風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置包括兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器以及擾動(dòng)發(fā)生模塊和直流充電啟動(dòng)模塊，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊包括用于產(chǎn)生擾動(dòng)控制信號(hào)的軟件信號(hào)發(fā)生單元和執(zhí)行控制信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)的控制單元，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊與連接風(fēng)電機(jī)組35KV母線的模塊化多電平換流器相連接。有益效果在于能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)電壓等級(jí)下的各種擾動(dòng)包括電壓波動(dòng)、頻率跳變、電壓諧波或三相不平衡、閃變等進(jìn)行靈活地模擬。同時(shí)，該裝置采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)，無(wú)需變壓器，直接串聯(lián)接入當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的35kV并網(wǎng)電壓等級(jí)的電網(wǎng)中。
【專利說明】風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電力系統(tǒng)的入網(wǎng)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于模塊化多電平換流器的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，中國(guó)風(fēng)電在電網(wǎng)中的比重不斷提高，并正在由分散、小規(guī)模開發(fā)、就地消納逐步向大規(guī)模、高集中開發(fā)，遠(yuǎn)距離、高電壓電網(wǎng)輸送方向發(fā)展。為規(guī)范風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)工作，促進(jìn)風(fēng)電科學(xué)健康可持續(xù)發(fā)展，確保風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)家電網(wǎng)公司出臺(tái)了《國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》。在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行適應(yīng)性方面，明確了風(fēng)電場(chǎng)在不同并網(wǎng)點(diǎn)電壓范圍、頻率范圍內(nèi)的運(yùn)行規(guī)定；在風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量方面，明確了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電壓偏差、閃變、諧波等的具體要求。也即是說，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓波動(dòng)、頻率跳變、電壓諧波或三相不平衡、閃變等各種擾動(dòng)時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組必須具備良好的電網(wǎng)適應(yīng)能力。因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行適應(yīng)性和電能質(zhì)量檢測(cè)是非常必要的。目前，我國(guó)已具備風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的檢測(cè)手段，但對(duì)于風(fēng)電機(jī)組是否能夠經(jīng)受電網(wǎng)的各種擾動(dòng)的檢測(cè)能力還相對(duì)薄弱，有必要結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，在確保對(duì)原有供電系統(tǒng)不造成影響的前提下，提出一種適應(yīng)于當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)電壓等級(jí)下的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置。
