一种考虑海缆影响的海上风电机组故障穿越测试方法与流程

本发明涉及新能源接入与控制领域，具体涉及一种考虑海缆影响的海上风电机组故障穿越测试方法。

背景技术：

风力发电作为可再生能源开发中技术最成熟的、最具有规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视并得到了广泛的开发和应用。

海上风电是目前风电行业发展最快，技术水平最高，前景最广阔的一个发展方向。根据欧洲风能协会的预测，到2020年欧洲海上风电将达到40GW的容量，可以提供欧盟4％的电力需求；美国正在协调规划实现2020年10GW、2030年54GW的海上风电发展计划。未来海上风电的发展将呈现单机容量大、离岸距离远、平均水深深、需建海上变电站和多个海上风电场集群送出的特点，全球风电发展的未来在海上。

随着我国海上风能的大规模开发，海上风电对电网的影响将越来越大。海上风电机组与升压站间采用海底电缆连接，送出方式采用直流或交直流混联的方式，采用传统直流送出的海上风电，其换流站大容量电力电子器件的开关频率产生的谐波将导致风电机组运行在更为复杂的电气环境，对其安全稳定运行提出更高的要求；海上风电场容量较大，且通常采用集群送出方式，要求风机必须具备低电压穿越能力，由于海上风电送出电缆通常达数十或上百公里，充电无功较大，对风电机组故障穿越测试方法提出了更高的要求。

海上气象条件复杂，施工难度大，风机运行维护成本高昂，周期长。因此，在海上开展海上风电机组的检测工作难度较大，受运输条件限制，5MW及以上容量海上风电机组很难在陆上进行检测，且陆上也不具备海上高盐雾、高腐蚀性等环境特征。

由于目前的测试装置难以适应海上的运行环境，对海上风电机组进行故障穿越能力测试，测试点选在沿海陆上，通过海缆连接至被测风电机组。由于长距离的海缆存在，将会对测试结果产生一定的影响。

因此，需要提供一种针对目前海上风电机组故障穿越检测能力问题，考虑海缆对测试结果的影响的海上风电机组故障穿越测试方法。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种考虑海缆影响的海上风电机组故障穿越测试方法。

本发明的技术方案是：

所述风电机组通过风电机组升压变压器接入海缆，该海缆的另一端通过故障穿越装置接入风电场升压变压器，所述方法包括：

步骤1：确定风电机组故障穿越测试的测试点，所述测试点至少包括第一测试点、第二测试点、第三测试点和第四测试点；所述第一测试点设置在故障穿越装置与风电场升压变压器之间，第二测试点设置在故障穿越装置侧的海缆上，第三测试点设置在风电机组升压变压器侧的海缆上，第四测试点设置在风电机组与风电机组升压变压器之间；

步骤2：开展海缆影响测试；

步骤3：依据所述海缆影响测试的测试数据计算海缆影响系数；

步骤4：对风电机组进行故障穿越测试；

步骤5：依据所述海缆影响系数和所述故障穿越测试的测试数据计算风电机组的故障穿越指标。

优选的，所述步骤2中开展海缆影响测试包括空载故障测试和带海缆故障测试；所述空载故障测试和带海缆故障测试的电压故障类型、故障幅度和故障的持续时间相同；

所述空载故障测试包括：将所述故障穿越装置与海缆断开，对该故障穿越装置进行空载短路试验，获取第二测试点的空载短路试验数据；

所述带海缆故障测试包括：将所述故障穿越装置与海缆连接且风电机组置于停机状态，对该故障穿越装置进行空载短路试验，获取第二测试点和第三测试点的空载短路试验数据；

优选的，所述步骤3中计算海缆影响系数包括：

步骤31：依据所述海缆影响测试中空载故障测试的测试数据，获取电压基波有效值曲线；依据所述电压基波有效值曲线得到风电机组正常运行时第二测试点的电网电压U_n21和无功功率Q_n21，以及风电机组故障过程中第二测试点的电网电压U_n22和无功功率Q_n22；

步骤32：依据所述海缆影响测试中带海缆故障测试的测试数据，获取电压基波有效值曲线；依据所述电压基波有效值曲线得到风电机组正常运行时第二测试点的电网电压U_s21和无功功率Q_s21，第三测试点的电网电压U_s31和无功功率Q_s31，以及风电机组故障过程中第二测试点的电网电压U_s22和无功功率Q_s22，第三测试点的电网电压U_s32和无功功率Q_s32；

