风电机组电网适应性测试装置及测试方法
【专利摘要】本发明的风电机组电网适应性测试装置包括两个背向连接的模块化多电平换流器以及扰动发生模块和直流充电启动模块，所述扰动发生模块包括用于产生扰动控制信号的软件信号发生单元和执行控制信号产生扰动信号的控制单元，所述扰动发生模块与连接风电机组35KV母线的模块化多电平换流器相连接。有益效果在于能够对风电机组并网电压等级下的各种扰动包括电压波动、频率跳变、电压谐波或三相不平衡、闪变等进行灵活地模拟。同时，该装置采用模块化多电平换流器结构，无需变压器，直接串联接入当前风电机组的35kV并网电压等级的电网中。
【专利说明】风电机组电网适应性测试装置及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风力发电机组接入电力系统的入网检测【技术领域】，具体涉及一种基于模块化多电平换流器的兆瓦级风电机组电网适应性测试装置及测试方法。
【背景技术】
[0002]目前，中国风电在电网中的比重不断提高，并正在由分散、小规模开发、就地消纳逐步向大规模、高集中开发，远距离、高电压电网输送方向发展。为规范风电场的并网工作，促进风电科学健康可持续发展，确保风电场和电网安全稳定运行，国家电网公司出台了《国家电网公司风电场接入电网技术规定》。在风电场运行适应性方面，明确了风电场在不同并网点电压范围、频率范围内的运行规定；在风电场电能质量方面，明确了风电场对电压偏差、闪变、谐波等的具体要求。也即是说，当电网发生电压波动、频率跳变、电压谐波或三相不平衡、闪变等各种扰动时，并网运行的风电机组必须具备良好的电网适应能力。因此，对风电机组的运行适应性和电能质量检测是非常必要的。目前，我国已具备风电机组低电压穿越能力的检测手段，但对于风电机组是否能够经受电网的各种扰动的检测能力还相对薄弱，有必要结合风电机组的动态特性，在确保对原有供电系统不造成影响的前提下，提出一种适应于当前风电场电网电压等级下的风电机组电网适应性测试装置。
[0003]国内外学者在可控电压扰动发生装置方面开展了相关的研究，但是没有结合风电场实际的应用场合和相关技术难点进行深入研究。根据专利检索得知，中国发明201010234259.4提供了一种对风电机组进行入网测试和对大型风电场并网运行进行检测评价的扰动发生装置。该扰动发生装置产生用于风电机组测试的各种电压，由低频电压扰动装置和高频电压扰动装置组成，低频电压扰动装置由启动电阻、降压变压器、滤波器、并联电压源换流器模块和升压变压器组成，实现低频电压扰动的功能；高频电压扰动装置由启动电阻、整流变压器、PWM整流器模块、级联H桥模块和滤波器组成，实现输出2?25次谐波电压功能。其发明的优点在于可实现电压波动、频率波动、电压畸变和三相电压不平衡等多种扰动，每相电压可分别调整，满足风电机组在电动和发电状态之间的切换要求。但是该装置存在结构复杂、价格昂贵、控制难度大的缺点，低频电压扰动和高频电压扰动装置串联运行时容易相互干扰，控制效果容易受到影响。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是为了解决现有的风电机组电网适应性测试装置采用串联的低频电压扰动装置和高频电压扰动装置结构复杂、价格昂贵、控制难度大及容易相互干扰等不足，提出了一种风电机组电网适应性测试装置以及基于所述装置的风电机组电网适应性测试方法。
[0005]本发明的技术方案为:风电机组电网适应性测试装置，其特征在于，包括两个背向连接的模块化多电平换流器，之一多电平换流器与风电机组35KV母线相连接，另一多电平换流器连接电网35KV母线；装置还包括扰动发生模块和直流充电启动模块，所述扰动发生模块包括用于产生扰动控制信号的软件信号发生单元和执行控制信号产生扰动信号的控制单元，所述扰动发生模块与连接风电机组35KV母线的模块化多电平换流器相连接；所述直流充电启动模块连接于与风电机组35KV母线相连接的多电平换流器和电网35KV母线之间，用于启动与风电机组35KV母线相连接的多电平换流器。