[0003]國(guó)內(nèi)外學(xué)者在可控電壓擾動(dòng)發(fā)生裝置方面開展了相關(guān)的研究，但是沒有結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合和相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行深入研究。根據(jù)專利檢索得知，中國(guó)發(fā)明201010234259.4提供了一種對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行入網(wǎng)測(cè)試和對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)的擾動(dòng)發(fā)生裝置。該擾動(dòng)發(fā)生裝置產(chǎn)生用于風(fēng)電機(jī)組測(cè)試的各種電壓，由低頻電壓擾動(dòng)裝置和高頻電壓擾動(dòng)裝置組成，低頻電壓擾動(dòng)裝置由啟動(dòng)電阻、降壓變壓器、濾波器、并聯(lián)電壓源換流器模塊和升壓變壓器組成，實(shí)現(xiàn)低頻電壓擾動(dòng)的功能；高頻電壓擾動(dòng)裝置由啟動(dòng)電阻、整流變壓器、PWM整流器模塊、級(jí)聯(lián)H橋模塊和濾波器組成，實(shí)現(xiàn)輸出2?25次諧波電壓功能。其發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、電壓畸變和三相電壓不平衡等多種擾動(dòng)，每相電壓可分別調(diào)整，滿足風(fēng)電機(jī)組在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)之間的切換要求。但是該裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、控制難度大的缺點(diǎn)，低頻電壓擾動(dòng)和高頻電壓擾動(dòng)裝置串聯(lián)運(yùn)行時(shí)容易相互干擾，控制效果容易受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置采用串聯(lián)的低頻電壓擾動(dòng)裝置和高頻電壓擾動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、控制難度大及容易相互干擾等不足，提出了一種風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置以及基于所述裝置的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，其特征在于，包括兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器，之一多電平換流器與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接，另一多電平換流器連接電網(wǎng)35KV母線；裝置還包括擾動(dòng)發(fā)生模塊和直流充電啟動(dòng)模塊，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊包括用于產(chǎn)生擾動(dòng)控制信號(hào)的軟件信號(hào)發(fā)生單元和執(zhí)行控制信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)的控制單元，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊與連接風(fēng)電機(jī)組35KV母線的模塊化多電平換流器相連接；所述直流充電啟動(dòng)模塊連接于與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接的多電平換流器和電網(wǎng)35KV母線之間，用于啟動(dòng)與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接的多電平換流器。
[0006]進(jìn)一步的，所述軟件信號(hào)發(fā)生單元包括用于編程模擬風(fēng)電場(chǎng)擾動(dòng)控制信號(hào)的MATLAB編程單元、用于存儲(chǔ)所述控制信號(hào)的案例存儲(chǔ)庫(kù)以及與控制單元相連接的控制信號(hào)輸出單元。
[0007]進(jìn)一步的，所述控制信號(hào)包括風(fēng)電場(chǎng)電壓波動(dòng)、頻率跳變、電壓諧波、三相不平衡及閃變中一種或多種擾動(dòng)控制信號(hào)。
[0008]進(jìn)一步的，所述裝置還包括用于控制被測(cè)風(fēng)電機(jī)組連接和斷開的第一斷路器，用于控制擾動(dòng)發(fā)生模塊直流平滑啟動(dòng)的第二斷路器。
[0009]利用上述風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置的測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0010]S1、使用MATLAB編程單元中仿真軟件搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型，模擬風(fēng)電場(chǎng)的電壓擾動(dòng)方式，所述擾動(dòng)包括電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、三相不平衡、三相畸變以及電壓閃變中的一種或多種，生成風(fēng)電機(jī)組35kV并網(wǎng)點(diǎn)的三相擾動(dòng)電壓Uref，并將所述擾動(dòng)方式的電壓擾動(dòng)曲線存入案例存儲(chǔ)庫(kù)；
[0011]S2、將兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器接入電網(wǎng)35kV母線和待測(cè)試的風(fēng)電機(jī)組35kV母線之間；
