考虑相位跳变的风力发电机组低电压穿越能力测试方法与流程

本发明涉及风电机组低电压穿越测试领域，具体地，涉及一种考虑相位跳变的风力发电机组低电压穿越能力测试方法。

背景技术：

随着各国不断加强可再生能源的开发与利用，风能作为一种无污染、可再生、占地少、开发利用技术成熟的新能源，在世界各国得到了发展和利用。风力发电作为目前最具规模化和商业化发展前景的新能源技术，近十年来得到了快速的发展。至2010年，中国已超越美国成为世界风电装机容量第一大国。随着风电在电网中的渗透率不断加大，风电的波动性和随机性给电力系统的稳定运行造成了不可忽视的影响。

在各类型的风力发电机组中，双馈感应电机(DFIG)因其具有变速恒频运行能力，励磁变换器容量小，生产成本低等优点，已成为应用最为广泛的风电机组。但因其定子直接并网，转子通过励磁变流器与电网相连，且小功率变流器对机组的控制能力有限，因此DFIG对电网故障，尤其是电压跌落故障尤为敏感。

目前，已有多个国家拟定了新的风电并网导则，要求风电机组必须具有低电压穿越(LVRT)能力。中国2011年发布的风电场接入电力系统技术规定已明确提出：风电场并网点电压跌落至20％标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms；风电并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90％时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。同时2014年发布的《风电机组低电压穿越能力测试规程》具体规定了低电压穿越现场测试的基本要求、测试内容、测试设备和测试步骤。但以上测试规程均未考虑电压跌落时存在相位跳变的情况。

相位跳变已被IEEE Std1564-2014定义为电压暂降的第三个重要特征。电网发生短路故障时，因风电接入电网的系统阻抗与故障阻抗的阻抗角不同，相位跳变将伴随电压幅值跌落出现。已有不少研究表明，在同样跌落幅值和故障持续时间的情况下，发生相位跳变将造成DFIG定子磁链振荡幅值增大，引起更高的转子过电流、直流母线过电压等一系列更严重的暂态过程，威胁转子变流器和机组安全，并可能导致低电压穿越失败。与此同时，风电机组多采用矢量定向控制，实际定向因采用滤波或积分去噪环节，存在一定时滞，在相角跳变时快速跟踪角度的变化较为困难，导致较大的定向偏差。此时机组控制性能较差，机组将遭受更为严重的暂态过程，甚至将导致风电机组因过流、过压保护动作而过早从电网中切除。当机组遭受相同电网电压跌落幅值时，若存在相角跳变，机组能够承受的故障持续时间将变短；而当机组承受一定的故障持续时间时，若存在相角跳变，机组所能抵御的电网电压跌落幅值会减小；即相位跳变会减小风电机组的低电压穿越域。因此在风电机组低电压穿越测试时，考虑相位跳变的影响十分必要。

现有的风电机组的低电压穿越能力测试规程(NB/T31051—2014)所采用的电压跌落发生装置示意图如图1所示。测试时，将电压跌落发生装置串联接入风力发电机与电网中，利用阻抗分压原理在测试点产生电压跌落。调节电抗阻值可以产生不同深度的电压跌落，调节短路开关可以控制短路电抗的投切时间，并以此产生出如下表1所示的5种规格的电压跌落。

表1电压跌落规格

测试时，以表1中规定的电压跌落规格为空载测试时测试点的电压跌落情况。在风力发电机组空载和负载情况下，模拟三相电压跌落和两相电压跌落两种故障情况分别进行测试，考察风电机组对不同电压跌落幅值及持续时间的抵御能力。

现有技术存在的缺点：

现有测试规程中的电压跌落发生装置因采用两电抗的分压原理，仅能调节故障点电压跌落的幅值和持续时间，不能在测试点产生电压相位跳变；测试时规定的电压跌落规格中，亦未考虑相位跳变的因素，这与电网实际故障中最常见的电压跌落伴随相位跳变的情况不符，无法真实反应风电机组遭受实际故障时所表现的低电压穿越过程。通过了现有测试的风电机组，在实际并网运行过程中，即使遇到暂降幅值和故障持续时间与测试时相同电压跌落故障，因为相位跳变的影响，同样可能导致过电流和过电压超过保护限值，引起切机保护动作，使得风电机组低电压穿越失败，影响电网运行安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于，考虑实际电网中不同故障类型的电压跌落幅值和相位跳变角度的对应关系，以电压跌落幅值、故障持续时间，故障点电压相位跳变为三要素，从三个方面规定测试电压跌落规格，提供一种考虑相位跳变的风力发电机组低电压穿越能力测试方法，在不同工况下对风电机组的低电压穿越能力进行测试，评估风电机组的低电压穿越能力。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种考虑相位跳变的风力发电机组低电压穿越能力测试方法，包括如下步骤，