步骤33：依据第二测试点和第三测试点的测试数据计算海缆影响系数，包括：

第一测试点的电压影响系数K_U1，K_U1＝U_s21/U_n21；

第一测试点的无功功率影响系数K_Q1，K_Q1＝Q_s21-Q_n21；

第二测试点的电压影响系数K_U2，K_U2＝U_s22/U_n22；

第二测试点的无功功率影响系数K_Q2，K_Q2＝Q_s22-Q_n22；

第三测试点的电压影响系数K_U3，K_U3＝U_s31/U_n21；

第三测试点的无功功率影响系数K_Q3，K_Q3＝Q_s31-Q_n21；

第四测试点的电压影响系数K_U4，K_U4＝U_s32/U_n22；

第四测试点的无功功率影响系数K_Q4，K_Q4＝Q_s32-Q_n22；

优选的，所述步骤4中对风电机组进行故障穿越测试包括：

将所述风电场升压变压器接入电网，分别获取负载条件下风电机组正常运行时第二测试点和第三测试点的测试数据，以及风电机组故障过程中第二测试点和第三测试点的测试数据；

优选的，所述步骤5中计算风电机组的故障穿越指标包括：

步骤51：依据所述海缆影响系数计算负载条件下风电机组正常运行时的电压和无功功率，以及风电机组故障过程中的电压和无功功率；

步骤52：依据上述电压和无功功率判断风电机组故障穿越过程中的电压跌落深度和无功功率；

优选的，所述步骤51包括：

当U_s21-U_n21＜U_s31-U_n21时，依据第二测试点的测试数据计算负载条件下：

风电机组正常运行时的电压U_1r，U_1r＝U₁₁/K_U1，以及无功功率Q_1r，Q_1r＝K_Q1+Q₁₁；

风电机组故障过程中的电压U_2r，U_2r＝U₁₂/K_U2，以及无功功率Q_2r，Q_2r＝K_Q2+Q₁₂；

当U_s21-U_n21≥U_s31-U_n21时，依据第三测试点的测试数据计算负载条件下：

风电机组正常运行时的电压U_1r，U_1r＝U₂₁/K_U3，以及无功功率Q_1r，Q_1r＝K_Q3+Q₂₁；

风电机组故障过程中的电压U_2r，U_2r＝U₂₂/K_U4，以及无功功率Q_2r，Q_2r＝K_Q4+Q₂₂；

其中，U₁₁和Q₁₁分别为风电机组正常运行时第二测试点的电压和无功功率，U₁₂和Q₁₂分别为风电机组故障过程中的第二测试点的电压和无功功率；

U₂₁和Q₂₁分别为风电机组正常运行时第二测试点的电压和无功功率，U₂₂和Q₂₂分别为风电机组故障过程中的第二测试点的电压和无功功率；

K_U1、K_U2、K_U3、K_U4、K_Q1、K_Q2、K_Q3和K_Q4均为海缆影响系数。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种考虑海缆影响的海上风电机组故障穿越测试方法，利用全面的测试点，可以得出海缆对风电机组故障穿越测试的影响系数，进而得到更加准确的故障穿越指标；

2、本发明提供的一种考虑海缆影响的海上风电机组故障穿越测试方法，通过现场测试数据，得出海缆影响系数，并根据海缆影响系数排除海缆影响，从而更加准确的得到整个故障过程中的参数指标。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中海上风电机组故障穿越测试原理图；

图2：本发明实施例中海上风电机组故障穿越测试点分布图；

图3：本发明实施例中故障穿越装置结构图；

图4：本发明实施例中空载故障测试的电压波形图；

图5：本发明实施例中空载故障测试的无功功率波形图；

图6：本发明实施例中带海缆故障测试第二测试点的电压波形图；

图7：本发明实施例中带海缆故障测试第二测试点的无功功率波形图；

图8：本发明实施例中带海缆故障测试第三测试点的电压波形图；

图9：本发明实施例中带海缆故障测试第三测试点的无功功率波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种考虑海缆影响的海上风电机组故障穿越测试方法，采用的测试原理主要包括故障穿越装置的技术要求和设备要求。其中，

1、故障穿越装置的技术要求

本实施例中采用标准GB/T 19963-2011《风电机组接入电力系统技术规定》对风电场低电压穿越做出要求。主要内容为：风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20％额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力；风电场并网点电压在发生故障后2s内能够恢复到额定电压的90％时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