[0012]S3、啟動(dòng)模塊化多電平換流器:使用電網(wǎng)35KV母線電壓?jiǎn)?dòng)背向連接的兩個(gè)模塊化多電平換流器，其中與風(fēng)電機(jī)組35kV母線相連接的模塊化多電平換流器通過直流充電啟動(dòng)t吳塊啟動(dòng)；
[0013]S4、控制電網(wǎng)35KV母線側(cè)多電平換流器的高頻整流，使各子模塊的電容電壓調(diào)整為指定值，控制跟蹤風(fēng)電機(jī)組側(cè)多電平換流器電壓，實(shí)現(xiàn)多電平換流器風(fēng)電機(jī)組側(cè)輸出電壓與擾動(dòng)電壓指令信號(hào)Uref的跟蹤控制。
[0014]進(jìn)一步的，步驟SI中使用MATLAB編程單元中仿真軟件搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電壓擾動(dòng)仿真的過程為:基于MATLAB仿真軟件的SMULINK模塊搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的仿真模型，該模型由交流電網(wǎng)等值無(wú)窮大電源、交流線路和風(fēng)電機(jī)組組成，在不同線路或母線上設(shè)置單相、兩相不對(duì)稱故障或三相短路接地故障，模擬電網(wǎng)電壓跌落、三相不平衡、三相畸變以及電壓閃變電壓擾動(dòng)，生成風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的三相擾動(dòng)電壓指令信號(hào)Uref ;同時(shí)將所述電壓擾動(dòng)曲線分類存入案例存儲(chǔ)庫(kù)中，用于擾動(dòng)數(shù)據(jù)重復(fù)使用。
[0015]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，采用MATLAB可編程仿真的方式，能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)電壓等級(jí)下的各種擾動(dòng)包括電壓波動(dòng)、頻率跳變、電壓諧波或三相不平衡、閃變等進(jìn)行靈活地模擬。同時(shí)，該裝置采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)，無(wú)需變壓器，直接串聯(lián)接入當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的35kV并網(wǎng)電壓等級(jí)的電網(wǎng)中。鑒于模塊化多電平換流器已在直流系統(tǒng)中運(yùn)用較為成熟，因此完全可以滿足裝置功能的多樣性和控制靈活性，達(dá)到風(fēng)電機(jī)組在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)各種擾動(dòng)情況下動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的要求，并且對(duì)并網(wǎng)的電力系統(tǒng)不造成較大的影響和沖擊。并可通過人機(jī)交互界面自由地選擇電壓擾動(dòng)形式，有針對(duì)性地檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行適應(yīng)性和電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)；該裝置串聯(lián)接在被測(cè)風(fēng)電機(jī)組母線側(cè)與交流電網(wǎng)之間，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的完全隔離，這樣風(fēng)電機(jī)組側(cè)的故障不會(huì)影響交流電網(wǎng)的正常運(yùn)行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為基于模塊化多電平換流器的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置及其控制框圖示意圖。
[0017]圖2為測(cè)試裝置的電網(wǎng)側(cè)多電平換流器中各個(gè)子模塊直流電容電壓波形圖。
[0018]圖3為測(cè)試裝置的電網(wǎng)側(cè)多電平換流器交流側(cè)A、B、C三相輸出多電平波形圖。
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中單相故障-A相電壓跌落至20%額定值時(shí)的波形圖。
[0020]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中三相故障-三相電壓均跌落至20%額定值時(shí)的波形圖。
[0021]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中三相電壓不平衡-注入20%的負(fù)序電壓分量時(shí)的波形圖。
[0022]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中三相注入5%的5次和5%的7次諧波電壓分量時(shí)的波形圖。