S1：改进电压跌落发生装置，确定电压跌落规格；

S2：进行短路容量测试，确定接入系统的限流电抗X_sr的阻值；

S3：调节改进的电压跌落发生装置中短路阻抗Z_sc电阻值和电抗值，在测试点产生测试需要的电压跌落规格，并测试电压跌落规格是否符合要求；

S4：根据步骤S3中的测试电压规格，进行空载测试和负载测试；

S5：测试完成后，汇总测试和评估结果。

在本发明一实施例中，所述步骤S1具体实现如下，

S11：运用可调节的短路阻抗代替现有跌落发生装置中的短路电抗，或在短路电抗后串联可调电阻接地；

S12：以测试风机接入电网的电网阻抗角为基准，结合并网点电压幅值和相位跳变角度的对应关系，计算特征相位跳变角度，并根据故障类型计算出各相电压的跳变角度值，确定考虑相位跳变的电压跌落规格。

在本发明一实施例中，所述步骤S2具体实现如下，

S21：检查各开关位置，进行短路容量测试，设定低电压穿越测试点的电网容量为风电机组额定容量的3倍以上；

S22：根据短路容量值要求，确定串联限流阻抗值范围。

在本发明一实施例中，所述步骤S3具体实现如下，

S31：由步骤S2中确定的限流电抗阻值，计算出短路阻抗阻值；

a、由步骤S2中确定的限流电抗X_sr阻值X_sr1，并从测试装置接入点M看入的系统阻抗Z_sr0，由下式得到短路点的系统阻抗Z_sr：

Z_sr＝Z_sr0+X_sr1＝R_sr+jX_sr (1)

式中，R_sr为短路点系统阻抗的电阻值，X_sr为短路点系统阻抗的电抗值；

b、测试需要的短路阻抗值可表示为

Z_sc＝R_sc+jX_sc (2)

式中，R_sc为短路阻抗的电阻值，X_sc为短路阻抗的电抗值；

由式(2)及下式(3)，结合步骤S12获得的各相电压跌落幅值U_x和各相的相位跳变角度即可求得短路阻抗值，其中x分别表示a、b、c三相；

S32：将改进的电压跌落发生装置串联接入风电机组升压变压器高压侧，按步骤S31中计算结果，调节电压跌落发生装置中各相短路阻抗值，在并网点产生计及相位跳变的电压跌落；

S33：检测并网点电压跌落规格是否符合要求。

在本发明一实施例中，所述步骤S4具体实现如下，

S41：进行空载测试，记录测试数据；

S42：在测试点短路容量和空载测试结果满足要求的情况下，进行负载测试，记录测试数据。

在本发明一实施例中，所述步骤S5具体实现如下，

S51：汇总并处理测试数据；

S52：根据风电机组低电压穿越能力要求，评估测试结果。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明考虑相位跳变的风电机组低电压穿越测试方法，基于故障后并网点电压跌落幅值和相位跳变角度的对应关系，首次提出考虑相位跳变的测试电压跌落规格，并提出一种产生相应电压跌落测试规格的跌落发生装置改进方案和测试时的具体调整方法；计及相位跳变的电压跌落测试规格，可更真实的反映了故障后并网点电压的变化情况；改进后的电压跌落发生装置可根据测试要求，调节并产生任意的测试电压跌落幅值、相位跳变角度；低电压穿越测试时考虑相位跳变的影响，测试和评估结果可更真实的反映电网故障后风电机组的影响过程和低电压穿越能力；因此，运用考虑相位跳变的低电压穿越测试方案，可更严格的评估风电机组的低电压穿越能力，使通过了低电压穿越测试的风电机组不会因为电网故障时相位跳变的影响出现安全事故。