动态无功支撑能力，当电力系统发生三相短路故障引起电压故障时，每个风电场在低电压穿越过程中应具有以下动态无功支撑能力：

①：当风电场并网点电压处于标称电压的20％～90％区间内时，风电场应能够通过注入无功电流支撑电压恢复；自并网点电压故障出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间应不少于550ms。

②：风电场注入电力系统的动态无功电流I_T≥1.5×(0.9-U_T)I_N，(0.2＜U_T＜0.9)

式中：U_T——风电场并网点电压标幺值；I_N——风电场额定电流。

2、故障穿越装置的设备要求

电网电压故障由电网故障造成。电网故障具有不可控性，实际风电机组的低电压穿越特性不可能通过电网的真实故障来测试。因此必须有专门的设备，既能产生需要的电压故障，又不能影响电网的正常安全运行，用于测试风电机组的低电压穿越特性。

本实施例才图3所示的阻抗分压式电压故障发生装置，通过在主电路中并联或串联电阻/电抗实现电压故障，即通过阻抗1、阻抗2以及风电机组阻抗的适当匹配产生预期的电压故障。

本发明提供的考虑海缆影响的海上风电机组故障穿越测试方法的实施例，首先按照图1所示将风电机组、风电机组升压变压器、海缆、故障穿越装置和风电场升压变压器依次连接，该实施例的具体步骤为：

1、确定风电机组故障穿越测试的测试点。

本实施例中由于海缆对海上风电机组故障穿越测试结果的影响，正对海缆的影响按照图2所示布置测试点。其中，测试点应当至少包括故障穿越装置进线端的三相电压和三相电流，海缆邻近故障穿越装置端的三相电压和三相电流，海缆邻近风电机组升压变压器高压侧的三相电压和三相电流，以及风电机组升压变压器低压侧的三相电压和三相电流。

如图2所示，该测试点至少包括第一测试点、第二测试点、第三测试点和第四测试点：

第一测试点设置在故障穿越装置与风电场升压变压器之间；

第二测试点设置在故障穿越装置侧的海缆上；

第三测试点设置在风电机组升压变压器侧的海缆上；

第四测试点设置在风电机组与风电机组升压变压器之间。

2、开展海缆影响测试。

本实施例中开展海缆影响测试包括空载故障测试和带海缆故障测试。

(1)空载故障测试

将故障穿越装置与海缆断开，对该故障穿越装置进行空载短路试验，获取第二测试点的空载短路试验数据。

(2)带海缆故障测试

将故障穿越装置与海缆连接且风电机组置于停机状态，对该故障穿越装置进行空载短路试验，获取第二测试点和第三测试点的空载短路试验数据。

本实施例中空载故障测试和带海缆故障测试的电压故障类型、故障幅度和故障的持续时间相同。例如故障类型可以是三相对称故障或者两相不对称故障等，故障幅度可以是90％Un、75％Un、50％Un、35％Un、20％Un，不同故障的持续时间可以是2000ms、1705ms、1214ms、920ms、625ms。其中，为Un额定电压。

3、依据海缆影响测试的测试数据计算海缆影响系数。

(1)依据海缆影响测试中空载故障测试的测试数据，获取电压基波有效值曲线；依据电压基波有效值曲线得到风电机组正常运行时第二测试点的电网电压U_n21和无功功率Q_n21，以及电压故障过程中第二测试点的电网电压U_n22和无功功率Q_n22。

本实施例中电压故障前的电压和无功功率为风电机组正常运行时的电压和无功功率，电压故障中的电压和无功功率为风电机组故障中的电压和无功功率。

(2)依据海缆影响测试中带海缆故障测试的测试数据，获取电压基波有效值曲线；依据电压基波有效值曲线得到风电机组正常运行时第二测试点的电网电压U_s21和无功功率Q_s21，第三测试点的电网电压U_s31和无功功率Q_s31，以及电压故障过程中第二测试点的电网电压U_s22和无功功率Q_s22，第三测试点的电网电压U_s32和无功功率Q_s32。