[0023]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中三相注入1%頻率為8.8Hz的電壓分量時(shí)的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明的以下實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0025]如圖1所示，本實(shí)施例的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，包括兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器，之一多電平換流器與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接，另一多電平換流器連接電網(wǎng)35KV母線；裝置還包括擾動(dòng)發(fā)生模塊和直流充電啟動(dòng)模塊，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊包括用于產(chǎn)生擾動(dòng)控制信號(hào)的軟件信號(hào)發(fā)生單元和執(zhí)行控制信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)的控制單元，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊與連接風(fēng)電機(jī)組35KV母線的模塊化多電平換流器相連接；所述直流充電啟動(dòng)模塊連接于與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接的多電平換流器和電網(wǎng)35KV母線之間，用于啟動(dòng)與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接的多電平換流器。其中的軟件信號(hào)發(fā)生單元由用于編程模擬風(fēng)電場(chǎng)擾動(dòng)控制信號(hào)的MATLAB編程單元、用于存儲(chǔ)所述控制信號(hào)的案例存儲(chǔ)庫(kù)以及與控制單元相連接的控制信號(hào)輸出單元組成。
[0026]在本實(shí)施例中，由MATLAB編程單元產(chǎn)生的控制信號(hào)包括風(fēng)電場(chǎng)電壓波動(dòng)、頻率跳變、電壓諧波、三相不平衡及閃變中一種或多種擾動(dòng)控制信號(hào)。為了便于測(cè)試過程的控制，提高測(cè)試效率，在本實(shí)施例中，裝置還包括用于控制被測(cè)風(fēng)電機(jī)組連接和斷開的第一斷路器，用于控制擾動(dòng)發(fā)生模塊直流平滑啟動(dòng)的第二斷路器。
[0027]本實(shí)施例提供的一種利用上述風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括以下步驟:
[0028]S1、使用MATLAB編程單元中仿真軟件搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型，模擬風(fēng)電場(chǎng)的電壓擾動(dòng)方式，所述擾動(dòng)包括電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、三相不平衡、三相畸變以及電壓閃變中的一種或多種，生成風(fēng)電機(jī)組35kV并網(wǎng)點(diǎn)的三相擾動(dòng)電壓Uref，并將所述擾動(dòng)方式的電壓擾動(dòng)曲線存入案例存儲(chǔ)庫(kù)。其具體過程為:基于MATLAB仿真軟件的SMULINK模塊搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的仿真模型，該模型由交流電網(wǎng)等值無(wú)窮大電源、交流線路和風(fēng)電機(jī)組組成，在不同線路或母線上設(shè)置單相、兩相不對(duì)稱故障或三相短路接地故障，模擬電網(wǎng)電壓跌落、三相不平衡、三相畸變以及電壓閃變電壓擾動(dòng)，生成風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的三相擾動(dòng)電壓指令信號(hào)UMf ;同時(shí)將所述電壓擾動(dòng)曲線分類存入案例存儲(chǔ)庫(kù)中，用于擾動(dòng)數(shù)據(jù)重復(fù)使用。利用本實(shí)施例的裝置或方法，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中的實(shí)際需求，通過MATLAB仿真模擬各種類型的故障形式并生成新的擾動(dòng)電壓Uref。
[0029]上述利用MATLAB仿真軟件搭建典型的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各種電壓擾動(dòng)仿真，為了測(cè)試結(jié)果的全面性，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中的實(shí)際需求，在建立的典型風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中通過MATLAB仿真實(shí)時(shí)模擬各種類型的故障形式，生成新的擾動(dòng)電壓指令信號(hào)UMf后輸入 到擾動(dòng)發(fā)生裝置的操作平臺(tái)中供測(cè)試中調(diào)用，而不僅僅局限于調(diào)用典型的電壓擾動(dòng)曲線。