[0006]进一步的，所述软件信号发生单元包括用于编程模拟风电场扰动控制信号的MATLAB编程单元、用于存储所述控制信号的案例存储库以及与控制单元相连接的控制信号输出单元。
[0007]进一步的，所述控制信号包括风电场电压波动、频率跳变、电压谐波、三相不平衡及闪变中一种或多种扰动控制信号。
[0008]进一步的，所述装置还包括用于控制被测风电机组连接和断开的第一断路器，用于控制扰动发生模块直流平滑启动的第二断路器。
[0009]利用上述风电机组电网适应性测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0010]S1、使用MATLAB编程单元中仿真软件搭建风电场运行系统仿真模型，模拟风电场的电压扰动方式，所述扰动包括电压波动、频率波动、三相不平衡、三相畸变以及电压闪变中的一种或多种，生成风电机组35kV并网点的三相扰动电压Uref，并将所述扰动方式的电压扰动曲线存入案例存储库；
[0011]S2、将两个背向连接的模块化多电平换流器接入电网35kV母线和待测试的风电机组35kV母线之间；
[0012]S3、启动模块化多电平换流器:使用电网35KV母线电压启动背向连接的两个模块化多电平换流器，其中与风电机组35kV母线相连接的模块化多电平换流器通过直流充电启动t吴块启动；
[0013]S4、控制电网35KV母线侧多电平换流器的高频整流，使各子模块的电容电压调整为指定值，控制跟踪风电机组侧多电平换流器电压，实现多电平换流器风电机组侧输出电压与扰动电压指令信号Uref的跟踪控制。
[0014]进一步的，步骤SI中使用MATLAB编程单元中仿真软件搭建风电场运行系统仿真模型，实现对风电场电压扰动仿真的过程为:基于MATLAB仿真软件的SMULINK模块搭建风电场运行系统的仿真模型，该模型由交流电网等值无穷大电源、交流线路和风电机组组成，在不同线路或母线上设置单相、两相不对称故障或三相短路接地故障，模拟电网电压跌落、三相不平衡、三相畸变以及电压闪变电压扰动，生成风电机组并网点的三相扰动电压指令信号Uref ;同时将所述电压扰动曲线分类存入案例存储库中，用于扰动数据重复使用。
[0015]本发明的有益效果:本发明的风电机组电网适应性测试装置，采用MATLAB可编程仿真的方式，能够对风电机组并网电压等级下的各种扰动包括电压波动、频率跳变、电压谐波或三相不平衡、闪变等进行灵活地模拟。同时，该装置采用模块化多电平换流器结构，无需变压器，直接串联接入当前风电机组的35kV并网电压等级的电网中。鉴于模块化多电平换流器已在直流系统中运用较为成熟，因此完全可以满足装置功能的多样性和控制灵活性，达到风电机组在电动和发电状态各种扰动情况下动态特性测试的要求，并且对并网的电力系统不造成较大的影响和冲击。并可通过人机交互界面自由地选择电压扰动形式，有针对性地检测风电机组的运行适应性和电能质量相关指标；该装置串联接在被测风电机组母线侧与交流电网之间，实现了风电机组侧与电网侧的完全隔离，这样风电机组侧的故障不会影响交流电网的正常运行。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1为基于模块化多电平换流器的风电机组电网适应性测试装置及其控制框图示意图。
[0017]图2为测试装置的电网侧多电平换流器中各个子模块直流电容电压波形图。
[0018]图3为测试装置的电网侧多电平换流器交流侧A、B、C三相输出多电平波形图。
[0019]图4为本发明实施例中单相故障-A相电压跌落至20%额定值时的波形图。
[0020]图5为本发明实施例中三相故障-三相电压均跌落至20%额定值时的波形图。
