L3、L4、L5三部分组成。
双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2同时导通时，短路电抗X短路达到最小，测试风电机组机端电压跌落至最低值。双向晶闸管一SCR1导通、双向晶闸管一SCR2关闭时，或者双向晶闸管一SCR1导通、双向晶闸管一SCR2关闭时，短路电抗X短路达到中间值，测试风电机组机端电压跌落至中间值。双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2都断开时，短路电抗X短路达到较大值，测试风电机组机端电压恢复至较高值。
测试过程中，首先将双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2同时导通，使测试风电机组机端电压跌落至最低值，然后通过对双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2独立控制，实现三段阶梯式恢复波形，如图4中蓝色折线所示。如果在恢复过程中，串联同步补偿单元根据目标电压值动态、连续调节其阻抗值，进一步可以实现测试设备机端电压缓慢、平滑恢复至正常值，如图4中红色曲线所示。因此，多指标电压扰动发生装置不仅能模拟电网电压快速跌落及缓慢恢复过程，而且自动化程度高，控制方式灵活，恢复电压既可以采用阶梯式恢复波形(仅晶闸管控制阻抗分压器单元参与恢复过程控制)，也可以采用连续式恢复波形(同时使用串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压器单元参与恢复过程控制)。
本发明电压暂降(跌落)深度由限流电抗和短路电抗的比值来决定，通过调节串联同步补偿单元控制参数可以调节限流电抗大小，通过控制晶闸管控制阻抗分压单元双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的导通关断组合可以实现不同的短路阻抗组合，因此，通过对上述单元的协调控制可以输出不同的最低电压值，进而满足不同风机、不同检验标准对电压降落幅值的要求。恢复电压可以采用阶梯式恢复波形(仅晶闸管控制阻抗分压器单元参与恢复过程控制)，也可以采用连续式恢复波形(同时使用串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元参与恢复过程控制)。
(3)电压暂升实现方案及控制方法
电压暂升通过感性电流在容性阻抗产生的“负压降”实现，通过控制晶闸管控制阻抗分压单元两组双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的导通关断组合来实现多种感性电流输出，串联同步补偿单元运行于容性阻抗区间，等效为串联电容器。由于双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的通断和串联同步补偿单元等效容值都可控，因此，电压暂升幅度连续可调，输出电压精度高，升压范围大。电压暂升扰动发生模式下，开关一BRK1分开，开关二BRK2闭合、开关三BRK3闭合，功能设备如图5所示。
电压暂升幅度U暂升由下式得到：
式中：Us—装置接入点的电源侧电压，V；
X等值容抗—串联同步补偿单元等效电容的阻抗，Ω。
X短路—短路阻抗，由L3、L4、L5组成，Ω。
晶闸管控制阻抗分压器单元的双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2采用不同的控制组合，实现晶闸管控制阻抗分压器单元不同的阻抗输出，产生不同的感性电流。串联同步补偿单元工作于可调电容模式，感性电流在串联同步补偿单元产生电压提升，从而使风电机组并网点产生电压提升。感性电流越大，等值容抗越大，则电压提升幅度越大。
奔赴吗电压暂升通过感性电流在容性阻抗产生的“负压降”实现，通过控制晶闸管控制阻抗分压单元两组双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的导通关断组合来实现多种感性电流输出，串联同步补偿单元运行于容性阻抗区间，等效为串联电容器。由于双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的通断和串联同步补偿单元等效容值都可控，因此，电压暂升幅度连续可调，输出电压精度高，升压范围大。
(4)电压谐波畸变实现方案及控制方法
通过串联同步补偿单元注入的高频电压源实现电压谐波畸变，晶闸管控制阻抗分压单元不参与工作。电压谐波畸变扰动发生模式下，开关一BRK1分开，开关二BRK2闭合、开关三BRK3打开，功能设备如图6所示。串联同步补偿单元通过产生幅值占系统相电压一定比例的谐波电压叠加到系统电压上，实现电压波形畸变的扰动。
(5)电压波动和闪变实现方案及控制方法
通过晶闸管控制阻抗分压器实现电压波动和闪变的扰动发生，串联同步补偿单元不参与工作。电压波动和闪变扰动发生模式下，开关一BRK1闭合，开关二BRK2打开、开关三BRK3闭合，功能设备如图7所示。
通过控制双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2，则使测试风电机组并网点电压产生周期性波动。电压波动模式下，电压有效值根据双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的控制模式不同有如下输出：