[0030]S2、將兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器接入電網(wǎng)35kV母線和待測(cè)試的風(fēng)電機(jī)組35kV母線之間。兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器形成所述風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置的核心硬件部分，與現(xiàn)有的同類測(cè)試裝置相比，省掉了以往風(fēng)電機(jī)組擾動(dòng)發(fā)生裝置中兩側(cè)的升壓變壓器，由模塊化多電平換流器替代，控制更加靈活。上述的多電平換流器由6個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由N個(gè)相互連接且結(jié)構(gòu)相同的子模塊與一個(gè)電抗器串聯(lián)組成，QKl和QK2為擾動(dòng)發(fā)生裝置與風(fēng)電機(jī)組和交流系統(tǒng)側(cè)相互連接的斷路器(第一斷路器和第二斷路器)，QK1用于被測(cè)風(fēng)電機(jī)組的投入和切除，QK2用于該擾動(dòng)發(fā)生裝置直流的平滑啟動(dòng)控制。兩側(cè)的模塊化多電平換流器完成各自的控制目標(biāo)和功能，其中35kV交流系統(tǒng)側(cè)的模塊化多電平換流器(GS-MMC，Grid-side MMC)主要以直流電壓平衡和無(wú)功功率作為控制目標(biāo)，維持直流正負(fù)極電壓恒定，在各種電壓擾動(dòng)下隔離風(fēng)電機(jī)組側(cè)和系統(tǒng)側(cè)，保證并網(wǎng)交流系統(tǒng)不受電壓擾動(dòng)的影響，同時(shí)還能對(duì)系統(tǒng)提供一定的無(wú)功功率支撐能力；被測(cè)試風(fēng)電機(jī)組35kV側(cè)的模塊化多電平換流器(WT-MMC，Wind-turbine side MMC)主要實(shí)現(xiàn)各種擾動(dòng)電壓的跟蹤控制，其輸出電壓必須足夠快速準(zhǔn)確地跟蹤參考的擾動(dòng)電壓，以滿足進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行適應(yīng)性和電能質(zhì)量檢測(cè)的要求。
[0031]S3、啟動(dòng)模塊化多電平換流器:使用電網(wǎng)35KV母線電壓?jiǎn)?dòng)背向連接的兩個(gè)模塊化多電平換流器，其中與風(fēng)電機(jī)組35kV母線相連接的模塊化多電平換流器通過直流充電啟動(dòng)模塊啟動(dòng)。這是因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)無(wú)法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)模塊化多電平換流器WT-MMC提供啟動(dòng)電源，因此WT-MMC啟動(dòng)所需能量來自對(duì)側(cè)GS-MMC所連接的交流電網(wǎng)，并通過直流線路對(duì)其子模塊電容進(jìn)行充電。
[0032]上述步驟S3的具體過程:首先，閉合斷路器QK2，交流電網(wǎng)通過二極管不可控整流作用對(duì)GS-MMC和WT-MMC子模塊電容同時(shí)充電，此時(shí)GS-MMC充電的能量來源于交流電網(wǎng)，每個(gè)橋臂N個(gè)子模塊串聯(lián)接入交流系統(tǒng)兩相之間；而WT-MMC通過直流線路啟動(dòng)，每相上下橋臂共2N個(gè)子模塊串聯(lián)接到直流正極和負(fù)極之間。也即是說，在不可控整流階段，WT-MMC投入子模塊數(shù)是GS-MMC投入的2倍，則不可控整流結(jié)束后，GS-MMC每個(gè)子模塊直流電容電壓是WT-MMC的2倍。
[0033]其次，當(dāng)線路直流電壓達(dá)到交流線電壓峰值后，啟動(dòng)WT-MMC控制系統(tǒng)以減半投入的子模塊數(shù)，交流電網(wǎng)通過直流線路繼續(xù)對(duì)WT-MMC各個(gè)子模塊電容充電，而GS-MMC各個(gè)子模塊電容電壓保持不變。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流兩極電壓Vdc;、GS-MMC子模塊電容電壓Vdcuk和WT-MMC子模塊電容電壓Vwdcuk與交流電網(wǎng)線電壓有效值Veffls滿足如下所示的關(guān)系式:
[0034]Vdc — ~J2VGRMS,Vdcjk — ^flVams /N, VndiJk — Gms IN
[0035]S4、控制電網(wǎng)35KV母線側(cè)多電平換流器的高頻整流，使各子模塊的電容電壓調(diào)整為指定值，控制跟蹤風(fēng)電機(jī)組側(cè)多電平換流器電壓，實(shí)現(xiàn)多電平換流器風(fēng)電機(jī)組側(cè)輸出電壓與擾動(dòng)電壓指令信號(hào)Uref的跟蹤控制。輸出各種類型的擾動(dòng)電壓，以達(dá)到對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行適應(yīng)性和電能質(zhì)量測(cè)試的目標(biāo)。本步驟的具體過程為:完成WT-MMC和GS-MMC的直流啟動(dòng)過程后，則啟動(dòng)GS-MMC和WT-MMC的控制電路，閉合風(fēng)電場(chǎng)側(cè)斷路器QK1。其中GS-MMC啟動(dòng)高頻整流控制，通過直流電流控制方式提高子模塊電容電壓至額定值，并保持在各電容電壓給定值附近;WT-MMC則獲取步驟SI生成的各種擾動(dòng)電壓參考值Uref，在確保GS-MMC和WT-MMC兩端換流器直流側(cè)電壓同步上升直至額定值的前提下，實(shí)現(xiàn)WT-MMC風(fēng)電機(jī)組側(cè)電壓與擾動(dòng)電壓指令值Uref的快速跟蹤控制，使得風(fēng)電機(jī)組交流側(cè)電壓為通過MATLAB可編程仿真的各種擾動(dòng)電壓，以達(dá)到對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行適應(yīng)性和電能質(zhì)量測(cè)試的目標(biāo)。