[0021]图6为本发明实施例中三相电压不平衡-注入20%的负序电压分量时的波形图。
[0022]图7为本发明实施例中三相注入5%的5次和5%的7次谐波电压分量时的波形图。
[0023]图8为本发明实施例中三相注入1%频率为8.8Hz的电压分量时的波形图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0025]如图1所示，本实施例的风电机组电网适应性测试装置，包括两个背向连接的模块化多电平换流器，之一多电平换流器与风电机组35KV母线相连接，另一多电平换流器连接电网35KV母线；装置还包括扰动发生模块和直流充电启动模块，所述扰动发生模块包括用于产生扰动控制信号的软件信号发生单元和执行控制信号产生扰动信号的控制单元，所述扰动发生模块与连接风电机组35KV母线的模块化多电平换流器相连接；所述直流充电启动模块连接于与风电机组35KV母线相连接的多电平换流器和电网35KV母线之间，用于启动与风电机组35KV母线相连接的多电平换流器。其中的软件信号发生单元由用于编程模拟风电场扰动控制信号的MATLAB编程单元、用于存储所述控制信号的案例存储库以及与控制单元相连接的控制信号输出单元组成。
[0026]在本实施例中，由MATLAB编程单元产生的控制信号包括风电场电压波动、频率跳变、电压谐波、三相不平衡及闪变中一种或多种扰动控制信号。为了便于测试过程的控制，提高测试效率，在本实施例中，装置还包括用于控制被测风电机组连接和断开的第一断路器，用于控制扰动发生模块直流平滑启动的第二断路器。
[0027]本实施例提供的一种利用上述风电机组电网适应性测试装置的测试方法，包括以下步骤:
[0028]S1、使用MATLAB编程单元中仿真软件搭建风电场运行系统仿真模型，模拟风电场的电压扰动方式，所述扰动包括电压波动、频率波动、三相不平衡、三相畸变以及电压闪变中的一种或多种，生成风电机组35kV并网点的三相扰动电压Uref，并将所述扰动方式的电压扰动曲线存入案例存储库。其具体过程为:基于MATLAB仿真软件的SMULINK模块搭建风电场运行系统的仿真模型，该模型由交流电网等值无穷大电源、交流线路和风电机组组成，在不同线路或母线上设置单相、两相不对称故障或三相短路接地故障，模拟电网电压跌落、三相不平衡、三相畸变以及电压闪变电压扰动，生成风电机组并网点的三相扰动电压指令信号UMf ;同时将所述电压扰动曲线分类存入案例存储库中，用于扰动数据重复使用。利用本实施例的装置或方法，也可根据现场测试过程中的实际需求，通过MATLAB仿真模拟各种类型的故障形式并生成新的扰动电压Uref。
[0029]上述利用MATLAB仿真软件搭建典型的风电场运行系统拓扑结构，实现对风电场各种电压扰动仿真，为了测试结果的全面性，也可根据现场测试过程中的实际需求，在建立的典型风电场运行系统中通过MATLAB仿真实时模拟各种类型的故障形式，生成新的扰动电压指令信号UMf后输入 到扰动发生装置的操作平台中供测试中调用，而不仅仅局限于调用典型的电压扰动曲线。
[0030]S2、将两个背向连接的模块化多电平换流器接入电网35kV母线和待测试的风电机组35kV母线之间。两个背向连接的模块化多电平换流器形成所述风电机组电网适应性测试装置的核心硬件部分，与现有的同类测试装置相比，省掉了以往风电机组扰动发生装置中两侧的升压变压器，由模块化多电平换流器替代，控制更加灵活。上述的多电平换流器由6个桥臂组成，每个桥臂由N个相互连接且结构相同的子模块与一个电抗器串联组成，QKl和QK2为扰动发生装置与风电机组和交流系统侧相互连接的断路器(第一断路器和第二断路器)，QK1用于被测风电机组的投入和切除，QK2用于该扰动发生装置直流的平滑启动控制。两侧的模块化多电平换流器完成各自的控制目标和功能，其中35kV交流系统侧的模块化多电平换流器(GS-MMC，Grid-side MMC)主要以直流电压平衡和无功功率作为控制目标，维持直流正负极电压恒定，在各种电压扰动下隔离风电机组侧和系统侧，保证并网交流系统不受电压扰动的影响，同时还能对系统提供一定的无功功率支撑能力；被测试风电机组35kV侧的模块化多电平换流器(WT-MMC，Wind-turbine side MMC)主要实现各种扰动电压的跟踪控制，其输出电压必须足够快速准确地跟踪参考的扰动电压，以满足进行风电机组运行适应性和电能质量检测的要求。