附图说明

图1是现有风电机组测试规程电压跌落发生装置示意图。

图2是改进的电压跌落发生装置结构图。

图3是风电接入电网故障系统示意图。

图4是特征跌落幅值和特征相位跳变角度随相对故障距离的变化规律。

图5是特征跌落幅值和特征相位跳变角度的对应关系。

图6是故障(A类故障)下的电压矢量图。

图7是两相接地故障(C类故障)下的电压矢量图。

图8是考虑相位跳变的低电压穿越能力测试方案流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种考虑相位跳变的风力发电机组低电压穿越能力测试方法，主要步骤如下：

1、改进电压跌落发生装置，确定电压跌落规格。

具体步骤如下：

1)改进电压跌落发生装置。运用可调节的短路阻抗代替现有跌落发生装置中的短路电抗，如图2。测试时将改进的电压跌落装置串联接入风电机组升压变压器高压侧，升压变压器采用星三角连接。测试时应用阻抗分压原理以及系统阻抗和短路阻抗的阻抗角不同，在测试点产生电压跌落和相位跳变。

图2中已给出了改进后的低电压穿越测试系统拓扑结构，X_sr1为限流电抗，Z_sc为短路阻抗，Z_sr0为从测试装置接入点M看入的系统阻抗，则从短路点看入的系统阻抗Z_sr为：

Z_sr＝Z_sr0+X_sr1＝R_sr+jX_sr (1)

为电网额定电压，则短路点电压可以写成如下形式：

相应的相角变化为：

式中：x表示a、b、c三相。

2)确定电压跌落规格。著作Understanding Power Quality Problem:Voltage Sag and Interruption(M.H.J.Bollen，Piscataway,NJ,USA:IEEE,2000)提出将对称和不对称短路故障造成的电压暂降分为7种类型，低电压穿越测试要求的测试故障类型为三相故障和两相故障，因此以对风电机组影响最严重的A类三相故障和C类两相相间故障为基准选取电压跌落规格。

图3为风电场接入电网示意图，阻抗角α为故障阻抗Z_F与系统阻抗Z_S之间的夹角，如式(4)所示，其中Z_S＝R_S+jX_S，Z_F＝R_F+jX_F：

A类暂降下，三相电压幅值下降程度基本相同，a、b、c三相之间相对角度不发生变化，其三相电压表达式为：

式中，为三相故障发生时A相电压暂降幅值的标幺值。

C类暂降下，非故障相A相电压保持不变，故障相B、C幅值减小，且同时向远离非故障相的方向靠拢，三相电压表达式为：

式中表示故障时两故障相线电压与故障前两故障相线电压幅值的比值。

式(5)和(6)的各类暂降的表达式中的V被称暂降的特征电压，特征电压在不同暂降类型中有不同含义。A类暂降中表示任意故障相电压，C类暂降则表示两故障相之间的线电压。当阻抗角α为0°时，发生短路故障不会造成特征电压相角的改变；当阻抗角不为0°时，特征电压将发生相位跳变，各类型暂降三相表达式中的V需用Vcosφ-jVsinφ代替，特征幅值为V，特征相位跳变为φ，即：

式中：相对故障距离λ＝|Z_F|/|Z_S|

由式(7)可得出不同电网阻抗角下，相对故障距离和特征幅值、特征相位跳变角度之间的关系，如图4。进一步的，可得到相位跳变角度和电压跌落幅值之间的对应关系，如图5。

考虑电网阻抗角影响时，A类故障的各相电压的幅值和相角可表示为式(8)，相应的暂降向量图见图6：

考虑电网阻抗角影响时，C类故障的各相电压的幅值和相角可表示为式(9)，相应的暂降向量图见图7：

因此，测试时具体步骤为：

a、确定阻抗角。根据测试风机并入电力系统的实际情况，确定电网阻抗角。通常在输电网、配电网和海上风电场经海底交流电缆并网结构中其典型值分别为0°，-20°，-60°。

b、确定特征相位跳变角度。将现有测试电压规格中的电压幅值作为特征电压幅值，根据图5中特征电压幅值确定特征相位跳变角度之间的关系，或将步骤a中阻抗角值代入式(7)中计算，确定相应的特征相位跳变角度。并将改进后的电压跌落规格填写至表2中。

表2特征相位跳变角度

c、确定各相电压的幅值相角。根据步骤b表2中的特征电压幅值和特征相位跳变角度，由式(8)～(9)计算出A类和C类故障中各相电压的幅值和相角，得到考虑相位跳变的电压跌落规格，并填写至表3中。