[0036]本發(fā)明通過以上實(shí)施例提供了一種基于模塊化多電平換流器的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，該裝置可用于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行適應(yīng)性和電能質(zhì)量測(cè)試。該裝置采用風(fēng)電場(chǎng)側(cè)模塊化多電平換流器和電力系統(tǒng)側(cè)模塊化多電平換流器背靠背相連的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)需在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分別接入變壓器，同時(shí)也利用目前模塊化多電平換流器在高壓直流輸電系統(tǒng)中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，解決了 IGBT器件耐壓和通流能力限制等問題，可實(shí)現(xiàn)裝置功能的多樣性和控制靈活性。通過MATLAB仿真軟件靈活地模擬電網(wǎng)的各種電壓擾動(dòng)，將生成的擾動(dòng)電壓指令通過編程接口接入擾動(dòng)發(fā)生裝置的控制單元，模擬風(fēng)電并網(wǎng)電壓等級(jí)下電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、不平衡、電壓畸變及閃變等多種擾動(dòng)工況，提供一種在不影響風(fēng)電系統(tǒng)正常運(yùn)行前提下的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試新方法。
[0037]圖1為基于模塊化多電平換流器的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置及其控制框圖。該裝置由兩個(gè)背靠背的模塊化多電平換流器組成，串聯(lián)接在交流電網(wǎng)35kV母線和待測(cè)試的風(fēng)電機(jī)組35kV母線之間。如圖1所示，風(fēng)電機(jī)組側(cè)和電網(wǎng)側(cè)每個(gè)模塊化多電平換流器由6個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由N個(gè)(該實(shí)施例中，N=20)相互連接且結(jié)構(gòu)相同的半橋子模塊與一個(gè)電抗器La串聯(lián)組成，Ra表不電抗器的寄生電阻。以其中一個(gè)子模塊為例，和Duk、D2,Jk分別表示第j個(gè)橋臂的第k個(gè)半橋子模塊的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)及其反并聯(lián)二極管，Vdc,Jk表示第j個(gè)橋臂的第k個(gè)半橋子模塊的直流側(cè)電容電壓，U1u2,Jk表示第j個(gè)橋臂的第k個(gè)半橋子模塊的交流側(cè)輸出端子。每個(gè)半橋子模塊在兩種電流方向情況下進(jìn)行全模塊電壓(IVjk開通，T2, Jk關(guān)斷)Vdc, Jk和零模塊電壓(IVjk關(guān)斷，T2, Jk開通)之間的切換。每個(gè)子模塊有3種工作狀態(tài):(I)Tuk和T2 j均關(guān)斷。在這種狀態(tài)下，如果電流從正直流極流入且朝著交流側(cè)方向流動(dòng)，電流則流過電容器對(duì)其充電；當(dāng)電流朝著相反方向流動(dòng)時(shí)，電流就會(huì)繞過電容器，此為閉鎖狀態(tài)；(2)?\，Λ導(dǎo)通，Τ2，Λ關(guān)斷。在這種狀態(tài)下，子模塊處于工作狀態(tài)，電流通過續(xù)流二極管給電容器充電，或者通過T1, Jk給電容器放電；(3) T1, Jk關(guān)斷，T2，jk導(dǎo)通。在這種狀態(tài)下，電流或流過T2，jk，或流過續(xù)流二極管，保證零電壓施加在子模塊的兩端，電容器電壓無(wú)變化。