[0031]S3、启动模块化多电平换流器:使用电网35KV母线电压启动背向连接的两个模块化多电平换流器，其中与风电机组35kV母线相连接的模块化多电平换流器通过直流充电启动模块启动。这是因为风电场无法对风电场侧模块化多电平换流器WT-MMC提供启动电源，因此WT-MMC启动所需能量来自对侧GS-MMC所连接的交流电网，并通过直流线路对其子模块电容进行充电。
[0032]上述步骤S3的具体过程:首先，闭合断路器QK2，交流电网通过二极管不可控整流作用对GS-MMC和WT-MMC子模块电容同时充电，此时GS-MMC充电的能量来源于交流电网，每个桥臂N个子模块串联接入交流系统两相之间；而WT-MMC通过直流线路启动，每相上下桥臂共2N个子模块串联接到直流正极和负极之间。也即是说，在不可控整流阶段，WT-MMC投入子模块数是GS-MMC投入的2倍，则不可控整流结束后，GS-MMC每个子模块直流电容电压是WT-MMC的2倍。
[0033]其次，当线路直流电压达到交流线电压峰值后，启动WT-MMC控制系统以减半投入的子模块数，交流电网通过直流线路继续对WT-MMC各个子模块电容充电，而GS-MMC各个子模块电容电压保持不变。当达到稳态时，直流两极电压Vdc;、GS-MMC子模块电容电压Vdcuk和WT-MMC子模块电容电压Vwdcuk与交流电网线电压有效值Veffls满足如下所示的关系式:
[0034]Vdc — ~J2VGRMS,Vdcjk — ^flVams /N, VndiJk — Gms IN
[0035]S4、控制电网35KV母线侧多电平换流器的高频整流，使各子模块的电容电压调整为指定值，控制跟踪风电机组侧多电平换流器电压，实现多电平换流器风电机组侧输出电压与扰动电压指令信号Uref的跟踪控制。输出各种类型的扰动电压，以达到对风电机组运行适应性和电能质量测试的目标。本步骤的具体过程为:完成WT-MMC和GS-MMC的直流启动过程后，则启动GS-MMC和WT-MMC的控制电路，闭合风电场侧断路器QK1。其中GS-MMC启动高频整流控制，通过直流电流控制方式提高子模块电容电压至额定值，并保持在各电容电压给定值附近;WT-MMC则获取步骤SI生成的各种扰动电压参考值Uref，在确保GS-MMC和WT-MMC两端换流器直流侧电压同步上升直至额定值的前提下，实现WT-MMC风电机组侧电压与扰动电压指令值Uref的快速跟踪控制，使得风电机组交流侧电压为通过MATLAB可编程仿真的各种扰动电压，以达到对风电机组运行适应性和电能质量测试的目标。
[0036]本发明通过以上实施例提供了一种基于模块化多电平换流器的风电机组电网适应性测试装置，该装置可用于风电机组运行适应性和电能质量测试。该装置采用风电场侧模块化多电平换流器和电力系统侧模块化多电平换流器背靠背相连的主电路拓扑结构，无需在风电场侧和电网侧分别接入变压器，同时也利用目前模块化多电平换流器在高压直流输电系统中的运行经验，解决了 IGBT器件耐压和通流能力限制等问题，可实现装置功能的多样性和控制灵活性。通过MATLAB仿真软件灵活地模拟电网的各种电压扰动，将生成的扰动电压指令通过编程接口接入扰动发生装置的控制单元，模拟风电并网电压等级下电压波动、频率波动、不平衡、电压畸变及闪变等多种扰动工况，提供一种在不影响风电系统正常运行前提下的风电机组电网适应性测试新方法。