表3改进后的电压跌落规格

2.进行短路容量测试，确定接入系统的限流电抗器X_sr的阻值。

具体内容如下：

a、检查各开关位置，进行短路容量测试，设定低电压穿越测试点的电网容量为风电机组额定容量的3倍以上。

b、根据步骤a中的短路容量值，设定串联限流阻抗值。由于限流阻抗与短路容量成反比，选择串联阻抗过大时，可能造成低电压穿越失败。当设定短路容量值满足步骤a中要求时，限流阻抗大小不会对风电机组产生明显的暂态响应。

3.调节改进的电压跌落发生装置中短路阻抗Z_sr值，在测试点产生考虑相位跳变的电压跌落规格，并测试电压跌落规格是否符合要求。

测试时，通过调整各相短路阻抗和限流电抗的值，即可调节各相电压跌落的幅值和相位跳变角度；通过控制短路开关的开断，即控制短路阻抗的投入及切除时间，可控制电压跌落的持续时间；从而产生同时包含跌落幅值、相位跳变角度和故障持续时间信息的测试用电压跌落类型。

具体内容如下：

1)确定短路阻抗值

a、由步骤2确定限流电抗阻值X_sr1，并测得M点的系统阻抗Z_sr0，由式(1)得到短路点的系统阻抗Z_sr：

b、测试需要的短路阻抗值可表示为

Z_sc＝R_sc+jX_sc (10)

由式(2)和式(3)，并根据步骤1中确定的各相电压跌落幅值U_x和各相的相位跳变角度Dj_x(其中x分别表示a、b、c三相)，求解式方程组(11)：

c、由式(11)结果和式(10)，求得短路阻抗值。

2)按步骤1)中计算结果，调节电压跌落发生装置中各相短路阻抗值，在并网点产生计及相位跳变的电压跌落。

3)检测并网点电压跌落规格是否符合要求。

a、设测得的变压器高压侧三相电压信号为(以故障相a相为例)：

式中：U、j分别为正弦信号的幅值有效值和相角；w为角频率；t为时间。

b、采用快速傅里叶变换算法，在时间段(t-T，t)内提取正弦信号基波分量，其中T为正弦信号周期，且T＝2p/w，得基波分量为：

式中：下标fund表示基波分量。

c、求得相位跳变值

由式(13)可知，电压相位与时间的函数关系为：

由于相位跳变是电压相位在故障前后瞬间的角度差，则Dj写成时间的函数为：

又可得：

对式(16)进行变换，使考虑到ωt＝arg(e^jωt)，arg(A)-arg(B)＝arg(A/B)，则：

4.根据步骤3中的测试电压规格，进行空载测试和负载测试。

具体内容如下：

根据限流电抗器X_sr的阻值和步骤3中涉及的短路阻抗阻值的调整方案，在测试点产生考虑相位跳变的测试电压跌落规格，进行空载测试。在测试点短路容量和空载测试结果满足低电压穿越要求的情况下进行负载测试，测试时保持限流电抗和短路阻抗值与空载测试时一致，同一故障类型需测试两次。具体测试步骤和方案现行测试规程相同，此处不再赘述。

5.测试完成后，汇总测试和评估结果。

具体内容如下：

a、汇总并处理测试数据。根据NB/T31051-2014中已给出的风力发电机组低电压穿越测试的有功功率、无功功率和电压的推荐计算方法，以及升压变压器高压侧相位跳变角度计算方法，对测试数据进行处理并绘制相应曲线。

b、根据风电机组低电压穿越能力要求，评估测试结果。评估方法与现行测试规程相同，此处不再赘述。测试完成后，汇总测试和评估结果如表4所示。

表4考虑相位跳变的低电压穿越测试结果评估

应用改进的电压跌落发生装置的考虑相位跳变的低电压穿越能力测试方案流程如图8所示。

下面以输电网和海上风电场经海底交流电缆并网结构中其典型值α＝0°和α＝-60°为例，确定的考虑相位跳变的电压跌落规格：

当风机接入电网的阻抗角α＝0°时，考虑相位跳变的电压跌落规格中的特征相位跳变角度和计算得到的各相相位跳变角度均为0°，测试方案与不考虑相位跳变时相同；

当风机接入电网的阻抗角α≈-60°时，考虑相位跳变的电压跌落规格如下：

由特征电压幅值和特征相位跳变角度的对应关系，考虑相位跳变的电压跌落规格如表5。

表5考虑相位跳变的电压跌落规格

各相电压幅值和相位跳变角度值，如表6

表6电压跌落规格

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。