[0038]圖2為風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置的電網(wǎng)側(cè)多電平換流器中每相各個(gè)子模塊直流電容電壓波形圖。電網(wǎng) 側(cè)多電平換流器每個(gè)橋臂采用20個(gè)半橋構(gòu)成，穩(wěn)態(tài)情況下每個(gè)橋臂20個(gè)子模塊的直流電容電壓均穩(wěn)定運(yùn)行在2.5kV，每相上、下橋臂子模塊電壓波動(dòng)方向相反。圖3為測(cè)試裝置的電網(wǎng)側(cè)多電平換流器交流側(cè)A、B、C三相輸出多電平波形圖。從圖中看出，各相輸出電壓為21電平，每相之間相位互差120度。本實(shí)施例中，風(fēng)電機(jī)組側(cè)和電網(wǎng)側(cè)換流器的結(jié)構(gòu)完全相同，風(fēng)電機(jī)組側(cè)各子模塊的電壓波形與此類似，不再贅述。[0039]圖4?圖8分別為本發(fā)明實(shí)施例中模擬各種類型的電壓擾動(dòng)時(shí)各個(gè)電氣量的動(dòng)態(tài)波形，主要包括電壓?jiǎn)蜗嗟?、三相跌落、電壓不平衡、電壓畸變、電壓閃變等。為了反映動(dòng)態(tài)特性，模擬風(fēng)電機(jī)組側(cè)接入容量為2MW的雙饋式風(fēng)電機(jī)組。圖中從上到下依次為:風(fēng)電機(jī)組側(cè)模擬的擾動(dòng)電壓參考值Uref，風(fēng)電機(jī)組側(cè)實(shí)際電壓Uv，風(fēng)電機(jī)組側(cè)電流Iw，直流側(cè)兩極
電壓Ud。。
[0040]其中，圖4為本發(fā)明實(shí)施例中單相故障-A相電壓跌落至20%額定值時(shí)的動(dòng)態(tài)波形圖。從圖中看出，從0.5s時(shí)刻開始，在MATLAB仿真平臺(tái)中模擬風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)35kV側(cè)A相發(fā)生單相故障，其電壓跌落至20%的額定值，形成指令電壓UMf ;擾動(dòng)發(fā)生裝置則經(jīng)過電壓跟蹤控制后精確地模擬Uref，使得風(fēng)電機(jī)組側(cè)輸出電壓Uw動(dòng)態(tài)跟蹤電壓指令Uref，風(fēng)電機(jī)組側(cè)電流Iw隨著電壓變化而變化，直流側(cè)電壓Udc穩(wěn)定在51.5kV附近，動(dòng)態(tài)過程直流側(cè)電壓無(wú)大的沖擊。
[0041]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中模擬風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)35kV側(cè)在0.5s發(fā)生三相故障，導(dǎo)致三相電壓均跌落至20%額定值時(shí)的動(dòng)態(tài)波形圖，用于檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組在三相電壓同時(shí)跌落時(shí)的低電壓穿越特性。圖中35kV并網(wǎng)點(diǎn)經(jīng)過擾動(dòng)發(fā)生裝置輸出三相電壓同時(shí)跌落至20%額定值的電壓，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在51.5kV附近，動(dòng)態(tài)過程無(wú)大的沖擊。
[0042]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中模擬風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)35kV側(cè)在0.5s注入20%的負(fù)序電壓分量時(shí)的動(dòng)態(tài)波形圖，用于檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組在電壓不平衡時(shí)的動(dòng)態(tài)特性；圖7為本發(fā)明實(shí)施例中三相注入5%的5次和5%的7次諧波電壓分量時(shí)的動(dòng)態(tài)波形圖，用于檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生畸變時(shí)的動(dòng)態(tài)特性；圖8為本發(fā)明實(shí)施例中三相注入1%頻率為8.8Hz的電壓分量時(shí)的動(dòng)態(tài)波形圖，用于檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組在電壓閃變時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。從各種擾動(dòng)的仿真結(jié)果看出，基于模塊化多電平換流器的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置能夠根據(jù)MATLAB發(fā)出的各種電壓指令動(dòng)態(tài)地調(diào)整測(cè)試裝置風(fēng)電機(jī)組側(cè)35kV母線的輸出電壓，動(dòng)態(tài)特性和精度能夠達(dá)到檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行適應(yīng)性的要求，同時(shí)該發(fā)生裝置不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊和影響，并充分利用了模塊化多電平換流器的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需升壓變壓器，即可將該裝置直接接入風(fēng)電機(jī)組35kV并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試。