[0037]图1为基于模块化多电平换流器的风电机组电网适应性测试装置及其控制框图。该装置由两个背靠背的模块化多电平换流器组成，串联接在交流电网35kV母线和待测试的风电机组35kV母线之间。如图1所示，风电机组侧和电网侧每个模块化多电平换流器由6个桥臂组成，每个桥臂由N个(该实施例中，N=20)相互连接且结构相同的半桥子模块与一个电抗器La串联组成，Ra表不电抗器的寄生电阻。以其中一个子模块为例，和Duk、D2,Jk分别表示第j个桥臂的第k个半桥子模块的绝缘栅双极晶体管(IGBT)及其反并联二极管，Vdc,Jk表示第j个桥臂的第k个半桥子模块的直流侧电容电压，U1u2,Jk表示第j个桥臂的第k个半桥子模块的交流侧输出端子。每个半桥子模块在两种电流方向情况下进行全模块电压(IVjk开通，T2, Jk关断)Vdc, Jk和零模块电压(IVjk关断，T2, Jk开通)之间的切换。每个子模块有3种工作状态:(I)Tuk和T2 j均关断。在这种状态下，如果电流从正直流极流入且朝着交流侧方向流动，电流则流过电容器对其充电；当电流朝着相反方向流动时，电流就会绕过电容器，此为闭锁状态；(2)?\，Λ导通，Τ2，Λ关断。在这种状态下，子模块处于工作状态，电流通过续流二极管给电容器充电，或者通过T1, Jk给电容器放电；(3) T1, Jk关断，T2，jk导通。在这种状态下，电流或流过T2，jk，或流过续流二极管，保证零电压施加在子模块的两端，电容器电压无变化。
[0038]图2为风电机组电网适应性测试装置的电网侧多电平换流器中每相各个子模块直流电容电压波形图。电网 侧多电平换流器每个桥臂采用20个半桥构成，稳态情况下每个桥臂20个子模块的直流电容电压均稳定运行在2.5kV，每相上、下桥臂子模块电压波动方向相反。图3为测试装置的电网侧多电平换流器交流侧A、B、C三相输出多电平波形图。从图中看出，各相输出电压为21电平，每相之间相位互差120度。本实施例中，风电机组侧和电网侧换流器的结构完全相同，风电机组侧各子模块的电压波形与此类似，不再赘述。[0039]图4?图8分别为本发明实施例中模拟各种类型的电压扰动时各个电气量的动态波形，主要包括电压单相跌落、三相跌落、电压不平衡、电压畸变、电压闪变等。为了反映动态特性，模拟风电机组侧接入容量为2MW的双馈式风电机组。图中从上到下依次为:风电机组侧模拟的扰动电压参考值Uref，风电机组侧实际电压Uv，风电机组侧电流Iw，直流侧两极
电压Ud。。
[0040]其中，图4为本发明实施例中单相故障-A相电压跌落至20%额定值时的动态波形图。从图中看出，从0.5s时刻开始，在MATLAB仿真平台中模拟风电机组并网点35kV侧A相发生单相故障，其电压跌落至20%的额定值，形成指令电压UMf ;扰动发生装置则经过电压跟踪控制后精确地模拟Uref，使得风电机组侧输出电压Uw动态跟踪电压指令Uref，风电机组侧电流Iw随着电压变化而变化，直流侧电压Udc稳定在51.5kV附近，动态过程直流侧电压无大的冲击。
[0041]图5为本发明实施例中模拟风电机组并网点35kV侧在0.5s发生三相故障，导致三相电压均跌落至20%额定值时的动态波形图，用于检测风电机组在三相电压同时跌落时的低电压穿越特性。图中35kV并网点经过扰动发生装置输出三相电压同时跌落至20%额定值的电压，直流侧电压稳定在51.5kV附近，动态过程无大的冲击。
[0042]图6为本发明实施例中模拟风电机组并网点35kV侧在0.5s注入20%的负序电压分量时的动态波形图，用于检测风电机组在电压不平衡时的动态特性；图7为本发明实施例中三相注入5%的5次和5%的7次谐波电压分量时的动态波形图，用于检测风电机组在并网点电压发生畸变时的动态特性；图8为本发明实施例中三相注入1%频率为8.8Hz的电压分量时的动态波形图，用于检测风电机组在电压闪变时的动态特性。从各种扰动的仿真结果看出，基于模块化多电平换流器的风电机组电网适应性测试装置能够根据MATLAB发出的各种电压指令动态地调整测试装置风电机组侧35kV母线的输出电压，动态特性和精度能够达到检测风电机组运行适应性的要求，同时该发生装置不会对电网造成较大的冲击和影响，并充分利用了模块化多电平换流器的优点，无需升压变压器，即可将该装置直接接入风电机组35kV并网点进行电网适应性测试。