(3)依据第二测试点和第三测试点的测试数据计算海缆影响系数，包括：

第一测试点的电压影响系数K_U1，K_U1＝U_s21/U_n21；第一测试点的无功功率影响系数K_Q1，K_Q1＝Q_s21-Q_n21。

第二测试点的电压影响系数K_U2，K_U2＝U_s22/U_n22；第二测试点的无功功率影响系数K_Q2，K_Q2＝Q_s22-Q_n22。

第三测试点的电压影响系数K_U3，K_U3＝U_s31/U_n21；第三测试点的无功功率影响系数K_Q3，K_Q3＝Q_s31-Q_n21。

第四测试点的电压影响系数K_U4，K_U4＝U_s32/U_n22；第四测试点的无功功率影响系数K_Q4，K_Q4＝Q_s32-Q_n22。

4、对风电机组进行故障穿越测试。

将风电场升压变压器接入电网，分别获取负载条件下风电机组正常运行时第二测试点和第三测试点的测试数据，以及风电机组故障过程中第二测试点和第三测试点的测试数据。

5、依据海缆影响系数和步骤4中故障穿越测试的测试数据计算风电机组的故障穿越指标。

1、依据海缆影响系数计算负载条件下风电机组正常运行时的电压和无功功率，以及风电机组故障过程中的电压和无功功率。

(1)当U_s21-U_n21＜U_s31-U_n21时，依据第二测试点的测试数据计算负载条件下：

①：风电机组正常运行时的电压U_1r，U_1r＝U₁₁/K_U1，以及无功功率Q_1r，Q_1r＝Q₁₁-K_Q1；

②：风电机组故障过程中的电压U_2r，U_2r＝U₁₂/K_U2，以及无功功率Q_2r，Q_2r＝Q₁₂-K_Q2；

(2)当U_s21-U_n21≥U_s31-U_n21时，依据第三测试点的测试数据计算负载条件下：

①：风电机组正常运行时的电压U_1r，U_1r＝U₂₁/K_U3，以及无功功率Q_1r，Q_1r＝Q₂₁-K_Q3；

②：风电机组故障过程中的电压U_2r，U_2r＝U₂₂/K_U4，以及无功功率Q_2r，Q_2r＝Q₂₂-K_Q4；

其中，U₁₁和Q₁₁分别为风电机组正常运行时第二测试点的电压和无功功率，U₁₂和Q₁₂分别为风电机组故障过程中的第二测试点的电压和无功功率；U₂₁和Q₂₁分别为风电机组正常运行时第二测试点的电压和无功功率，U₂₂和Q₂₂分别为风电机组故障过程中的第二测试点的电压和无功功率；K_U1、K_U2、K_U3、K_U4、K_Q1、K_Q2、K_Q3和K_Q4均为海缆影响系数。

2、依据上述电压和无功功率判断风电机组故障穿越过程中的电压跌落深度和无功功率。

本发明中以50％Un的故障幅度为例介绍考虑海缆影响后的海上风电机组故障穿越指标的计算过程：

1、开展海缆影响测试

如图4和5所示，进行空载故障测试得到的风电机组正常运行时第二测试点的电压U_n21＝20518V，无功功率Q_n21＝-0.6kvar，以及风电机组故障过程中第二测试点的电压U_n22＝10209V，无功功率Q_n22＝0var。

如图6和7所示，进行带海缆故障测试得到的风电机组正常运行时第二测试点的电压U_s21＝:21326V，无功功率Q_s21＝908kvar，以及风电机组故障过程中第二测试点的电压U_s22＝10401V，无功功率Q_s22＝220kvar。

如图8和9所示，进行带海缆故障测试得到的风电机组正常运行时第三测试点的电压U_s31＝:21341V，无功功率Q_s31＝-36kvar，以及风电机组故障过程中第三测试点的电压U_s32＝10408V，无功功率Q_s32＝-6kvar。

2、依据海缆影响测试的测试数据计算海缆影响系数

由于U_s21-U_n21＜U_s31-U_n21，则依据第二测试点的测试数据计算海缆影响系数K_U1＝1.04，K_Q1＝908.6，K_U2＝1.02，K_Q2＝220。

3、对风电机组进行故障穿越测试

测试时风电机组输出有功功率约为450kW，正常运行时电压为U₁₁＝21343kV，无功功率为Q₁₁＝875kvar，故障过程中电压为U₁₂＝11592kV，无功功率为Q₁₂＝1643kvar。

4、依据海缆影响系数和步骤3中故障穿越测试的测试数据计算风电机组的故障穿越指标。

正常运行时电压为U_1r＝U₁₁/K_U1＝20522kV，无功功率为Q_1r＝Q₁₁-K_Q1＝-33.6kvar，故障过程中电压为U_2r＝U₁₂/K_U2＝11364kV，无功功率为Q_2r＝Q₁₂-K_Q2＝1423kvar。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域谱通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。