本發(fā)明涉及一種風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展意識的不斷提高，可再生能源尤其是風(fēng)電近年來發(fā)展十分迅速。截至2015年底，我國并網(wǎng)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)1.29億千瓦，全球風(fēng)電市場規(guī)模在2009～2015年擴(kuò)大了約250GW。與此同時，全球范圍內(nèi)海上風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模不斷增加，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)。

近年來我國連續(xù)發(fā)生多起因風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力導(dǎo)致的大規(guī)模脫網(wǎng)事故，對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。這就要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障下應(yīng)具備故障電壓穿越能力，為電網(wǎng)恢復(fù)提供無功支撐。為此，國家能源局針對風(fēng)電低電壓穿越檢測工作印發(fā)了《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越能力測試規(guī)程》(以下均簡稱規(guī)程)。目前關(guān)于風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的研究基本針對陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，測試點(diǎn)靠近于風(fēng)機(jī)箱變高壓出口側(cè)。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越檢測時，擾動發(fā)生裝置可以按照測試規(guī)程要求在風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓跌落。

因受地理因素等限制，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行低電壓穿越檢測時，測試裝置往往難以抵達(dá)風(fēng)機(jī)箱變出口處進(jìn)行測量。因此工程上直接將檢測設(shè)備置于岸上，通過一定長度的海纜將檢測設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接進(jìn)行低電壓穿越檢測。由于長距離輸電海纜的影響，常常導(dǎo)致低電壓穿越檢測的失敗，甚至危害待檢測風(fēng)機(jī)以及檢測設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測系統(tǒng)及方法，本發(fā)明根據(jù)測試要求消除長距離海纜對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測試的影響，檢測設(shè)備在風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)產(chǎn)生的測試波形與在近端測試時產(chǎn)生的波形基本一致，而且能夠有效避免海纜導(dǎo)致的低電壓穿越檢測失敗，以消除風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)端檢測時長距離電纜的影響，解決低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測系統(tǒng)，包括低電壓穿越檢測裝置、電力電子開關(guān)及其控制電路和測試電纜，測試電纜一端與低電壓穿越檢測裝置連接，另一端與待檢測風(fēng)機(jī)連接，低電壓穿越檢測裝置處設(shè)置電力電子開關(guān)，構(gòu)成短路開關(guān)和旁路開關(guān)，利用控制電路控制電力電子開關(guān)的動作時序以控制測試裝置限流電抗和短路電抗動作時序，迅速衰減海纜投入后的暫態(tài)過程。

基于上述系統(tǒng)的低電壓穿越檢測方法，具體步驟包括：

(1)根據(jù)測試風(fēng)機(jī)所在的系統(tǒng)，測量待測風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的等效阻抗，根據(jù)待測電壓跌落度，計(jì)算相應(yīng)的限流電抗與短路電抗；

(2)低電壓測試裝置串聯(lián)接入電網(wǎng)與連接風(fēng)機(jī)的電纜之間，此時風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行，進(jìn)行空載檢測；

(3)調(diào)整限流電抗與短路電抗的阻值，利用電力電子開關(guān)控制限流電抗與短路電抗的投切順序，模擬測試點(diǎn)電網(wǎng)故障，按照測試標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生要求的電壓跌落；

(4)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動接入電網(wǎng)，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率至額定功率的10％～30％，進(jìn)行輕負(fù)載下的低電壓穿越測試；

(5)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率至額定功率的85-95％，進(jìn)行重負(fù)載下的低電壓穿越能力測試，記錄測試數(shù)據(jù)。

所述步驟(1)中，測量待測風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的等效阻抗，根據(jù)待測電壓跌落度，計(jì)算得到相應(yīng)的限流電抗與短路電抗，限流電抗X₁與短路電抗X₂關(guān)系由如下表達(dá)式?jīng)Q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表示系統(tǒng)電壓，X_s為系統(tǒng)等效電抗，S_n為風(fēng)機(jī)額定功率，θ表示X₁、X₂滿足的關(guān)系。

所述步驟(2)中，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行并且在風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)與海纜斷開連接，將低電壓穿越檢測裝置串連接入電網(wǎng)與海纜之間，準(zhǔn)備進(jìn)行空載條件下低電壓穿越測試。