从上式可以看出，只要对双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2进行控制，就能实现电压波动扰动输出，每个电压波动周期最多可实现四个电压有效值输出，即U1、U2、U3、U4。
以电压U1和电压U4两种电压交替切换为例，该模式控制方法和输出电压波形如图8所示。
如果只对SCR1进行通断控制，而SCR2保持关断状态，则电压有效值将在U1和电压U2两种幅值之间交替变动，与双向晶闸管SCR1、SCR2同时导通、关断时的情况相比，电压波动幅度减小，该模式控制方法和输出电压波形如图9所示。
(6)三相电压不平衡实现方案及控制方法
采用三相独立控制模式，通过串联同步补偿单元对外输出不同的等效阻抗来产生不平衡的电压，实现三相不平衡扰动。三相电压不平衡扰动发生模式下，开关一BRK1打开、开关二BRK2闭合，开关三BRK3闭合，主要功能设备如图10所示。
串联同步补偿单元A、B、C三相独立控制，如A相电压提升一定百分比，B相采用零电压注入模式，C相电压产生一定电压降，采用如下控制方法来实现三相不平衡扰动电压波形输出。
式中：Us—装置接入点的电源侧电压，V，X等值容抗—串联同步补偿单元等效电容的阻抗值，Ω，X等值感抗—串联同步补偿单元等效电感的阻抗值，Ω，X短路—短路阻抗，由L3、L4、L5组成，Ω，UA-升高相表示A相电压提升，UB-基准相表示B相采用零电压，UC-降低相表示C相电压降。
(7)供电电压偏差实现方案及控制方法
供电电压偏差实现方案及控制方法与电压暂降(跌落)、电压暂升的实现方案及控制方法基本相同，区别仅在于电压偏差扰动模式下，电压长期稳定于预期目标值而已，不再赘述。
本发明通过可变阻抗分压原理产生预期的电压幅值来形成电压暂升、暂降、电压偏差、电压波动等稳态、暂态电压有效值扰动，通过在系统电压上叠加高频扰动电压来产生电压畸变，通过三相阻抗独立控制来产生三相电压不平衡扰动。除了谐波扰动由串联同步补偿单元单独完成，电压波动和闪变扰动由晶闸管控制阻抗分压单元单独完成外，其他扰动指标，如电压暂降(跌落)、电压暂升、电压偏差、三相电压不平衡扰动必须由串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元同时使用、协调运行才能创造测试条件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置的方法，其特征在于：用于风电机组并网检测的多指标电压扰动发生装置包括串联同步补偿单元、晶闸管控制阻抗分压单元、电压互感器PT、控制单元，串联同步补偿单元和晶闸管控制阻抗分压单元用于接入测试风电机组和就地升压箱变之间，串联同步补偿单元设置于晶闸管控制阻抗分压单元前端，串联同步补偿单元仅提供扰动无功功率，晶闸管控制阻抗分压单元的阻抗回路全部采用电抗器，其中：
串联同步补偿单元包括开关一BRK1、可关断器件一IGBT1、可关断器件二IGBT2、可关断器件三IGBT3、可关断器件四IGBT4、二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4、直流电容器一C1、连接电抗器一L1、串联耦合变压器T，所述可关断器件一IGBT1的发射极与二极管一D1的正极连接，所述可关断器件一IGBT1的集电极与二极管一D1的负极连接，所述可关断器件二IGBT2的发射极与二极管二D2的正极连接，所述可关断器件二IGBT2的集电极与二极管二D2的负极连接，所述可关断器件三IGBT3的发射极与二极管三D3的正极连接，所述可关断器件三IGBT3的集电极与二极管三D3的负极连接，所述可关断器件四IGBT4的发射极与二极管四D4的正极连接，所述可关断器件四IGBT4的集电极与二极管四D4的负极连接；所述可关断器件一IGBT1的发射极与所述可关断器件四IGBT4的发射极连接，所述可关断器件二IGBT2的集电极与所述可关断器件三IGBT3的集电极连接；所述可关断器件一IGBT1的集电极与所述可关断器件二IGBT2的发射极连接，所述可关断器件四IGBT4的集电极与所述可关断器件三IGBT3的发射极连接；所述直流电容器一C1一端与所述可关断器件四IGBT4的发射极连接，另一端与可关断器件三IGBT3的集电极连接；所述连接电抗器一L1一端与所述可关断器件一IGBT1的集电极连接，另一端与连接电抗器一L1的引脚一连接，连接电抗器一L1的引脚二分别与可关断器件二IGBT2的发射极、可关断器件三IGBT3的发射极连接；所述连接电抗器一L1的引脚三和引脚四连接在开关一BRK1上；所述可关断器件一IGBT1、可关断器件二IGBT2、可关断器件三IGBT3、可关断器件四IGBT4、直流电容器一C1分别与控制单元连接；
晶闸管控制阻抗分压器单元包括开关二BRK2、开关三BRK3、限流电抗器二L2、短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5、双向晶闸管一SCR1、双向晶闸管一SCR2，所述短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5、开关三BRK3依次连接在一起，所述双向晶闸管一SCR1与短路电抗器三L3并联在一起，所述双向晶闸管一SCR2与短路电抗器四L4并联在一起，所述开关二BRK2一端与开关一BRK1连接，另一端与开关三BRK3连接；所述双向晶闸管一SCR1、双向晶闸管一SCR2分别与控制单元连接；
所述电压互感器PT用于采集测试风电机组并网点的交流电压信号，并将该交流电压信号传送给控制单元；