[0043]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.风电机组电网适应性测试装置，其特征在于，包括两个背向连接的模块化多电平换流器，之一多电平换流器与风电机组35KV母线相连接，另一多电平换流器连接电网35KV母线；装置还包括扰动发生模块和直流充电启动模块，所述扰动发生模块包括用于产生扰动控制信号的软件信号发生单元和执行控制信号产生扰动信号的控制单元，所述扰动发生模块与连接风电机组35KV母线的模块化多电平换流器相连接；所述直流充电启动模块连接于与风电机组35KV母线相连接的多电平换流器和电网35KV母线之间，用于启动与风电机组35KV母线相连接的多电平换流器。
2.根据权利要求1所述的风电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述软件信号发生单元包括用于编程模拟风电场扰动控制信号的MATLAB编程单元、用于存储所述控制信号的案例存储库以及与控制单元相连接的控制信号输出单元。
3.根据权利要求1或2所述的风电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述控制信号包括风电场电压波动、频率跳变、电压谐波、三相不平衡及闪变中一种或多种扰动控制信号。
4.根据权利要求1至3之任一项权利要求所述的风电机组电网适应性测试装置，其特征在于，所述装置还包括用于控制被测风电机组连接和断开的第一断路器，用于控制扰动发生模块直流平滑启动的第二断路器。
5.利用上述风电机组电网适应性测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、使用MATLAB编程单元中仿真软件搭建风电场运行系统仿真模型，模拟风电场的电压扰动方式，所述扰动包括电压波动、频率波动、三相不平衡、三相畸变以及电压闪变中的一种或多种，生成风电机组35kV并网点的三相扰动电压Uref，并将所述扰动方式的电压扰动曲线存入案例存储库； 52、将两个背向连接的模块化多电平换流器接入电网35kV母线和待测试的风电机组35kV母线之间； 53、启动模块化多电平换流器:使用电网35KV母线电压启动背向连接的两个模块化多电平换流器，其中与风电机组35kV母线相连接的模块化多电平换流器通过直流充电启动模块启动； 54、控制电网35KV母线侧多电平换流器的高频整流，使各子模块的电容电压调整为指定值，控制跟踪风电机组侧多电平换流器电压，实现多电平换流器风电机组侧输出电压与扰动电压指令信号Uref的跟踪控制。
6.根据权利要求5所述的方法，步骤SI中使用MATLAB编程单元中仿真软件搭建风电场运行系统仿真模型，实现对风电场电压扰动仿真的过程为:基于MATLAB仿真软件的SMULINK模块搭建风电场运行系统的仿真模型，该模型由交流电网等值无穷大电源、交流线路和风电机组组成，在不同线路或母线上设置单相、两相不对称故障或三相短路接地故障，模拟电网电压跌落、三相不平衡、三相畸变以及电压闪变电压扰动，生成风电机组并网点的三相扰动电压指令信号UMf ;同时将所述电压扰动曲线分类存入案例存储库中，用于扰动数据重复使用。
【文档编号】G01R31/00GK103969578SQ201410100721
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】韩杨 申请人:电子科技大学