所述步驟(3)中，調(diào)整限流電抗與短路電抗的阻值，利用電力電子開關(guān)控制限流電抗與短路電抗的投切順序，將短路電抗三相或兩相連接在一起模擬測試點(diǎn)電網(wǎng)故障，按照測試標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生要求的電壓跌落，所有測試結(jié)束后，將限流電抗與短路電抗退出運(yùn)行，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。

所述步驟(3)中，測試過程中要保證限流電抗投入后，短路電抗在電力電子開關(guān)的控制下迅速投入，負(fù)載測試與空載測試時的限流電抗與短路電抗應(yīng)當(dāng)一致，空載測試過程中記錄測試數(shù)據(jù)，以進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的負(fù)載測試。

所述步驟(3)中，在低電壓穿越空載測試后，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落規(guī)格記錄所對應(yīng)的限流電抗與短路電抗的值，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動正常運(yùn)行后，將風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)與海纜連接，準(zhǔn)備進(jìn)行負(fù)載條件下的低電壓穿越測試。

所述步驟(4)中，根據(jù)空載時確定的限流電抗與短路電抗的值，依據(jù)設(shè)定的跌落度逐次測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越測試，測試中短路電抗的投入應(yīng)在電流電抗投入后迅速投入，此過程中相同規(guī)格測試進(jìn)行多次并記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)、波形。

所述步驟(5)中，根據(jù)空載時確定的限流電抗與短路電抗的值，按照測試標(biāo)準(zhǔn)要求的跌落度逐次測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越測試，測試中短路電抗的投入應(yīng)在電流電抗投入后迅速投入，此過程中，相同規(guī)格測試進(jìn)行多次并記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)、波形。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電力電子開關(guān)精準(zhǔn)動作時序的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法，核心創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠在測試裝置無法靠近待檢測風(fēng)機(jī)的情景下(如海上測試)，順利實(shí)現(xiàn)接入測試電纜后的遠(yuǎn)端檢測；

(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電力電子開關(guān)進(jìn)精準(zhǔn)動作時序的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法，能夠較好的適應(yīng)不同電纜型號、不同電纜長度下的低電壓穿越檢測，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)能力；

(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電力電子開關(guān)進(jìn)精準(zhǔn)動作時序的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法，通過電力電子開關(guān)控制限流電抗與短路電抗的精準(zhǔn)投切，可有效避免限流電抗與短路電抗投入時間間隔較長時導(dǎo)致暫態(tài)過程引起的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越檢測失?。?/p>

(4)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電力電子開關(guān)進(jìn)精準(zhǔn)動作時序的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法，提出改進(jìn)電抗投入的動作時序和間隔，利用電力電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)上述功能，相比于已有基于傳統(tǒng)斷路器作為開關(guān)的測試系統(tǒng)，僅需更換電力電子開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)低電壓穿越遠(yuǎn)端測試；

(5)本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電力電子開關(guān)進(jìn)精準(zhǔn)動作時序的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法，相比于將測試裝置運(yùn)送到難以到達(dá)或固定的待測風(fēng)機(jī)近端相比，具有很強(qiáng)的可操作性和廣泛的使用范圍。

附圖說明

圖1A為低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要由低電壓穿越檢測裝置，測試電纜以及待檢測風(fēng)機(jī)組成，低電壓穿越檢測裝置由電力電子開關(guān)控制限流電抗與短路電抗的動作時序；

圖1B為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越能力要求，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)可靠性，在電網(wǎng)發(fā)生故障時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在圖1B所示的范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)保持并網(wǎng)運(yùn)行；

圖2A為空載條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2B為圖2A對應(yīng)的空載條件下低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測時電壓跌落容許誤差；

圖2C為限流開關(guān)和短路開關(guān)的動作時序；

圖2D為低電壓穿越空載檢測的流程；

圖3為基于電力電子開關(guān)精準(zhǔn)動作時序的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法流程圖，以空載測試條件為依據(jù)，按照測試流程在遠(yuǎn)端進(jìn)行檢測。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1A所示，本發(fā)明提供一種風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法，實(shí)際完整的測試系統(tǒng)包括低電壓穿越測試裝置，長距離測試電纜以及待檢測風(fēng)機(jī)。測試電纜一端與低電壓穿越檢測裝置連接，另一端與待檢測風(fēng)機(jī)連接。