将扰动发生装置串联接入测试风电机组和升压箱变之间；通过晶闸管控制阻抗分压器实现电压深度跌落，而串联同步补偿单元对电压跌落值进行精确补偿控制，电压暂降扰动发生模式下，开关一BRK1、开关二BRK2分开，开关三BRK3闭合；串联同步补偿单元等效为电感值连续可调的电抗器LVSC，和限流电抗器二L2起到限流电抗器的作用，在电压跌落期间减小系统提供的短路电流；短路电抗器三L3、短路电抗器四L4、短路电抗器五L5起到短路电抗器的作用，发挥“降低”测试风电机组机端电压的作用；试验电压跌落结束后，控制单元使开关一BRK1、开关二BRK2闭合，开关三BRK3分开，扰动装置恢复初始状态，测试风电机组正常并网发电；
电压跌落深度U跌落由下式得到：
式中：Us—装置接入点的电源侧电压；
X限流—限流阻抗；
X短路—短路阻抗；
电压暂升通过感性电流在容性阻抗产生的“负压降”实现，通过控制晶闸管控制阻抗分压单元两组双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的导通关断组合来实现多种感性电流输出，串联同步补偿单元运行于容性阻抗区间，等效为串联电容器；双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的通断和串联同步补偿单元等效容值都可控，因此，电压暂升幅度连续可调，电压暂升扰动发生模式下，开关一BRK1分开，开关二BRK2闭合、开关三BRK3闭合；
电压暂升幅度U暂升由下式得到：
式中：Us—装置接入点的电源侧电压，X等值容抗—串联同步补偿单元等效电容的阻抗，X短路—短路阻抗。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2同时导通时，短路电抗X短路达到最小，测试风电机组机端电压跌落至最低值；双向晶闸管一SCR1导通、双向晶闸管一SCR2关闭时，或者双向晶闸管一SCR1导通、双向晶闸管一SCR2关闭时，短路电抗X短路达到中间值，测试风电机组机端电压跌落至中间值；双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2都断开时，短路电抗X短路达到较大值，测试风电机组机端电压恢复至较高值；测试过程中，首先将双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2同时导通，使测试风电机组机端电压跌落至最低值，然后通过对双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2独立控制，实现三段阶梯式恢复波形；如果在恢复过程中，串联同步补偿单元根据目标电压值动态、连续调节其阻抗值，实现测试风电机组机端电压缓慢、平滑恢复至正常值。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：晶闸管控制阻抗分压器单元的双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2采用不同的控制组合，实现晶闸管控制阻抗分压器单元不同的阻抗输出，产生不同的感性电流；串联同步补偿单元工作于可调电容模式，感性电流在串联同步补偿单元产生电压提升，从而使风电机组并网点产生电压提升。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：通过串联同步补偿单元注入的高频电压源实现电压谐波畸变，晶闸管控制阻抗分压单元不参与工作；电压谐波畸变扰动发生模式下，开关一BRK1分开，开关二BRK2闭合、开关三BRK3打开；串联同步补偿单元通过产生幅值占系统相电压一定比例的谐波电压叠加到系统电压上，实现电压波形畸变的扰动；
通过晶闸管控制阻抗分压器实现电压波动和闪变的扰动发生，串联同步补偿单元不参与工作；电压波动和闪变扰动发生模式下，开关一BRK1闭合，开关二BRK2打开、开关三BRK3闭合；
通过控制双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2，则使测试风电机组并网点电压产生周期性波动；电压波动模式下，电压有效值根据双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2的控制模式不同有如下输出：
只要对双向晶闸管一SCR1和双向晶闸管一SCR2进行控制，就能实现电压波动扰动输出，每个电压波动周期最多可实现四个电压有效值输出，即U1、U2、U3、U4。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：采用三相独立控制模式，通过串联同步补偿单元对外输出不同的等效阻抗来产生不平衡的电压，实现三相不平衡扰动；三相电压不平衡扰动发生模式下，开关一BRK1打开、开关二BRK2闭合，开关三BRK3闭合；
串联同步补偿单元A、B、C三相独立控制，A相电压提升一定百分比，B相采用零电压注入模式，C相电压产生一定电压降，采用如下控制方法来实现三相不平衡扰动电压波形输出；
式中：Us—装置接入点的电源侧电压，X等值容抗—串联同步补偿单元等效电容的阻抗值，X等值感抗—串联同步补偿单元等效电感的阻抗值，X短路—短路阻抗，UA-升高相表示A相电压提升，UB-基准相表示B相采用零电压，UC-降低相表示C相电压降。
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