[0043]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，其特征在于，包括兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器，之一多電平換流器與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接，另一多電平換流器連接電網(wǎng)35KV母線；裝置還包括擾動(dòng)發(fā)生模塊和直流充電啟動(dòng)模塊，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊包括用于產(chǎn)生擾動(dòng)控制信號(hào)的軟件信號(hào)發(fā)生單元和執(zhí)行控制信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)的控制單元，所述擾動(dòng)發(fā)生模塊與連接風(fēng)電機(jī)組35KV母線的模塊化多電平換流器相連接；所述直流充電啟動(dòng)模塊連接于與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接的多電平換流器和電網(wǎng)35KV母線之間，用于啟動(dòng)與風(fēng)電機(jī)組35KV母線相連接的多電平換流器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，其特征在于，所述軟件信號(hào)發(fā)生單元包括用于編程模擬風(fēng)電場(chǎng)擾動(dòng)控制信號(hào)的MATLAB編程單元、用于存儲(chǔ)所述控制信號(hào)的案例存儲(chǔ)庫(kù)以及與控制單元相連接的控制信號(hào)輸出單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，其特征在于，所述控制信號(hào)包括風(fēng)電場(chǎng)電壓波動(dòng)、頻率跳變、電壓諧波、三相不平衡及閃變中一種或多種擾動(dòng)控制信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于控制被測(cè)風(fēng)電機(jī)組連接和斷開的第一斷路器，用于控制擾動(dòng)發(fā)生模塊直流平滑啟動(dòng)的第二斷路器。
5.利用上述風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試裝置的測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、使用MATLAB編程單元中仿真軟件搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型，模擬風(fēng)電場(chǎng)的電壓擾動(dòng)方式，所述擾動(dòng)包括電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、三相不平衡、三相畸變以及電壓閃變中的一種或多種，生成風(fēng)電機(jī)組35kV并網(wǎng)點(diǎn)的三相擾動(dòng)電壓Uref，并將所述擾動(dòng)方式的電壓擾動(dòng)曲線存入案例存儲(chǔ)庫(kù)； 52、將兩個(gè)背向連接的模塊化多電平換流器接入電網(wǎng)35kV母線和待測(cè)試的風(fēng)電機(jī)組35kV母線之間； 53、啟動(dòng)模塊化多電平換流器:使用電網(wǎng)35KV母線電壓?jiǎn)?dòng)背向連接的兩個(gè)模塊化多電平換流器，其中與風(fēng)電機(jī)組35kV母線相連接的模塊化多電平換流器通過直流充電啟動(dòng)模塊啟動(dòng)； 54、控制電網(wǎng)35KV母線側(cè)多電平換流器的高頻整流，使各子模塊的電容電壓調(diào)整為指定值，控制跟蹤風(fēng)電機(jī)組側(cè)多電平換流器電壓，實(shí)現(xiàn)多電平換流器風(fēng)電機(jī)組側(cè)輸出電壓與擾動(dòng)電壓指令信號(hào)Uref的跟蹤控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，步驟SI中使用MATLAB編程單元中仿真軟件搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電壓擾動(dòng)仿真的過程為:基于MATLAB仿真軟件的SMULINK模塊搭建風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的仿真模型，該模型由交流電網(wǎng)等值無(wú)窮大電源、交流線路和風(fēng)電機(jī)組組成，在不同線路或母線上設(shè)置單相、兩相不對(duì)稱故障或三相短路接地故障，模擬電網(wǎng)電壓跌落、三相不平衡、三相畸變以及電壓閃變電壓擾動(dòng)，生成風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的三相擾動(dòng)電壓指令信號(hào)UMf ;同時(shí)將所述電壓擾動(dòng)曲線分類存入案例存儲(chǔ)庫(kù)中，用于擾動(dòng)數(shù)據(jù)重復(fù)使用。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK103969578SQ201410100721
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】韓楊 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)