具體包括低電壓穿越擾動發(fā)生裝置、電力電子開關(guān)及其精準(zhǔn)控制電路和測試電纜。所述低電壓穿越測試裝置能夠測試電壓跌落值為0.2～0.9時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力，并且根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)的要求能夠維持標(biāo)準(zhǔn)要求的電壓跌落時間。

基于上述系統(tǒng)的一種基于電力電子開關(guān)精準(zhǔn)動作時序的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測方法，通過建立測試系統(tǒng)等效電路，通過采用電力電子開關(guān)精準(zhǔn)動作時序控制測試裝置限流電抗和短路電抗動作時序，迅速衰減海纜投入后的暫態(tài)過程，保證遠(yuǎn)端檢測順利實(shí)施。

本測試裝置用于低電壓穿越的遠(yuǎn)端檢測，實(shí)際測試時該裝置串接入海纜與陸上電網(wǎng)連接點(diǎn)處，可參見圖2A中的A點(diǎn)處。

圖1B給出了風(fēng)機(jī)應(yīng)當(dāng)具有的低電壓穿越能力，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生的故障在圖1B曲線包圍范圍內(nèi)時，風(fēng)機(jī)應(yīng)當(dāng)保持并網(wǎng)運(yùn)行而不脫網(wǎng)，低電壓穿越檢測就是檢測風(fēng)機(jī)是否具有這種能力。

如圖2A所示為風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越遠(yuǎn)端空載檢測等效電路圖，其中L_s，L₁，L₂分別為系統(tǒng)等效電感、限流電感和短路電感。圖2B為空載條件下低電壓穿越檢測時電壓跌落容許誤差，考慮到系統(tǒng)等效電感的變化以及短路電抗的調(diào)節(jié)精度問題，電壓跌落必然存在一定的誤差，圖2B給出了誤差范圍。

如圖2C和圖2D所示給出了本發(fā)明所對應(yīng)的基于電力電子開關(guān)精準(zhǔn)動作時序的低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測空載測試的方法和步驟。

如圖2D所示為低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測流程圖，對應(yīng)于本發(fā)明提供的基于電力電子開關(guān)精準(zhǔn)動作時序低電壓穿越檢測的前4個步驟。

分別為：

1、在t₀時刻斷開旁路開關(guān)S1，投入限流電抗；

2、在t₀+Δt(Δt趨近于0)時，閉合短路開關(guān)S2，投入短路電抗，產(chǎn)生電壓跌落；

3、在t₄時刻斷開短路開關(guān)，使電壓恢復(fù)正常；

4、在t₄+Δt(Δt趨近于0)時，迅速閉合旁路開關(guān)，限流電抗退出運(yùn)行。

本發(fā)明的具體過程，如圖3所示，具體步驟如下：

S1:根據(jù)測試風(fēng)機(jī)所在的系統(tǒng)，測量待測風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的等效阻抗，根據(jù)待測電壓跌落度，由公式計(jì)算得到相應(yīng)的限流電抗與短路電抗。

本步驟中，限流電抗X₁與短路電抗X₂關(guān)系由如下表達(dá)式?jīng)Q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表示系統(tǒng)電壓，X_s為系統(tǒng)等效電抗，S_n為風(fēng)機(jī)額定功率，θ表示X₁、X₂滿足的關(guān)系。這些值需要由測量以及公式計(jì)算獲得。

S2:保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行并且在風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)與海纜斷開連接，按照測試規(guī)程要求將低電壓穿越測試設(shè)備串連接入電網(wǎng)與海纜之間，準(zhǔn)備進(jìn)行空載條件下低電壓穿越測試。

S3:考慮到實(shí)際測試情況，結(jié)合現(xiàn)有的低電壓穿越測試裝置的性能，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率輸出分別在以下范圍內(nèi)是，測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)自在電網(wǎng)電壓跌落時的響應(yīng)特性：

(a)大功率輸出，P>0.9P_n；

(b)小功率輸出，0.1P_n<P<0.3P_n。

本步驟中只進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組空載的低電壓穿越檢測，考慮到測試規(guī)程的如下要求：

按照陸上風(fēng)機(jī)近端測試規(guī)程，利用低電壓穿越測試裝置產(chǎn)生測試標(biāo)準(zhǔn)要求的電壓跌落幅值、對應(yīng)的故障持續(xù)時間以及要求的電壓跌落波形，分別在三相電壓跌落和兩相電壓跌落故障下進(jìn)行測試。以電壓跌落度0.9為例，電壓跌落幅值應(yīng)在0.85～0.9范圍內(nèi)，故障持續(xù)時間為2000±20ms，電壓跌落波形為方波。相應(yīng)電壓跌落參見下表。

電網(wǎng)電壓跌落規(guī)格

以規(guī)格1空載電壓跌落為例，電壓跌落幅值為0.9倍額定電壓。首先根據(jù)測量的實(shí)際系統(tǒng)的阻抗值X_s以及短路容量，選擇合適的電流電抗值，根據(jù)電壓跌落度和公式(1)選擇電流電抗的值，使得電壓跌落幅值為0.9倍額定電壓并保證電壓跌落在誤差允許范圍內(nèi)。根據(jù)圖2C所示的限流和短路電力電子開關(guān)的動作時序，在t₀時刻觸發(fā)限流電力電子開關(guān)投入限流電抗，在t₁＝t₀+Δt(Δt→0,設(shè)定為電力電子開關(guān)的固有開關(guān)時間)時刻投入短路電抗產(chǎn)生相應(yīng)的電壓跌落，t₄時刻斷開短路開關(guān)，此次空載測試結(jié)束。相同規(guī)格測試進(jìn)行2次。

S4:在低電壓穿越空載測試后，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落規(guī)格記錄所對應(yīng)的限流電抗與短路電抗的值。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動正常運(yùn)行后，將風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)與海纜連接，準(zhǔn)備進(jìn)行負(fù)載條件下的低電壓穿越測試。

S5:將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動接入電網(wǎng)，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率至額定功率的10％～30％，進(jìn)行輕負(fù)載下的低電壓穿越測試。根據(jù)S3空載時確定的限流電抗與短路電抗的值，按照測試標(biāo)準(zhǔn)要求的跌落度逐次測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越測試，測試中短路電抗的投入應(yīng)在電流電抗投入后迅速投入，此過程中相同規(guī)格測試進(jìn)行2次并記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)、波形。

S6：調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率至額定功率的90％左右，進(jìn)行重負(fù)載下的低電壓穿越能力測試。根據(jù)S3空載時確定的限流電抗與短路電抗的值，按照測試標(biāo)準(zhǔn)要求的跌落度逐次測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越測試，測試中短路電抗的投入應(yīng)在電流電抗投入后迅速投入。此過程中，相同規(guī)格測試進(jìn)行2次并記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)、波形。

S7：實(shí)際測試結(jié)束后，將設(shè)備退出。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力做出基本評價(jià)。

至此，針對風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越遠(yuǎn)端檢測完成。

所述步驟S4中，在低電壓穿越空載測試后，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落規(guī)格記錄所對應(yīng)的限流電抗與短路電抗的值。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動正常運(yùn)行后，將風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)與海纜連接，準(zhǔn)備進(jìn)行負(fù)載條件下的低電壓穿越測試。

所述步驟S5中，根據(jù)測試規(guī)程的要求，調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功功率至輕載狀態(tài)，也即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為0.1P_n<P<0.3P_n，進(jìn)行低電壓穿越測試，各規(guī)格測試進(jìn)行2次，測試結(jié)束后短路電抗、限流電抗退出運(yùn)行，電網(wǎng)恢復(fù)原來的電壓。

本步驟中，電壓跌落規(guī)格如步驟S3中所示，各電壓跌落規(guī)格下對應(yīng)的電流電抗與短路電抗的值采用步驟S4中記錄的數(shù)據(jù)。

所述步驟S6中，根據(jù)測試規(guī)程的要求，調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功功率至輕載狀態(tài)，也即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為P>0.9P_n，進(jìn)行低電壓穿越測試，各規(guī)格測試進(jìn)行2次，測試結(jié)束后短路電抗、限流電抗退出運(yùn)行，電網(wǎng)恢復(fù)原來的電壓。

本步驟中，電壓跌落規(guī)格如步驟S3中所示，各電壓跌落規(guī)格下對應(yīng)的電流電抗與短路電抗的值采用步驟S4中記錄的數(shù)據(jù)。

所述步驟S7中，根據(jù)S5和S6中的低電壓穿越測試記錄的數(shù)據(jù)以及有關(guān)的波形，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力做出基本評價(jià)。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。